基于極化損耗因數(shù)變化率的交聯(lián)聚乙烯高壓電纜絕緣老化診斷

馬驍，孫榮，余華興，馬弢，顧博，劉云龍，邵愚，袁子超

（重慶市電力公司江北供電局，重慶 401147）

0 前言

XLPE交聯(lián)聚乙烯電力電纜在正常環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的壽命為30年左右[1]。但由于電纜長(zhǎng)期在機(jī)械應(yīng)力、水分、溫度及電場(chǎng)等諸多因素共同作用下[2]，導(dǎo)致絕緣本體和附件的絕緣性能逐漸劣化，這將會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣裕度下降，在沖擊電壓的作用下可能會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，引發(fā)電力事故。因此，根據(jù)實(shí)際情況，XLPE電纜實(shí)際運(yùn)行壽命遠(yuǎn)低于30年。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜絕緣狀態(tài)，對(duì)電纜進(jìn)行周期性的絕緣診斷是必要的。

對(duì)于高壓電纜的絕緣診斷，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要通過(guò)測(cè)試寬頻介電譜以及等溫松弛電流(isothermal relaxation current, IRC)并借以分析來(lái)判斷其老化狀態(tài)。朱曉輝等[2]探究了XLPE高壓電纜的低頻介質(zhì)損耗因數(shù)與老化程度存在正線性相關(guān)的關(guān)系；羅潘等[3]利用差式掃描量熱(differential scanning calorimetry, DSC)分析了退運(yùn)電纜的老化狀態(tài)；劉剛等[4]基于等溫松弛電流法提出了老化因子M以判斷高壓XLPE電纜的老化程度。目前，對(duì)于電力電纜的離線診斷，基于介質(zhì)響應(yīng)原理的無(wú)損檢測(cè)方法逐漸受到關(guān)注，包括回復(fù)電圧法(return voltage method, RVM)[5-6]、頻域介電譜(frequency dielectric spectrum, FDS)法[7-8]以及極化-去極化電流(polarization and depolarization current,PDC)法[9]。其中極化-去極化電流法因其是直流診斷方法，對(duì)設(shè)備容量需求較小，且測(cè)試時(shí)間較短，診斷信息豐富，越來(lái)越多被運(yùn)用到電纜診斷中來(lái)。Oyegoke B等學(xué)者運(yùn)用短時(shí)PDC法對(duì)電纜進(jìn)行絕緣診斷[10]。周凱等學(xué)者利用PDC法研究了老化電纜的低頻介質(zhì)損耗特性及其損耗的不對(duì)稱(chēng)性[11-12]。楊帆等學(xué)者基于PDC方法發(fā)現(xiàn)了熱老化與老化因子成正相關(guān)的關(guān)系[13]。葉剛等學(xué)者在PDC法的基礎(chǔ)上運(yùn)用時(shí)頻域轉(zhuǎn)換方法研究了時(shí)頻域介電特征量與絕緣老化的關(guān)系[14]。目前大多基于PDC法的電纜絕緣老化診斷方法均在同一電壓下對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算介質(zhì)損耗因數(shù)，而老化后電纜在不同極化電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)變化的現(xiàn)象還未受到關(guān)注。

本文對(duì)不同熱老化程度的高壓電纜進(jìn)行了PDC測(cè)試，求取不同老化程度的高壓電纜在0.1 Hz下低頻極化損耗因數(shù)tanδ0.1，并利用tanδ0.1在不同極化電壓下的變化率Δtanδ%表征XLPE高壓電纜的老化狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 加速熱老化實(shí)驗(yàn)

由于正常運(yùn)行的電纜在負(fù)載電流的作用下會(huì)發(fā)熱，故熱老化是電力電纜的主要老化形式之一[13,15]。故本文將高壓電纜試樣放入恒溫恒濕老化箱中進(jìn)行熱老化。電纜熱老化實(shí)驗(yàn)溫度一般為130～140℃[15-17]。故本文設(shè)定熱老化溫度為130℃,濕度為0%。然后分別對(duì)高壓電纜試樣老化10天、20天、30天、40天、50天和60天后取出。根據(jù)Arrhenius公式，試樣加速熱老化時(shí)間分別對(duì)應(yīng)高壓電纜在80℃條件下大約運(yùn)行9年、18年、27年、36年、45年和54年。

