基于極化損耗因數變化率的交聯(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)定運行的壽命為30年左右[1]。但由于電纜長期在機械應力、水分、溫度及電場等諸多因素共同作用下[2]，導致絕緣本體和附件的絕緣性能逐漸劣化，這將會導致電纜絕緣裕度下降，在沖擊電壓的作用下可能會導致電纜絕緣擊穿，引發(fā)電力事故。因此，根據實際情況，XLPE電纜實際運行壽命遠低于30年。為了實時監(jiān)測電纜絕緣狀態(tài)，對電纜進行周期性的絕緣診斷是必要的。

對于高壓電纜的絕緣診斷，國內學者主要通過測試寬頻介電譜以及等溫松弛電流(isothermal relaxation current, IRC)并借以分析來判斷其老化狀態(tài)。朱曉輝等[2]探究了XLPE高壓電纜的低頻介質損耗因數與老化程度存在正線性相關的關系；羅潘等[3]利用差式掃描量熱(differential scanning calorimetry, DSC)分析了退運電纜的老化狀態(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，對于電力電纜的離線診斷，基于介質響應原理的無損檢測方法逐漸受到關注，包括回復電圧法(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，對設備容量需求較小，且測試時間較短，診斷信息豐富，越來越多被運用到電纜診斷中來。Oyegoke B等學者運用短時PDC法對電纜進行絕緣診斷[10]。周凱等學者利用PDC法研究了老化電纜的低頻介質損耗特性及其損耗的不對稱性[11-12]。楊帆等學者基于PDC方法發(fā)現了熱老化與老化因子成正相關的關系[13]。葉剛等學者在PDC法的基礎上運用時頻域轉換方法研究了時頻域介電特征量與絕緣老化的關系[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電纜進行測試并計算介質損耗因數，而老化后電纜在不同極化電壓下介質損耗因數出現變化的現象還未受到關注。

本文對不同熱老化程度的高壓電纜進行了PDC測試，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 實驗設置

1.1 加速熱老化實驗

由于正常運行的電纜在負載電流的作用下會發(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行熱老化。電纜熱老化實驗溫度一般為130～140℃[15-17]。故本文設定熱老化溫度為130℃,濕度為0%。然后分別對高壓電纜試樣老化10天、20天、30天、40天、50天和60天后取出。根據Arrhenius公式，試樣加速熱老化時間分別對應高壓電纜在80℃條件下大約運行9年、18年、27年、36年、45年和54年。

1.2 PDC測試實驗

圖1 極化-去極化電流測試原理圖

圖1為針對高壓電纜的極化-去極化法絕緣檢測基本電路原理圖。圖2為測試PDC時所施加電壓與測試的電流的變化圖。當PDC測試開始時，將高壓滅弧開關撥至a，構成極化回路，進入極化階段，通過高壓直流電源給電力電纜絕緣層和阻水層加壓，使其極化。經過一定的極化時間后，高壓電纜絕緣層和阻水層被極化。隨后開關撥至b，轉入去極化回路，進入去極化階段，通過限流電阻放電。皮安表負責測量并記錄極化電流ipol和去極化電流idepol，并將數據傳送給上位機，以用于后續(xù)的數據分析工作。

圖2 PDC測試過程中極化電壓、測試電流變化圖

2 PDC測試原理及高壓電纜的診斷

對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。而由于測試極化電流時受到微小放電以及沿面泄漏電流的影響，測試結果不理想。故本文僅基于去極化電流對XLPE高壓電纜絕緣的老化狀態(tài)進行分析。

PDC測試可通過時頻轉換計算試樣的低頻下的介質損耗因數。假設電纜的XLPE絕緣電介質的介電響應函數f(t)(即與之成等比例關系的去極化電流)服從“Curie-von Schweidler”模型時，則可利用傅里葉變換將去極化電流進行時域到頻域的轉換。

