基于等温松弛电流法的架空绝缘导线老化状况评估

顾 金，钱 忠，沈 阳，吴建东，尹 毅

（1.国网上海嘉定供电有限公司，上海 201800；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

随着城市架空线绝缘化率的提高，配电线路的供电可靠性不断提高，线路的故障率下降，有效解决了城市绿化中的树线矛盾，提高了线路通道的利用率，防止了环境污秽对导线的直接影响。正因为架空绝缘线具有良好的社会效益和经济效益，架空绝缘线路在实际中的运用愈加广泛，而国家标准和行业标准的出台则更进一步推动了配电架空线路绝缘化工作的发展。另一方面，架空绝缘线的普及也带来了一些新的问题，总结起来主要有以下几点：

（1）雷击断线率高[1-2]。有时甚至会发生放电现象，对运行设备和周围人身造成极大的危害。

（2）进水氧化。氧化物在电场的作用下会加速对导线的腐蚀，使导线机械和绝缘强度降低，出现鼓肚现象，甚至发生断线，缩短了导线寿命。

（3）导线安装不当。主要是受传统架空裸线安装工艺和方法的影响，容易造成进水、导线从线夹中滑出、导线振动疲劳、局部发热等情况，影响绝缘线的安全运行，缩短绝缘线使用寿命。

IRC（等温松弛电流法）作为一种非破坏性测试方法，在XLPE（交联聚乙稀）电缆和发电机定子线圈的绝缘特性检测中已取得成效[3-5]。通过模拟架空绝缘线的运行状况，利用等温松弛电流法评估出线路绝缘的老化特性，以此探索架空绝缘线运行过程中电气性能的变化。

1 理论背景

聚合物的绝缘缺陷取决于聚合物内部陷阱的密度和深度，陷阱理论认为，聚合物介质中陷阱的存在会导致电子和空穴的注入，产生热电子，从而引起聚合物的降解，导致聚合物绝缘的劣化。

等温松弛电流法是基于等温松弛理论建立的方法，最早的研究主要由Simmons和Tam进行：在外电场的作用下，固体介质会发生极化，而固体介质极化后移除外电场，介质会发生松弛极化（去极化），通过电子的热释放，产生松弛电流[6]。根据Simmons和Tam的理论[7]，在保持温度恒定的情况下，松弛电流将随时间衰减，而松弛电流与固体介质内部陷阱有关。因此，通过对固体介质去极化过程中的等温松弛电流进行测量和分析，即可判断出绝缘内部的缺陷状况，进而对介质绝缘进行老化评估。

一般认为，所测得的等温松弛电流是由3种极化过程的共同作用决定的。这3种极化过程分别是绝缘的体极化、无定形与晶体之间的界面极化、以及老化造成的介质中水合离子和金属盐的极化。因此，可以用三阶指数衰减函数对等温松弛电流进行拟合，即：

式中：ai和τi反应了电介质的固有特性，i=1，2，3，ai反应了电介质材料中陷阱的密度，τi反映的则是陷阱的深度。

在拟合过程中， 可以令 τ1<τ2<τ3， 因此，时间常数τ1对应于绝缘介质体极化造成的分量，时间常数τ2对应于绝缘介质界面极化造成的分量，时间常数τ3对应于绝缘老化造成的分量。

通过计算机软件可以拟合得出公式（2）中各项待定系数的值。定义绝缘材料的老化因子为：

其中 Q（t）是 i（t）关于时间的积分， 即：

对于特定的试验样本，Q（τ2）基本保持不变，而随着老化的进行，Q（τ3）逐渐增大，因此通过上述老化因子的计算和比较即可定性分析出聚合物绝缘特性的变化[8]。而若拥有大量的试验测试数据，还可给出定量的判据对绝缘进行老化评估。

2 试验方法

2.1 架空绝缘线老化试验

在试验模型的构建中，采用等比例缩小法，等比例的缩短架空绝缘线的长度和降低塔杆的高度，但保留紧固件、贯通夹具和绝缘子等配件，以保证在不遗漏有效因素分析的基础上，减少试验的工作量，降低研究成本。试验所使用的架空绝缘线样本导体截面积为120 mm2，绝缘厚度约为3 mm，绝缘材料为交联聚乙烯。

