高壓電纜絕緣老化機理及預防措施研究

彭琳琳 李博 趙琳琳 徐禮強 朱峰

【摘要】高壓電纜絕緣老化是電力系統中常見的問題，會導致電纜性能下降甚至故障。本文通過對高壓電纜絕緣老化機理和影響因素的研究，提出了預防措施和檢測技術。通過選擇高質量的絕緣材料、提高電纜運行環境、加強維護和檢測工作，以及采用先進技術延緩絕緣老化等措施，可以有效預防高壓電纜絕緣老化問題。此外，本文還通過案例分析，介紹了實際案例，并對老化原因進行了分析，提出了相應的預防措施建議。這些研究成果對于保障電力系統的穩定運行和延長設備的使用壽命具有重要意義。

【關鍵詞】高壓電纜；絕緣老化；預防措施；檢測技術；案例分析

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.023

Research on the Mechanism and Preventive Measures of Insulation Aging in High-voltage Cables

PENG Linlin， LI Bo， ZHAO Linlin， XU Liqiang， ZHU Feng

（Liaoning Institute of Product Quality Inspection， Shenyang 110036， China）

Abstract： The insulation aging of high-voltage cables is a common problem in power systems， which can lead to a decline in cable performance or even failure. This article presents research on the mechanism and influencing factors of insulation aging in high-voltage cables， and proposes preventive measures and detection techniques. By selecting high-quality insulation materials， improving the cable operating environment， strengthening maintenance and inspection work， and employing advanced technologies to delay insulation aging， it is possible to effectively prevent the insulation aging of high-voltage cables. In addition， this article presents case studies， analyzes the causes of aging， and provides corresponding prevention measures and recommendations. These research findings are of great significance for ensuring the stable operation of power systems and extending the service life of equipment.

Keywords： high-voltage cable； insulation aging； preventive measures； detection techniques； case analysis

0引言

高壓電纜作為電力系統中重要的輸電工具，其絕緣老化問題一直是電力系統運行中的難題。絕緣老化會導致電纜的絕緣性能下降，增加電纜故障的風險，甚至引發火災等嚴重后果。因此，研究高壓電纜絕緣老化機理及預防措施，具有重要的理論和實際意義。

1高壓電纜絕緣老化機理研究

1.1高壓電纜絕緣老化的原因

高壓電纜絕緣老化的原因有很多，主要與電纜絕緣材料本身的老化、電纜工作環境的影響以及設計和施工質量等因素有關。首先，電纜絕緣材料本身的老化是主要原因之一。在長期經受電壓、電流和環境等因素的作用下，絕緣材料會發生物理、化學和電學老化。具體表現為絕緣材料中的分子鏈會發生斷裂和交聯，導致絕緣材料的物理性能下降。此外，如果電纜絕緣材料本身存在質量問題，如材料的不均勻性、氣泡、缺陷等，也會對絕緣性能產生負面影響。其次，電纜的工作環境對絕緣老化過程有很大影響。例如，高溫、濕度以及化學物質的侵蝕等因素都會加速絕緣材料的老化。這些因素會直接導致絕緣材料性能下降，從而影響電纜的運行壽命和安全性。最后，電纜的設計和施工質量不合理也是絕緣老化的重要原因。例如，如果電纜發生過載、過熱、電壓不穩定等問題，都會加劇絕緣老化的發生。不合理的設計和施工會導致電纜運行條件惡劣，從而加速絕緣老化的過程。

1.2高壓電纜絕緣老化過程

高壓電纜絕緣老化的過程是一個漸進的、復雜的物理和化學變化過程。絕緣材料在電場和電壓作用下，其內部極化逐步加劇。隨著時間的推進，絕緣材料中的極化效應更為嚴重，從而產生一定的電導率，使得絕緣材料逐漸喪失其絕緣性能。在此過程中，分子鏈發生斷裂與交聯，導致絕緣材料物理性能衰退，絕緣材料的機械強度、耐熱性和耐腐蝕性等指標隨之逐步下降。這一階段是絕緣老化的主要因素，對電纜運行安全和使用壽命產生深遠影響。絕緣材料中的氧化、水分或化學物質侵蝕等因素，共同加速絕緣老化過程。這些因素相互影響，使絕緣材料的絕緣性能逐步喪失，進而增加電纜故障和損壞的風險。

