高壓XLPE電力電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

劉敬華，歐陽(yáng)本紅，夏榮，費(fèi)雯麗

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430072)

0 引言

高壓交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)電力電纜的運(yùn)行可靠性直接影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。然而，電纜在帶電運(yùn)行過(guò)程中，受到電、熱、化學(xué)及機(jī)械等老化因素的影響，電纜絕緣狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生老化，甚至?xí)?dǎo)致?lián)舸┦鹿实陌l(fā)生[1—3]。一旦發(fā)生絕緣擊穿事故，就需要對(duì)電纜斷電維修，這會(huì)給廣大用戶(hù)的正常生產(chǎn)、生活帶來(lái)不便，甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4—6]。

為提高XLPE電力電纜運(yùn)行可靠性，一方面可對(duì)XLPE絕緣電纜材料開(kāi)展改性研究[7—8]，另一方面應(yīng)對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)行的電纜開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢測(cè)。從高壓電力電纜的檢修來(lái)看，目前還沒(méi)有十分有效的預(yù)防性試驗(yàn)手段，一旦出現(xiàn)電力電纜的絕緣擊穿事故，排查敷設(shè)在地下、較長(zhǎng)距離的電力電纜缺陷及故障需要投入大量的人員、物力和財(cái)力，造成的停電事故還會(huì)影響居民的正常生活和企業(yè)的生產(chǎn)[9]。因此，研究科學(xué)有效的檢測(cè)手段，提出服役電纜絕緣狀態(tài)評(píng)估方法，為電纜運(yùn)行及檢修計(jì)劃提供合理的依據(jù)，對(duì)于提高電力系統(tǒng)的可靠性有著重要的意義[10]。

高壓交聯(lián)電纜的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)與老化評(píng)估需要運(yùn)用科學(xué)的檢測(cè)方法和準(zhǔn)確的評(píng)估模型[11]。目前國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展較為成熟的還是各種離線(xiàn)檢測(cè)手段。為了降低停電檢修的時(shí)間，在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)近年也取得了一定發(fā)展。電力電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)估方面的研究國(guó)內(nèi)起步較晚，至今還在不斷發(fā)展中，對(duì)于電力電纜的老化程度和壽命評(píng)估問(wèn)題也未有統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。文中將概述目前常用的電纜絕緣老化狀態(tài)檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法。

1 電纜絕緣老化離線(xiàn)檢測(cè)方法

1.1 電氣性能指標(biāo)

中壓XLPE電纜絕緣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，但由于中壓電纜和高壓電纜的制作工藝、電纜結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境不一致，中壓電纜絕緣性能的診斷方法并不能完全推論到高壓電纜。例如在中壓電纜中，常見(jiàn)的老化原因之一就是水樹(shù)老化[12]，而對(duì)于高壓電纜，水樹(shù)影響絕緣老化問(wèn)題并不突出[13]。因此，與水樹(shù)老化狀況有很強(qiáng)相關(guān)性的介質(zhì)損耗法等方法就不適用于高壓電纜的檢測(cè)。目前，高壓電力電纜常用的絕緣老化狀態(tài)離線(xiàn)檢測(cè)方法有：絕緣電阻測(cè)量法、局部放電法和擊穿試驗(yàn)法。

1.1.1 絕緣電阻測(cè)量法

絕緣電阻是反映絕緣介質(zhì)阻止電流流通能力的參數(shù)，是用來(lái)判斷絕緣性能是否合格、反映絕緣介質(zhì)性能變化的典型依據(jù)，進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量是研究電纜絕緣特性以及在不同運(yùn)行條件下使用性能等方面的重要手段。當(dāng)電纜絕緣發(fā)生老化時(shí)，電纜的絕緣電阻會(huì)逐漸下降，絕緣電阻值只有高于一定值，才能保證電纜正常工作[14]。

由于電力電纜的型號(hào)、敷設(shè)環(huán)境(是否潮濕、是否與土壤接觸等)、運(yùn)行條件(滿(mǎn)載、重載、輕載等)等因素不同，電纜絕緣電阻的測(cè)量值也會(huì)呈現(xiàn)出差異。目前絕緣電阻還沒(méi)有統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)，且絕緣電阻測(cè)量時(shí)受環(huán)境溫度和絕緣層溫度影響較大[15]。因此，絕緣電阻的測(cè)量只能作為電纜絕緣老化狀態(tài)判斷的一個(gè)粗略參考依據(jù)。

