交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化的診斷方法

馬飛宇 張春芝

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院 北京市電氣安全技術研究所，北京 100042；2.北京工業(yè)職業(yè)技術學院 機電工程學院，北京 100042)

0 引言

電纜作為電網(wǎng)系統(tǒng)中傳輸電能不可或缺的載體，其使用量在不斷增加。同時，由于電纜絕緣問題導致的電能損失量也在增多。據(jù)國家電網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，絕緣老化引起的電纜故障數(shù)占比超過44%，位居首位[1]。通常，不同電纜的服役和敷設條件存在差異，其老化程度并不完全相同，有些電纜雖然服役時間較短，但受到偶然外界因素，其絕緣性能發(fā)生快速劣化而失效。因此，只有快速準確獲知電纜絕緣老化程度或剩余使用壽命情況，才能為管理部門做出準確決策提供數(shù)據(jù)支撐，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

近年來，國內(nèi)外學者對此做了很多研究。鄧顯波等[2]選用5個絕緣老化強相關因子作為特征參數(shù)，使用模糊聚類法對電纜絕緣老化程度做了定性評價。夏湛然[3]采用層次分析法選取力學性能、物理性能以及電氣性能構建電纜絕緣老化指數(shù)，確定老化狀態(tài)等級。李登淑等[4]使用多個特征檢測量的偏最小二乘老化時間預測模型，能夠消除模型中存在的多重共線性問題。MECHERI等[5]通過試驗得到熱老化的XLPE介質(zhì)損耗變大，機械性能下降。FARUK等[6]分析高壓電纜，得出了高溫和強電場會加快電纜絕緣老化，嚴重降低使用壽命。綜上所述，目前對于絕緣老化研究大多是針對其某一個性能參數(shù)。然而，表征絕緣老化性能的多個參數(shù)之間有聯(lián)系又有差異，因此，通過構建多個參數(shù)與老化時間之間的關系才能更準確地表征老化的程度。

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜因具有較好的耐熱性、絕緣性、機械特性，被廣泛使用在我國高壓和特高壓電網(wǎng)中。筆者以110 kV服役交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣為研究對象，對其絕緣老化的內(nèi)外部原因進行分析，對確定的多個表征絕緣老化的性能參數(shù)開展試驗研究；通過統(tǒng)計學方法和BP(back propagation)人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立絕緣老化時間與檢測參數(shù)之間的關系模型；最后，基于Dalal壽命修正模型，實現(xiàn)電纜絕緣剩余使用壽命的預測，為制定電纜更換計劃提供理論依據(jù)。

1 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化原因分析

交聯(lián)聚乙烯是聚乙烯(PE)在γ射線、α射線等高能射線或交聯(lián)劑作用下，使其大分子形成交聯(lián)，即熱塑性的聚乙烯轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦缘慕宦?lián)聚乙烯，從而提高其耐熱性、機械性能和載流能力。交聯(lián)聚乙烯電纜在工作中，由于受到熱應力、電應力、機械應力等外部環(huán)境和裂隙、氣隙、交聯(lián)副產(chǎn)物等內(nèi)部組織的影響，其微觀分子鏈和結晶形態(tài)會發(fā)生改變，絕緣性能不可避免地出現(xiàn)老化或劣化。

1.1 外部原因

電纜工作時的負荷電流會產(chǎn)生一定的熱量，使交聯(lián)聚乙烯內(nèi)部分子的C-H鍵中氫原子脫離，發(fā)生自氧化游離基連鎖反應，從而降低電纜的拉伸強度、擊穿強度等性能，發(fā)生熱裂解和熱氧化裂解熱老化現(xiàn)象。電纜長期工作在運行電壓下，基于逆冪定律或指數(shù)定律的壽命模型[7]28時，根據(jù)電纜的缺陷、尺寸、形狀，會出現(xiàn)不同程度的電壓老化現(xiàn)象。同時，電纜在運輸、敷設時由于受到外界沖擊、擠壓等影響，可能會出現(xiàn)微裂紋、微變形等情況，產(chǎn)生機械老化現(xiàn)象。當交聯(lián)聚乙烯電纜工作在含有硫化物的環(huán)境中，如果硫化物穿過保護套與銅導線發(fā)生化學反應形成氧化銅、硫化銅等物質(zhì)，一旦進入到絕緣的內(nèi)部缺陷處，造成樹枝狀結晶，就會產(chǎn)生化學樹枝老化現(xiàn)象。

