基于等溫松弛電流法的XLPE絕緣電力電纜老化評估判據(jù)研究

高樹國， 朱永華， 吳長順， 尹 毅

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊050021;2.上海電纜研究所，上海200093;3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系，上海200240)

0 引言

自1960年在美國出現(xiàn)了交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜制造技術(shù)后，該技術(shù)立即傳入歐洲和日本。此后XLPE絕緣電力電纜在美國、歐洲和日本開始逐漸成熟，并逐漸向超高壓電纜方向迅速發(fā)展。我國XLPE電纜主要開始于上個世紀(jì)80年代，其中1985年長春電業(yè)局首次使用了由沈陽電纜廠制造的66 kV XLPE電纜。到目前為止，110 kV及以下電壓等級電網(wǎng)已全面使用XPLE電纜，僅在220 kV及以上電壓等級仍保留有部分充油電纜線路。因此我國XLPE電力電纜的使用歷史也已經(jīng)接近30年。XLPE電力電纜的設(shè)計壽命為30～40年，因此部分電纜已經(jīng)接近設(shè)計壽命的終點。另外自上世紀(jì)90年代開始，XLPE電纜在我國大面積敷設(shè)，迄今為止已經(jīng)有20年左右的使用年限。為確保城市安全供電，研究XLPE電力電纜絕緣狀態(tài)診斷技術(shù)、開發(fā)相應(yīng)的測試技術(shù)并在此基礎(chǔ)上建立電力電纜絕緣運行導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)迫切需要解決的技術(shù)難題。

中低壓電纜中的水樹枝是主要的缺陷形式，對此種缺陷的評估方法很多，大致可以分成以下幾種:(1)破壞性方法，如耐壓法(逐級升壓法，斜坡電壓法)、預(yù)擊穿局部放電法;(2)非破壞性方法，如介電頻譜法、殘余電荷法、等溫松弛去極化電流法(IRC)、損耗電流諧波分量法等;(3)在線監(jiān)測法，如直流疊加法、直流成份法、諧波分量法等;(4)非電量法，如切片法、活化能法、熱延伸變化率法等。

破壞性方法的原理是，給電纜施加一個遠(yuǎn)高于運行時的電壓，使那些在運行電壓下沒有表現(xiàn)出來的水樹等缺陷，在高電場下加速發(fā)展，促使水樹向電樹迅速發(fā)展，對外的表現(xiàn)，要么擊穿，要么局部放電大大增加。非破壞性方法的物理學(xué)基礎(chǔ)比較復(fù)雜，各種方法的原理不盡相同。介電頻譜法利用水樹等引起的介質(zhì)損耗隨水樹含量和長度而變化來檢測，或者利用介電頻譜隨外施電壓的變化而變化來反映。外施電壓升高，導(dǎo)致水樹等缺陷的極化強度增加，損耗增加。等溫松弛電流法基于水樹等缺陷引起的界面極化強度隨水樹增加而增加，而電纜中其它的界面極化，如電極(內(nèi)外屏蔽層與絕緣之間的界面)和電纜絕緣材料中本體的極化隨著運行年數(shù)增加，基本保持不變，因此采用缺陷引起的極化值與本體極化值的比值，可以描述電纜運行過程中老化程度的變化。由于等溫松弛電流法物理含義明確，操作簡單，最重要的是IRC法無需歷史運行數(shù)據(jù)的支持，對敷設(shè)較早，或沒有及時保留運行歷史數(shù)據(jù)的電纜也能正確評估其殘余壽命。因此國外在此方面已經(jīng)有深入的研究，并且得到了應(yīng)用。

1 等溫松弛電流法的原理簡述

從等溫松弛電流法在電纜壽命評估中的應(yīng)用情況來看，對XLPE電力電纜進行直流預(yù)壓，隨后測量短路過程中的短路去極化電流隨時間的變化量I(t)。由于偶極極化、離子位移極化以及電子位移極化的松弛時間常數(shù)很短，小于10－7s，因此所測的短路電流中只包含了松弛時間常數(shù)較長的界面極化松弛電流。根據(jù)Debye松弛理論，針對XLPE絕緣的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［1］分析認(rèn)為這個松弛電流包含了半導(dǎo)電屏蔽層與XLPE之間的界面極化松弛項、晶區(qū)與無定形之間的界面極化松弛項以及由運行過程中產(chǎn)生的水樹枝引起的無機鹽等與聚乙烯之間的界面極化松弛項。因此I(t)可以表示成:

式中:τ1、τ2和 τ3分別是對應(yīng)了半導(dǎo)電屏蔽層與XLPE形成的界面極化時間常數(shù)、XLPE中晶區(qū)與無定形區(qū)之間的界面極化時間常數(shù)和老化過程中XLPE與水樹枝等引起的水合鹽之間的界面極化時間常數(shù);而a1、a2和a3則對應(yīng)三種界面極化的極化強度。

一般說來，在電纜制造完成后和后續(xù)的運行過程中，由于電纜的結(jié)構(gòu)不會發(fā)生顯著的變化，所以半導(dǎo)電屏蔽層與XLPE形成的界面極化項不發(fā)生顯著變化，對應(yīng)的a1和τ1也不發(fā)生顯著改變;如果電纜在運行過程中不發(fā)生顯著的過熱，則XLPE的形態(tài)不發(fā)生顯著變化，因此對應(yīng)的a2和τ2也不發(fā)生顯著改變;由于在電纜運行過程中受電場以及熱應(yīng)力等的作用，同時有水分的參與，將會在電纜中產(chǎn)生水樹枝等缺陷，由此導(dǎo)致a3和τ3發(fā)生與老化程度相應(yīng)的改變。正是建立在上述分析的基礎(chǔ)上，等溫松弛電流提出了一個用于表征電纜的老化程度的參數(shù)——老化因子 A［2］:

2 各國對等溫松弛電流法判據(jù)的分析

等溫松弛電流中包含很多信息，可以反映XLPE電力電纜老化程度，研究表明:基于等溫松弛電流法獲得的老化因子A與電纜的殘余擊穿電壓之間存在定量關(guān)系［3］。這是等溫松弛電流法用于電纜壽命評估的基礎(chǔ)。老化因子與電纜中新增的缺陷有關(guān)，但同時也與電纜材料、電纜制造工藝等因素有關(guān)，因此不同國家給出的電纜老化因子的判據(jù)是不同的［3－6］。表1、表2和表3中分別列出了德國、韓國和澳大利亞基于電纜殘余擊穿電壓給出的電纜老化因子判據(jù)，以此判斷絕緣老化情況。

表1 判據(jù)一:德國標(biāo)準(zhǔn)

表2 判據(jù)二:韓國標(biāo)準(zhǔn)

表3 判據(jù)三:澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)

從以上表中可看出，各國老化因子判據(jù)具有以下特點:

(1)德國和韓國電力公司老化因子判據(jù)比較接近，其中電纜絕緣“嚴(yán)重劣化”兩者均選擇了殘余電壓為7U0作為判斷依據(jù)。

(2)同樣的殘余電壓值，韓國老化因子值相對德國電力公司偏高，而且韓國老化因子分布范圍更廣。

(3)澳大利亞其殘余電壓范圍較窄，在3～7U0之間，老化因子則在1.5～3之間。此外，電纜外屏蔽的結(jié)構(gòu)對老化因子和殘余電壓的關(guān)系有比較大的影響。

(4)德國某大學(xué)的老化程度分類，其判斷絕緣劣化時殘余電壓選擇了4U0，但未給出相應(yīng)的老化因子數(shù)值。

由此可知，各國老化因子判據(jù)是根據(jù)絕緣的殘余擊穿電壓來分類，而各國對殘余擊穿電壓的不同選擇導(dǎo)致了老化因子的差異;不同電纜屏蔽結(jié)構(gòu)其老化因子會有較大的差異。

