低压电网中电线绝缘热老化过程研究

武钱炼，吴自然，吴桂初，赵 升

(温州大学乐清工业研究院，浙江 温州 325035)

伴随着我国经济的快速发展，人们的生活越来越离不开电能.电能的传输载体是电线.电线由两部分组成，分别是线芯与绝缘层.线芯可以保证电能的优质传输，绝缘层用于隔绝危险，保证供电的可靠性[1].依据国家标准等相关文线[2-6]，电线可按照线芯以及绝缘材质进行分类，例如：聚氯乙烯电线（简称PVC），指的是绝缘材料是聚氯乙烯、线芯是铜或铝的导线.电线结构剖面图见图1，铜芯电线实物图见图2.

图1 电线剖面示意图

图2 电线实物图

电线电缆是电网建设中最基础且不可或缺的一部分，用量庞大，因此对电线电缆寿命期限有所判断，尤其是对用户端电线电缆老化程度有所了解，是减少电气火灾发生的一个重要预防措施.在正常自然使用状态下，聚氯乙烯电线的常规应力寿命试验至少需要几万个小时，并且还不能保证可以获取有效的电线失效的特征数据.加速寿命试验，是一种在不改变产品失效机理的前提下，通过对产品施加高于正常条件的应力从而使得产品加速失效，以期在短时间内获得产品更多可靠性信息的试验方法.

我国进入21 世纪后，电气火灾形势较为严峻.2002—2010 年期间，我国总共发生1 260 377 起火灾，电气火灾便有209 709 起，占到火灾总数的16.6%①赵剑.电气火灾统计分析[J].消防界, 2017(12): 71-72..2015—2019 年期间，全国共发生较大以上火灾408 起，其中因电气原因造成的有234 起，占总数的57.4%②顾耀耀.全国近5 年电气火灾分析[J].水上消防, 2020(6): 17-20..我国每年因触电死亡的人数高达8 000 人，其中95%发生在配电网③李天友, 黄伟达, 邱智勇.低压配电公共安全问题分析[J].供用电, 2021, 38(12): 9-14..

电线在使用过程中，受环境温度、通过电线的电流、光照等因素影响，绝缘层的内部结构会遭到损坏，最后导致电线绝缘层绝缘失效，引起漏电、电树枝等情况，以至于发生温度升高或者击穿现象，致使电线绝缘层燃烧，进而引燃电线附近的易燃物，导致火灾发生.因此，对电线的绝缘老化研究是非常重要的.

在国内低压电网中，PVC 电线的用量庞大.另外，在国内外针对PVC 电线绝缘老化的研究中，对中高压电缆老化的研究已经较为深入，对低压电线的研究稍显不足，在低压电线电缆方面研究更多的也还是过电流老化，并不是热老化.

在国内的相关研究中，王建等[7]研究了阻燃PVC 材料在70℃的老化特性，指出热老化会导致龟裂、电树枝等现象发生，造成火灾隐患；徐涛等[8]基于威布尔分布（Weibull 分布）在无失效数据参数估计的情况下，提出了针对高压电缆的寿命评估方法；刘颖等[9]以介质损耗为参数，在恒应力过电流的情况下研究电线绝缘老化程度，最后得出电线在过电流情况下的寿命曲线.

在国外的相关研究中，Fisher 等[10]对PVC 电线进行高温老化实验，分析了PVC 绝缘随高温失效的过程，并给出了绝缘失效时刻的电流信号特征；Kemari 等①Kemari Y, Mekhaldi A, Teguar M.Investigation into the Dissipated Energy under Accelerated Thermal Aging in PVC/B Used in low-voltage Cables Insulation [C] // 2016 IEEE International Conference on Dielectrics (ICD).IEEE,2016, 2: 666-669.给出了不同恒应力温度下，PVC电线表皮颜色的变化情况；Packa 等②Packa J, Váry M, Lelák J, et al.Degradation of 230/400 v Distribution Cables with PVC Insulation [C]// 2017 18th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE).IEEE, 2017: 1-4.研究了230/400 V 的PVC 电缆在水因素影响下的绝缘退化情况，指出浸水之后的绝缘材料击穿电压要比未浸水的绝缘材料击穿电压高得多.