1.1.2 局部放電法

在電場(chǎng)作用下，電力電纜絕緣材料發(fā)生的非貫穿性放電現(xiàn)象即為局部放電[16]。電纜在生產(chǎn)過(guò)程中引入的缺陷是局部放電產(chǎn)生原因之一，在發(fā)生局放現(xiàn)象后，會(huì)加速絕緣中電樹(shù)的產(chǎn)生及生長(zhǎng)，絕緣材料進(jìn)一步劣化，使絕緣材料上的放電區(qū)域和局部放電量不斷增大，并最終導(dǎo)致絕緣擊穿事故發(fā)生[17]。局部放電作為電纜線(xiàn)路絕緣故障早期的主要表現(xiàn)形式，既是引起絕緣劣化的主要原因，又是表征絕緣狀態(tài)的主要特征參數(shù)。文獻(xiàn)[18] 對(duì)110 kV XLPE電力電纜進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，取不同老化時(shí)段的電纜試樣(每根試樣長(zhǎng)度為13 m)進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，將局部放電量作為建立XLPE電纜絕緣品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

局放現(xiàn)象是最危險(xiǎn)的電纜缺陷形式之一，對(duì)電力電纜絕緣材料局部放電量進(jìn)行測(cè)量，可用來(lái)評(píng)判絕緣缺陷的發(fā)展情況[19—20]。但局部放電更適合檢測(cè)電纜絕緣的局部缺陷，不適宜單獨(dú)用來(lái)判斷電纜絕緣的整體老化情況[21]。局部放電檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的最大困難在于局部放電信號(hào)的提取，對(duì)放電模式的識(shí)別研究仍有待加強(qiáng)[22]。

1.1.3 擊穿試驗(yàn)法

在進(jìn)行電纜的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)為絕緣材料最重要的表征參數(shù)之一，電纜在使用一段時(shí)間后，由于外界環(huán)境以及電纜內(nèi)部缺陷的影響，會(huì)發(fā)生絕緣老化，使得電纜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。具體來(lái)說(shuō)，XLPE絕緣層在電場(chǎng)、熱場(chǎng)的作用下會(huì)在微孔和納孔的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)生老化，這些微孔、納孔數(shù)量及大小都隨著時(shí)間的推移逐漸增大，從而進(jìn)一步造成自由體積的增大。自由體積的增大會(huì)使高電場(chǎng)下的電子在自由體積中獲得更高的能量，更容易打斷聚乙烯分子鏈，從而使得擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。因此，在服役過(guò)程中，隨著XLPE絕緣的老化，缺陷數(shù)量和尺寸都在逐漸增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨之下降，因此擊穿場(chǎng)強(qiáng)可用作電纜絕緣材料的老化評(píng)定參數(shù)[23]。

對(duì)電纜的切片進(jìn)行交流擊穿電壓試驗(yàn)或直流擊穿試驗(yàn)，可以測(cè)量老化對(duì)電纜交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)或直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響[24—25]。因?yàn)閾舸╇妷旱臏y(cè)試結(jié)果具有一定的離散性,所以要對(duì)各擊穿電壓測(cè)試結(jié)果作概率統(tǒng)計(jì)分析。到目前為止，由于缺乏有效應(yīng)用于工程實(shí)踐的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)檢測(cè)方法，故擊穿試驗(yàn)法仍是目前用來(lái)判斷電纜絕緣狀態(tài)的最直接方法，但其實(shí)質(zhì)為破壞性試驗(yàn)。

1.2 非電氣性能指標(biāo)

在上述常見(jiàn)的電氣性能檢測(cè)方法之外，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也開(kāi)發(fā)了一些電纜絕緣老化診斷的非電氣性能指標(biāo)檢測(cè)方法。

