5. 12 挤包绝缘的修复
5. 12. 1 概念介绍
本节主要技术仅与老化的挤包绝缘有关。 时间流逝， 电缆长期老化， 使得电缆业主面临这些电缆最终击穿失效的状况。 必须在实际击穿前采取行动来延长电缆寿命。 这些行动包括修复电缆使电缆保持一个更长的健康期。 修复工艺包括向电缆导体绞线内注入硅烷单体， 使其扩散到绝缘中。 然后， 硅烷单体聚合， 同时与绝缘中存在的水分发生反应。 聚合后的硅烷单体会填充绝缘中存在的微孔， 提高电缆的电气强度。 这种修复工艺也适合已经击穿的电缆， 不过在注入修复前要把击穿部位去除并安装新的接头。
当电缆到了预计寿命时， 电缆业主面临着更换、 修理还是修复电缆的决定。 成本是一个因素。 更换常常意味着昂贵的电缆通道费用。 中断供电服务是另一个要考虑的方面。 还有一个因素是电缆的绝缘类型。 本节中仅涉及技术因素。
修复工艺的发展历史是很有趣的。 在 20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代早期，已经从工作中形成该工艺的概念。 当时发现已经安装的聚乙烯绝缘许多都在预期寿命前发生击穿故障 （ 原因是水树）。 工业界的一个应对措施是考虑把 HMWPE 绝缘电缆更换为 XLPE 绝缘电缆， 依据是一种抗水树添加剂———苯乙酮存在于 XLPE中， 但 HMWPE 中没有。 如图 5- 11 所示， 苯乙酮是交联过程的副产物。 因此， 不是 XLPE 本身， 而是交联工艺中的副产物有抗水树特性。 但是， 苯乙酮会逐渐析出电缆， 从而使得 XLPE 电缆的抗水树特性不是长久的。 后来， 工业界把重心放在开
发具有长期抗水树特性的 XLPE 上， 抗水树性能优于传统的 XLPE （ 见 5. 5 节）。
工业界在致力于开发新的基于 XLPE 的绝缘材料的同时， 对于已经敷设的
HMWPE绝缘和 XLPE 绝缘电缆， 也在努力提高这些旧电缆的性能。 既然很明显水的存在是导致地下电缆提前老化减少寿命的主要原因， 最早的考虑就是采用正压的泵通过导体绞线的间隙来充入干燥的氮气。 这个思路在早期敷设的多股绞合导体的聚乙烯绝缘电缆上成功实施， 原因是在绞线间存在空隙通道使氮气通过 （ 实心导体是不可能采用上述思路的）。 充足稳定的气流排出了潮气， 最后还采用空气代替了氮气。 尽管电缆的寿命提高了， 但是这种工艺本身还是有一些局限的。 为了气流通过， 需要配置特殊的终端和接合器装置。 电缆的弯头以及应力锥要改进， 还需要在导体上使用特殊夹具。 由于过程中需要稳定的气流， 就需要时时维护， 而且如果干燥中断， 潮气会再次进入电缆系统。
气体为主的干燥修复过程成功阻止了水树的产生， 延长了电缆寿命。 干燥对电
缆的寿命延长十分关键。 但是由于实施上的实际困难， 也很难继续改进。 最后， 整个概念转换到使用兼容的绝缘液体上来。 开始选择了苯乙酮， 原因前面已经提到了
（ 已经证明它能使XLPE 绝缘电缆具有抗水树特性）。 在浸渍绝缘上的试验表明苯乙酮能够提高电缆的交流 （ AC） 击穿强度。 实际上， 加入苯乙酮能够像充压缩氮气那样排出电缆中的潮气和杂质。 （ 由于苯乙酮在约 20℃ 凝固， 导致在把该物注入成品电缆的过程中温度控制措施与交联反应时不同。） 但是， 在现场注入液体， 其工艺过程的诸多缺点与充入干燥氮气是相同的。 苯乙酮在时间长后会从电缆中析出，因此需要经常维护补充， 这样也增加了成本。
20 世纪 80 年代， 在充氮气和苯乙酮的基础上开发了更加实用化的修复工艺。这种工艺采用硅胶材料 （ 烷氧基硅烷） 解决了充入材料溢出电缆的问题。 小分子量的硅烷在化学反应中去除了水分 （ 持续充入氮气和苯乙酮的一个目的）， 同时也增加了分子量 （ 因此不会随着时间而从绝缘析出）。 Tarpey 和工人们一起在奥克兰
（ Rockland） 电力局首次实现了该工艺的经济化应用[39] 。 这种技术解决了很多问题， 实现了旧电缆延长使用寿命从概念到实用。
先将硅油充入电缆绞合导体内， 硅油扩散到绝缘中， 与水产生化学反应， 分子量增加。 硅油的分子量越大， 越不容易像苯乙酮那样析出。 由于这种技术把充入的液体变成了电缆绝缘中的 “ 凝胶”， 就不要再持续地施加外部压力。 而且， 硫化反应不仅填充了绝缘的微孔， 而且也阻止了潮气再进入电缆。 最后， 该技术还能提高电缆的介电强度。