1.2 內(nèi)部原因

交聯(lián)聚乙烯內(nèi)部氣隙、裂隙等缺陷位置在高壓電場的影響下可能會引起局部放電現(xiàn)象，其中的帶電粒子撞擊會導致絕緣材料內(nèi)分子鏈斷裂，產(chǎn)生的熱量引起的氧化分解反應會使絕緣材料表面侵蝕而出現(xiàn)腐蝕坑，腐蝕坑引起的電樹枝不斷生長，最終導致絕緣擊穿，產(chǎn)生局部放電老化現(xiàn)象。電纜所處環(huán)境中，在水分和電場的共同作用下，材料內(nèi)部也可能出現(xiàn)充水微孔連通的樹枝形通道，因其表面具有親水性使得樹枝不斷擴大，發(fā)生水樹枝老化現(xiàn)象。尤其是當絕緣材料中混有金屬雜質(zhì)或者半導電層凸起時，更容易出現(xiàn)局部電場集中、電樹枝、水樹枝現(xiàn)象，導致絕緣性能快速下降直至失效。

2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣性能試驗

電纜在多重影響因素的綜合作用下，表現(xiàn)出不同的熱老化、電壓老化、機械老化等現(xiàn)象，多個表征老化性能的參數(shù)出現(xiàn)變化，這些參數(shù)包括介電常數(shù)、結晶度、水樹含量、斷裂生長率、拉伸強度、熱分解溫度、結晶度等。劉飛[7]28-110研究表明：通過線性回歸的分布假設檢驗，部分絕緣老化檢測量之間有一定的相關性。例如，高頻介損峰值與斷裂伸長率之間正相關，拉伸強度和斷裂伸長率之間正相關，最大水樹長度與羰基指數(shù)之間負相關等。為了提高電纜絕緣老化診斷模型準確性，筆者選取熔融溫度、拉伸強度、擊穿強度、羥基指數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)5個不相關的參數(shù)做試驗研究。試驗樣本為110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜，電纜運行于山西北部地區(qū)，試驗樣本的工作環(huán)境接近，均采用地下電纜溝敷設方式，樣本之間的服役年限不同。

2.1 差示掃描量熱檢測

交聯(lián)聚乙烯是超高分子量的結晶性高聚物，在老化過程中發(fā)生重結晶現(xiàn)象，其熱特性也會隨之發(fā)生改變。差示掃描量熱檢測試驗(DSC)參照石油化工行業(yè)標準《超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)材料和制品熔融焓和結晶度及熔融溫度的測定:SH/T 1826—2019》[8]，試驗使用NETZSCH DSC 200F3測試儀，樣品放在鋁制DSC器皿中，氮氣為保護氣氛，溫度增加速度為10 ℃/min，溫升范圍為50 ℃～160 ℃，加熱至熔融終止溫度以上，從記錄的DSC溫升曲線求取老化的交聯(lián)聚乙烯熔融溫度，測試3次取平均值。在Origin 2017C中熔融溫度與絕緣老化時間回歸分析結果如表1所示。

表1 熔融溫度檢測數(shù)據(jù)回歸分析結果

從表1中可得出，回歸方程斜率為負值，隨著絕緣老化時間的增加熔融溫度總體呈現(xiàn)下降趨勢，兩者線性相關，但擬合程度較低。交聯(lián)聚乙烯電纜工作溫度低于聚乙烯的熔點，主熔融峰對應的結晶區(qū)域不受運行溫度的影響，不會由于老化程度的增加出現(xiàn)穩(wěn)定的向低溫移動或者熔限變寬的現(xiàn)象。因此，熔融溫度不適合作為電纜絕緣老化時間模型的參數(shù)。

2.2 拉伸試驗檢測

交聯(lián)聚乙烯在老化過程中，裂解反應使得材料中高分子鏈發(fā)生斷裂和交聯(lián)網(wǎng)絡出現(xiàn)破壞，同時水樹枝的出現(xiàn)引起應力集中等現(xiàn)象，導致拉伸強度降低。試驗從電纜縱向切片取樣，按照《電纜絕緣和護套材料通用試驗方法:GB/T 2951.1—1997》[9]要求制作成啞鈴狀。試驗使用武漢時代SDJF-30 kN電子式萬能試驗機，拉伸力1 000 N，拉伸速度為100 mm/min，每根電纜測試3次取平均值。在Origin 2017C中拉伸強度與絕緣老化時間回歸分析結果如表2所示。

表2 拉伸強度檢測數(shù)據(jù)回歸分析結果

從表2中可得出，P=0.000，表明兩者線性相關，擬合系數(shù)為0.893，可作為電纜絕緣老化時間模型的參數(shù)，擬合回歸直線如圖1所示。

圖1 拉伸強度與絕緣老化時間擬合回歸直線圖

2.3 擊穿強度檢測

當絕緣材料所承受的電壓超過某一程度時，由于游離、電化學反應等因素使得材料破壞而喪失絕緣性能。在進行擊穿試驗時，為了防止試樣被擊穿的偶然性，造成數(shù)據(jù)的分散，采用逐級升壓法進行擊穿強度檢測，試驗從交聯(lián)聚乙烯電纜縱向切片取樣，按照《絕緣材料電氣強度試驗方法:GB/T 1408.1—2006/IEC 60243-1:1998》[10]進行。試驗使用上海藍波AHDZ-10/100工頻介電強度測試儀在室溫下進行，電極使用等直徑圓柱電極，起始電壓10 kV，升壓速度1 kV/s，直到試驗擊穿，測試3次取平均值。在Origin 2017C中進行擊穿強度與絕緣老化時間回歸分析，兩者線性相關，擬合系數(shù)為0.942，可作為電纜絕緣老化時間模型的參數(shù)，擬合回歸直線如圖2所示。

