（电机与电器专业论文）船用电缆绝缘老化的研究.pdf

船用电缆绝缘老化的研究 a b s t r a c t a st h ei m p o r t a u tc o m p o n e n to fs h i pp o w e rs y s t e m ，t h ec a b l ew h i c hu s e do ns h i pp l a y sa n i m p o r t a n tr o l eo fp r o v i d i n gp o w e rf o ro t h e re l e c t r i c i t ye q u i p m e n t sa n dt r a n s f e r 血gs i g n a l s t h em a r i n ec a b l ei ss oe a s i l ya g i n go rm a n g l e d ，b e c a u s eo fb e i n gu s e di ni l l - b e i n gf o rl o n g t i m e a g i n gc a b l ei sb e c o m i n gt h el a r g eh i d d e nt r o u b l ef o rs h i p sn o r m a lr u n n i n g s ot h i s p a p e r w i l lc h e c ka n df o r e c a s tt h ei n s u l a t i o na n da g i n gc h a r a c t e ro f m a r i n ec a b l el i f e ，p r o p o s e s o m eo p i n i o n ss c i e n t i f i c a l l yt oe l t h a n t h er e l i a b i l i t yo fs h i pp o w e rs y s t e ma n da v o i dt h e w r e c ka c c i d e n t a tp r e s e n t , t h e r ei sn on o r m a t i v et e c h n o l o g ys t a n d a r da n du s e f u lt e s tm e t h o d sf o r c h e c k i n gt h em a r i n ec a b l ei n s u l a t i o nc h a r a c t e ra th o m ea n da b r o a d , s ot h i se x p e r i m e n t a t i o n w i l lu s et h em a t u r ec h e c k i n gm e t h o df o rc a b l ei n s u l a t i o nc h a r a c t e ri np o w e rs y s t e mf o r r e f e r e n c e ，f o ri n ：吐趾c e ，c h e c k i n gl o s st a n g e n to fd i e l e c t r i cl o s sa n g l e ，m e t h o do fe l e c t r i c p o t e n t i a ld e c a y i n g ，c h e c k i n gl e a k a g ec u r r e n ta n di n s u l a t i o nr e s i s t a n c e a n de t c n l i s e x p e r i m e n t a t i o nc h o o s e st h em e t h o do fc h e c k i n gl e a k a g ec u r r e n ta n di n s u l a t i o nr e s i s t a n c e f i r s t l y n 圮c e fa n dc x f rc a b l ea r eu s u a l l yu s e do ns h i p ，s ot h e ya r ea p p l i e da st h et e s ts a m p l e f o rt h ee x p e r i m e n t a t i o n n 地t e s ts a m p l ea 坞a g e do nt e m p e r a t u r e1 2 0 ，1 4 0 ca n d1 6 0 f o r1 4d a y si no v e nw i t ha r t i f i c i a lw a y t h e nw ec h e c kt h el e a k a g ec u r r e n ta n di n s u l a t i o n r e s i s t a n c eo ft e s ts a m p l ei na t m o s p h e r e0 1 i nw a t e r w ec l a s s i f ya n da n a l y z et h ed a t ew h