基于等溫松弛電流法的交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化研究

宋余來(lái)，王曉巖，吳海朋，陳祥朋，朱廣越

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)清城供電局，廣東 清遠(yuǎn) 511500；2.國(guó)網(wǎng)吉林省長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；3.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012 )

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，由于具有多種優(yōu)越性能且安裝方便，自問(wèn)世以來(lái)就被人們廣泛使用，現(xiàn)已成為電能傳輸?shù)闹饕d體，是電力系統(tǒng)中重要組成部分[1].然而XLPE電纜在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到電、熱、化學(xué)和自然等因素作用，使其絕緣老化，對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠性造成極大影響[2].電力電纜投入運(yùn)行后，對(duì)其絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，是電纜運(yùn)行維護(hù)人員管理的難點(diǎn)[3]，但又是管理者進(jìn)行電纜更換決策所必要的技術(shù)支持.

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的離線檢測(cè)[4]電纜老化方法主要有局部放電法[5]，超低頻介損法[6]和逐級(jí)升壓法[7]等.這些方法都取得了不同程度的成功，但這些方法均需與電纜的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行研究，而IRC法對(duì)敷設(shè)較早或沒(méi)有歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的XLPE電纜也能夠正確評(píng)估其老化狀態(tài)[8].目前，IRC法在高壓電纜中的研究較少，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未完善[9]，因此有必要進(jìn)一步深入研究.

本文主要采用IRC法對(duì)66 kV交聯(lián)電纜絕緣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室[10-11]離線狀態(tài)評(píng)估，并分析了高壓電纜的松弛機(jī)理[12-13]，給出絕緣材料的老化狀態(tài)評(píng)估，同時(shí)探討了IRC法用于高壓電纜狀態(tài)檢測(cè)的可行性，為IRC法進(jìn)一步研究電纜老化狀態(tài)做經(jīng)驗(yàn)積累.

1 IRC法理論分析

1.1 松弛機(jī)理

XLPE絕緣材料在其生產(chǎn)制造過(guò)程中不可避免地參雜著雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，根據(jù)Simmons等人提出的IRC理論[14]，這些雜質(zhì)、缺陷在聚合物的禁帶中形成不同陷阱能級(jí)，且在整個(gè)能級(jí)范圍內(nèi)以離散形式分布.IRC理論主要研究微觀世界中存在的電子陷阱分布以及電子運(yùn)動(dòng)情況，將電流與時(shí)間的特征關(guān)系以公式推導(dǎo)形式表示出來(lái)[15]，以此闡釋絕緣體內(nèi)的電子與陷阱分布情況.

固體介質(zhì)在被施加電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，當(dāng)把外電場(chǎng)撤去后，介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生去極化(松弛)電流.當(dāng)溫度恒定時(shí)，去極化電流會(huì)逐漸衰減，且這一過(guò)程與其內(nèi)部陷阱分布有關(guān).因此，通過(guò)測(cè)量去極化過(guò)程中的松弛電流[16]，可判斷出絕緣內(nèi)部缺陷分布狀況，從而對(duì)XLPE絕緣進(jìn)行老化狀態(tài)評(píng)估.

圖1 老化等效電路模型

1.2 老化判據(jù)

測(cè)試系統(tǒng)[17-18]的等效電路，如圖1所示.其中，RK與CK分別代表XLPE電纜絕緣每單位長(zhǎng)度電阻與電容；RISL與ROSL代表XLPE電纜絕緣的內(nèi)外半導(dǎo)電屏蔽層每單位體積電阻；R與L代表XLPE電纜纜芯每單位長(zhǎng)度電阻與電感.對(duì)圖中被箭頭標(biāo)出的部分進(jìn)行計(jì)算，可得到XLPE絕緣老化狀態(tài)對(duì)所測(cè)電流的影響.

被標(biāo)出部分中有三對(duì)電阻和電容，每一對(duì)的乘積代表著一種極化過(guò)程：CD1RD1代表電纜的半導(dǎo)電屏蔽層同XLPE絕緣界面之間的體極化；CD2RD2代表著無(wú)定形同晶體之間界面極化；CD3RD3代表著電纜老化所造成的缺陷同XLPE絕緣之間的界面極化，故采用三階指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合處理

(1)

對(duì)其進(jìn)行擬合處理，公式中：τi、αi為電介質(zhì)材料特性相關(guān)的參數(shù)；τi(=RDiCDi)為時(shí)間常數(shù)，且反映了陷阱的深度；αi反映了陷阱的密度；I0為電纜最終達(dá)到平衡時(shí)去極化電流的穩(wěn)態(tài)值.為便于對(duì)XLPE電纜老化狀態(tài)進(jìn)行分類以及IRC法在工程檢測(cè)中應(yīng)用，引入了表征電纜老化程度的參數(shù)——老化因子

(2)

利用公式(1)擬合計(jì)算得到的τi與αi可求出A.公式中Q(τ2)、Q(τ3)是由絕緣內(nèi)老化引起的各種極化所決定的量.其計(jì)算式分別為公式(3)與公式(4).經(jīng)大量研究表明不同國(guó)家給出的老化因子判據(jù)不同，由表1可知.