1.2.1 機(jī)械性能測(cè)試法

拉伸實(shí)驗(yàn)是材料機(jī)械性能測(cè)試中常用方法之一，XLPE絕緣材料的拉伸性能與其分子的極性、分子量、交聯(lián)與結(jié)晶情況以及絕緣材料的缺陷發(fā)展等有關(guān)[26—27]。XLPE在熱氧老化階段中，熱裂解、熱氧化裂解反應(yīng)會(huì)造成絕緣材料內(nèi)高分子鏈斷裂和絕緣材料整體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的損壞，而氧化反應(yīng)會(huì)造成絕緣材料局部小分子的再交聯(lián)，因而熱老化使得XLPE的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都會(huì)降低。且XLPE電纜絕緣內(nèi)的微孔、雜質(zhì)、半導(dǎo)電屏蔽層突起等位置引發(fā)的大量水樹(shù)枝也會(huì)成為應(yīng)力集中處，從而導(dǎo)致電纜絕緣的拉升強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低。拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)定材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等重要的力學(xué)指標(biāo)。圖1是電纜絕緣材料拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電纜熱老化時(shí)間的關(guān)系，可以看出，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率均隨著電纜熱老化時(shí)間的增加而降低[28]。

圖1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電纜熱老化時(shí)間的關(guān)系Fig.1 The relationship between tensile test results and cable thermal aging time

1.2.2 熱分析方法

在電纜絕緣老化評(píng)估中應(yīng)用較多的熱分析方法有差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry,DSC)和熱重分析法(thermo gravimetric analysis,TGA)[29]。

(1)DSC可以用來(lái)測(cè)量電纜絕緣材料的熔融溫度、氧化誘導(dǎo)期和熱歷史溫度等參數(shù)，這些參數(shù)在評(píng)價(jià)XLPE電纜絕緣狀態(tài)時(shí)具有重要作用。

熔融溫度與XLPE的片晶厚度相關(guān)。電纜在服役過(guò)程中，隨著絕緣的老化，XLPE片晶厚度發(fā)生了微弱變化，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程不僅表現(xiàn)為晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)體積分?jǐn)?shù)的變化，還包括片晶結(jié)構(gòu)的微弱改變[30]。研究表明，隨著服役年限的延長(zhǎng)和電纜絕緣材料的老化，XLPE的熔融溫度有所降低[31]。

氧化誘導(dǎo)期(oxidation induction time,OIT)是材料耐氧化分解的一種量度，采用DSC測(cè)量材料的OIT已經(jīng)成為評(píng)價(jià)電纜絕緣材料熱穩(wěn)定性的重要方法[32]。材料的OIT定義為：在一定的測(cè)試溫度下，將測(cè)試樣品置于氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣氛下，從氮?dú)鈿夥涨袚Q為 3.5 MPa 的氧氣開(kāi)始計(jì)時(shí)，得到樣品開(kāi)始發(fā)生自動(dòng)催化氧化反應(yīng)所需的時(shí)間。通過(guò)測(cè)量老化前后 XLPE 電纜絕緣試樣的氧化誘導(dǎo)期指標(biāo)可評(píng)定材料的熱穩(wěn)定性能及老化情況。

電纜絕緣的老化狀態(tài)與電纜熱歷史溫度有關(guān)。大多數(shù)電纜試樣均存在熱歷史過(guò)程，DSC測(cè)量曲線(xiàn)上表征的熱歷史是記錄電纜在生產(chǎn)或運(yùn)行過(guò)程中受到的熱沖擊[33]。目前研究表明，產(chǎn)生熱歷史的原因有：電纜出廠(chǎng)前的去氣過(guò)程，一般為80 ℃左右；在電纜實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)受了某一溫度的熱過(guò)程。因此，DSC 曲線(xiàn)的熱歷史可以間接反映電纜的運(yùn)行溫度，對(duì)評(píng)價(jià)電纜絕緣狀態(tài)有重要作用。

(2)XLPE電纜絕緣材料的熱老化過(guò)程，是熱對(duì)材料分子的作用導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂，隨之發(fā)生化學(xué)組分的變化，從而使性能劣化以至失效的過(guò)程。由于絕緣材料在電纜運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，長(zhǎng)期受熱就會(huì)發(fā)生分解、氧化等現(xiàn)象而引起重量變化，因此通過(guò)對(duì)XLPE進(jìn)行熱重分析就可以得到其熱性能的相關(guān)參數(shù)[34]。通過(guò)TGA可以得到絕緣材料的熱裂解活化能、熱分解溫度等信息，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)變化規(guī)律可以反映出電纜絕緣的老化狀態(tài)。