i c h m e a s u r e di ne x p e r i m e n t a t i o n , t h e nd r a wc u r v ef o ri t a f t e ra n a l y z i n g ，w ef i n do u tt h a tt h e l e a k a g ec u r r e n ta n di n s u l a t i o nr e s i s t a n c e sd a t ei sn o ts u i t a b l ef o rf o r e c a s t i n gt h ec a b l ea g i i l g l i f e ，b e c a u s ei t si n t e n s ef l u c t u a t e s i ti su s e f u lf o rq u a l i t a t i v e l yj u d g e dc a b l e si n s u l a t i o n c h a r a c t 盯g o o do rn o t t h e nw ec h e c kt h ec a b l e sm e c h a n i c a lc h a r a c t e rf o rf o r e c a s t i n gt h ec a b l ea g i n gl i f ei n e x p e r i m e n t a t i o n u s i n gt e s t i n gi n s t r u m e n tw eg e tt h ed a t eo fi n t e n s i t yo ft e n s i o na n d e l o n g a t i o na tb r e a k , a f t e ra n a l y z i n g , w ef i n dt h a tt h ed a t eo fe l o n g a t i o na tb r e a kh a v eb e t t e r d e v e l o p m e n tt r e n dt h a ni n t e n s i t yo ft e n s i o n , s oi ti su s e da sp a r a m e t e rf o rf o r e c a s t i n gt h e m a r i n ec a b l e sl i f e mt r e n dp o mo fe l o n g a t i o na tb r e a ki sd a t af i t t e dw i t he x p o n e n t i a l f u n c t i o n , t h e nw eg e tt h ef u n c t i o no f t w ot y p ec a b l ea tt h r e et e m p e r a t u r ea g e d b e c a u s el o t so f e l e c t r i c a lw i r ea n dc a b l ea r em a d ew i t hp o l y m e rm a t e r i a l ，s ot h e ya c c o r dw i t hc h e m i c a l 职a c t i d y n a m i c st h e r m a la g i n gf u n c t i o ni nc e r t a i nt e m p e r a t u r er a n g ea g i n g a tl a s tt h ep a p e r i n t r o d u c e sh o wt og e tt h em a t h e m a t i c a lf o r m u l ao fc e fa n dc rc a b l el i f e a g i n gw i t h m e t h o do f m i n i m u ms q u a r e ，a n df o r e c a s t st h el i f eo f c e fa n dc x f r t e s t i n gc a b l ei na l l o w e d i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s h i p b o a r dc a b l e ；a g i n g ；l i f e ；e l o n g a t i o na tb r e a k h i 船用电缆绝缘老化的研究 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：趣呸日期：苎竺z6 。1 9 ， h 大连理工大学硕士学位论文 1 第一章绪论 1 1 课题背景 船甩电缆作为舰船电气系统的组成部分，担负着为舰船上各种电气设备提供动力电 源及信号传输等重要功能。随着舰船电气化和自动化程度的不断提高，船用电缆的品种 和数量也不断增加一艘大型舰船中各种电缆的敷设长度累计可达上百公里，其费用占 全船电气设备造价的2 0 n 6 以上“。规船电缆常年运行在潮湿、高温，震动等恶劣环境中， 这对电缆的绝缘性能提出了极为苛刻的要求。