基于极化损耗因数变化率的交联聚乙烯高压电缆绝缘老化诊断

马骁，孙荣，余华兴，马弢，顾博，刘云龙，邵愚，袁子超

（重庆市电力公司江北供电局，重庆 401147）

0 前言

XLPE交联聚乙烯电力电缆在正常环境下稳定运行的寿命为30年左右[1]。但由于电缆长期在机械应力、水分、温度及电场等诸多因素共同作用下[2]，导致绝缘本体和附件的绝缘性能逐渐劣化，这将会导致电缆绝缘裕度下降，在冲击电压的作用下可能会导致电缆绝缘击穿，引发电力事故。因此，根据实际情况，XLPE电缆实际运行寿命远低于30年。为了实时监测电缆绝缘状态，对电缆进行周期性的绝缘诊断是必要的。

对于高压电缆的绝缘诊断，国内学者主要通过测试宽频介电谱以及等温松弛电流(isothermal relaxation current, IRC)并借以分析来判断其老化状态。朱晓辉等[2]探究了XLPE高压电缆的低频介质损耗因数与老化程度存在正线性相关的关系；罗潘等[3]利用差式扫描量热(differential scanning calorimetry, DSC)分析了退运电缆的老化状态；刘刚等[4]基于等温松弛电流法提出了老化因子M以判断高压XLPE电缆的老化程度。目前，对于电力电缆的离线诊断，基于介质响应原理的无损检测方法逐渐受到关注，包括回复电圧法(return voltage method, RVM)[5-6]、频域介电谱(frequency dielectric spectrum, FDS)法[7-8]以及极化-去极化电流(polarization and depolarization current,PDC)法[9]。其中极化-去极化电流法因其是直流诊断方法，对设备容量需求较小，且测试时间较短，诊断信息丰富，越来越多被运用到电缆诊断中来。Oyegoke B等学者运用短时PDC法对电缆进行绝缘诊断[10]。周凯等学者利用PDC法研究了老化电缆的低频介质损耗特性及其损耗的不对称性[11-12]。杨帆等学者基于PDC方法发现了热老化与老化因子成正相关的关系[13]。叶刚等学者在PDC法的基础上运用时频域转换方法研究了时频域介电特征量与绝缘老化的关系[14]。目前大多基于PDC法的电缆绝缘老化诊断方法均在同一电压下对电缆进行测试并计算介质损耗因数，而老化后电缆在不同极化电压下介质损耗因数出现变化的现象还未受到关注。

本文对不同热老化程度的高压电缆进行了PDC测试，求取不同老化程度的高压电缆在0.1 Hz下低频极化损耗因数tanδ0.1，并利用tanδ0.1在不同极化电压下的变化率Δtanδ%表征XLPE高压电缆的老化状态。

1 实验设置

1.1 加速热老化实验

由于正常运行的电缆在负载电流的作用下会发热，故热老化是电力电缆的主要老化形式之一[13,15]。故本文将高压电缆试样放入恒温恒湿老化箱中进行热老化。电缆热老化实验温度一般为130～140℃[15-17]。故本文设定热老化温度为130℃,湿度为0%。然后分别对高压电缆试样老化10天、20天、30天、40天、50天和60天后取出。根据Arrhenius公式，试样加速热老化时间分别对应高压电缆在80℃条件下大约运行9年、18年、27年、36年、45年和54年。

1.2 PDC测试实验

图1 极化-去极化电流测试原理图

图1为针对高压电缆的极化-去极化法绝缘检测基本电路原理图。图2为测试PDC时所施加电压与测试的电流的变化图。当PDC测试开始时，将高压灭弧开关拨至a，构成极化回路，进入极化阶段，通过高压直流电源给电力电缆绝缘层和阻水层加压，使其极化。经过一定的极化时间后，高压电缆绝缘层和阻水层被极化。随后开关拨至b，转入去极化回路，进入去极化阶段，通过限流电阻放电。皮安表负责测量并记录极化电流ipol和去极化电流idepol，并将数据传送给上位机，以用于后续的数据分析工作。

图2 PDC测试过程中极化电压、测试电流变化图

2 PDC测试原理及高压电缆的诊断

对于老化后的高压电缆，其极化电流和去极化电流的幅值通常比未老化电缆更大，极化和去极化电流的衰减速率往往更慢[18]。但是仅仅凭借PDC电流幅值大小和衰减速率的快慢判断高压电缆老化程度显然是不够的。而由于测试极化电流时受到微小放电以及沿面泄漏电流的影响，测试结果不理想。故本文仅基于去极化电流对XLPE高压电缆绝缘的老化状态进行分析。

PDC测试可通过时频转换计算试样的低频下的介质损耗因数。假设电缆的XLPE绝缘电介质的介电响应函数f(t)(即与之成等比例关系的去极化电流)服从“Curie-von Schweidler”模型时，则可利用傅里叶变换将去极化电流进行时域到频域的转换。

