基于等温松弛电流法的交联聚乙烯电缆绝缘老化研究

宋余来，王晓岩，吴海朋，陈祥朋，朱广越

(1.广东电网有限责任公司清远清城供电局，广东 清远 511500；2.国网吉林省长春供电公司，吉林 长春 130000；3.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012 )

交联聚乙烯绝缘电缆，由于具有多种优越性能且安装方便，自问世以来就被人们广泛使用，现已成为电能传输的主要载体，是电力系统中重要组成部分[1].然而XLPE电缆在运行过程中会受到电、热、化学和自然等因素作用，使其绝缘老化，对电网的安全、可靠性造成极大影响[2].电力电缆投入运行后，对其绝缘状态进行评定，是电缆运行维护人员管理的难点[3]，但又是管理者进行电缆更换决策所必要的技术支持.

国内外应用较广的离线检测[4]电缆老化方法主要有局部放电法[5]，超低频介损法[6]和逐级升压法[7]等.这些方法都取得了不同程度的成功，但这些方法均需与电缆的历史运行数据对比进行研究，而IRC法对敷设较早或没有历史运行数据的XLPE电缆也能够正确评估其老化状态[8].目前，IRC法在高压电缆中的研究较少，相关标准还未完善[9]，因此有必要进一步深入研究.

本文主要采用IRC法对66 kV交联电缆绝缘进行实验室[10-11]离线状态评估，并分析了高压电缆的松弛机理[12-13]，给出绝缘材料的老化状态评估，同时探讨了IRC法用于高压电缆状态检测的可行性，为IRC法进一步研究电缆老化状态做经验积累.

1 IRC法理论分析

1.1 松弛机理

XLPE绝缘材料在其生产制造过程中不可避免地参杂着杂质和结构缺陷，根据Simmons等人提出的IRC理论[14]，这些杂质、缺陷在聚合物的禁带中形成不同陷阱能级，且在整个能级范围内以离散形式分布.IRC理论主要研究微观世界中存在的电子陷阱分布以及电子运动情况，将电流与时间的特征关系以公式推导形式表示出来[15]，以此阐释绝缘体内的电子与陷阱分布情况.

固体介质在被施加电场时会发生极化现象，当把外电场撤去后，介质会产生去极化(松弛)电流.当温度恒定时，去极化电流会逐渐衰减，且这一过程与其内部陷阱分布有关.因此，通过测量去极化过程中的松弛电流[16]，可判断出绝缘内部缺陷分布状况，从而对XLPE绝缘进行老化状态评估.

图1 老化等效电路模型

1.2 老化判据

测试系统[17-18]的等效电路，如图1所示.其中，RK与CK分别代表XLPE电缆绝缘每单位长度电阻与电容；RISL与ROSL代表XLPE电缆绝缘的内外半导电屏蔽层每单位体积电阻；R与L代表XLPE电缆缆芯每单位长度电阻与电感.对图中被箭头标出的部分进行计算，可得到XLPE绝缘老化状态对所测电流的影响.

被标出部分中有三对电阻和电容，每一对的乘积代表着一种极化过程：CD1RD1代表电缆的半导电屏蔽层同XLPE绝缘界面之间的体极化；CD2RD2代表着无定形同晶体之间界面极化；CD3RD3代表着电缆老化所造成的缺陷同XLPE绝缘之间的界面极化，故采用三阶指数衰减函数对其进行拟合处理

(1)

对其进行拟合处理，公式中：τi、αi为电介质材料特性相关的参数；τi(=RDiCDi)为时间常数，且反映了陷阱的深度；αi反映了陷阱的密度；I0为电缆最终达到平衡时去极化电流的稳态值.为便于对XLPE电缆老化状态进行分类以及IRC法在工程检测中应用，引入了表征电缆老化程度的参数——老化因子

(2)

利用公式(1)拟合计算得到的τi与αi可求出A.公式中Q(τ2)、Q(τ3)是由绝缘内老化引起的各种极化所决定的量.其计算式分别为公式(3)与公式(4).经大量研究表明不同国家给出的老化因子判据不同，由表1可知.

(3)

(4)

我国目前还没有制定相应规范，所以仍然需要对IRC法进行大量试验研究，以得到适合我国工程实际的A判据，来指导我国电缆检修人员对电缆线路更好地检测与维护.

表1 澳大利亚、韩国、德国标准的A判据

(续)表1

2 IRC试验方法及试验步骤

本文试验测量系统的实际接线图如图2所示，其中R0为测量保护电阻，Rn为放电限流电阻.根据Kranz[19]的评估方法可知在1 kV直流电压下，IRC法属于非破坏性试验.测得实验室内温度为15 ℃、相对空气湿度为13%.选取4根不同现役年限的66 kV三芯XLPE电缆，分别截取3 m长作为样品，编号分别为N1、N2、N3和N4.等温松弛电流试验步骤如下：

(1)样品测试前的预处理.将所有样品两端的外屏蔽层剥离，剥离长度约为60 cm，为减小由于表面泄漏电流引起的试验误差，用酒精清洗剥离外屏蔽层留下的污垢.

(2)对被测样品进行电磁屏蔽.鉴于退极化电流极小，易受外界电磁干扰影响，因此选用可伸缩的铝箔波纹管对电缆两端进行可靠的电磁屏蔽处理.

(3)极化过程(开关S2、S3打开，S1闭合).将被测试电缆样品一端外金属护套接地，另一端导体接极化用的高压直流电源，极化时间分别约为1 800或3 600 s.

(4)瞬时短路过程(开关S1、S3打开，S2闭合).将测量极化电流后的电缆样品通过1 MHz电阻短路6 s，以降低表面自由电荷对测量结果的影响.