1.3高壓電纜絕緣老化影響因素

高壓電纜絕緣老化的影響因素涉及多個方面，具體包括：1）工作環境因素：高壓電纜所處的工作環境對其絕緣老化過程具有重要影響。例如，高溫、濕度、化學物質侵蝕等外部因素都會加速絕緣材料的老化。高溫會導致絕緣材料分子鏈運動加劇，從而加速老化。濕度則會使絕緣材料吸濕，降低其絕緣性能。化學物質侵蝕會破壞絕緣材料的結構，進一步加速老化。2）工作負荷因素：電纜的工作負荷也會對絕緣老化產生影響。例如，過載、過熱、電壓不穩定等問題都可能加劇絕緣老化的發生。過載會導致電纜工作溫度升高，進而加速絕緣材料的老化。電壓不穩定會使電場強度發生變化，導致絕緣材料的老化加劇。3）絕緣材料質量因素：絕緣材料的質量問題也是影響絕緣老化的重要因素。如材料的不均勻性、氣泡、缺陷等問題都會影響絕緣的性能。使用不合格的絕緣材料會大大縮短電纜的使用壽命，增加故障發生的風險。4）設計和施工質量因素：電纜的設計和施工質量對絕緣老化也有很大影響。例如，設計中未充分考慮各種影響因素，施工過程中操作不當，都可能導致電纜的過載、過熱、電壓不穩定等問題，從而加劇絕緣老化的發生。

2延緩高壓電纜絕緣老化的措施

2.1選擇高質量絕緣材料

在選擇絕緣材料時，首先要考慮其絕緣強度、耐熱性和耐候性。這些特性能夠有效抵抗電壓應力和外界環境的影響。其次，絕緣材料的機械強度和耐熱性也是重要因素。電纜在運行過程中可能會受到高溫和機械應力的影響，因而絕緣材料必須具備足夠的機械強度和耐熱性，以保證其長期穩定的絕緣性能。最后，絕緣材料的耐候性也是一個重要考慮因素。電纜通常需要在室外環境中運行，因而絕緣材料必須能夠抵抗紫外線、濕度和氧化等外界環境因素的侵蝕，以延長電纜的使用壽命。通過選擇高質量的絕緣材料，可以提高電纜的絕緣性能和使用壽命，有效預防絕緣老化的發生。

2.2改善電纜運行環境

為了預防高壓電纜絕緣老化，改善電纜的運行環境是重要的一項措施。惡劣的運行環境會加速絕緣老化的發展，因此必須采取措施改善電纜的運行環境。具體措施如下：首先，需要保持電纜周圍的溫濕度在適宜的范圍內。過高的溫度和濕度會對絕緣材料造成損害，加速絕緣老化的發展。因此，應采取措施來控制電纜周圍的溫濕度，確保其在安全范圍內運行。其次，要避免電纜長時間處于過載狀態。過載會導致電壓應力增加，對絕緣材料造成損害，加速絕緣老化的發展。因此，需要合理設計電纜的負載，防止過載情況的發生。最后，還需注意防止電纜受到機械應力和化學物質的損害。電纜在安裝和運行過程中可能會受到擠壓、拉伸、腐蝕等因素的影響，因此應采取措施保護電纜，避免其受到損害。

2.3加強電纜維護和檢測

定期進行電纜的維護保養，包括清潔、防護和絕緣層的修復，可以有效延緩絕緣老化的發展。清潔電纜表面可以去除污垢和灰塵，避免其對絕緣材料的侵蝕。防護措施包括使用防護套管或防護蓋板，保護電纜免受外界環境的影響。修復絕緣層可采用涂覆絕緣漆或絕緣膠帶修復絕緣材料的損壞部分。介質損耗角正切檢測可以評估絕緣材料的損耗特性，判斷絕緣材料的老化程度。電纜局部放電檢測可以檢測絕緣材料中的局部放電現象，及時發現絕緣老化的跡象。

2.4采用先進技術延緩絕緣老化

隨著科技的不斷進步，出現了許多新的技術和材料，可以有效延緩絕緣老化的發生和發展。其中，采用納米材料是一種先進的技術。納米材料具有較大的比表面積和較高的化學活性，可以提高絕緣材料的絕緣強度和耐熱性。納米材料的加入可以增加絕緣材料的絕緣層厚度，增強電纜的絕緣性能。另外采用注塑成型和擠出成型等常用的絕緣材料加工技術，可以提高絕緣材料的均勻性和致密性，增強電纜的絕緣性能。紅外熱像儀可以實時監測電纜的溫度分布，及時發現絕緣老化問題。超聲波檢測可以檢測電纜內部的故障和損傷，及時采取措施進行修復。通過采用先進技術，可以有效延緩高壓電纜絕緣老化的發展，提高電纜的可靠性和使用壽命。