通过去极化电流可以计算介质响应函数f(t)：

式中：C0为高压电缆的几何电容；U0为测试时所施加的极化电压。

对f(t)做傅里叶变换后可得到电缆介质的复极化率χ[19,20]：

式中：ω为角频率；χ’为绝缘介质复极化率的实部；χ’’为绝缘介质复极化率的虚部。

极化损耗因数与频率的关系可以表示为[19,20]：

研究表明，超低频下的tanδ与电缆绝缘劣化有较好的相关性[21-22]，且信号特征较为明显[23]。故本文选取0.1 Hz超低频作为tanδ的特征频率[24]。在充分极化的情况下，理论上通过去极化电流求得的0.1 Hz低频极化损耗因数在不同极化电压下应相同。但如若极化时间较短，绝缘介质在极化过程中极化不充分，那么自然绝缘介质的极化程度与其所受的极化电压有关。此时通过去极化电流求得的0.1 Hz低频极化损耗因数则与极化电压相关。老化后电缆绝缘介质中极性物质增多，0.1 Hz低频极化损耗因数与极化电压的相关性更加明显。故本文提出用0.1 Hz的极化损耗因数的电压变化率Δtanδ%来侧面反映电缆的老化后的极化损耗随极化电压变化的特性，Δtanδ%定义如式所示。

式中：tanδ0.1(E1)表示1 kV极化电压下的0.1 Hz极化损耗因数；tanδ0.1(E2)表示2 kV极化电压下的0.1 Hz极化损耗因数。

为了使得绝缘介质完成不充分极化，极化电压应设置较低，极化时间也应较短。本文中设置极化场强分别为1 kV/mm和2 kV/mm，极化时间设置为100 s。

3 PDC测试结果及讨论

3.1 未老化的电缆试样

表1 部分未老化电缆试样PDC测试结果

在进行老化实验前，对所有电缆样本进行PDC方法测试，分析其初始绝缘状态，表1中展示了部分测试结果。从表中可以看出，所有电缆试样的初始绝缘状态极好。值得注意的是，电缆绝缘较好的情况下，极化电流和去极化电流幅值相对较小，测试存在较大的相对误差，Δtanδ%可能会出现略微偏大的情况。

3.2 热老化后的XLPE试样

3.2.1 PDC测试结果

对实验室热老化后的高压电缆进行了多组PDC测试，1 kV极化电压下的tanδ0.1和Δtanδ%的结果如图3所示。从图3中可以看出，在热老化初期(10～20天内)，被测电缆的0.1 Hz低频极化损耗因数tanδ0.1未见明显提高，这可能是由于在热老化初期，老化并不严重，电缆XLPE绝缘处于重结晶阶段[25]，诊断参数值上升不明显。而随着热老化的进行，tanδ0.1逐渐升高，电缆热老化进入热氧化阶段，XLPE中晶体结构被逐渐破坏[25]。整体来说，tanδ0.1对于电缆老化的表征并不是特别明显，没有完全与老化时间呈正相关关系。这可能是由于在较低电压和较短极化时间下，电缆绝缘介质极化不完全，影响了tanδ0.1的测试结果。而另一方面，本文正是利用这种极化不完全的特性，测试了不同电压等级下的tanδ0.1，利用tanδ0.1在较高和较低电压下的变化率Δtanδ%来判断高压电缆的老化程度。如图3所示，随着热老化时间的增加，Δtanδ%呈现接近线性的明显的增加。在热老化10天时，Δtanδ%有小幅下降，这可能同样是因为重结晶作用所致。

图3 热老化电缆试样的测试结果

3.2.2 热老化电缆试样理化分析结果

为进一步分析电缆在老化过程中绝缘的变化，对热老化电缆进行了相应的理化分析。依据热老化电缆的老化机理，针对性地采用差示扫描量热(Differential Scanning Calorimeter,DSC)来分析电缆的老化程度和结晶度。

取热老化电缆XLPE绝缘层中间处进行DSC分析，实验中以氮气作为载气，以10℃/min的升温速率将实验温度从30℃升温至140℃结束。试样质量约为6.5 mg，实验结果如图4所示。图5为热老化中电缆绝缘的结晶度随老化时间的变化规律。

由图4可知，在高温热老化的作用下，随着老化时间的增加，XLPE电缆绝缘材料的熔融峰面积逐渐变小，熔融峰温度Tm向低温方向移动，说明热老化破坏了XLPE试样晶体结构。由图5可知，随着热老化的加重，老化初期电缆的交联反应占主导地位其结晶度增大。而随着高温持续作用，XLPE开始发生热裂解反应，其高分子主链的断裂速度加快，生成过多的断链和氧化产物，最终XLPE内结晶态开始向无定形转变，所以热老化后期结晶度下降。热老化电缆的理化分析结果符合Δtanδ%测试结果，证明了利用Δtanδ%参数判断高压电缆老化的有效性。

图4 DSC曲线随热老化时间的变化

图5 电缆结晶度随热老化时间的变化

4 结束语

本文对高压电缆进行热老化，利用PDC法对不同老化程度的高压电缆进行了绝缘诊断，验证了利用极化损耗因数变化率Δtanδ%进行高压电缆绝缘诊断的有效性，为高压电缆的绝缘老化判断提供了一种新的有效手段。