日常生活生产过程中，温度变化频繁，每日早晚有温差，每年四季有温差.考虑这一实际情况，本文采用冷热循环寿命加速实验的方法，获取了PVC 电线的失效特征数据，并利用Coffin-Manson 模型进行解析，获得了PVC 电线的寿命情况.希望由PVC 绝缘失效而引起的电气火灾能够因此而减少.

1 老化特征

电线的外部是固体绝缘材料，内部是良导体.固体绝缘材料的老化根据其特性、方式、绝缘失效形式等有不同的分类.绝缘材料的特性主要有以下几类[11].

1）电气类特性：绝缘电阻、电阻率、相对介电常数、介质损耗角正切值、击穿电压等.

2）力学类特性：拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击强度等.

3）其他类别特性：温度、湿度、机械损耗等.

分析固体绝缘材料的老化特性可知，影响电线绝缘材料老化的因素主要有以下几个方面.

1）热老化：温度升高会使绝缘材料内部结构发生变化，甚至在绝缘材料的外表皮处会出现碳化现象，这将导致材料绝缘特性的丧失.

2）机械因素：受因热膨胀系数不同而产生的热应力、电路短路时的电磁应力所引起的弯曲断裂以及装配过程中的弯曲等因素的影响，绝缘材料外表产生磨损.

3）电老化：主要是指由电导电流、介质损耗、电磁场以及局部放电等因素导致的加速绝缘材料的老化.

4）其他：环境中的湿度、酸碱度、光照以及微生物等等.

本文选择电线绝缘材料的热老化问题进行研究，研究温度对电线绝缘材料的影响，探究在温度变化中电线的寿命期限.考虑到现实中的四季变化，为了贴近实际情况，选择的实验方案是冷热循环寿命加速实验方案.

2 老化试验

2.1 试验样品与设备

选择对家庭常用的铜芯聚氯乙烯电线进行加速寿命试验.

1）试验样品的选择.若干根10 cm 长的红色4.0 mm2铜芯聚氯乙烯无护套阻燃电线，具体型号是4.0 平方的ZC-BV 电线，额定电压为450/750 V，江苏某电缆厂生产，符合国标要求.

2）实验设备的选择.上海林频仪器股份有限公司生产的高低温交变试验箱，Fluke 电子式绝缘电阻测试仪，Fluke 电子式钳形电流表.

3）失效判据的选择.按国家标准[2-3]，本文选择的标准是电线的绝缘电阻低于8 GΩ 为失效.

2.2 模型选择

加速寿命试验的加速模型主要分为3 类：

1）物理加速模型——通过对实验样品失效的物理化学过程进行分析提出的模型，代表模型是Arrhenius 模型以及Eyring 模型.

2）经验加速模型——通过对经过大量实验研究以及长期观察得到的数据进行总结得出的模型，代表模型是逆幂律模型和Coffin-Manson 模型.

3）统计加速模型——利用统计分析方法得到的模型，不能适用于物理化学理论分析的失效过程，代表模型是参数模型和非参数模型.

在上述几类加速模型中，与本文试验最契合的是Coffin-Manson 模型，因为Coffin-Manson模型与循环加速寿命试验更适配.Arrhenius 模型与恒应力加速试验更相适应，Arrhenius 模型的化学反应速率与温度变化之间的联系见式（1）[12]：

其中，η表示特征寿命；A为常数；E表示活化能（亦称激活能，量纲是J）；k为玻尔兹曼常数，k= 1.380 649 ×1 0-23J/K ；T为热力学温度，单位为K.

Coffin-Manson 模型的基本关系式如公式（2）所示[13]：

式中，N为失效循环数；A为加速因子；f为循环频率；ΔT为温度变化范围；G(Tmax)为温度循环过程中最高温的Arrhenius 形式，

基于公式（2）的加速因子模型为：

两边取对数得，

2.3 试验方法

将试验样品伸展、弯曲、折叠，放入温箱中，温箱设置为冷热循环程序.样品下方垫上耐高低温的绝缘布料以防绝缘材料在高低温环境中与金属粘合在一起.