圖2 擊穿強度與絕緣老化時間擬合回歸直線圖

2.4 紅外光譜檢測

紅外光譜法(FTIR)常用在分析有機物、高聚物等物質(zhì)的結構和物理化學性質(zhì)方面。交聯(lián)聚乙烯材料發(fā)生老化后，其內(nèi)部晶體結構和分子鍵發(fā)生變化，當吸收到紅外區(qū)光子時，光子的能量使其結構中分子振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷，某一頻率的紅外光被其分子中相同振動頻率的鍵吸收，形成吸收峰。交聯(lián)聚乙烯材料是C-H鍵組成的高分子聚合物，在紅外光譜檢測時會出現(xiàn)亞甲基、不飽和乙烯基、羰基等吸收峰，表征不同老化影響因子導致的絕緣老化。筆者選用表征熱氧老化的羰基特征峰作為研究，為減少材料差異的影響，定義羰基指數(shù)CI作為測試的分析指標，其計算方法如下：

(1)

式(1)中，I1720為波數(shù)1 720 cm-1羰基吸收峰強度；I1471為波數(shù)1 471 cm-1亞甲基吸收峰強度。

試驗使用VERTEX70紅外光譜儀，波數(shù)范圍600 ～3 600 cm-1，掃描次數(shù)10次，分辨率為0.16 cm-1，信噪比為55 000。在Origin 2017C中進行羰基指數(shù)與絕緣老化時間回歸分析，兩者線性相關，擬合系數(shù)為0.962，因此可作為電纜絕緣老化時間模型的參數(shù)，其擬合回歸直線如圖3所示。

圖3 羰基指數(shù)與絕緣老化時間擬合回歸直線圖

2.5 介電譜檢測

針對交聯(lián)聚乙烯老化過程中內(nèi)部組織發(fā)生的結晶、共聚等松弛極化行為，用介電譜測試是研究此類聚合物老化的一種有效方法。其中，作為分析指標的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ是在電場作用下，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應，在絕緣材料內(nèi)部引起的能量損耗程度參數(shù)。將試驗試樣存放于恒溫箱中真空干燥，表面均勻涂抹導電銀漆。試驗使用Concept 40介電阻抗譜儀，測試頻率40～80 MHz，步長lg1.4，記錄試樣介損頻譜中特征峰值對應的介質(zhì)損耗因數(shù)。在Origin 2017C中進行介質(zhì)損耗因數(shù)與絕緣老化時間回歸分析，兩者線性相關，擬合系數(shù)為0.987，因此可作為電纜絕緣老化時間模型的參數(shù)，擬合回歸直線如圖4所示。

圖4 介質(zhì)損耗因數(shù)與絕緣老化時間擬合回歸直線圖

2.6 檢測試驗結果

前文對交聯(lián)聚乙烯電纜進行了差示掃描量熱檢測、拉伸試驗檢測、擊穿強度檢測、紅外光譜檢測和介電譜檢測，得到的熔融溫度、拉伸強度、擊穿強度、羰基指數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)的5組試驗數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 交聯(lián)聚乙烯絕緣老化檢測數(shù)值

3 電纜絕緣老化診斷模型建立

電纜絕緣老化診斷模型屬于多變量模型，現(xiàn)有的故障類型與影響分析法、模糊聚類法等均是定性診斷模型，無法量化電纜老化程度，不利于更精確制定維護更換計劃。因此，下面將基于統(tǒng)計學和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法建立絕緣老化診斷模型，實現(xiàn)定量化分析。

3.1 基于統(tǒng)計學的電纜絕緣老化診斷模型

統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析是運用適當?shù)慕y(tǒng)計分析方法，對電纜絕緣性能的檢測數(shù)據(jù)進行分析，獲得數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關系?，F(xiàn)假設樣品工作環(huán)境相同，電纜的老化時間與拉伸強度、擊穿強度、羥基指數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)之間存在線性關系，也就是說，電纜絕緣劣化過程是勻速發(fā)生的，電纜絕緣老化時間的多元線性回歸方程模型為

T=a1A1+a2A2+a3A3+a4A4+b

(2)