考虑到在实际运行过程中，架空绝缘线存在3种主要运行条件：干燥天气条件、雨水天气条件、雷雨天气条件，因此在实际设计试验时，考虑通过以下步骤模拟实际的架空绝缘线的运行：

（1）架空绝缘线正常运行模拟。对架空绝缘线进行加速老化，老化时间为240 h，老化温度为120℃。

（2）潮气侵袭运行线路模拟。对架空绝缘施加10 kV的运行电压，同时对线路进行喷淋，持续200 h。

（3）雷雨天气运行模拟。在施加10 kV运行电压和不断喷淋的同时，对绝缘线路施加如图1所示的标准雷击脉冲100次。

根据上述模拟运行状况的设计，可以确定对架空绝缘线样本的等温松弛电流测试时间节点，分别为样本未老化时以及每种天气模拟运行之后。

2.2 等温松弛电流测试

等温松弛电流的测量可分为2个步骤：加压阶段（极化过程）和测量阶段（去极化过程）。试验采用基于Labview开发的测试系统操作平台，极化过程中所使用的直流高压源以及去极化过程中的电流表均为Keithley表自带，测试系统见图2。

图1 雷电脉冲波形

图2 IRC测试系统

测试电路如图3所示，这一测试电路的优点是可以实现测试过程的自动化，从而避免由于极化和去极化阶段之间的开关切换不及时造成的测试数据不完整。另一方面，由于在实际运行过程中，架空绝缘线端部绝缘和线路中间段绝缘的变化规律可能并不相同，尤其雷电对架空线端部和中部绝缘的破坏程度并不相同。因此，为了尽可能完整地了解架空绝缘线的绝缘状况，测试节点分别位于图3所示等比模型线路绝缘子附近的端部以及绝缘线中部。

图3 等温松弛电流测试电路

极化场强为240 V/mm（即极化电压为720 V），极化时间为30 min。上述极化条件既可以使绝缘介质充分极化，也避免IRC测试过程对架空线绝缘造成破坏。同时，试验研究表明，30 min的去极化电流曲线已经可以较为精确地反映出绝缘内部的缺陷状况，因此去极化电流的测量时间也选为30 min。

3 试验结果和分析

3.1 试验结果

在记录下松弛电流随时间变化的值之后，利用基于Labview平台搭建的专用分析软件可以对松弛电流进行拟合分峰，即可得到参数ai与τi（i=1，2，3）的值。 根据所得参数， 由公式（2）所示的老化因子计算公式即可计算出老化因子A的值，试验测试结果如图4所示。

图4 老化因子变化示意

由图4可知，随着试验的进行，不同运行条件的架空绝缘线中部绝缘和端部绝缘的老化因子都有不同程度的增加。反映了在热应力、电应力、潮气以及雷电脉冲的作用下，绝缘逐渐劣化。

3.2 热老化阶段

热老化阶段，利用串心变压器，可以在施加较低电压的情况下，有大电流流过架空绝缘线。由于电流的热效应，架空线的绝缘会发生热老化。为得到更为明显的试验结果，试验为加速老化。试验过程中，保持架空绝缘线温度为120℃，这一温度要远高于架空绝缘线正常运行时的线路温度。此时影响绝缘特性的主要是热应力。由图4可以发现，在热老化后，绝缘的老化因子增大。这是因为热应力的作用下，交联聚乙烯的结晶度下降，产生的极性基团增多，材料的结构层次增多，从而导致绝缘的劣化。

从图4中还可以发现，在相同的热老化条件下，架空绝缘线中部绝缘比端部绝缘老化因子上升更明显，说明架空绝缘线中部绝缘比端部绝缘劣化的更为严重。这一试验结果说明，实际工程中，在干燥天气条件下，热应力对架空绝缘线中部绝缘的破坏更严重，架空绝缘线中部绝缘老化更为严重。但是，由于实际工程中通过架空绝缘线的电流一般要远小于试验电流，因而要经更长时间的运行，才能产生较明显的现象[9-10]。

