基于IRC和電熱加速老化試驗(yàn)的XLPE電纜絕緣性能研究

陳祥朋，吳海朋，朱廣越，王昭欽

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)的逐漸完善，各個(gè)行業(yè)的用電需求不斷增加，電力電纜逐漸成為電力系統(tǒng)輸送大功率電能的重要設(shè)備之一[1-3].交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜由于具有優(yōu)越的電氣、耐熱性能，以及制作工藝較為簡(jiǎn)單，在輸變電系統(tǒng)中被廣泛的應(yīng)用[4-5].目前，XLPE電力電纜的敷設(shè)數(shù)量在我國(guó)電纜總敷設(shè)數(shù)量的占比達(dá)到99%，是電纜的主要組成部分[6].由于電力電纜絕緣層制造工藝和電纜敷設(shè)條件的限制，以及電纜在投入運(yùn)行后受到電、熱、化學(xué)、機(jī)械、環(huán)境等多個(gè)因素的影響，絕緣層的絕緣性能會(huì)隨電纜運(yùn)行時(shí)間的增加而下降，逐漸老化達(dá)到壽命終點(diǎn)[7-10].我國(guó)20世紀(jì)80年代投入運(yùn)行的XLPE電纜已服役30年，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)使用壽命，面臨更換的問題，所以電纜的絕緣性研究對(duì)保證電纜安全運(yùn)行、提高電力經(jīng)濟(jì)效益具有至關(guān)重要的作用.

等溫松弛電流法(IRC)、介損法和耐壓法是目前檢驗(yàn)電纜絕緣性能的常用試驗(yàn)方法.介損法通過諧波分析測(cè)量介質(zhì)損耗角δ，但在各種因素的影響下，電力系統(tǒng)的基波頻率會(huì)有一定的波動(dòng)，利用諧波分析的方式來測(cè)量介損角會(huì)有較大的誤差[11].耐壓法可以直接評(píng)估電纜的絕緣性能，但這種方法具有破壞性，且不可以準(zhǔn)確區(qū)分局部缺陷和整體缺陷對(duì)絕緣性能的影響[12-13].IRC法利用測(cè)量的松弛電流，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算老化因子來評(píng)估電纜的絕緣性能，且不需要電纜的敷設(shè)運(yùn)行歷史狀況，是目前國(guó)際上常用的絕緣性能評(píng)估方法[14].

電熱加速老化試驗(yàn)是研究電纜絕緣性能的重要手段之一.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究電、熱單一應(yīng)力或電熱雙應(yīng)力對(duì)電纜老化的影響，沒有綜合開展同時(shí)進(jìn)行電、熱以及電熱聯(lián)合三種試驗(yàn)方式對(duì)電纜絕緣性能的研究，并且對(duì)電纜本體進(jìn)行熱老化時(shí)，大多采用老化箱的試驗(yàn)方法，這不能充分模擬電纜在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的熱老化狀況.本文進(jìn)行熱老化時(shí)，采取施加大電流的方法，使得熱老化更加接近實(shí)際運(yùn)行的狀況，提出一套新的加速老化試驗(yàn)方案，對(duì)電纜同時(shí)進(jìn)行電老化、熱老化和電熱聯(lián)合老化，通過等溫松弛電流法分析電纜在經(jīng)過不同加速老化試驗(yàn)后老化因子的變化，這對(duì)于電纜絕緣性能的研究具有重要的意義.

1 樣品處理

選用一根66 kV XLPE電纜作為試驗(yàn)樣品，將樣品電纜定義為樣品M，相電壓U0=38 kV，試驗(yàn)樣品參數(shù)：纜芯材料為銅，橫截面積800 mm2，導(dǎo)體直徑34.4 mm，屏蔽層厚度1.34 mm，主絕緣厚度14 mm，總長(zhǎng)度9.6 m.考慮到試驗(yàn)變量的影響，為減少試驗(yàn)變量，將樣品M均勻截成三段長(zhǎng)度相等的新樣品，每段電纜長(zhǎng)度為3.2 m，分別對(duì)樣品進(jìn)行電老化、熱老化和電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)，并將樣品按圖1進(jìn)行編號(hào).例如M1表示未經(jīng)老化的樣品1，MA1表示老化完一階段后的樣品1，MB1表示老化完二階段后的樣品1.

為了防止在加高壓過程中外半導(dǎo)體屏蔽層與纜芯接地處發(fā)生沿面爬電，將每根試驗(yàn)樣品制成如圖2所示，樣品總長(zhǎng)度為320 cm.經(jīng)計(jì)算，沿面爬電的安全距離應(yīng)不小于100 cm，所以剝離電纜左右兩端的半導(dǎo)體屏蔽層各100 cm，漏出XLPE絕緣層.