对温箱设置最低温度为-40℃、最高温度是150℃的不同组的温度循环，循环一次的时间是13 h.按试验应力要求，到一定循环次数之后停止工作，将样品取出，样品暴露在室外20 h 左右，用Fluke 电子式绝缘电阻测试仪检测实验样品的绝缘电阻值，用Fluke 电子式钳形电流表测量泄漏电流.试验应力水平见表1.

表1 试验应力水平

通过寿命加速试验以及对试验数据的分析，得到公式（1）中ZC-BV 电线活化能E的无偏估计值和公式（2）中α、β的无偏估计值，再以此推出形状参数m的无偏估计值，最后依据可靠度函数

便可推断出，在一定可靠性的情况下，试验样品在所处常温环境中的寿命.

2.4 试验步骤

以序号1 的试验为例，温度条件是-40—140℃，循环频率为8 次，ΔT为180℃，该试验步骤如下：

1）在温箱外的操作面板上设置冷热循环程序，见表1 序号1；

2）取若干根长10 cm 的PVC 电线试验样品，放置在耐高温绝缘布料上，不能接触温箱壁，开始试验；

3）待104 小时后，将样品取出，在室外暴露24 小时；

4）随机取一根10 cm 长的电线，接入电路，用数字型电流钳，测量该电线部分漏电电流；

5）记录漏电电流数据，拆解电路，并将这根电线做标记；

6）取标记的10 cm 电线，利用Fluke 电子式绝缘电阻测试仪，测试该样品的绝缘电阻，记录绝缘电阻值；

7）将10 cm 的样品拍照记录，贴上标签，另取一根10 cm 的样品放入样品袋保存；

8）剩余样品继续重复步骤3）—7）；

9）当试验样品的绝缘电阻值低于8 GΩ，为不合格，记录，保存样本，可终止试验.

其他试验步骤基本与上述一致，不再赘述.

3 试验结果与分析

3.1 热绝缘老化实验结果

序号1 的试验结果见表2、图3、图4、图5.

表2 热绝缘老化试验结果

图3 绝缘电阻随时间的变化曲线

图4 漏电电流随时间的变化曲线

图5 试验样品的变化

在试验过程中，试验时长超过1 456 h的导线，没有漏电电流数据，是因为漏电电流超过了家用小型漏电断路器的漏电保护动作阈值30 mA.

根据判据，绝缘电阻低于8 GΩ 便可判定为失效，所以序号1 试验时长取624 h.后续试验主要是为了体现电线表皮颜色的变化过程，了解绝缘电阻的大致变化，数据并不纳入计算.各应力水平下电线失效时间见表3.

表3 各应力水平下电线失效时间

3.2 老化模型分析

本文选择的模型是Coffin-Manson模型，其关系表达式，见公式（2）.

根据公式（5）以及各应力水平下的电线失效时间数据，可以求得α、β以及E的无偏估计值，分别为-0.34、1.78、0.94.

于是，公式（4）可以写为公式（7）：

根据公式（7），加速因子数值和外推寿命数据.依据Weibull 分布，可求得形状参数m的无偏估计值以及外推寿命η，分别为0.878，262 807，则有：

PVC 电线的寿命预测情况如图6 所示.

图6 PVC 电线的寿命预测情况

从数据分析结果可以看出，PVC 电线的加速寿命试验能够使PVC 电线绝缘加速老化，试验数据也符合国家相关标准[2-3]规定，并且和加速寿命模型相匹配.

4 结 语

为了研究电线的绝缘热老化过程，本文通过冷热循环加速试验，获得了一定的数据.通过数据分析，可以得出结论，冷热循环加速试验可以加速电线的绝缘老化速率.该试验样品——PVC 电线，在20℃环境下的寿命为27—48 年；在30℃环境下的寿命为8—15 年.试验数据与Coffin-Manson 模型匹配度良好.

此外，也可以采用恒应力的试验方法进行热绝缘老化寿命预测.另文讨论.