3.3 潮气侵袭运行线路模拟阶段

在潮气的侵袭下，XPLE绝缘的电老化是导致绝缘劣化的重要因素。其具体过程是：在交流电场的作用下，潮气中的水以及金属盐离子会和架空线绝缘发生一系列反应，架空线绝缘介质中电子和空穴之间频繁发生复合、入陷、脱陷反应，这些反应都会导致大分子发生降解，XPLE绝缘的结晶度下降，使交联聚乙烯材料发生老化。而降解产生的极性基团又增加了介质内电荷积聚，进一步地加剧聚合物的降解[11-12]。

通过对图4中架空绝缘线绝缘端部和中部绝缘老化因子的变化以及不同试验阶段老化因子的变化进行对比，还可以发现以下特点：

（1）和端部绝缘老化因子的变化相比，架空绝缘线中部绝缘劣化得更为明显。根据上述分析，原因应当是在之前的热老化阶段，架空绝缘线中部绝缘老化更为严重，因而交联聚乙烯材料的缺陷更多，在潮气和交流电场的共同作用下，电应力的集中点更多，绝缘介质中电子和空穴之间也更容易发生入陷和脱陷反应，因而在潮气侵袭运行线路模拟阶段，中部绝缘的老化也更为严重。

（2）和另外2个试验阶段相比，雨水天气运行模拟阶段架空绝缘线的绝缘变化最小。这是因为热老化阶段对架空绝缘线进行的是加速老化，绝缘的劣化速度要远大于正常运行时。同时，也说明了雷电脉冲对架空绝缘线绝缘的损伤比正常工频电场对架空绝缘线绝缘的影响更为严重。

3.4 雷雨天气模拟阶段

由图4中可以发现，雷雨天气运行模拟过程中，在标准雷电脉冲的作用下，架空绝缘线端部的老化因子明显上升，说明雷电脉冲对绝缘的损伤比工频电场的正常影响要更严重。而架空绝缘线中部绝缘的劣化速度相较于模拟雨水天气运行阶段并没有明显增加，这一现象说明了由于雷电脉冲对架空绝缘线端部附近绝缘的破坏比中部更明显。这一试验结果与实际运行过程中架空绝缘线雷击断线事故多发生在端部的现象相一致，分析其原因有以下2点[13-16]：

（1）由于绝缘子和杆架的存在，架空绝缘线端部附近的电场本身就存在畸变，集中在端部与绝缘子接触的部分。而雷电脉冲会加剧架空绝缘线端部的电场畸变，在架空线端部某一点的电场在极短的时间内迅速增大，产生的电应力导致绝缘介质中发生局部放电，甚至可能击穿架空线绝缘，会严重破坏交联聚乙烯的绝缘特性，使架空绝缘线端部附近绝缘的缺陷增多，绝缘状况明显劣化。

（2）由于架空绝缘线的构造与架空裸导线不同，雷击绝缘导线和雷击裸导线时的电弧发展过程明显不同。雷电脉冲作用于裸导线时，持续的工频短路电流电弧在电磁力的作用下沿导线快速移动，并不会造成大的破坏。而当雷电脉冲作用于架空绝缘线时，由于线路绝缘的存在，雷电波会集中作用与架空绝缘线端部绝缘，从而使雷电脉冲对架空绝缘线端部绝缘造成严重损伤。情况严重时，甚至会烧断线路，发生雷击断线事故。

3.5 判据分析及运行应用

国内外学者基于等温松弛电流法普遍的研究对象为交联聚乙烯电缆，而对架空绝缘导线的绝缘状况研究较少。鉴于此处所研究的架空绝缘导线的绝缘材料类型为交联聚乙烯，故可参考相关研究判据。国产交联聚乙烯绝缘的老化因子严重劣化值与韩国和澳大利亚给出的结果相近[17]，韩国老化因子值达到3以上即认为绝缘严重劣化，澳大利亚老化因子值达到2.5～3.0即认为绝缘严重劣化，一般国内老化因子值达到2.8即认为绝缘严重劣化。

图4中架空绝缘线端部、架空绝缘线中部在经过加速热老化、潮气侵袭、100次标准雷电脉冲后老化因子值分别达到2.75，2.5，接近严重劣化状态。一般架空绝缘线的设计使用寿命为20～30年，热老化对架空绝缘线绝缘老化因子的影响应在长期运行后才会有所体现。因此，架空绝缘线运行时间达到20年或累计遭受百次雷电侵袭后则应该对其绝缘状况进行评估检测，从而为其技术改造的必要性提供判断依据。