单体转变为聚合物的过程与乙烯到聚乙烯的转变过程类似 （ 见 5. 2 节）。 两者的过程都是低分子量的组分先在长度上生长， 形成具备期望性能的链状聚合物。 可是， 两者的类似也到此为止了。 两者的聚合物类型以及转变过程的机理都存在重要的区别。 详细讨论其中的区别不是本章的内容。 需要注意的是， 聚合硅油的分子链长度比聚乙烯的要短， 也称为 “ 低聚物”。
我们接下来论述修复工艺的化学原理和可现场具体应用的实践技术。
5. 12. 2 修复原理
有几种硅基修复液可以使用。 苯基二甲基硅油 （ PMDMS） 是一种低聚物， 已经使用了很多年。 本节就是以它作为讨论的基础。 这种硅油具备以下特性： 最初黏度低、 渗透快、 与水反应后分子链变长。 其中能快速渗透电缆是一个重要特点。 随着分子量增加， 渗透率减小， 单体被锁定在与水反应的地方 （ 如水树区）。 图 5- 19[40] 显示了单体齐聚的过程。
图 5- 19 苯基二甲基硅油的齐聚 （ 四个部分图示和描绘了与水反应以及分子链的生长）
图 5- 19a 显示了 PMDMS 的化学结构。 弱极性甲基官能团使分子在低聚物的高应力被 “ 捕获”。 单体在水树区与水反应。
图 5- 19b 显示的是反应初期水的极性羟基官能团取代了甲基。
图 5- 19c 显示的是刚形成的含羟基的单体与另一个 PMDMS 单体进行反应， 就形成了高分子量的硅油， 称为二聚体。 二聚体的形成被认为是齐聚过程的第一步。
图 5- 19d 显示接下来的一个可能事件。 一个带有活性甲基官能团的二聚体
（ 见图 5- 19c 右侧） 与一个图 5- 19b 所示的单体发生反应。 同时在图 5- 19c 和图
5- 19d中的另一个甲基官能团也会反应 （ 反应结果未图示）。
可能图 5- 19b 所示的单体与水反应 （ 在与另一个 PMDMS 单体进行反应前），产生了带有两个羟基官能团的一个分子。 这些反应也可能同时发生 （ 也未图示）。由于上述过程， 分子量增加。
因此， 上述一系列反应都使硅油注入修复技术向正确的方向发展。
● 快速地把硅油充入电缆导体。
● 通过与硅油的化学反应， 去除了水。
● 硅油单体齐聚化， 成为凝胶结构。
● 硅油齐聚后留在原来有水的区域。
● 新的聚合物阻止水分进入。
● 最终的结果是提高介电强度， 提高寿命。有几个关键点：
1） PMDMS 只是用作例子。 目前常用的是把该单体与其他硅油单体混合， 以增强特性。
2） 更新的技术还可以用其他硅油替代 PMDMS， 如二烷基烷氧基硅烷 （ 如二甲基二甲氧基硅烷）；
3） 需要加入催化剂开始齐聚过程[41] ；
4） 硅油注入前， 可能需要加入化学添加剂到硅油单体中[42] 。
5. 12. 3 电缆修复的现场过程
本节对提高敷设后的旧电缆性能的实际工作进行论述。 新电缆的敷设方面的内容在第 12 章讲述。 我们主要涉及的是现场的操作过程， 不包含最初的敷设安装工作， 尽管这也与化学反应的顺利完成有关。 对附件的讨论， 可以参阅前面章节的内容。 在注入前诊断电缆状态的内容在本书的第 18 章论述。
下面关于注入修复的现场工作步骤， 是针对地下住宅配电 （ URD） 电缆的。馈电电缆的步骤会稍有不同。
1） 断电。
2） 对电缆进行诊断试验 （ 时域反射仪或者 TDR）， 来确认电缆长度、 确认电缆的中性线无腐蚀功能完好。
3） 安装使用的附件。 注射弯管或注射接收器都是经过改造的。 这些都是永久
4） 重新送电。
5） 进行流量和压力测试。 电缆一端充入氮气， 另一端测流量。 电缆加压和充气并且监控。 目的是保证通流， 没有泄漏， 同时去除导体中的水分。 还要查明电缆的接头。 一般的接头可以通过气体或液体， 但是一些模塑式接头可能需要挖出并修理。
6） 然后开始修复电缆 （5. 12. 2 节已经谈过修复液）。 用一个注液罐把修复液注入电缆， 另一端放置真空罐收集修复液。 典型的修复过程需要过夜。
7） 注液罐留在当地。 操作时间一般要使足够多的修复液充入电缆并渗透到绝缘中。 电缆绝缘的厚度也会影响操作时间。
上述工艺过程是为了确保电缆系统 （ 包括接头和终端） 适合修复， 正确完整地进行修复， 在预计时间硫化 （ 不能太早开始硫化）。
进一步的资料， 见参考文献。