由于电气、机械、化学等各种因素的影响， 电缆的绝缘会逐渐老化乃至损坏。老化的电缆是威胁舰船航行安全的重大隐患，由老化 问题引发的绝缘故障在舰船电气设备运行故障中占有很大的比例，绝缘故障轻则造成舰 船电气设备的误动作或损坏，重则引发火灾、爆炸甚至沉船等灾难的发生瞄。为了提高 舰船电气系统的可靠性，避免此类灾难性事故的发生，在舰船的维护保养中对电缆的绝 缘状态进行全面检测是十分必要的。 目前国内外对船用电缆的绝缘状态检测还没有规范的技术标准和有效的测试方法， 通常对船用电缆的绝缘只是采取简单的且视检测和绝缘电阻测试嘲。目视检测法就是在 船舶日常维护中对电线电缆的表面进行目视巡检，绝缘电阻检测则是用高阻计测量电缆 的绝缘电阻值来判断电缆绝缘的好坏。这两种检测方法的局限性是显而易见的，它们只 能检查电缆绝缘破损这类明显故障，不能发现电缆绝缘性能劣化等故障隐患，无法对电 缆的绝缘状态进行有效的评估判别。 根据有关要求，服役期间舰船上电缆都应按一定周期进行更换。由于对船用电缆的 绝缘状态尚无有效的检测方法以及缺乏对电缆剩余寿命的分析研究，使得这种更换带有 很大的盲目性。舰船电缆的更换又是一项价格昂贵且非常繁重的工作，没有充分依据的 更换会造成财力和人力的巨大浪费，若对已经老化破损的故障电缆没有及时更换则可能 引发灾难性的事故。因此需要加强对舰船用电缆老化机理的研究，争取有效预测评估电 缆剩余寿命，以减少电缆更换的盲目性。 对船用电缆绝缘老化检测新技术开发在国外只是近年来才开始有一些研究探讨， 相关的论述和进展报道不多。而国内外对电力电缆的绝缘检测技术及其老化机理从上世 纪6 0 年代就开始进行广泛深入地研究，至今已开发应用了许多成熟的检测方法酬。电 力电缆绝缘的检测方法可分为破坏性检测和非破坏性检测两大类，具体有直流泄漏电流 法，交流损失电流法，电位衰减法，反吸收电流法，直流电压叠加法，局部放电检测法 等多种检测手段，这为船用电缆的绝缘检测技术研究提供了很好的参考和研发平台。 1 2 本论文主要内容 本论文试验选择船用常规电缆作为试验的样品，使用人工热老化的方法对船用电缆 船用电缆绝缘老化的研究 进行老化试验。借鉴电力系统中对电力电缆绝缘状态检测相对成熟的检测方法，结合船 用电缆检测的特殊要求，对船用电缆进行绝缘状态检测，如电气性能的中的泄漏电流和 绝缘电阻的检测，电缆机械性能中的抗拉强度和断裂伸长率等进行测量。“”将得到的相 关数据进行分析整理，获得线缆老化后造成数据变化的规律，选择可以作为船用线缆寿 命评估参考量的数据作为评估的主要依据，并用数学拟合的方法对数据进行公式拟合， 建立数学模型，得出船用电缆的老化规律。最后通过国家标准和实际中的应用，验证其 试验建立的电缆老化模型是否接近实际应用，进而评估电缆的剩余寿命，判断电缆是否 能继续可靠工作，为电缆的更换与否提供判据，从而节约船舶维护的成本，保障舰船的 航行安全。 2 大连理工大学硕士学位论文 2 第二章船用电缆及绝缘材料老化特性介绍 2 1 船用电缆介绍 船用电缆是各类船舶、海上石油平台及水上建筑物的电力、照明、控制等系统专业 的电线电缆。国内外的电缆生产厂、船舶制造单位和使用部门对此类电缆均有特殊要求， 必须严格满足联合各国通过的国际海上人命安全公约( s o l a s ) 的有关规定。因此各 国都根据此公约制定了本国的船舶建造规范，其中对船用电缆有严格的规定，并制定了 船用电缆的国家标准。各国设有船舶检验部门，从事对船用电缆生产厂和船舶制造厂等 实施公约规范和标准的监督。 随着河海和远洋运输工业及海洋工程的飞速发展，各类船舶和海上石油平台等也不 断增加，各类设备对电缆的技术要求日益提高。由于使用环境条件比较严酷，则要求电 缆安全可靠、寿命长、体积小、重量轻和价格低，并具有优良的耐温、耐火、阻燃、耐 油、防潮、耐海水，优良的电气和机械性能要求。 船用电缆按使用范围可分为船用电力电缆( 包括额定电压工频交流i k v 及以下低压 电力电缆和额定电压工颏交流3 1 5 k v 中压电力电缆) 船用控制电缆、船用通信电缆、船 用信号电缆等。 船用线缆按照材料可分为：乙丙橡皮绝缘、聚氯乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘、硅橡 胶绝缘、天然丁苯橡皮绝缘、氧化镁绝缘、聚乙烯绝缘、聚四氟乙烯绝缘、无卤聚烯烃 绝缘、氯丁橡皮护套、氯磺化聚乙烯护套、聚氯乙烯护套、无卤聚烯烃护套、铜或不锈 钢护套等系列。【i i 】 g b 9 3 3 i g b 9 3 3 4 标准对我国船用电缆的分类、命名和代号做了盟确的规定，详见 下表2 1 ： 船用电缆绝缘老化的研究 袭2 1 船用线缆绝缘名称及代号 t a b 2 1t h en a m ea n dc o d en a m eo f c a b l eo ns h i p 线缆绝缘名称系列代号绝缘名称绝缘代号 乙丙橡皮绝缘船用电力电缆 c e乙丙橡胶e 交联聚乙烯绝缘船用电力电缆 c j 交联聚乙烯 j 聚乙烯绝缘船用电力电缆 c v 硅橡胶 s 硅橡皮绝缘船用电力电缆 c s天然丁苯橡胶 x 天然一丁苯橡皮绝缘船用电力电缆 c x 无卤乙丙橡胶 e 船用电线 c b 无卤交联聚乙烯 j 乙丙绝缘船用控制电缆 c k e 聚氯乙烯 v 交联聚乙烯绝缘船用控制电缆 c k j 硅橡皮绝缘船用控制电缆 c k s 天然一丁苯橡皮绝缘船用控制电缆 c k s 乙丙橡皮绝缘船用对称式通讯电缆 c h e 通常电缆是由被绝缘材料包覆的金属导体组成。