(3)

(4)

我國(guó)目前還沒(méi)有制定相應(yīng)規(guī)范，所以仍然需要對(duì)IRC法進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，以得到適合我國(guó)工程實(shí)際的A判據(jù)，來(lái)指導(dǎo)我國(guó)電纜檢修人員對(duì)電纜線路更好地檢測(cè)與維護(hù).

表1 澳大利亞、韓國(guó)、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的A判據(jù)

(續(xù))表1

2 IRC試驗(yàn)方法及試驗(yàn)步驟

本文試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際接線圖如圖2所示，其中R0為測(cè)量保護(hù)電阻，Rn為放電限流電阻.根據(jù)Kranz[19]的評(píng)估方法可知在1 kV直流電壓下，IRC法屬于非破壞性試驗(yàn).測(cè)得實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為15 ℃、相對(duì)空氣濕度為13%.選取4根不同現(xiàn)役年限的66 kV三芯XLPE電纜，分別截取3 m長(zhǎng)作為樣品，編號(hào)分別為N1、N2、N3和N4.等溫松弛電流試驗(yàn)步驟如下：

(1)樣品測(cè)試前的預(yù)處理.將所有樣品兩端的外屏蔽層剝離，剝離長(zhǎng)度約為60 cm，為減小由于表面泄漏電流引起的試驗(yàn)誤差，用酒精清洗剝離外屏蔽層留下的污垢.

(2)對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行電磁屏蔽.鑒于退極化電流極小，易受外界電磁干擾影響，因此選用可伸縮的鋁箔波紋管對(duì)電纜兩端進(jìn)行可靠的電磁屏蔽處理.

(3)極化過(guò)程(開(kāi)關(guān)S2、S3打開(kāi)，S1閉合).將被測(cè)試電纜樣品一端外金屬護(hù)套接地，另一端導(dǎo)體接極化用的高壓直流電源，極化時(shí)間分別約為1 800或3 600 s.

(4)瞬時(shí)短路過(guò)程(開(kāi)關(guān)S1、S3打開(kāi)，S2閉合).將測(cè)量極化電流后的電纜樣品通過(guò)1 MHz電阻短路6 s，以降低表面自由電荷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

(5)去極化過(guò)程(開(kāi)關(guān)S1、S2打開(kāi)，S3閉合).對(duì)去極化電流的測(cè)量，采用計(jì)算機(jī)記錄等溫松弛電流(靜電計(jì)型號(hào)為KEYSIGHT B2985A)，控制去極化時(shí)間為2 000 s，電流采樣頻率為2 Hz.

(6)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 老化判據(jù)

本文將試驗(yàn)記錄的松弛電流數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到各電纜樣品各相相關(guān)參數(shù)及老化因子值.如表2所示，其中只列出部分有代表性的樣品參數(shù)，樣品N2在不同極化時(shí)間條件下測(cè)得，樣品N1為相同試驗(yàn)條件下測(cè)得，表中除C60極化時(shí)間60 min以外，其余極化時(shí)間均為30 min.

3.2 重復(fù)性試驗(yàn)

在相同條件下對(duì)同一根電纜樣品進(jìn)行多次試驗(yàn)，N1樣品A相在相同條件下6次測(cè)量得到的I-t曲線，如圖3所示.對(duì)比發(fā)現(xiàn)每次去極化電流曲線趨勢(shì)相近，但存在差異.可看出IRC法對(duì)XLPE電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)估能得到較好的重復(fù)性結(jié)果，但同時(shí)也存在一定偏差.為提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)時(shí)可對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行多次測(cè)量，取其均值.

表2 電纜樣品在不同條件下測(cè)得的參數(shù)值

3.3 同一樣品各相之間比較

對(duì)XLPE電纜樣品進(jìn)行多次測(cè)量后發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，同一樣品不同相之間去極化電流衰減速度快慢不同.樣品N4各相去極化電流測(cè)量得到的數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示.其中C相在相同極化時(shí)間后，去極化電流衰減速度較快，經(jīng)過(guò)約300 s去極化電流變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定；A相較慢，經(jīng)過(guò)約500 s，其變化趨勢(shì)才趨于穩(wěn)定.說(shuō)明C相比其余兩相由老化引起的去極化電流分量相對(duì)較少，即XLPE電纜樣品N4中C相老化情況較輕，A相老化最為嚴(yán)重.

圖3 樣品N1的A相重復(fù)測(cè)量去極化電流曲線圖4 樣品N4各相的去極化電流曲線

3.4 極化時(shí)長(zhǎng)對(duì)松弛電流的影響

電纜樣品N3的C相，如圖5所示.分別設(shè)置極化時(shí)長(zhǎng)為1 800 s和3 600 s進(jìn)行試驗(yàn).結(jié)果表明不同極化時(shí)長(zhǎng)對(duì)松弛電流有如下影響：在前300 s時(shí)，極化時(shí)間長(zhǎng)60 min的去極化電流衰減速度明顯快于極化時(shí)間短(30 min)的，300 s之后極化時(shí)間的長(zhǎng)或短，對(duì)去極化電流曲線變化趨勢(shì)幾乎無(wú)影響.