2 試驗(yàn)原理及方案

2.1 等溫松弛電流試驗(yàn)

2.1.1 等溫松弛電流原理

由Simmons和Tam提出的等溫松弛電流理論認(rèn)為含有雜質(zhì)和缺陷的聚合物體內(nèi)存在電子陷阱能級(jí)，電子在從陷阱移動(dòng)到導(dǎo)帶的過程中會(huì)產(chǎn)生電流.通過研究微觀電子與微觀電子運(yùn)動(dòng)，可以利用電流與時(shí)間的關(guān)系來表征絕緣內(nèi)電子缺陷陷阱分布狀況[15-17].等溫松弛電流法是在同一溫度下對(duì)交聯(lián)聚乙烯電力電纜施加直流電壓，測(cè)量電纜的去極化電流.

等溫松弛電流是一個(gè)三階衰減指數(shù)函數(shù)，由三個(gè)時(shí)間常數(shù)不同的松弛電流分量構(gòu)成[18-19].它的表達(dá)形式為

(1)

公式中：I0是電流衰減到穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)值；τ1為半導(dǎo)電層與絕緣之間的界面去極化常數(shù)；τ2為無定形區(qū)和晶區(qū)間的界面去極化常數(shù)；τ3為XLPE絕緣與老化引起的水合鹽之間的界面去極化常數(shù)；a1、a2、a3分別為對(duì)應(yīng)的去極化強(qiáng)度[20-22]；τi為電子移動(dòng)的時(shí)間，即松弛時(shí)間，當(dāng)τi越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的松弛過程時(shí)間越長(zhǎng).ai表示陷阱密度，當(dāng)ai越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的松弛電流越大.為了更好地衡量電纜的老化狀態(tài)，提出老化因子

(2)

公式中：

(3)

2.1.2 等溫松弛電流試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分別測(cè)量加速老化前后的松弛電流，具體的66 kV XLPE電力電纜的IRC試驗(yàn)步驟如下所示.

(1)預(yù)處理階段：將電纜兩端剝離的外屏蔽層處用無水乙醇進(jìn)行清洗，減小表面污穢對(duì)松弛電流的影響，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性.

(2)極化階段：XLPE電纜纜芯施加1 000 V直流電壓，金屬屏蔽可靠接地，對(duì)電纜進(jìn)行極化，極化時(shí)間為1 800 s.

(3)瞬時(shí)短路階段：極化完成后，斷開高壓直流電源，將纜芯和金屬屏蔽經(jīng)10 MΩ電阻短路，短路時(shí)間5 s，減小表面自由電荷對(duì)測(cè)量的影響.

(4)測(cè)量階段：使用Keysight b2985A型靜電計(jì)采集與記錄松弛電流.斷開短路開關(guān)，纜芯經(jīng)過50 MΩ保護(hù)電阻連接靜電計(jì)，測(cè)量時(shí)間為1 800 s.在測(cè)量過程中要保證試驗(yàn)環(huán)境安靜以減小周圍噪聲對(duì)結(jié)果的影響.

重復(fù)試驗(yàn)同一根66 kV XLPE電纜時(shí)，試驗(yàn)間隔應(yīng)至少保持在1 h以上，保證電纜恢復(fù)到初始狀態(tài).

2.2 加速老化試驗(yàn)

2.2.1 加速老化試驗(yàn)原理

在研究多應(yīng)力對(duì)電纜老化程度的影響時(shí)，需要對(duì)樣品電纜進(jìn)行加速老化試驗(yàn).理想狀況下的老化試驗(yàn)是給電纜施加與正常工作時(shí)相同的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，模擬電纜在正常投入使用時(shí)的工作狀態(tài)，但這種工作條件下的老化試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng).加速老化試驗(yàn)是通過提高電、熱兩個(gè)老化應(yīng)力水平，劣化電纜所處的運(yùn)行環(huán)境，縮短老化試驗(yàn)時(shí)間，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?

2.2.2 加速老化試驗(yàn)方案

為了研究多應(yīng)力對(duì)電纜老化的影響，本文分別進(jìn)行單因子和雙因子加速老化試驗(yàn)，將電纜分別同時(shí)進(jìn)行電老化、熱老化和電熱聯(lián)合老化，研究電、熱單應(yīng)力以及電熱雙應(yīng)力對(duì)電纜老化的影響.試驗(yàn)通過在電纜絕緣與護(hù)套之間施加高壓交流電壓進(jìn)行電老化，纜芯上通過大電流來使其發(fā)熱進(jìn)行熱老化，同時(shí)施加兩者進(jìn)行電熱聯(lián)合老化.具體老化試驗(yàn)電路如圖3所示.