该导体被一层屏蔽材料和一层提供 环绕保护的护套材料包覆。图2 1 示出了输电电缆的基本结构。尽管炭黑填充的p e 能 用作半导体屏蔽材料，但是在许多构件，尤其是绝缘材料和护套方面可采用聚合物材料。 对护套材料的性能要求主要取决于具体应用，但耐热性是必须具有的特性。当电流通过 导体材料时，导体由予电阻会变热。绝缘材料必须耐电流流过导体所产生的热。在一定 程度上，绝缘材料耐所产生的热的能力是对电流通过导线的量的限定。“” 4 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 线缆的基本结构 f 毽2 it h e 蚰1 l c t i i 璋o f c a b l e 2 2 船用电缆绝缘老化原因 船用电力设备由导电材料、导磁材料、结构材料和绝缘材料等组成。在船只设备实 际运行过程中，绝缘结构的电气和机械性能往往决定着整条船只的寿命。绝缘损坏时， 可能导致非常严重的后果，如火灾、设备损坏等，以致破坏整个系统的正常运行，甚至 造成船毁人亡的事故。 绝缘损坏的原因是复杂多样的。船用毫缆线在制造、运输，安装和运行过程中都有 可能会产生绝缘损坏和劣化，这些损坏和劣化主要是由于机械作用、熟作用、电场作用， 化学腐蚀等因素综合作用产生的。尤其在船上，特殊的使用条件造成了如下对电缆绝缘 层的不利影响因素： ( 1 ) 使用环境温度较高( 可达4 0 - 5 0 ) 。 ( 2 ) 由于大电流的原因运行温度高于5 0 。 ( 3 ) 在某些敷设条件下( 如集京敷设不利于散热) 可形成积温。 ( 4 ) 海上使用环境产生的盐雾和高湿度。 ( 5 ) 环境空间狭小导致的多处小半径弯曲。 ( 6 ) 穿越隔舱水密装置处由于密封的需要，对电缆的挤压。 ( 7 ) 与配电盘等电器设备的接头处，由于电阻产生的高温 上述因素均会加速电缆绝缘层材料的老化，舱内空间的狭小使检测和检修接近性不 好，很难发现隐患，确定故障点。例如对于动力和照明线路来说，采用的橡胶绝缘电缆 在使用过程中，由于橡胶的氧化分解作用，使硫化橡胶的电物理和机械性能发生变化： 变硬、交臆，在橡皮上形成裂纹，空气和水分填充在裂纹率。 绝缘材料的绝缘特性在使用过程中的劣化，有的是可逆的，有的是不可逆的。可逆 的劣化情况如受潮等情况，经过干燥等针对性的处理后可以恢复到原有特性；而不可逆 5 船用电缆绝缘老化的研究 的劣化则是由其它原因造成绝缘特性不可恢复的情况，这些交化过程又被称为老化。 表征不同绝缘系统劣化程度有多种不同的特征量。绝缘特征量可以分为两类； ( 1 ) 直接表征绝缘剩余寿命的特征量，如耐电强度、机械强度等； ( 2 ) 间接表征绝缘剩余寿命的特征量，包括绝缘电阻、介质损耗角正切、漏电电流、 局部放电量、油中气体含量、油中微水含量等。 绝缘检测的目的就是检测出这些特征量，并据此判断绝缘状况的好坏，提前做好线 缆的维护和更换。直接特征量是通过破坏性试验方法得到的，如高压耐压实验等，而间 接特征羹可以通过菲破坏性试验方法得到。 绝缘老化是时间和老化因子共同作用的函数，绝缘老化的程度要根据其性能的变化 来确定。运行中的电力设备需要采用定期或在线检测的方法监视其绝缘性能的变化，在 绝缘性能指标到达阀值之前更换绝缘或对损坏进行维修，以确保船只的正常运行而不至 于酿成事故。 绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝 缘老化”。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的，最具代表性的主要有：热老化、机 械老化、电压老化等。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对 老化了的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。 2 2 1 热老化 热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使缛绝缘性能下降的 现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为 化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分 子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧 化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从c - h 键中h 的脱离开始的。 热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著 的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，x l p e 材料被认为当拉 伸率从初始的4 0 0 6 0 0 降低到】o o 时寿命终止阍。 