1.2.3 紅外光譜法

紅外光譜法是研究高聚物結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)的常用方法。

文獻(xiàn)[32]通過(guò)對(duì)不同熱老化時(shí)長(zhǎng)的絕緣試樣的紅外光譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熱老化后 XLPE 的紅外光譜在 1 720 cm-1處存在明顯的吸收峰，波數(shù)為 1 720 cm-1的吸收峰屬于羰基的吸收振動(dòng)峰，也就是說(shuō) XLPE 絕緣在高溫和氧氣的聯(lián)合作用下碳?xì)滏I被氧化成碳氧雙鍵，生成了羰基化合物。研究表明，熱老化對(duì)XLPE材料紅外光譜的測(cè)試結(jié)果影響較大，采用紅外光譜法測(cè)量羰基指數(shù)可以對(duì)XLPE電纜的熱氧老化程度進(jìn)行一個(gè)定性的分析。

同樣地，文獻(xiàn)[32]通過(guò)對(duì)不同電老化時(shí)長(zhǎng)絕緣試樣的紅外光譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)不同時(shí)長(zhǎng)電老化試樣的紅外光譜并未出現(xiàn)新基團(tuán)。說(shuō)明在單獨(dú)電老化過(guò)程中 XLPE 材料的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化，紅外光譜法不能作為對(duì) XLPE 試樣電老化性能進(jìn)行判定的有效依據(jù)。

由于XLPE絕緣材料的羰基鍵受熱氧老化的影響會(huì)產(chǎn)生明顯變化，因此可采用羰基指數(shù)來(lái)表征電纜絕緣的老化程度[35]。隨著電纜老化程度的加深，電纜的羰基指數(shù)是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

電纜絕緣老化的本質(zhì)是材料在電、熱、化學(xué)腐蝕和機(jī)械力的共同作用下，物理及微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生了不可逆的改變。因此，除了電纜的電氣性能會(huì)下降外，XLPE的機(jī)械性能、熱學(xué)性能及官能團(tuán)等也會(huì)發(fā)生改變[36—37]，故而這些非電氣性能指標(biāo)的檢測(cè)均能在一定程度上反映出電纜絕緣的老化特征，可以作為輔助判斷電纜絕緣老化程度的指標(biāo)之一。但這些檢測(cè)指標(biāo)還未得到大量工程實(shí)踐的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，尤其對(duì)實(shí)際服役電纜的檢測(cè)數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前大多數(shù)檢測(cè)都是在實(shí)驗(yàn)室老化條件下進(jìn)行的，由于電纜在實(shí)際工作條件下的老化不是單一原因造成的，因此很難從各單一指標(biāo)直接建立電纜絕緣老化的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)模型。

無(wú)論是電氣性能指標(biāo)還是非電氣性能指標(biāo)，這些離線(xiàn)檢測(cè)方法一直以來(lái)都在電纜絕緣老化檢測(cè)中發(fā)揮著重要的作用，但其停電檢測(cè)和取樣檢測(cè)的需求影響了電纜供電的可靠性。由于停電時(shí)間的限制，測(cè)定周期通常為1～2 a，對(duì)絕緣老化速度快的電纜，仍不能保證安全供電。

2 電纜絕緣老化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性提出了更高的要求，這就導(dǎo)致電纜絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展需求也愈發(fā)迫切[38]。由于直流成分法、低頻法和在線(xiàn)介質(zhì)損耗法等均適用于診斷水樹(shù)老化明顯的中壓電纜，并不適用于高壓電纜，因此目前用于高壓電纜的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法主要有：局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法、護(hù)層電流監(jiān)測(cè)法和溫度監(jiān)測(cè)法。

2.1 局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法

局部放電現(xiàn)象除了可以進(jìn)行離線(xiàn)檢測(cè)，也可以進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)[39]。由于目前還缺乏更加有效的高壓電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，IEC、IEEE和CIGRE等研究機(jī)構(gòu)及眾多學(xué)者均認(rèn)為局部放電監(jiān)測(cè)是XLPE電纜絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)的最有效監(jiān)測(cè)方法[40]。