試驗(yàn)中使用的高壓設(shè)備為串聯(lián)諧振耐壓裝置，該裝置主要包括變頻電源、激勵(lì)變壓器以及可調(diào)電感，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電感，使之與電纜電容形成串聯(lián)諧振來產(chǎn)生高電壓，該設(shè)備最高可產(chǎn)生500 kV交流電壓，足夠本次試驗(yàn)進(jìn)行電老化所需的電壓.產(chǎn)生大電流的設(shè)備為大電流溫升試驗(yàn)裝置，該裝置最高可產(chǎn)生4 000 A電流，并且設(shè)備自帶測(cè)溫裝置，可以實(shí)時(shí)測(cè)量電纜纜芯和絕緣層的溫度，完成XLPE電纜的熱老化.

將制備好的樣品M1施加高電壓進(jìn)行電老化，M2同時(shí)施加高電壓與大電流進(jìn)行電熱聯(lián)合老化，M3施加大電流進(jìn)行熱老化.加速老化試驗(yàn)分為兩個(gè)試驗(yàn)階段，每個(gè)階段試驗(yàn)完成后，進(jìn)行等溫松弛電流試驗(yàn)測(cè)量松弛電流，擬合測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算老化因子，研究老化因子的變化.第一階段M1和M2樣品上施加的高壓為1.3U0，M2和M3施加電流使纜芯溫度達(dá)到90 ℃.第二階段加大試驗(yàn)電流，使M2和M3電纜纜芯溫度達(dá)到100 ℃，M1和M2電纜上施加電壓依然為1.3U0.試驗(yàn)的理想狀態(tài)為第二階段試驗(yàn)同時(shí)加大電壓、電流，但受試驗(yàn)條件的限制無法繼續(xù)加大電壓，故電壓依然為1.3U0.根據(jù)電纜的試驗(yàn)環(huán)境，通過有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，并且與大電流溫升設(shè)備所測(cè)溫度相互驗(yàn)證，得到纜芯溫度為90 ℃時(shí)，纜芯電流為1420 A，纜芯溫度增加至100 ℃時(shí)，纜芯電流為1525 A.

本試驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)主要在于兩方面.一方面，本試驗(yàn)在相同環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行電、熱以及電熱聯(lián)合老化，控制溫度、濕度等環(huán)境變量對(duì)試驗(yàn)的影響，增加試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；另一方面本試驗(yàn)的熱老化不是利用老化箱改變電纜所處的外在溫度進(jìn)行老化，而是在電纜纜芯施加大電流進(jìn)行熱老化，更加符合電纜本體的發(fā)熱狀況，接近電纜實(shí)際運(yùn)行工況.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

三個(gè)樣品分別在老化前、老化一階段后和老化二階段后進(jìn)行等溫松弛電流試驗(yàn)的試驗(yàn)測(cè)量曲線和數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4～圖6所示，三個(gè)樣品在各個(gè)階段根據(jù)測(cè)量的松弛電流進(jìn)行三階指數(shù)擬合所得到的參數(shù)以及老化因子如表1～表3所示.

由圖4～圖6可知，IRC法測(cè)量松弛電流時(shí)總體上重復(fù)性較好，但由于去極化電流的數(shù)量級(jí)為pA級(jí)，為弱電信號(hào)，衰減到接近穩(wěn)定后，電流太小，受環(huán)境的影響較大，會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的狀況，但在可以接受的范圍內(nèi)；同時(shí)可見，各個(gè)樣品在經(jīng)過兩個(gè)階段加速老化后，松弛電流的初始值會(huì)增大，這是由于在樣品加速老化過程中，絕緣內(nèi)部陷阱的數(shù)量增加，捕捉電荷的能力變強(qiáng)，所以去極化電流初始值變大.

圖4 未老化前樣品等溫松弛電流測(cè)量及擬合曲線圖5 老化完一階段后樣品等溫松弛電流測(cè)量及擬合曲線

表1 未老化前樣品擬合參數(shù)及老化因子

表2 老化完一階段后樣品擬合參數(shù)及老化因子

表3 老化完二階段后樣品擬合參數(shù)及老化因子

為了減少試驗(yàn)變量，試驗(yàn)使用的三根電纜截取自同一根電纜且長(zhǎng)度相等.由表1可見，樣品M2的老化因子為1.904 9，樣品M3的老化因子為1.836 2，與未經(jīng)老化前樣品電纜的老化因子有所差別，但差距不大.這是由于試驗(yàn)樣品雖來自同一根電纜，但絕緣陷阱的密度和深度在電纜中并不是完全均勻分布，即電纜在投入運(yùn)行的過程中，絕緣層不同位置的陷阱會(huì)有一定的差別.

