基于IRC和电热加速老化试验的XLPE电缆绝缘性能研究

陈祥朋，吴海朋，朱广越，王昭钦

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

随着我国经济的高速发展和现代化建设的逐渐完善，各个行业的用电需求不断增加，电力电缆逐渐成为电力系统输送大功率电能的重要设备之一[1-3].交联聚乙烯(XLPE)电力电缆由于具有优越的电气、耐热性能，以及制作工艺较为简单，在输变电系统中被广泛的应用[4-5].目前，XLPE电力电缆的敷设数量在我国电缆总敷设数量的占比达到99%，是电缆的主要组成部分[6].由于电力电缆绝缘层制造工艺和电缆敷设条件的限制，以及电缆在投入运行后受到电、热、化学、机械、环境等多个因素的影响，绝缘层的绝缘性能会随电缆运行时间的增加而下降，逐渐老化达到寿命终点[7-10].我国20世纪80年代投入运行的XLPE电缆已服役30年，达到预期的设计使用寿命，面临更换的问题，所以电缆的绝缘性研究对保证电缆安全运行、提高电力经济效益具有至关重要的作用.

等温松弛电流法(IRC)、介损法和耐压法是目前检验电缆绝缘性能的常用试验方法.介损法通过谐波分析测量介质损耗角δ，但在各种因素的影响下，电力系统的基波频率会有一定的波动，利用谐波分析的方式来测量介损角会有较大的误差[11].耐压法可以直接评估电缆的绝缘性能，但这种方法具有破坏性，且不可以准确区分局部缺陷和整体缺陷对绝缘性能的影响[12-13].IRC法利用测量的松弛电流，进行数据分析，计算老化因子来评估电缆的绝缘性能，且不需要电缆的敷设运行历史状况，是目前国际上常用的绝缘性能评估方法[14].

电热加速老化试验是研究电缆绝缘性能的重要手段之一.目前，国内外学者主要研究电、热单一应力或电热双应力对电缆老化的影响，没有综合开展同时进行电、热以及电热联合三种试验方式对电缆绝缘性能的研究，并且对电缆本体进行热老化时，大多采用老化箱的试验方法，这不能充分模拟电缆在实际运行时的热老化状况.本文进行热老化时，采取施加大电流的方法，使得热老化更加接近实际运行的状况，提出一套新的加速老化试验方案，对电缆同时进行电老化、热老化和电热联合老化，通过等温松弛电流法分析电缆在经过不同加速老化试验后老化因子的变化，这对于电缆绝缘性能的研究具有重要的意义.

1 样品处理

选用一根66 kV XLPE电缆作为试验样品，将样品电缆定义为样品M，相电压U0=38 kV，试验样品参数：缆芯材料为铜，横截面积800 mm2，导体直径34.4 mm，屏蔽层厚度1.34 mm，主绝缘厚度14 mm，总长度9.6 m.考虑到试验变量的影响，为减少试验变量，将样品M均匀截成三段长度相等的新样品，每段电缆长度为3.2 m，分别对样品进行电老化、热老化和电热联合老化试验，并将样品按图1进行编号.例如M1表示未经老化的样品1，MA1表示老化完一阶段后的样品1，MB1表示老化完二阶段后的样品1.

为了防止在加高压过程中外半导体屏蔽层与缆芯接地处发生沿面爬电，将每根试验样品制成如图2所示，样品总长度为320 cm.经计算，沿面爬电的安全距离应不小于100 cm，所以剥离电缆左右两端的半导体屏蔽层各100 cm，漏出XLPE绝缘层.

2 试验原理及方案

2.1 等温松弛电流试验

2.1.1 等温松弛电流原理

由Simmons和Tam提出的等温松弛电流理论认为含有杂质和缺陷的聚合物体内存在电子陷阱能级，电子在从陷阱移动到导带的过程中会产生电流.通过研究微观电子与微观电子运动，可以利用电流与时间的关系来表征绝缘内电子缺陷陷阱分布状况[15-17].等温松弛电流法是在同一温度下对交联聚乙烯电力电缆施加直流电压，测量电缆的去极化电流.

等温松弛电流是一个三阶衰减指数函数，由三个时间常数不同的松弛电流分量构成[18-19].它的表达形式为

(1)

公式中：I0是电流衰减到稳态时的稳态值；τ1为半导电层与绝缘之间的界面去极化常数；τ2为无定形区和晶区间的界面去极化常数；τ3为XLPE绝缘与老化引起的水合盐之间的界面去极化常数；a1、a2、a3分别为对应的去极化强度[20-22]；τi为电子移动的时间，即松弛时间，当τi越大时，对应的松弛过程时间越长.ai表示陷阱密度，当ai越大时，对应的松弛电流越大.为了更好地衡量电缆的老化状态，提出老化因子

(2)

公式中：

(3)

2.1.2 等温松弛电流试验方案

本试验分别测量加速老化前后的松弛电流，具体的66 kV XLPE电力电缆的IRC试验步骤如下所示.