通過去極化電流可以計算介質響應函數f(t)：

式中：C0為高壓電纜的幾何電容；U0為測試時所施加的極化電壓。

對f(t)做傅里葉變換后可得到電纜介質的復極化率χ[19,20]：

式中：ω為角頻率；χ’為絕緣介質復極化率的實部；χ’’為絕緣介質復極化率的虛部。

極化損耗因數與頻率的關系可以表示為[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性[21-22]，且信號特征較為明顯[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，理論上通過去極化電流求得的0.1 Hz低頻極化損耗因數在不同極化電壓下應相同。但如若極化時間較短，絕緣介質在極化過程中極化不充分，那么自然絕緣介質的極化程度與其所受的極化電壓有關。此時通過去極化電流求得的0.1 Hz低頻極化損耗因數則與極化電壓相關。老化后電纜絕緣介質中極性物質增多，0.1 Hz低頻極化損耗因數與極化電壓的相關性更加明顯。故本文提出用0.1 Hz的極化損耗因數的電壓變化率Δtanδ%來側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；tanδ0.1(E2)表示2 kV極化電壓下的0.1 Hz極化損耗因數。

為了使得絕緣介質完成不充分極化，極化電壓應設置較低，極化時間也應較短。本文中設置極化場強分別為1 kV/mm和2 kV/mm，極化時間設置為100 s。

3 PDC測試結果及討論

3.1 未老化的電纜試樣

表1 部分未老化電纜試樣PDC測試結果

在進行老化實驗前，對所有電纜樣本進行PDC方法測試，分析其初始絕緣狀態(tài)，表1中展示了部分測試結果。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較小，測試存在較大的相對誤差，Δtanδ%可能會出現略微偏大的情況。

3.2 熱老化后的XLPE試樣

3.2.1 PDC測試結果

對實驗室熱老化后的高壓電纜進行了多組PDC測試，1 kV極化電壓下的tanδ0.1和Δtanδ%的結果如圖3所示。從圖3中可以看出，在熱老化初期(10～20天內)，被測電纜的0.1 Hz低頻極化損耗因數tanδ0.1未見明顯提高，這可能是由于在熱老化初期，老化并不嚴重，電纜XLPE絕緣處于重結晶階段[25]，診斷參數值上升不明顯。而隨著熱老化的進行，tanδ0.1逐漸升高，電纜熱老化進入熱氧化階段，XLPE中晶體結構被逐漸破壞[25]。整體來說，tanδ0.1對于電纜老化的表征并不是特別明顯，沒有完全與老化時間呈正相關關系。這可能是由于在較低電壓和較短極化時間下，電纜絕緣介質極化不完全，影響了tanδ0.1的測試結果。而另一方面，本文正是利用這種極化不完全的特性，測試了不同電壓等級下的tanδ0.1，利用tanδ0.1在較高和較低電壓下的變化率Δtanδ%來判斷高壓電纜的老化程度。如圖3所示，隨著熱老化時間的增加，Δtanδ%呈現接近線性的明顯的增加。在熱老化10天時，Δtanδ%有小幅下降，這可能同樣是因為重結晶作用所致。

圖3 熱老化電纜試樣的測試結果

3.2.2 熱老化電纜試樣理化分析結果

為進一步分析電纜在老化過程中絕緣的變化，對熱老化電纜進行了相應的理化分析。依據熱老化電纜的老化機理，針對性地采用差示掃描量熱(Differential Scanning Calorimeter,DSC)來分析電纜的老化程度和結晶度。

取熱老化電纜XLPE絕緣層中間處進行DSC分析，實驗中以氮氣作為載氣，以10℃/min的升溫速率將實驗溫度從30℃升溫至140℃結束。試樣質量約為6.5 mg，實驗結果如圖4所示。圖5為熱老化中電纜絕緣的結晶度隨老化時間的變化規(guī)律。

由圖4可知，在高溫熱老化的作用下，隨著老化時間的增加，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，說明熱老化破壞了XLPE試樣晶體結構。由圖5可知，隨著熱老化的加重，老化初期電纜的交聯(lián)反應占主導地位其結晶度增大。而隨著高溫持續(xù)作用，XLPE開始發(fā)生熱裂解反應，其高分子主鏈的斷裂速度加快，生成過多的斷鏈和氧化產物，最終XLPE內結晶態(tài)開始向無定形轉變，所以熱老化后期結晶度下降。熱老化電纜的理化分析結果符合Δtanδ%測試結果，證明了利用Δtanδ%參數判斷高壓電纜老化的有效性。

圖4 DSC曲線隨熱老化時間的變化

圖5 電纜結晶度隨熱老化時間的變化

4 結束語

本文對高壓電纜進行熱老化，利用PDC法對不同老化程度的高壓電纜進行了絕緣診斷，驗證了利用極化損耗因數變化率Δtanδ%進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。