由表1～表3可知，各個(gè)樣品在三個(gè)時(shí)期松弛電流的擬合參數(shù)均滿足τ3>τ2>τ1，表明電纜內(nèi)部的三種極化方式對(duì)等溫松弛電流的影響不同，半導(dǎo)電層與絕緣之間的界面極化對(duì)老化因子的影響最小，XLPE絕緣與老化引起的水合鹽之間的界面極化對(duì)老化因子的影響最大；同時(shí)由表可見，τ1的數(shù)值遠(yuǎn)小于τ2和τ3的數(shù)值，因?yàn)樵赬LPE電纜老化的過程中，半導(dǎo)電層與絕緣層之間的界面極化變化較小，而無定形區(qū)與晶區(qū)間和XLPE絕緣與老化引起的水和鹽之間的界面極化變化較大，所以計(jì)算老化因子時(shí)，τ2和τ3起主要作用，可以粗略忽視τ1數(shù)值的影響；隨著絕緣層老化加重，絕緣內(nèi)部陷阱密度和深度不斷增大，電子在被陷阱捕捉后更難脫離，所以受老化引起的水合離子和鹽的影響，τ3的數(shù)值最大，是影響老化因子大小的主要因素，但非主導(dǎo)因素，由表1～表3也可以看出并不是所有的τ3數(shù)值大的電纜對(duì)應(yīng)得老化因子一定大.

對(duì)比表1、表2和表3，三組樣品在以不同的加速老化方式試驗(yàn)兩個(gè)階段后，老化因子都出現(xiàn)了不同程度的增加.由表1和表2可見，在進(jìn)行完第一階段的老化試驗(yàn)后，進(jìn)行電老化加速試驗(yàn)的樣品MA1老化因子增加了3.70%，進(jìn)行電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)的樣品MA2老化因子增加了13.04%，進(jìn)行熱老化加速試驗(yàn)的樣品MA3老化因子增加了4.82%.由此可見，90 ℃溫度對(duì)電纜老化的影響已經(jīng)大于1.3U0電壓對(duì)電纜老化的影響，即電纜在老化過程中，相對(duì)于電應(yīng)力，熱應(yīng)力對(duì)電纜老化的“貢獻(xiàn)”更大，并且電熱雙應(yīng)力聯(lián)合作用時(shí)，對(duì)老化因子的作用要遠(yuǎn)勝于電、熱單一應(yīng)力的作用.由表2和表3可見，進(jìn)行完第二階段的加速老化試驗(yàn)后，電、電熱聯(lián)合以及熱老化試驗(yàn)樣品的老化因子比第一階段分別增加4.21%、37.52%和23.42%.由數(shù)據(jù)可得電老化試驗(yàn)樣品的老化因子變化不大，而涉及溫度的熱老化以及電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)樣品的老化因子激增，這是由于第二階段電壓依然為1.3U0而纜芯溫度增加至100 ℃，電流超過載流量后引發(fā)的溫度變化對(duì)電纜老化的影響更大，驗(yàn)證了在老化過程中，電熱聯(lián)合老化>熱老化>電老化，電、熱兩種應(yīng)力存在協(xié)同作用，雙應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于單一應(yīng)力對(duì)老化的影響.為了更直觀的看到兩個(gè)階段后各個(gè)樣品老化因子的變化，各階段老化因子變化的柱形圖，如圖7所示.

4 結(jié) 論

本文采用了一套新的加速老化試驗(yàn)方案，對(duì)截自同根66kV的XLPE電纜的三根樣品分別同時(shí)進(jìn)行了電、熱以及電熱聯(lián)合老化，通過等溫松弛電流試驗(yàn)研究電纜樣品在兩個(gè)階段加速老化試驗(yàn)后的絕緣性能，得到以下結(jié)論：

(1)IRC法作為一種非破壞性試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)時(shí)松弛電流重復(fù)性較好，試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以利用老化因子的變化來表征XLPE電纜絕緣層絕緣性能的變化.

(2)在完成第一階段加速老化試驗(yàn)后，電老化試驗(yàn)樣品老化因子增加3.70%，而熱老化試驗(yàn)樣品老化因子增加4.82%.在完成第二階段加速老化試驗(yàn)階段后，電老化試驗(yàn)樣品老化因子增加4.21%，熱老化試驗(yàn)樣品老化因子增加23.42%.說明XLPE電纜在運(yùn)行過程中，尤其是過載時(shí)，熱應(yīng)力對(duì)老化的“貢獻(xiàn)”比電應(yīng)力大，并且溫度越高，對(duì)電纜絕緣性能的影響會(huì)急劇增加.

(3)兩個(gè)階段加速老化試驗(yàn)中，電熱聯(lián)合老化的試驗(yàn)樣品老化因子分別增加13.04%和37.52%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電、熱單應(yīng)力作用樣品的老化因子，說明XLPE電力電纜在老化過程中，電應(yīng)力與熱應(yīng)力存在協(xié)同作用，雙應(yīng)力協(xié)同作用下的老化速度要遠(yuǎn)快于單一應(yīng)力作用下的老化速度.