局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)有各類(lèi)電信號(hào)和非電信號(hào)，其中：電信號(hào)包括電磁波和脈沖電流；非電信號(hào)包括聲、光、熱等[41]。用以測(cè)量電磁波信號(hào)的局部放電測(cè)量技術(shù)有超高頻傳感器法(ultra high frequency,UHF)，該方法抗干擾性能強(qiáng)，但是信號(hào)衰減快；用以測(cè)量脈沖電流信號(hào)的局部放電測(cè)量技術(shù)有高頻電流傳感器法(high frequency current transducer,HFCT)、電容器耦合傳感器法(capacitor coupling,CC)和金屬耦合傳感器法(metal coupling,MFC)，這類(lèi)方法應(yīng)用廣、靈敏度高、可以測(cè)試出局部放電的電荷量，但受電磁干擾大；用以測(cè)量聲波信號(hào)的測(cè)量技術(shù)有聲發(fā)射傳感器法(acoustic emission,AE)，該方法不受電氣信號(hào)干擾，但是信號(hào)衰減快，且靈敏度低[22]。局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法針對(duì)的是服役中的整根電纜，不同局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法中各局部放電傳感器接入電纜示意如圖2所示。

圖2 各種局部放電傳感器接入電纜示意Fig.2 Schematic diagram of each type of sensors for PD tests in cable

局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法研究前景良好[42—43]。然而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電纜絕緣中的局部放電信號(hào)弱、電磁干擾較強(qiáng)，且受到傳感器靈敏度和信號(hào)衰減等因素的影響，故局部放電信號(hào)存在難以提取和識(shí)別的問(wèn)題。未來(lái)需要進(jìn)一步解決局部放電監(jiān)測(cè)的三大難點(diǎn)：抗干擾、局部放電點(diǎn)的定位及放電模式識(shí)別問(wèn)題。

2.2 護(hù)層電流監(jiān)測(cè)法

電纜絕緣發(fā)生事故前，經(jīng)常伴隨著護(hù)層電流增大現(xiàn)象，因此通過(guò)高壓電纜護(hù)層電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可在一定程度上反映出電纜的絕緣狀態(tài)[44]。此外，若護(hù)層電流大幅度增加，也會(huì)造成電纜溫度升高，會(huì)增加護(hù)層上的附加損耗，降低電纜載流量，甚至可能造成熱擊穿。

目前護(hù)層電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)還存在以下難點(diǎn)：一是對(duì)于交叉互聯(lián)的電纜，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)時(shí)從接地線(xiàn)電流中區(qū)分出泄漏電流和護(hù)層環(huán)流是研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)[45]；二是電纜多回路敷設(shè)時(shí)，護(hù)層電流的提取及故障類(lèi)型識(shí)別需要進(jìn)一步考慮[46]；三是當(dāng)發(fā)生雷擊、大負(fù)荷干擾或是故障而使得保護(hù)器擊穿時(shí)，可能會(huì)形成很高的護(hù)層環(huán)流，這樣會(huì)形成干擾導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低，因此增加了監(jiān)測(cè)難度。在交叉互聯(lián)、多回路敷設(shè)及有干擾時(shí)，護(hù)層電纜的提取、計(jì)算及與故障類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系都是需要進(jìn)一步研究的。

2.3 溫度監(jiān)測(cè)法

高壓交聯(lián)電纜正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)體溫度不應(yīng)超過(guò)90 ℃，對(duì)電纜溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以反映出電纜的部分故障或缺陷信息。此外，通過(guò)對(duì)電纜運(yùn)行溫度的監(jiān)測(cè)可以得出電纜實(shí)際運(yùn)行的載流量，以保證電纜在載流量范圍內(nèi)安全運(yùn)行。

但溫度監(jiān)測(cè)同樣存在局限性：傳統(tǒng)的測(cè)溫方法(熱電偶)只監(jiān)測(cè)電纜重要部位的溫度，僅反映電纜運(yùn)行時(shí)局部的溫度情況，無(wú)法反映整體情況；而分布式光纖測(cè)溫[47]需要提前將測(cè)溫光纖布置于電力電纜的外部護(hù)層與主絕緣層之間，不適用于已經(jīng)投運(yùn)而未布置測(cè)溫光纖的電纜，且該技術(shù)在電纜不同敷設(shè)環(huán)境和運(yùn)行條件下(如濕度、溫度)受到的影響較大。

綜上所述，由于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在的噪聲和干擾會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此現(xiàn)階段主要是在限定的條件下進(jìn)行電纜絕緣的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)診斷，存在一定監(jiān)測(cè)局限性。此外，這些在線(xiàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均不能直接反映電纜的絕緣老化狀態(tài)。

