中压电缆状态评估探讨

1中压交联聚乙烯绝缘电缆状态评估探讨朱永华，吴长顺，贾欣，袁常俊，杨娟娟、商亮、范玉军、李骥、杨立志（上海电缆研究所 上海 200093）摘 要：中压交联聚乙烯绝缘电缆是配电网的一个重要环节，它的可靠性关系到整个配电网的安全运行。本文首先从绝缘老化模型出发，介绍了描述绝缘老化的唯象模型和物理模型，以及从电缆老化的反幂定律推出的电缆击穿寿命指数，它是建立唯象和物理模型联系的潜在参数。在此基础上从在线和离线两个应用层面介绍了目前中压交联聚乙烯绝缘电缆状态评估的典型技术，并重点介绍了超低频和等温松弛电流法的原理及应用情况。关键词：中压电缆；交联聚乙烯绝缘；状态评估；老化模型；在线测试；离线状态评估；直流成分法；局部放电；残余电荷；超低频法；介电谱；等温松弛电流法。1 引言交联聚乙烯绝缘电力电缆以其结构简单、加工工艺方便、敷设不受落差限制以及具备良好的电气性能、机械和耐热性能等优点，已成为配电用中压电缆的主体，自 20 世纪 80 年代在我国得到了广泛的应用。随着经济发展和城市电网的改造，中压电缆的用量越来越大，大量的中压电缆使用时间逐年增加，有些已经运行了接近设计寿命 30 年，尤其近年中压电缆事故频发，大量的电缆到了需要更换和紧密监测的程度。同时，国内对于配电网络用电安全和线路可靠性的关注程度逐步加强，对中压电缆的质量、预期寿命以及状态评估及判据的确立已成为业内最关切和亟待解决的技术难题。关心电缆状态主要有两类人员，一类是电缆制造商，另一类是电缆运维人员，两者关注的角度有所区别。对于电缆制造商，关心电缆设计时的预期寿命，同时关心电缆的生产质量，这是电缆工艺控制的依据。运维人员关心电缆的状态缘于电缆运维措施的决策，如维持原先的预防性试验周期，还是缩短预防性试验周期，甚至是电缆更换与否的依据。从电缆制造商的角度出发，如何获得电缆的理想预期寿命，通常的技术路线是依据反幂定律通过加速老化（如提高试验电压、增加频率或提高温度等） ，并结合破坏性试验方法，在较短时间内获得电缆的理想预期寿命。而这些技术手段获得的数据是否与电缆运行条件下的理想寿命一致，则需要科学的依据，由此发展了很多的电缆老化模型。而针对电缆生产质量的评估，则既有破坏性方法，也有非破坏性方法，其中破坏性方法有耐压试验和局部放电试验等，非破坏性方法，则有介质损耗、泄露电流和绝缘电阻测量等等。对于运维人员，除非迫不得已，一般情况下不希望采用破坏性方法，更希望通过一些非破坏性方法测得的参数，通过阈值或者趋势分析的方法，对电缆的运行状态进行判断与决策。电缆状态参数可以通过离线或在线的测试方法。采用的离线方法通常包括预防性试验方法和特殊的状态评估方法。预防性试验方法是指目前电力运维规程中规定的常规试验方法，其历史较长，方法简单，缺点是试验电场一般比工作场强低，有些潜在的缺陷无法在低电场下表现出来；特殊的状态评估方法是近二十年来发展起来的，它们尚未列入运维规程，或者至少未被所有的运维部门认可。特殊的状态评估方法可以分为两种类型，一种是依据电缆绝缘在运行过程中由于电场和热等应力作用导致材料结构、形态或成份上的变化，从电缆绝缘上取样，采用现代化学或物理检测技术，如快速傅里叶红外光谱（FTIR） 、差热扫描量热法（DSC ） 、动态机械谱法（ DMA）或者类似的方法。尽管这些方法能够直接了解绝缘中老化引起的物理或化学变化，由于需要直接从电缆绝缘上取样，因此无法作为预防性试验方法而强制执行。另外一种则是依据电缆绝缘在运行过程中发生老化，从而导致材料中产生如水树枝、电树枝或者其它极性小分子产物，这些可以统称为电缆绝缘中产生的缺陷，这些缺陷在电场作用下将产生极化行为，电荷会在这些缺陷处聚集。