(1)预处理阶段：将电缆两端剥离的外屏蔽层处用无水乙醇进行清洗，减小表面污秽对松弛电流的影响，提高试验的准确性.

(2)极化阶段：XLPE电缆缆芯施加1 000 V直流电压，金属屏蔽可靠接地，对电缆进行极化，极化时间为1 800 s.

(3)瞬时短路阶段：极化完成后，断开高压直流电源，将缆芯和金属屏蔽经10 MΩ电阻短路，短路时间5 s，减小表面自由电荷对测量的影响.

(4)测量阶段：使用Keysight b2985A型静电计采集与记录松弛电流.断开短路开关，缆芯经过50 MΩ保护电阻连接静电计，测量时间为1 800 s.在测量过程中要保证试验环境安静以减小周围噪声对结果的影响.

重复试验同一根66 kV XLPE电缆时，试验间隔应至少保持在1 h以上，保证电缆恢复到初始状态.

2.2 加速老化试验

2.2.1 加速老化试验原理

在研究多应力对电缆老化程度的影响时，需要对样品电缆进行加速老化试验.理想状况下的老化试验是给电缆施加与正常工作时相同的电应力和热应力，模拟电缆在正常投入使用时的工作状态，但这种工作条件下的老化试验时间太长.加速老化试验是通过提高电、热两个老化应力水平，劣化电缆所处的运行环境，缩短老化试验时间，达到试验目的.

2.2.2 加速老化试验方案

为了研究多应力对电缆老化的影响，本文分别进行单因子和双因子加速老化试验，将电缆分别同时进行电老化、热老化和电热联合老化，研究电、热单应力以及电热双应力对电缆老化的影响.试验通过在电缆绝缘与护套之间施加高压交流电压进行电老化，缆芯上通过大电流来使其发热进行热老化，同时施加两者进行电热联合老化.具体老化试验电路如图3所示.

试验中使用的高压设备为串联谐振耐压装置，该装置主要包括变频电源、激励变压器以及可调电感，通过调节可调电感，使之与电缆电容形成串联谐振来产生高电压，该设备最高可产生500 kV交流电压，足够本次试验进行电老化所需的电压.产生大电流的设备为大电流温升试验装置，该装置最高可产生4 000 A电流，并且设备自带测温装置，可以实时测量电缆缆芯和绝缘层的温度，完成XLPE电缆的热老化.

将制备好的样品M1施加高电压进行电老化，M2同时施加高电压与大电流进行电热联合老化，M3施加大电流进行热老化.加速老化试验分为两个试验阶段，每个阶段试验完成后，进行等温松弛电流试验测量松弛电流，拟合测量数据，计算老化因子，研究老化因子的变化.第一阶段M1和M2样品上施加的高压为1.3U0，M2和M3施加电流使缆芯温度达到90 ℃.第二阶段加大试验电流，使M2和M3电缆缆芯温度达到100 ℃，M1和M2电缆上施加电压依然为1.3U0.试验的理想状态为第二阶段试验同时加大电压、电流，但受试验条件的限制无法继续加大电压，故电压依然为1.3U0.根据电缆的试验环境，通过有限元软件ANSYS进行计算，并且与大电流温升设备所测温度相互验证，得到缆芯温度为90 ℃时，缆芯电流为1420 A，缆芯温度增加至100 ℃时，缆芯电流为1525 A.

本试验方案的优点主要在于两方面.一方面，本试验在相同环境下同时进行电、热以及电热联合老化，控制温度、湿度等环境变量对试验的影响，增加试验结果的准确性；另一方面本试验的热老化不是利用老化箱改变电缆所处的外在温度进行老化，而是在电缆缆芯施加大电流进行热老化，更加符合电缆本体的发热状况，接近电缆实际运行工况.

3 试验数据处理及分析

三个样品分别在老化前、老化一阶段后和老化二阶段后进行等温松弛电流试验的试验测量曲线和数据拟合曲线如图4～图6所示，三个样品在各个阶段根据测量的松弛电流进行三阶指数拟合所得到的参数以及老化因子如表1～表3所示.

由图4～图6可知，IRC法测量松弛电流时总体上重复性较好，但由于去极化电流的数量级为pA级，为弱电信号，衰减到接近稳定后，电流太小，受环境的影响较大，会出现波动的状况，但在可以接受的范围内；同时可见，各个样品在经过两个阶段加速老化后，松弛电流的初始值会增大，这是由于在样品加速老化过程中，绝缘内部陷阱的数量增加，捕捉电荷的能力变强，所以去极化电流初始值变大.