(5)去极化过程(开关S1、S2打开，S3闭合).对去极化电流的测量，采用计算机记录等温松弛电流(静电计型号为KEYSIGHT B2985A)，控制去极化时间为2 000 s，电流采样频率为2 Hz.

(6)对试验数据进行整理.

3 试验结果

3.1 老化判据

本文将试验记录的松弛电流数据进行整理，得到各电缆样品各相相关参数及老化因子值.如表2所示，其中只列出部分有代表性的样品参数，样品N2在不同极化时间条件下测得，样品N1为相同试验条件下测得，表中除C60极化时间60 min以外，其余极化时间均为30 min.

3.2 重复性试验

在相同条件下对同一根电缆样品进行多次试验，N1样品A相在相同条件下6次测量得到的I-t曲线，如图3所示.对比发现每次去极化电流曲线趋势相近，但存在差异.可看出IRC法对XLPE电缆绝缘老化状态评估能得到较好的重复性结果，但同时也存在一定偏差.为提高试验准确性，试验时可对试验样品进行多次测量，取其均值.

表2 电缆样品在不同条件下测得的参数值

3.3 同一样品各相之间比较

对XLPE电缆样品进行多次测量后发现：在相同条件下，同一样品不同相之间去极化电流衰减速度快慢不同.样品N4各相去极化电流测量得到的数据曲线，如图4所示.其中C相在相同极化时间后，去极化电流衰减速度较快，经过约300 s去极化电流变化趋势趋于稳定；A相较慢，经过约500 s，其变化趋势才趋于稳定.说明C相比其余两相由老化引起的去极化电流分量相对较少，即XLPE电缆样品N4中C相老化情况较轻，A相老化最为严重.

图3 样品N1的A相重复测量去极化电流曲线图4 样品N4各相的去极化电流曲线

3.4 极化时长对松弛电流的影响

电缆样品N3的C相，如图5所示.分别设置极化时长为1 800 s和3 600 s进行试验.结果表明不同极化时长对松弛电流有如下影响：在前300 s时，极化时间长60 min的去极化电流衰减速度明显快于极化时间短(30 min)的，300 s之后极化时间的长或短，对去极化电流曲线变化趋势几乎无影响.

图5 样品N3不同极化时长的对比曲线图6 不同现役年限电缆样品的不对称钟形曲线

4 分 析

4.1 不对称钟形曲线[18]

现役66 kV单芯交联电缆的原始数据拟合曲线，如图6所示.曲线1、曲线2、曲线3分别表示已使用15 a、24 a和28 a的电缆样品的不对称钟形曲线.从中可以看出曲线3峰值所对应时间(横坐标)值最大，曲线1峰值所对应时间(横坐标)值最小.经计算其老化因子分别为1.3、1.9、2.0，依次增加，说明IRC法的不对称钟形曲线可以描述电缆样品相应的老化状态.即不对称钟形曲线峰值所对应时间值越大，XLPE电缆绝缘老化状态相对越严重.

4.2 指数函数分峰曲线

图7中(a)、(b)和(c)三图分别为对应图6中1、2和3三条曲线的指数函数分峰曲线，可以看出样品电介质材料内存在3种不同的松弛类型，三个峰分别对应前文1.2节中的τ1、τ2和τ3，且τ3的面积明显大于前两者，图中整体曲线是由上述3种曲线叠加产生.可以看出τ3面积明显增大，表明随着使用年限地增加绝缘中缺陷大量增加，老化加重，即电缆样品绝缘老化程度与其现役年限的多少具有明显的一致性.

图7 拟合分峰对比曲线

4.3 不同判据比较

根据表1与表2中数据的对比，得到本文电缆样品在各国判据条件下的老化状态，如表3所示.可以发现德国判据判断出的老化状态均为老化严重，可以看出德国判据相较于其他两国判据划分较为宽泛.由图4与表3结合来看，同一根电缆各相之间的老化状态不同，这与电缆实际运行过程中所受负荷不同的情况一致，所以不同电缆比较时只需用老化程度最严重的相代替其老化状态来比较即可.表3与图6所得结论相符，电缆样品使用年限长，曲线峰值所对应时间值相对较大，电缆样品老化较严重.而IRC法试验所得指数函数曲线分峰可以从微观角度反映出，电介质材料内存在3种不同的松弛类型，且由老化造成的缺陷与电缆绝缘形成的界面极化，是判断老化状态的关键因素.

从表1中可以看出各国判据均存在差异，这主要是由于各国XLPE电缆绝缘材料成分和生产工艺不同造成；结合表2和表3数据，该试验的样品除运行时间不同外，其生产厂家及运行环境也不同.诸多影响因素的存在，必然在一定程度上造成试验结果的差异性和分散性.由此可见，直接将国外(如澳大利亚、德国和韩国)提供的电缆绝缘老化判断标准应用到我国电缆健康状况的评价是不合理的.为了提高IRC法判断电缆寿命的准确性以适应我国电缆的研究需求，需要对大量的测试性试验进行统计性分析，并辅以加速老化和逐级升压等试验进行完善，最终提出适合我国电缆实际情况的老化因子评价体系.

表3 电缆样品(N2)各相根据各国判据判断老化状态

5 结 论

IRC法可以对交联聚乙烯电缆绝缘的老化程度进行判断分析，其老化状态可用老化因子A来评估；为保证试验数据的准确度，需进行重复性试验；等温松弛电流的指数函数分峰曲线可以从微观角度表征电介质材料中绝缘缺陷及陷阱分布情况；试验结果表明电缆样品绝缘老化程度与其现役年限的多少具有明显的一致性；在IRC法的不对称钟形曲线中，当曲线峰值出现位置所对应的时间值越大，表明电缆绝缘老化程度越严重.