同时这些缺陷的含量又与电缆绝缘的残余击穿场强之间存在相关性，甚至某些时候可以获得确定的定量关系。此类检测方法总是以在外施电场（直流或者交流）下获取缺陷含量信息或者缺陷在电场下的极化特征量来实现电缆绝缘老化状态的评估。从当前电缆绝缘的老化评估的发展来看，目前主要有超低频介电法、工频或者谐波介质损耗法、等温松弛电流法或残余电荷（或者说残余电压法）等。从测试的原理来看，此类方法是在时域或者频域研究电缆绝缘的响应，因此可以归类为介电响应法。此外离线检测需要停电作为先决条件，对某些无法较长时间停电的场合，这些方法的应用显然受到限制。正式基于此问题，运维人员希望能够在电缆运行时，通过一些监测参数进行电缆状态的评估。目前在线监测的方法主要有直流成份法、直流分量方法、介质损耗法以及局部放电法。需要指出的是，在线监测技术的发展仅有二十多年的历史，相较于离线的预防性试验方法，技术的成熟性有很大的差异。此外在线监测常受环境干扰等的影响，被监测参数有时甚至存在错误之处，导致运维人员对此类数据无所适从，这也是运维人员从某种程度上对在线监测方法存疑的原因。但不管怎样，作为一种新型的状态检测技术，它的优点3也是不言而喻的，其中最重要的是它的实时性以及能够在运行时更多地暴露可能的潜在缺陷，因此是电缆状态评估的着力发展方向。从上述的分析来看，当前电缆制造商与运维人员关注的电缆绝缘的状态评估的目的和实现手段，尽管有区别，但也有重叠的方面。比如电缆预期寿命都是遵循由击穿试验获得残余击穿场强，再由反幂定律推断的技术路线。再如介电响应方法不仅能够用于运行中的电缆绝缘的状态评估，同时也可以对开发和生产过程中电缆质量的评定。正是由于无法将电缆生产制造和电缆运行时的评估技术完全割裂，因此本文试图从以下几个方面对近年来电缆绝缘的状态评估方法进行梳理。首先从老化时发生的最本质的物理或化学过程出发，分析目前适用于电缆绝缘老化评估的物理模型，它是电缆寿命评定的基础，尽管目前这种尝试还远未达到预期的目标，但仍然是后续各种破坏性试验方法和非破坏性试样方法都试图与寿命建立定量关系纽带。接着分析目前常用的电缆状态的方法，这些方法有在线和离线两种方案，一些技术既可以离线也可以在线进行评估，而另外一些方法，受原理的限制，只能以离线的方式进行。有些方法因为属于常规的预防性试验，因此在本文中不再赘述。2 中压 XLPE 电缆老化模型聚合物绝缘传统电老化理论建立在唯象论的基础上，根据击穿电压的威布尔分布经数学推导得出。目前 XLPE 绝缘聚合物材料能够耐受的击穿场强可以达到 90kV/mm 以上，实验已经证明当绝缘聚合物的工作电场强度达到击穿电场强度的十分之一时，长时期工作的绝缘中仍会引起树枝化，最后导致绝缘击穿。因此老化过程中绝缘材料发生的物理和化学变化也是研究的重要内容，在此基础上建立了多种物理模型。唯象模型和物理模型是电缆状态和寿命评定的基础，因为两类模型从不同角度描述了同一对象和同一过程，电缆击穿的寿命指数似乎是建立二者间联系的纽带，因此本文从唯象和物理模型以及电缆击穿的寿命指数三个方面进行了分析。2.1 维象模型2.1.1 电热联 合老化的 G.C.Montanari 模型【1】Montanari 将这种依赖关系命名为函数 F，即：老化=F(p)。当老化进行时特性 p 将下降，最终 p 降到绝缘材料或系统无法再维持运行的程度。在这个点 p 达到了极限值 pL，这一刻的老化时间称为寿命，见式（1） 。（1）00exp1 EETbaTBAL b、A 和 B 都是从实验获得的常数。