3高壓電纜絕緣老化檢測技術研究

3.1檢測技術原理

高壓電纜絕緣老化的檢測技術主要包括局部放電檢測、介電損耗角正切檢測、紅外熱像檢測等。局部放電檢測是通過檢測電纜絕緣中的局部放電信號來評估絕緣老化程度。介電損耗角正切檢測則是通過測量電纜絕緣材料的介電損耗和介電常數來判斷絕緣老化情況。紅外熱像檢測則是利用紅外熱像儀檢測電纜表面的溫度分布，從而判斷絕緣老化的程度。這些檢測技術都是基于電纜絕緣老化的特征特性進行設計和應用的。

3.2檢測方法比較

不同的檢測方法在高壓電纜絕緣老化檢測中具有各自的優缺點。局部放電檢測方法具有高靈敏度和準確性，可以提供較為準確的絕緣老化評估結果。介電損耗角正切檢測方法可以直接測量絕緣材料的介電性能，能夠提供絕緣老化的定量分析。紅外熱像檢測方法則可以快速地檢測電纜表面的溫度分布，能夠提供絕緣老化的直觀圖像。綜合考慮，可以根據實際需求和條件選擇合適的檢測方法。

3.3檢測設備開發

隨著高壓電纜絕緣老化檢測的需求增加，相關的檢測設備也得到了不斷的發展和改進。目前，市場上已經有多種針對高壓電纜絕緣老化檢測的設備和儀器。這些設備包括局部放電檢測儀、介電損耗角正切測試儀、紅外熱像儀等。這些設備在檢測原理、測量范圍、靈敏度等方面都有所差異，可以根據實際需求選擇合適的設備。此外，還有一些新型的檢測設備正在不斷研發和推出，如基于無線傳感器網絡的電纜絕緣老化監測系統等，這些設備的出現將進一步提高電纜絕緣老化檢測的精度和便捷性。

4高壓電纜絕緣老化案例分析

4.1實際案例介紹

某電力系統中的一條高壓電纜出現了絕緣老化問題。經過檢測，發現該電纜的局部放電量明顯增加，介電損耗角正切值超過了正常范圍。同時，紅外熱像檢測也顯示出電纜絕緣部分存在異常的熱點。經過進一步分析，確定該電纜的絕緣老化問題嚴重，需要采取相應的措施進行修復或更換。

4.2老化原因分析

綜合分析發現，該電纜的絕緣老化主要是由于長期受到過高的電壓應力和環境因素的影響。首先，電纜所處的環境濕度較高，加速了絕緣材料的老化。其次，電纜長期處于過載狀態，電壓應力超過了絕緣材料的承受能力，導致絕緣老化加劇。最后，電纜的維護保養不及時，也加速了絕緣老化的發展。

4.3預防措施建議

針對該電纜的絕緣老化問題，建議采取以下預防措施。首先，應加強電纜的維護保養，定期清潔絕緣材料，修復損壞的絕緣層。其次，應改善電纜所處的環境條件，控制濕度，避免過高的溫度。最后，根據實際情況，可以考慮采用先進的絕緣材料和技術，延緩絕緣老化的發展。通過這些預防措施，可以有效提高電纜的絕緣性能和使用壽命，確保電力系統的安全運行。

5結束語

通過對高壓電纜絕緣老化機理和影響因素的研究，本文提出了一系列預防措施和檢測技術，可以有效延緩絕緣老化的發生和發展。在實際應用中，應選擇高質量的絕緣材料，提高電纜運行環境，加強維護和檢測工作，并采用先進技術進行絕緣老化的監測和評估。此外，通過案例分析，可以更好地了解絕緣老化的具體問題，并提出相應的預防措施和建議。這些研究成果將為電力系統的安全運行和設備的壽命延長提供重要的參考。

【參考文獻】

[1]王昊月，孫茂倫，趙凱杰，等.電纜絕緣老化的高壓頻域介電譜診斷評估方法[J].中國電機工程學報，2023，43（9）：3630-3642.

[2]鄭元浩.高壓直流電纜主絕緣老化特性及電-熱耦合仿真研究[D].青島：青島科技大學，2023.

[3]馬驍，孫榮，余華興，等.基于極化損耗因數變化率的交聯聚乙烯高壓電纜絕緣老化診斷[J].云南電力技術，2020，48（5）：51-55.

[4]姚廣元.高壓電纜絕緣老化評估系統的研究與應用[D].杭州：浙江大學，2022.

【作者簡介】

彭琳琳，女，1982年出生，高級工程師，研究方向為電線電纜檢驗檢測及高電壓技術。

（編輯：李鈺雙）