3 電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

電纜絕緣老化的診斷是對(duì)電纜絕緣多個(gè)性能指標(biāo)的綜合判斷，目前，其評(píng)價(jià)方法主要有：線(xiàn)性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法和數(shù)據(jù)庫(kù)管理分析法。

3.1 線(xiàn)性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法

線(xiàn)性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法是一種整合評(píng)價(jià)結(jié)果的方法，是綜合多個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的一種常用手段，也是目前高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)中最常用的手段[32]。線(xiàn)性加權(quán)法主要是根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，為電纜運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的各個(gè)影響因素/評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予一定的權(quán)重，引進(jìn)普通加法、乘法而形成的一種方法[48]。

線(xiàn)性加權(quán)法運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)單，但對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性大，其加權(quán)權(quán)重往往依賴(lài)于專(zhuān)家打分或者研究者的經(jīng)驗(yàn)[18]，不具備客觀性；此外，該方法不能反映出某些指標(biāo)的突出影響，例如當(dāng)局部放電量大于一定值時(shí)，該電纜需要立即采取措施，而不應(yīng)再加權(quán)其他指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷。

因此，采用線(xiàn)性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)電纜絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，一方面，在依賴(lài)專(zhuān)家對(duì)部分運(yùn)行條件打分以外，要選取部分可直接測(cè)量的絕緣老化性能指標(biāo)；另一方面要重點(diǎn)考慮到對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有絕對(duì)影響的參數(shù)。

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊診斷法是一種多參數(shù)診斷方法，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于電力設(shè)備的故障診斷和狀態(tài)評(píng)估，尤其是在變壓器故障診斷中應(yīng)用較多，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，各種人工智能方法(例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專(zhuān)家系統(tǒng)和模糊邏輯等)也被用來(lái)解決故障診斷中的不確定性[49]。

由于造成高壓交聯(lián)電纜絕緣老化的原因眾多、老化機(jī)理復(fù)雜，目前的研究結(jié)論還無(wú)法直接得到設(shè)備的壽命模型，導(dǎo)致其絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)具有模糊性。因此，模糊診斷的方法也可以用來(lái)對(duì)電纜老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，相比于之前的評(píng)估方法更有優(yōu)勢(shì)?；诖耍糠謱?zhuān)家采用模糊數(shù)學(xué)原理，對(duì)電力電纜絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判和分析[50—53]。

模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立在現(xiàn)有研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多個(gè)絕緣狀態(tài)檢測(cè)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)電纜的健康狀況，具有一定的可操作性。模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即老化特征量的選擇，下一步可通過(guò)對(duì)不同服役年限/不同老化程度的電纜進(jìn)行全面系統(tǒng)的性能參數(shù)測(cè)試，研究各性能參數(shù)和電纜絕緣老化狀態(tài)的相關(guān)性，選取和老化狀態(tài)緊密聯(lián)系的參量來(lái)作為電纜絕緣老化特征參量。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理分析法

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是一個(gè)集信息管理、信息檢索、專(zhuān)家系統(tǒng)、分析評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等為一體的應(yīng)用軟件系統(tǒng)[54]。該系統(tǒng)由各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)、模式評(píng)估模塊、知識(shí)輸出模塊組成，這些模塊構(gòu)成了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，有學(xué)者提出采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)電纜絕緣老化進(jìn)行分析，借鑒國(guó)外技術(shù)管理的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者開(kāi)發(fā)了XLPE電纜絕緣老化測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[55]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 XLPE電纜絕緣老化測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成Fig.3 XLPE cable insulation aging test database management system

開(kāi)發(fā)基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的電纜絕緣老化數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，為分析XLPE電纜絕緣老化狀態(tài)積累了豐富的資料，但是要在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上才能建立電纜絕緣的健康狀況與各指標(biāo)的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)對(duì)XLPE電力電纜絕緣老化狀態(tài)的評(píng)價(jià)研究還在起步階段，目前還沒(méi)有大量的統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)電纜歷史記錄較少時(shí)，該系統(tǒng)的主要功能以查詢(xún)?yōu)橹?，只有通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)掌握了不同運(yùn)行年限電纜大量的絕緣狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果才具有建立絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的意義。