式(2)中，T是電纜絕緣老化時間；A1,A2,A3,A4分別是電纜絕緣老化的拉伸強度、擊穿強度、羥基指數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)4個參數(shù)；a1,a2,a3,a4和b是常系數(shù)。

在Origin 2017C中使用多元線性回歸方法，求解式(2)中常系數(shù)，得到電纜絕緣老化時間的多元線性回歸方程模型

T=33.238-0.125A1-0.035A2+

2.11A3-0.593A4

(3)

3.2 基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡的電纜絕緣老化診斷模型

BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡是誤差逆向傳播算法訓練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，將輸入和輸出信息之間搭建非線性映射對，被廣泛應用在通信、電子等領域。本文輸入層節(jié)點為4個，分別是拉伸強度、擊穿強度、羥基指數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。中間設置1層隱含層，激活函數(shù)為Sigmoid函數(shù)，可以擬合任意非線性函數(shù)。輸出層節(jié)點為1個，為電纜絕緣老化時間，2層之間的傳遞函數(shù)分別取對數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)，目標均方根誤差為0.001。中間層節(jié)點數(shù)通過枚舉法觀察驗證集的決定系數(shù)R2，判斷網(wǎng)絡優(yōu)劣。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡結構如圖5所示。

圖5 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡結構圖

3.3 電纜絕緣老化診斷模型驗證

按照文中試驗方法，對服役5a、22a和服役1a但已絕緣失效的交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣性能進行拉伸試驗檢測、擊穿強度檢測、紅外光譜檢測和介電譜試驗檢測，分別使用基于統(tǒng)計學和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡構建的絕緣老化診斷模型進行計算，計算結果如表4所示。

表4 交聯(lián)聚乙烯絕緣老化時間模型驗證表

表4中，電纜工作時間和電纜絕緣老化診斷模型預測工作時間之間的相對誤差率

(4)

式(4)中，t是電纜工作時間；t′是電纜絕緣老化診斷模型預測的工作時間。

從表4可以看出，工作時間為5a和工作時間為22a的電纜使用統(tǒng)計學線性模型預測工作時間的相對誤差率分別為15.0%和6.41%，使用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測工作時間的相對誤差率分別為7.4%和4.91%。因此，對于未知服役年限的電纜，可根據(jù)電纜絕緣性能的試驗結果使用診斷模型實現(xiàn)絕緣老化時間預測。相比于統(tǒng)計學模型中，假設電纜絕緣劣化過程是勻速發(fā)生，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性映射中全局逼近性使模型更準確，隨著訓練樣本的數(shù)量越多，診斷精度會進一步提高。

從表4中第3行數(shù)據(jù)可以看出，雖然電纜服役僅1a，但絕緣發(fā)生了快速老化失效，根據(jù)絕緣性能試驗數(shù)據(jù)，運用診斷模型得出，該電纜相當于服役時間28～29a的電纜，證明了構建多變量老化模型的有效性。本文構建的診斷模型針對文中樣品所在的工作環(huán)境，由于各因子對于絕緣性能的影響程度不同，使得不同服役條件下電纜絕緣降解速度有差異。因此，針對不同的運行環(huán)境需要對電纜絕緣性能進行重新試驗，得到符合特定運行條件的多元回歸方程系數(shù)或者訓練樣本集。但是，文中使用的構建電纜絕緣老化診斷模型的方法具有一定的普遍性。

3.4 電纜絕緣老化剩余壽命模型

DALAL S.B.等[11]研究表明：進行直接簡單線性疊加計算的剩余壽命會存在較大誤差，需綜合考慮服役環(huán)境、工作時間、安全因子等?；谶@一理論，構建得到的電纜絕緣剩余時間T′修正模型如下：

(5)

通常，管理部門可以設定1個閾值，該閾值可選擇電纜絕緣失效時(或服役30 a時)性能測試值，當電纜絕緣老化剩余壽命接近0時，要及時作出停機或更換的措施，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4 結論

筆者通過對交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化性能的試驗分析，運用統(tǒng)計學和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立了電纜絕緣老化診斷模型，并提出了電纜絕緣剩余壽命的預測模型，得到以下結論：

(1)對18組不同服役時間的交聯(lián)聚乙烯電纜進行絕緣老化性能試驗，得到拉伸強度、擊穿強度、羥基指數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)與絕緣老化時間之間呈線性相關關系。

(2)運用統(tǒng)計學和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法構建的電纜絕緣老化診斷模型，可實現(xiàn)對未知服役年限電纜絕緣老化時間的診斷，同時也能有效診斷出服役時間較短但絕緣老化較快的電纜，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法的診斷誤差值更小。

(3)提出了電纜絕緣老化剩余壽命模型，通過設置不同的閾值，有助于電力管理部門根據(jù)實際情況綜合研判，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。