3 我國等溫松弛電流法判據(jù)的初步研究

為了研究國產(chǎn)電纜老化因子的初始值，同時驗證IRC對老化量的敏感性，對一批(4根)35 kV XLPE新電纜進行老化前后老化因子的測量。老化的條件為:5 h加熱，3 h冷卻，加熱時的溫度是(97.5!2.5)℃，共20個循環(huán)。測試的松弛電流如圖1中所示，電纜老化前后的松弛電流值都隨時間的增長逐漸下降，且老化后的松弛電流值都比未老化電纜的大。本文基于式(1)對實測電流曲線進行了擬合，結(jié)果如圖1所示，擬合曲線和測量曲線基本吻合，具體擬合參數(shù)見表4。將擬合參數(shù)代入式(2)可得老化因子A，由表中可以發(fā)現(xiàn)，4根新電纜，其老化因子的起始值均大于1.7，而老化的結(jié)果，老化因子增加量中，4根電纜的均超過0.9，說明熱循環(huán)老化對老化因子的增加明顯。本次試驗雖然只進行了4根電纜，不足以代表國產(chǎn)新電纜的老化因子的初始值。但是卻為今后IRC方法在我國的應(yīng)用提供了一個清晰的技術(shù)路線。以下分析了國產(chǎn)電纜采用IRC法評估電纜壽命時老化判據(jù)的研究方法。

圖1 老化前后的松弛電流曲線

表4 國產(chǎn)新電纜老化到壽命終結(jié)時的老化因子

終結(jié)時的老化因子的平均值:

從上述的實驗結(jié)果分析，國產(chǎn)新電纜的初始老化因子較德國、韓國和澳大利亞的大，而老化終結(jié)時的老化因子比德國的大，但與韓國和澳大利亞給出的結(jié)果接近。

另外根據(jù)老化因子的計算公式(2)來分析，造成老化因子偏大的原因有:分子Q(τ3)偏大或分母Q(τ2)偏小。

從式(2)可知，Q(τ3)的值與電纜的老化程度有關(guān)，會隨著老化情況的加劇而變大。而值則受到無定形與晶體界面的影響。

從國產(chǎn)電纜的生產(chǎn)和制造的實際情況分析，導(dǎo)致國產(chǎn)XLPE電纜老化因子偏大的可能原因包括:

(1)國產(chǎn)電纜制造質(zhì)量的參差不齊，部分電纜制造質(zhì)量不過關(guān)，絕緣內(nèi)部存在微孔和雜質(zhì)等缺陷，使得Q(τ3)的值偏大。

(2)國產(chǎn)電纜在制造過程中所選用的絕緣材料和德國電纜的絕緣材料配方不同，主要的差別在于絕緣內(nèi)添加的材料不同或是同種材料添加的量有所不同，造成絕緣內(nèi)無定形晶體界面的差異，導(dǎo)致國產(chǎn)電纜的Q(τ2)值較德國的更小。

(3)國產(chǎn)電纜的制造工藝與國外有所差別，例如交聯(lián)方式、交聯(lián)生產(chǎn)線形式、交聯(lián)時間設(shè)定、冷卻時間設(shè)定等不同，都會影響晶體結(jié)晶的形態(tài)，導(dǎo)致Q(τ2)值較德國的更小。

(4)國產(chǎn)電纜的后期處理方式與國外也有不同，例如電纜是否采用烘干加熱方法去除絕緣內(nèi)殘余氣體等，都會影響晶體結(jié)晶的形態(tài)，導(dǎo)致Q(τ2)值較德國的更小。

4 結(jié)束語

本文從XLPE電力電纜的運行狀況，分析了基于等溫松弛電流法壽命評估的必要性，從等溫松弛原理角度闡述了等溫松弛電流中各個松弛成分引起的原因。通過對各國給出的等溫松弛電流的老化因子的判據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)不同國家給出的老化因子的判據(jù)以及與殘余擊穿電壓的關(guān)系不同。

另外，本文從實驗角度分析了國產(chǎn)XLPE電力電纜的初始老化因子值以及老化終點時的老化因子值，并且分析了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的可能原因。

等溫松弛電流法由于與殘余擊穿電壓有定量的關(guān)系，使其在壽命評估方面具有其它方法所不具備的優(yōu)點，但是國產(chǎn)電纜的老化因子的判據(jù)仍然需要進行研究。

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