1.2 PDC測(cè)試實(shí)驗(yàn)

圖1 極化-去極化電流測(cè)試原理圖

圖1為針對(duì)高壓電纜的極化-去極化法絕緣檢測(cè)基本電路原理圖。圖2為測(cè)試PDC時(shí)所施加電壓與測(cè)試的電流的變化圖。當(dāng)PDC測(cè)試開(kāi)始時(shí)，將高壓滅弧開(kāi)關(guān)撥至a，構(gòu)成極化回路，進(jìn)入極化階段，通過(guò)高壓直流電源給電力電纜絕緣層和阻水層加壓，使其極化。經(jīng)過(guò)一定的極化時(shí)間后，高壓電纜絕緣層和阻水層被極化。隨后開(kāi)關(guān)撥至b，轉(zhuǎn)入去極化回路，進(jìn)入去極化階段，通過(guò)限流電阻放電。皮安表負(fù)責(zé)測(cè)量并記錄極化電流ipol和去極化電流idepol，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作。

圖2 PDC測(cè)試過(guò)程中極化電壓、測(cè)試電流變化圖

2 PDC測(cè)試原理及高壓電纜的診斷

對(duì)于老化后的高壓電纜，其極化電流和去極化電流的幅值通常比未老化電纜更大，極化和去極化電流的衰減速率往往更慢[18]。但是僅僅憑借PDC電流幅值大小和衰減速率的快慢判斷高壓電纜老化程度顯然是不夠的。而由于測(cè)試極化電流時(shí)受到微小放電以及沿面泄漏電流的影響，測(cè)試結(jié)果不理想。故本文僅基于去極化電流對(duì)XLPE高壓電纜絕緣的老化狀態(tài)進(jìn)行分析。

PDC測(cè)試可通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換計(jì)算試樣的低頻下的介質(zhì)損耗因數(shù)。假設(shè)電纜的XLPE絕緣電介質(zhì)的介電響應(yīng)函數(shù)f(t)(即與之成等比例關(guān)系的去極化電流)服從“Curie-von Schweidler”模型時(shí)，則可利用傅里葉變換將去極化電流進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。

通過(guò)去極化電流可以計(jì)算介質(zhì)響應(yīng)函數(shù)f(t)：

式中：C0為高壓電纜的幾何電容；U0為測(cè)試時(shí)所施加的極化電壓。

對(duì)f(t)做傅里葉變換后可得到電纜介質(zhì)的復(fù)極化率χ[19,20]：

式中：ω為角頻率；χ’為絕緣介質(zhì)復(fù)極化率的實(shí)部；χ’’為絕緣介質(zhì)復(fù)極化率的虛部。

極化損耗因數(shù)與頻率的關(guān)系可以表示為[19,20]：

研究表明，超低頻下的tanδ與電纜絕緣劣化有較好的相關(guān)性[21-22]，且信號(hào)特征較為明顯[23]。故本文選取0.1 Hz超低頻作為tanδ的特征頻率[24]。在充分極化的情況下，理論上通過(guò)去極化電流求得的0.1 Hz低頻極化損耗因數(shù)在不同極化電壓下應(yīng)相同。但如若極化時(shí)間較短，絕緣介質(zhì)在極化過(guò)程中極化不充分，那么自然絕緣介質(zhì)的極化程度與其所受的極化電壓有關(guān)。此時(shí)通過(guò)去極化電流求得的0.1 Hz低頻極化損耗因數(shù)則與極化電壓相關(guān)。老化后電纜絕緣介質(zhì)中極性物質(zhì)增多，0.1 Hz低頻極化損耗因數(shù)與極化電壓的相關(guān)性更加明顯。故本文提出用0.1 Hz的極化損耗因數(shù)的電壓變化率Δtanδ%來(lái)側(cè)面反映電纜的老化后的極化損耗隨極化電壓變化的特性，Δtanδ%定義如式所示。

式中：tanδ0.1(E1)表示1 kV極化電壓下的0.1 Hz極化損耗因數(shù)；tanδ0.1(E2)表示2 kV極化電壓下的0.1 Hz極化損耗因數(shù)。

為了使得絕緣介質(zhì)完成不充分極化，極化電壓應(yīng)設(shè)置較低，極化時(shí)間也應(yīng)較短。本文中設(shè)置極化場(chǎng)強(qiáng)分別為1 kV/mm和2 kV/mm，極化時(shí)間設(shè)置為100 s。