一般地区，大气的温度对热老化的作用不明显，炎热高温的工作环境作用相对大些， 但不是主要因素，热老化主要是电力设备自身产生的比较大的热量所致，如电能损耗、 局部放电等引起的较大的温升。为了防止绝缘材料被氧化，减缓连锁反应的速度，一般 都是采用添加抗氧化莉的方法。聚乙烯的抗氧化莉常使用苯酚系化合物。萁主要作用是 提供h ，与氧化老化连锁反应中产生的c o o 结合，以阻止连锁反应继续进行。 大量实践经验的积累表明绝缘材料的热老化寿命与温度的关系服从a r r h e n i u s 定 律，即式2 1 ； f 叮) = 正e x v ( - 告) ( 2 1 ) 6 大连理工大学硕士学位论文 6 9 ：表示老化状态的物理量；g a 引起老化所必须的能量；n 熟力学温度；石，b 常数式中历，五和k 由材料的特性决定。由上式可以看出r 越高，对材料的绝缘要求也 越高，相同绝缘材料的使用寿命成指数下降。 2 2 2 机械老化 机械老化是固体绝缘系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生 的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷 随着肘阅的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起 局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电一机械击穿”。 2 2 3 电老化 电老化指的是在电场长期作用下，电力设备绝缘系统中发生的老化电老化机理很 复杂，它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。 一般可以用绝缘材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。各种高分子材 料的本征击穿场强都在m v c m 的数量级。但是，实际所以中绝缘材料的绝缘击穿强度 比本征击穿强度要小很多。这其中的原因是多种的，比如厚度效应、杂质的混入、制造 时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。总之，本征击穿强度表 征的是理想情况下材料的击穿场强。 固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论： ( 1 ) 达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿 破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”； ( 2 ) 在绝缘体上加上电压后有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击 穿破坏，这被称为“热击穿”。 此外，还有上文提到的“电一机械击穿”，也是原因之。 和热老化寿命类似，绝缘材料的电老化寿命t 与电场强度e 的关系满足“n 次方法 则”，如式2 2 所示： t = k e 一 佗7 、 、一。w n 值的大小因为材料不同、材料中的缺陷不同等因素而不同。n 越大，老化速度越慢， 绝缘在额定工作电压下的寿命越长；反之，缝缘在额定工作电压下的寿命越短。在不周 电场强度下，试验绝缘击穿的时问，依据式2 2 ，作出l g t 和l g e 的关系曲线可以近似估 计绝缘在额定工作电压下的寿命。 当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境( 水分、阳光等) 等众多因素综合作用的结 果，是个非常复杂的过程，在推算绝缘材料使用寿命对应该尽量综合以上因素考虑 7 船用电缆绝缘老化的研究 2 3 绝缘老化的形态 2 3 1 绝缘老化中的树枝结构 ( 1 ) 电树枝 研究发现，在固体绝缘材料的高压击穿试验后，可以观察到类似树枝或者树根一样 的击穿痕迹。在高电压工程学上，这种树枝状的绝缘击穿部分称为“树枝( t r e e ) ”，其 发生、发展的现象叫做“树枝形成”。这种树枝是由电场的作用导致击穿所致，所以又 被称为“电树枝”。如霉2 2 图2 2 电树枝结构图1 f i g 2 2t h es l r u c m r co f e l e c 研cb r a n c h 电树枝产生的原因和电老化的原因一样有多种理论，但是尚无定论。其中有本征破 坏说、离子碰撞说、龟裂发生说以及机械破坏说等等。现在实验室制造电树枝的方法是 通过在插入绝缘材料内部的细针施加高压，这在一定程度上说明电树枝的形成和绝缘材 料不均匀引起的电极效应有关。 电树枝形成后会不断发展，直至形成直径数微米到数百微米的细小中空管，这是引 起绝缘局部放电原因之一。 ( 2 ) 水树枝 橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相比较 其绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课电现象”的 绝缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这种树枝结构 和水有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区别，称之为水树 枝。