2.1.2 J.P.Crine 微观老化模型【2】Crine 期望赋予模型的参数以物理意义，认为单个能量势垒的穿越时间等于整个势垒的穿越时间，如图 1 所示，这可以由热力学关系描述式（2）和式（3） 。低电场下： （2）TkEehGTkLBBcsxp高电场下： （3）e 为普朗克常数；k B 为玻尔兹曼常数；G 为活化的自由能； 为 A 和 B 势垒间的距离；e 为参与老化过程的粒子的电荷量。图 1 J.P.Crine 微观老化热力学模型示意图2.2 物理模型2.2.1 电树枝化模型 屠德民和 K.C.Kao 陷阱化过程中非辐射能量的转移【3】聚合物电树枝化陷阱模型如图 2 所示，电荷入陷后，将能量传给第二个电子，随后第二个电子可能也可能入陷，将能量传给第三个电子，这样第三个电子的能量要远大于第一个电子的，当能量足够大后，与分子链碰撞，导致分子链的断裂，随后形成自由基，自由基可能引发周围分子链断裂，形成更多的自由基与小分子产物，这样的过程称为链式反应。当链式反应足够多时，在聚合物中形成低密度区，随后引发电树枝，电树枝通道足够长后，将引起局部放电，局部放电达到一定程度后，导致贯穿性通道，引发击穿，其整个过程如图 3 所示。5图 2 聚合物电老化陷阱模型图 3 绝缘电树枝引发直至击穿的非辐射能量转移全过程2.2.3 电树枝化模型 Bamji 为代表的学者提出了一种电致发光的光降解理论【4 】 该理论认为聚合物中的紫外辐射（波长380nm）是导致聚合物降解并引起树枝起始的主要因素。该理论以针板电极系统中交流电压的作用过程为出发点。电荷在电极界面处的双注入是光发射必要条件。Bamji 从实验现象出发提出了该理论，将局域态再细分为陷阱与复合中心，电子和空穴在复合中心复合后辐射紫外线，紫外线导致聚合物的降解。如图 4 所示为聚合物能带理论的模型，该模型描述了电子陷阱和空穴陷阱在能带中所处的位置，以及电子陷阱或空穴陷阱中发生复合后光子产生的过程。图 4 聚合物能带理论该理论认为在负半周期中注入的电子被深浅不同的电子陷阱所俘获，形成非辐射松驰现象，电致发光产生的过程为在正半周期中注入的空穴被深的空穴陷阱俘获后，在负半周期到来的时刻，电子在上述深的空穴陷阱中复合而产生的。当极性反转后，不能够再脱陷。如图 5 描述了负半周时的光发射模型。图 5 聚合物电致发光过程示意图这些模型的提出，给出了电缆绝缘状态评估的理化参数和过程，对现场检测绝缘状态提供了基本依据。2.3 电缆击穿寿命指数电缆本体的寿命评估还有一个重要参数就是电缆击穿寿命指数。求取的方法有多种，如恒定电压法和逐级升压累加法等。它所采用的威布尔分布分析法是一种用于描述链形弱点破坏现象的统计理论，即整个产品若最薄弱环节被破坏，则整个产品失效，电缆产品绝缘的击穿正是弱点击穿。挤出型绝缘电缆的击穿分布规律可用二维威布尔分布来描述，即在电场强度 E 作用 t 时刻电缆发生击穿的概率如式（4）所示：（4）baEtcF)/(exp1).(0上式中的 a、 b 分别为时间和击穿电压的概率函数的形状参数。如果取相同的累计击穿概率，可得式（5）所示的表达式： 7（5）常 数)exp(1abtcE即： （6）bnn/常 数 ，n 称为电缆的寿命指数，经过模型电缆的可靠性试验求取 n 值，就可得到任意场强下电缆的寿命。由于电缆在运行过程中受到各种应力的作用发生老化，尽管存在多种可能的老化模型，但是电缆的电老化与寿命之间遵循反幂定律，因此唯象模型与反幂定律以及由此获取的寿命指数之间存在必然相关性。目前物理模型与唯象模型以及寿命指数之间的关联性尚缺乏更直接的证据。唯象模型和寿命指数的获取依赖破坏性试验方法获得，这与电缆运行维护中的非破坏性试验方法的要求不符，而从老化的物理模型可以发现，它们提供了非破坏性状态评估的可能性，是电缆状态评估的重要基石。