圖5 樣品N3不同極化時(shí)長(zhǎng)的對(duì)比曲線圖6 不同現(xiàn)役年限電纜樣品的不對(duì)稱鐘形曲線

4 分 析

4.1 不對(duì)稱鐘形曲線[18]

現(xiàn)役66 kV單芯交聯(lián)電纜的原始數(shù)據(jù)擬合曲線，如圖6所示.曲線1、曲線2、曲線3分別表示已使用15 a、24 a和28 a的電纜樣品的不對(duì)稱鐘形曲線.從中可以看出曲線3峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)間(橫坐標(biāo))值最大，曲線1峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)間(橫坐標(biāo))值最小.經(jīng)計(jì)算其老化因子分別為1.3、1.9、2.0，依次增加，說(shuō)明IRC法的不對(duì)稱鐘形曲線可以描述電纜樣品相應(yīng)的老化狀態(tài).即不對(duì)稱鐘形曲線峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)間值越大，XLPE電纜絕緣老化狀態(tài)相對(duì)越嚴(yán)重.

4.2 指數(shù)函數(shù)分峰曲線

圖7中(a)、(b)和(c)三圖分別為對(duì)應(yīng)圖6中1、2和3三條曲線的指數(shù)函數(shù)分峰曲線，可以看出樣品電介質(zhì)材料內(nèi)存在3種不同的松弛類型，三個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)前文1.2節(jié)中的τ1、τ2和τ3，且τ3的面積明顯大于前兩者，圖中整體曲線是由上述3種曲線疊加產(chǎn)生.可以看出τ3面積明顯增大，表明隨著使用年限地增加絕緣中缺陷大量增加，老化加重，即電纜樣品絕緣老化程度與其現(xiàn)役年限的多少具有明顯的一致性.

圖7 擬合分峰對(duì)比曲線

4.3 不同判據(jù)比較

根據(jù)表1與表2中數(shù)據(jù)的對(duì)比，得到本文電纜樣品在各國(guó)判據(jù)條件下的老化狀態(tài)，如表3所示.可以發(fā)現(xiàn)德國(guó)判據(jù)判斷出的老化狀態(tài)均為老化嚴(yán)重，可以看出德國(guó)判據(jù)相較于其他兩國(guó)判據(jù)劃分較為寬泛.由圖4與表3結(jié)合來(lái)看，同一根電纜各相之間的老化狀態(tài)不同，這與電纜實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所受負(fù)荷不同的情況一致，所以不同電纜比較時(shí)只需用老化程度最嚴(yán)重的相代替其老化狀態(tài)來(lái)比較即可.表3與圖6所得結(jié)論相符，電纜樣品使用年限長(zhǎng)，曲線峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)間值相對(duì)較大，電纜樣品老化較嚴(yán)重.而IRC法試驗(yàn)所得指數(shù)函數(shù)曲線分峰可以從微觀角度反映出，電介質(zhì)材料內(nèi)存在3種不同的松弛類型，且由老化造成的缺陷與電纜絕緣形成的界面極化，是判斷老化狀態(tài)的關(guān)鍵因素.

從表1中可以看出各國(guó)判據(jù)均存在差異，這主要是由于各國(guó)XLPE電纜絕緣材料成分和生產(chǎn)工藝不同造成；結(jié)合表2和表3數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)的樣品除運(yùn)行時(shí)間不同外，其生產(chǎn)廠家及運(yùn)行環(huán)境也不同.諸多影響因素的存在，必然在一定程度上造成試驗(yàn)結(jié)果的差異性和分散性.由此可見(jiàn)，直接將國(guó)外(如澳大利亞、德國(guó)和韓國(guó))提供的電纜絕緣老化判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到我國(guó)電纜健康狀況的評(píng)價(jià)是不合理的.為了提高IRC法判斷電纜壽命的準(zhǔn)確性以適應(yīng)我國(guó)電纜的研究需求，需要對(duì)大量的測(cè)試性試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析，并輔以加速老化和逐級(jí)升壓等試驗(yàn)進(jìn)行完善，最終提出適合我國(guó)電纜實(shí)際情況的老化因子評(píng)價(jià)體系.

表3 電纜樣品(N2)各相根據(jù)各國(guó)判據(jù)判斷老化狀態(tài)

5 結(jié) 論

IRC法可以對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的老化程度進(jìn)行判斷分析，其老化狀態(tài)可用老化因子A來(lái)評(píng)估；為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，需進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)；等溫松弛電流的指數(shù)函數(shù)分峰曲線可以從微觀角度表征電介質(zhì)材料中絕緣缺陷及陷阱分布情況；試驗(yàn)結(jié)果表明電纜樣品絕緣老化程度與其現(xiàn)役年限的多少具有明顯的一致性；在IRC法的不對(duì)稱鐘形曲線中，當(dāng)曲線峰值出現(xiàn)位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值越大，表明電纜絕緣老化程度越嚴(yán)重.