图4 未老化前样品等温松弛电流测量及拟合曲线图5 老化完一阶段后样品等温松弛电流测量及拟合曲线

表1 未老化前样品拟合参数及老化因子

表2 老化完一阶段后样品拟合参数及老化因子

表3 老化完二阶段后样品拟合参数及老化因子

为了减少试验变量，试验使用的三根电缆截取自同一根电缆且长度相等.由表1可见，样品M2的老化因子为1.904 9，样品M3的老化因子为1.836 2，与未经老化前样品电缆的老化因子有所差别，但差距不大.这是由于试验样品虽来自同一根电缆，但绝缘陷阱的密度和深度在电缆中并不是完全均匀分布，即电缆在投入运行的过程中，绝缘层不同位置的陷阱会有一定的差别.

由表1～表3可知，各个样品在三个时期松弛电流的拟合参数均满足τ3>τ2>τ1，表明电缆内部的三种极化方式对等温松弛电流的影响不同，半导电层与绝缘之间的界面极化对老化因子的影响最小，XLPE绝缘与老化引起的水合盐之间的界面极化对老化因子的影响最大；同时由表可见，τ1的数值远小于τ2和τ3的数值，因为在XLPE电缆老化的过程中，半导电层与绝缘层之间的界面极化变化较小，而无定形区与晶区间和XLPE绝缘与老化引起的水和盐之间的界面极化变化较大，所以计算老化因子时，τ2和τ3起主要作用，可以粗略忽视τ1数值的影响；随着绝缘层老化加重，绝缘内部陷阱密度和深度不断增大，电子在被陷阱捕捉后更难脱离，所以受老化引起的水合离子和盐的影响，τ3的数值最大，是影响老化因子大小的主要因素，但非主导因素，由表1～表3也可以看出并不是所有的τ3数值大的电缆对应得老化因子一定大.

对比表1、表2和表3，三组样品在以不同的加速老化方式试验两个阶段后，老化因子都出现了不同程度的增加.由表1和表2可见，在进行完第一阶段的老化试验后，进行电老化加速试验的样品MA1老化因子增加了3.70%，进行电热联合老化试验的样品MA2老化因子增加了13.04%，进行热老化加速试验的样品MA3老化因子增加了4.82%.由此可见，90 ℃温度对电缆老化的影响已经大于1.3U0电压对电缆老化的影响，即电缆在老化过程中，相对于电应力，热应力对电缆老化的“贡献”更大，并且电热双应力联合作用时，对老化因子的作用要远胜于电、热单一应力的作用.由表2和表3可见，进行完第二阶段的加速老化试验后，电、电热联合以及热老化试验样品的老化因子比第一阶段分别增加4.21%、37.52%和23.42%.由数据可得电老化试验样品的老化因子变化不大，而涉及温度的热老化以及电热联合老化试验样品的老化因子激增，这是由于第二阶段电压依然为1.3U0而缆芯温度增加至100 ℃，电流超过载流量后引发的温度变化对电缆老化的影响更大，验证了在老化过程中，电热联合老化>热老化>电老化，电、热两种应力存在协同作用，双应力的影响远大于单一应力对老化的影响.为了更直观的看到两个阶段后各个样品老化因子的变化，各阶段老化因子变化的柱形图，如图7所示.

4 结 论

本文采用了一套新的加速老化试验方案，对截自同根66kV的XLPE电缆的三根样品分别同时进行了电、热以及电热联合老化，通过等温松弛电流试验研究电缆样品在两个阶段加速老化试验后的绝缘性能，得到以下结论：

(1)IRC法作为一种非破坏性试验方法，在试验时松弛电流重复性较好，试验结果较为准确，可以利用老化因子的变化来表征XLPE电缆绝缘层绝缘性能的变化.

(2)在完成第一阶段加速老化试验后，电老化试验样品老化因子增加3.70%，而热老化试验样品老化因子增加4.82%.在完成第二阶段加速老化试验阶段后，电老化试验样品老化因子增加4.21%，热老化试验样品老化因子增加23.42%.说明XLPE电缆在运行过程中，尤其是过载时，热应力对老化的“贡献”比电应力大，并且温度越高，对电缆绝缘性能的影响会急剧增加.

(3)两个阶段加速老化试验中，电热联合老化的试验样品老化因子分别增加13.04%和37.52%，远远大于电、热单应力作用样品的老化因子，说明XLPE电力电缆在老化过程中，电应力与热应力存在协同作用，双应力协同作用下的老化速度要远快于单一应力作用下的老化速度.