因此，建立唯象模型和物理模型，以及寿命指数与状态评估参数间的定量关系，是今后电缆状态评估的一个必要的研究方向。3.常用的状态评估方法3.1 在线监测状态评估法3.1.1 直流成分法早在 20 世纪 90 年代昭和电缆的 Mitsugu Aihara 等【5】在电力电缆中敷设光纤和水分传感器等技术，确保电缆在运行过程中的温度以及水汽入侵的状态能够得到实时的监测，同时针对电缆中可能存在水树枝老化，采用直流成分法检测电缆，其原理如图 6 所示，利用水树枝在交流电场下的整流效应，监测由线芯向金属屏蔽层流过的微弱的直流电流，通过直流电流与水树枝的含量之间的定量关系以达到监测电缆老化的程度。图 6 XLPE 电缆直流成分监测系统示意图3.1.2 局部放电法局部放电可以直接获得电缆和附件系统中存在的微观缺陷的信息，因而常常被用于评估电缆系统的状态，并且局部放电可在离线和在线两种方式下实施，因此是当前电力设备状态评估的一个主要研究领域。但是需要指出的是目前的研究更重视局部放电相关的具体测量技术，如传感器性能改善技术，现场抗干扰的措施等，对于局部放电信号发生的物理和化学机理以及局部放电在传播过程中自身的变化过程，研究较少。由于电缆的特征在于它的纵向尺度远大于径向尺度，在电缆中某一部位发生局部放电，信号沿着传播路径传播时，其电磁波的特性决定了它必然存在衰减现象。同时更为重要的是电磁波在传播过程可能存在的波阻抗的变化而发生反射，特别是在混合线路中，存在中间连接盒以及架空导线等，波阻抗发生改变几乎是不争的事实，因而必然会影响局部放电信号的传播。此外，电磁波在传播过程中，还会发生相位的变化，在长径比极大的情况下，色散导致信号畸变的影响不得不考虑。如何真实反映发生局部放电的部位，确定引起局部放电的真正原因，都需要对局部放电在电缆中的传播参数进行深入研究。这方面的研究，国内外都比较少，但是还是有学者早就关注到此问题，如 Rasmus Villefrance 等测试了不同电缆的波阻抗，发现结构对波阻抗的影响是决定性的【6】 。而不同电缆结构对局部放电信号的色散与衰减的影响，则如图 7 和图 8 所示。从图中可以发现，不同绝缘的电缆在衰减系数上差异较大，相对而言，色散系数在整个频率范围内，即在频率的对数坐标中，随频率呈现线性关系。由此可以发现，采用局部放电分析电缆的故障特征，首先需要对电缆中描述局部放电信号传播特性的传播系数有一个定量标定，才可能对局部放电产生机理及与故障或状态相关性有一个准确认识。这是目前电缆局部放电研究和应用中应重视而未受到重视的一个方面。图 7 不同电缆衰减系数与频率的关系 图 8 不同电缆色散系数与频率的关系3.1.3 屏蔽层电位法电缆一旦发生水树枝老化，其绝缘的电导率和电容率将会发生变化，而这种电导率和电9容率的变化可以通过电缆屏蔽层电位进行测量。Chunxi Zhang 等【7】采用电缆屏蔽层电位测量法对在线运行电缆的降解程度进行了研究。如果电缆发生降解，降解区域和未降解区域的等效电路如图 9 所示。当存在水树枝老化时，电缆绝缘的导纳和电容都会增大，因此电缆屏蔽层对地电位将会增加。另外在研究中也发现运行电压、电缆长度、电缆金属屏蔽层与接地间的阻抗等参数对测量结果的准确程度影响较大。如图 10 所示为测试原理图，从图中就可以发现该方法要求在测试时电缆接地应临时断开，而代之以一个检测阻抗。 图 9 水树枝的等效电路图 图 10 护套电位法测试原理图3.2 离线状态评估法3.2.1 残余电荷法残余电荷法是基于电缆老化后绝缘中存在的陷阱在直流下会形成空间电荷这一原理而