4 结语

在热应力、电应力、潮气以及雷电脉冲的作用下，架空绝缘线的绝缘缺陷会逐渐增多，老化因子随之增大。其中，热应力对架空绝缘线中部绝缘的影响更为严重，而雷电脉冲则会严重损伤架空绝缘线端部附近的绝缘状况。另外，在潮气的侵袭下，工频电场的作用也会导致绝缘的劣化。而与工频电场的正常作用相比，雷电脉冲对架空绝缘线端部绝缘的破坏要更严重。当架空绝缘线长期运行接近设计使用寿命时或承受上百次雷电流后应评估检测绝缘劣化程度，以便及时更新改造。总之，应用等温松弛电流法对架空绝缘线进行老化评估，不仅能得出绝缘整体的变化情况，还能判断出线路某一部分绝缘的老化状况。考虑到这一方法本身的优点，可以对架空绝缘线绝缘进行进一步的试验研究以期能够获得更为准确的老化判据，从而更直观地对架空绝缘线的绝缘特性和剩余寿命做出较为合理的评估。

[1]邵学俭，周浩.10 kV架空绝缘导线防雷击技术研究[J].浙江电力，2006，25（4）∶22-25.

[2]仇群辉，徐建强，周垠，等.一起20 kV线路故障的分析与对策[J].浙江电力，2015，34（4）∶66-68.

[3]王雅群，尹毅，李旭光，等.等温松弛电流用于 10 kV XLPE电缆寿命评估的方法[J].电工技术学报，2009，24（9）∶33-37.

[4]HOFF G，KRANZ H G.On-site dielectric diagnostics of power cables using the isothermal relaxation current measurements[C]//Power Engineering Society Winter Meeting.2000∶1593-1598.

[5]纪哲强，刘松，王立军，等.基于等温松弛方法的发电机定子线棒绝缘检测方法研究[J].大电机技术，2012（3）∶28-32.

[6]尹毅，屠德民，李明，等.用等温电流法研究自由基清除剂的作用机理——聚合物电老化陷阱理论的实验验证[J].中国电机工程学报，2000（3）∶14-16.

[7]SIMMONS J G，TAM M C.Theory of isothermal currents and the direct determination of trap parameters in semiconductors and insulators containing arbitrary trap distributions[J].Physical review B，1973（7）∶3706-3712.

[8]OYEGOKE B S，FOOTTIT F，BIRTWHISTLE D，et al.Condition assessment of XPLE insulated cables using isothermal relaxation current technique[C]//Power Engineering Society General Meeting.2006∶18-22.

[9]金天雄，黄兴溢，江平开，等.热老化对交联聚乙烯电缆绝缘中水树的影响研究[J].绝缘材料，2007（5）∶45-48.

[10]刘平原，贺景亮，邰淑彩.交联聚乙烯绝缘老化的试验与建模研究[J].绝缘材料，2002（1）∶21-23.

[11]欧阳本红，康毅，赵健康，等.加速水树老化对XLPE电力电缆绝缘性能的影响[J].高电压技术，2010，36（8）∶1942-1949.

[12]欧阳本红，赵健康，陈铮铮，等.老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响[J].高电压技术，2012，38（8）∶2123-2128.

[13]韩晋平，王晓丰，马心良，等.10 kV架空绝缘导线雷电过电压与防雷综合措施研究[J].高电压技术，2008，34（11）∶2395-2399.

[14]张启春，阮江军，喻剑辉.高压架空线下空间场强的数学模型[J].高电压技术，2000，26（1）∶19-21.

[15]曹宏裕，王凯睿，罗彦，等.架空绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治[J].高电压技术，2004（S1）∶37-38.

[16]林智敏，万幸倍.上海城市架空绝缘配电线路防雷的技术措施[J].高电压技术，2004，30（9）∶73-74.

[17]高树国，朱永华，吴长顺，等.基于等温松弛电流法的XLPE绝缘电力电缆老化评估判据研究[J].电线电缆，2014（1）∶34-37.