3 PDC測(cè)試結(jié)果及討論

3.1 未老化的電纜試樣

表1 部分未老化電纜試樣PDC測(cè)試結(jié)果

在進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)前，對(duì)所有電纜樣本進(jìn)行PDC方法測(cè)試，分析其初始絕緣狀態(tài)，表1中展示了部分測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出，所有電纜試樣的初始絕緣狀態(tài)極好。值得注意的是，電纜絕緣較好的情況下，極化電流和去極化電流幅值相對(duì)較小，測(cè)試存在較大的相對(duì)誤差，Δtanδ%可能會(huì)出現(xiàn)略微偏大的情況。

3.2 熱老化后的XLPE試樣

3.2.1 PDC測(cè)試結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)室熱老化后的高壓電纜進(jìn)行了多組PDC測(cè)試，1 kV極化電壓下的tanδ0.1和Δtanδ%的結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，在熱老化初期(10～20天內(nèi))，被測(cè)電纜的0.1 Hz低頻極化損耗因數(shù)tanδ0.1未見(jiàn)明顯提高，這可能是由于在熱老化初期，老化并不嚴(yán)重，電纜XLPE絕緣處于重結(jié)晶階段[25]，診斷參數(shù)值上升不明顯。而隨著熱老化的進(jìn)行，tanδ0.1逐漸升高，電纜熱老化進(jìn)入熱氧化階段，XLPE中晶體結(jié)構(gòu)被逐漸破壞[25]。整體來(lái)說(shuō)，tanδ0.1對(duì)于電纜老化的表征并不是特別明顯，沒(méi)有完全與老化時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于在較低電壓和較短極化時(shí)間下，電纜絕緣介質(zhì)極化不完全，影響了tanδ0.1的測(cè)試結(jié)果。而另一方面，本文正是利用這種極化不完全的特性，測(cè)試了不同電壓等級(jí)下的tanδ0.1，利用tanδ0.1在較高和較低電壓下的變化率Δtanδ%來(lái)判斷高壓電纜的老化程度。如圖3所示，隨著熱老化時(shí)間的增加，Δtanδ%呈現(xiàn)接近線性的明顯的增加。在熱老化10天時(shí)，Δtanδ%有小幅下降，這可能同樣是因?yàn)橹亟Y(jié)晶作用所致。

圖3 熱老化電纜試樣的測(cè)試結(jié)果

3.2.2 熱老化電纜試樣理化分析結(jié)果

為進(jìn)一步分析電纜在老化過(guò)程中絕緣的變化，對(duì)熱老化電纜進(jìn)行了相應(yīng)的理化分析。依據(jù)熱老化電纜的老化機(jī)理，針對(duì)性地采用差示掃描量熱(Differential Scanning Calorimeter,DSC)來(lái)分析電纜的老化程度和結(jié)晶度。

取熱老化電纜XLPE絕緣層中間處進(jìn)行DSC分析，實(shí)驗(yàn)中以氮?dú)庾鳛檩d氣，以10℃/min的升溫速率將實(shí)驗(yàn)溫度從30℃升溫至140℃結(jié)束。試樣質(zhì)量約為6.5 mg，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖5為熱老化中電纜絕緣的結(jié)晶度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律。

由圖4可知，在高溫?zé)崂匣淖饔孟?，隨著老化時(shí)間的增加，XLPE電纜絕緣材料的熔融峰面積逐漸變小，熔融峰溫度Tm向低溫方向移動(dòng)，說(shuō)明熱老化破壞了XLPE試樣晶體結(jié)構(gòu)。由圖5可知，隨著熱老化的加重，老化初期電纜的交聯(lián)反應(yīng)占主導(dǎo)地位其結(jié)晶度增大。而隨著高溫持續(xù)作用，XLPE開(kāi)始發(fā)生熱裂解反應(yīng)，其高分子主鏈的斷裂速度加快，生成過(guò)多的斷鏈和氧化產(chǎn)物，最終XLPE內(nèi)結(jié)晶態(tài)開(kāi)始向無(wú)定形轉(zhuǎn)變，所以熱老化后期結(jié)晶度下降。熱老化電纜的理化分析結(jié)果符合Δtanδ%測(cè)試結(jié)果，證明了利用Δtanδ%參數(shù)判斷高壓電纜老化的有效性。

圖4 DSC曲線隨熱老化時(shí)間的變化

圖5 電纜結(jié)晶度隨熱老化時(shí)間的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高壓電纜進(jìn)行熱老化，利用PDC法對(duì)不同老化程度的高壓電纜進(jìn)行了絕緣診斷，驗(yàn)證了利用極化損耗因數(shù)變化率Δtanδ%進(jìn)行高壓電纜絕緣診斷的有效性，為高壓電纜的絕緣老化判斷提供了一種新的有效手段。