4 高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)研究展望

總結(jié)前文所述的高壓XLPE 電纜絕緣性能檢測(cè)方法，如表1所示。從表1可以看出，電纜絕緣性能離線(xiàn)檢測(cè)手段準(zhǔn)確性高，可反映電纜的部分老化特征，但對(duì)于在役電纜，不適宜進(jìn)行大面積取樣檢測(cè)；而在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)干擾因素太多，存在的干擾會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，且目前的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法主要用于發(fā)現(xiàn)電纜絕緣的局部缺陷或故障信息，不宜判斷電纜絕緣的整體老化情況。

表1 高壓電纜絕緣性能檢測(cè)方法Table 1 Insulation testing methods of high-voltage cable

基于這些性能檢測(cè)指標(biāo)建立電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)模型也存在以下難點(diǎn)：首先，影響電纜絕緣老化的因素多、機(jī)理復(fù)雜，難以基于物理或化學(xué)過(guò)程推導(dǎo)得到精確評(píng)價(jià)模型；其次，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行電纜老化分析時(shí)，缺乏足夠的數(shù)據(jù)量為大數(shù)據(jù)分析提供支撐。綜合以上分析，文中認(rèn)為電纜絕緣老化狀態(tài)的評(píng)價(jià)研究可以從以下方面提升：

(1)建立基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的電纜絕緣老化狀態(tài)初評(píng)模型?；诟邏弘娎|運(yùn)行年限、歷史負(fù)荷、敷設(shè)方式、敷設(shè)環(huán)境(溫度、濕度、化學(xué)腐蝕)、歷史故障、家族缺陷以及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)等信息，采用線(xiàn)性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法建立電纜絕緣老化狀態(tài)在線(xiàn)初評(píng)模型。該模型可基于電纜的在線(xiàn)運(yùn)行信息對(duì)電纜老化狀態(tài)進(jìn)行初步分級(jí)，對(duì)老化程度較高的電纜制定取樣方案，可避免對(duì)全部電纜進(jìn)行取樣檢測(cè)[56]。

(2)建立基于離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的電纜絕緣老化狀態(tài)精評(píng)模型?；诮^緣電阻、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、機(jī)械性能、熱分析和紅外光譜等實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試電纜絕緣老化的電氣性能和理化性能指標(biāo)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立電纜絕緣老化狀態(tài)精評(píng)模型。對(duì)初評(píng)結(jié)果中老化程度較高的電纜，可進(jìn)一步開(kāi)展電氣性能和理化性能試驗(yàn)，采用該精評(píng)模型對(duì)電纜老化狀態(tài)作出更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，作出相應(yīng)的退役或檢修決策，保障電纜網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)建立電纜絕緣老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。在“在線(xiàn)初評(píng)”和“離線(xiàn)精評(píng)”模型的基礎(chǔ)上，建立電纜絕緣老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。一方面，該系統(tǒng)可以管理電纜的歷史運(yùn)行、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，記錄電纜絕緣老化評(píng)價(jià)結(jié)論；另一方面，通過(guò)逐步積累電纜老化分析的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量形成一定規(guī)模后，可用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果修正電纜絕緣老化初評(píng)模型和精評(píng)模型中的評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重的設(shè)計(jì)，提高評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)高壓交聯(lián)電纜絕緣材料研究的不斷深入，電纜絕緣老化狀態(tài)的離線(xiàn)檢測(cè)方法也越來(lái)越豐富完善。在建立老化評(píng)價(jià)精評(píng)模型時(shí)，可通過(guò)數(shù)據(jù)分析方法研究各檢測(cè)指標(biāo)與電纜絕緣老化的相關(guān)性，從多個(gè)檢測(cè)指標(biāo)中選取部分最具代表性的老化特征參量，提高絕緣老化評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性。

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法的發(fā)展有利于在不停電情況下，對(duì)電纜絕緣老化狀態(tài)作出初步評(píng)價(jià)，提高了電纜供電可靠性。但目前在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展還十分有限，研究可直接表征電纜絕緣老化狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法是十分必要的。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了新方法，但目前還缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐。在建立電纜絕緣老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，要收集電纜運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)建立完成之后，可為電纜絕緣老化分析及壽命評(píng)估以及電纜全壽命周期管理提供有益的決策支持。