水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥后就不易观察到。水树枝多见 于结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材料的p v c 、丁基橡胶等聚合物中少 有发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生， 高频电压也能促使水树枝的产生。 在显微观察下发现水树枝的结构和电树枝还是存在一定差别的。水树枝一般为直径 8 大连理工大学硕士学位论文 o 1 i 岫l 的微小气泡的集合，它们之间由直径为o 0 5 p m 的微小导管相连，这些徽气泡 和微导管中有水的存在。如图2 3 娄警套 水树枝在绝缘体中出现的位置、形状是多种多样的，对于常发现水树枝的电缆而言， 根摆水树枝产生豹位置大体可以分为三类：在电缆的肉侧即图2 1 所示内层半导电层处 发生的是“内导水树枝”；因绝缘体中的孔隙和杂质而产生的类似蝴蝶结形的为“海绵 状水树枝”；由外层半导电层处产生的是“外导水树枝”。“” 研究和实践发现，水树枝的产生和生长是x l p e 电缆绝缘老化、劣化最常见、最基 本、最直接的因素。并在某些情况下可能造成局部击穿。实践也证明。大部分的电缆的 绝缘击穿事故都是由水树枝引起的，如图2 4 所示； 老化原因 电场 熬 机械力 环匈配水) 起点 局部放电老化 j r 电树枝老化 t 水树枝老化 一 主要因素 一一 次要因素 图2 4 老化原因与老化形态间的关系“” f i 蓦2 4t h ec o r t n e c t i o no f a g m gr 龃na n da g i n gf o r m 水树枝的发生一般需要三个条件：水、起点、电场，这为防止水树枝的产生提供了 9 船用电缆绝缘老化的研究 指导。首先，对于铺设在舰船中的的电力电缆。要尽量避免与水直接接触。但是，完全 和水隔离是比较难做到的。其次，消除绝缘材料中的微隙、杂质、凸起等作为水树枝产 生的起点的部分，这是最现实有效的方法。 ( 3 ) 化学树枝 在电缆绝缘介质中发现的树枝状结构还有一种为化学树枝。化学树枝主要是由于硫 化物从电缆外围穿透绝缘层并与铜导体发生反应形成硫化铜，硫化铜渗透到聚乙烯电缆 的缺陷部位，形成树枝状的结晶。化学树枝呈现为黑色或者红褐色的连续结构，在无电 场的作用下也会发生。 总之，树枝状结构是绝缘老化、劣化后最常观察到的现象，它们的产生和生长是引 起绝缘老化、劣化的最基本、直接的因素。研究各种树枝产生、生长的机理和它们对绝 缘的影响对于寻找防止绝缘材料老化和检测绝缘老化程度的方法是非常有意义的。 2 3 2 绝缘介质在电场作用下的其它特性 绝缘介质在电场作用下，除了会出现电老化、水树枝、击穿等老化现象外，还呈现 出极化、电导、损耗等其它重要特性。 ( 1 ) 极化 任何不同的绝缘材料，都可以认为是置于电极之间的电介质，并呈现电介质的特性， 极化现象就是其一。极化是指置于电场中的电介质，沿着电场方向产生偶极矩、在电介 质表面产生束缚电荷的现象。根据形成极化机理的不周，介质极化可以分为以下四种： 电子和离子的位移极化 分子中的电子在电场的作用下，电子轨道发生弹性位移，从而使得原本呈电中性的 分子变成呈现正负极的偶极予。由离子组成的分子结构也会出现类似的情况，正负离子 在电场作用下偏离原来的位置，形成偶极子。 位移极化程度随电场强度增大而增大，而且形成的速度极快，外电场旦消失，极 化随即也消失。这种极化过程中没有能量损耗，故称为无损极化或弹性极化。 热离子位移极化 介质中少量与周围分子联系较弱的带电离子( 一般为杂质) 在外电场的作用下，其热 运动趋向于顺电场方向在有限的范围内位移，造成这些离子在介质中分布不均，形成偶 极化。这种极化受到分子热运动的限制，温度越高，热运动越活跃，极化越困难。因此， 这种极化建立速度较缓慢，电场消失后，复原也较缓慢。 偶极子极化 在介质中存在一种特殊的分子，即使没有电场的作用，它本身也呈现为一个偶极子。 没有外电场时，它们随着热运动随机排列，因此整体对外不显电极性。但在电场作用下， 偶极子会随着电场力发生偏转，如图2 5 所示。这种极化在偶极子转向时需要克服分子 间的吸引力，因而要消耗能量。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 吣po 。 纱0苫。 偶极子极化建立的时间较短，约为1o - 1 0 1 0 - 2 s 。当介质分子间联系较紧密时，属于 弹性转向极化，复原较快；当介质分子闻联系较松散时，属于松弛转向极化，复原较慢。 夹层极化 绝缘介质中的自由离子和电子在外电场的作用下沿着电场方向迁移，改变分布状 况，在迁移过程中被介质中的电极或缺陷捕获，不能及时放电或复合，于是在某一空间 产生宏观感应电偶极矩，形成空间电荷极化。 当绝缘介质由多层不同材料组成时，这些带电粒子将停留在组合材料的交界面上， 最终形成各层上的电荷积累。这种电荷移动和积聚，称为夹层极化过程。这种极化属于 松弛极化，需要消耗能量，而且建立和复原的时间最长，达数秒，甚至数日之久。 在施加低频交变电场时，松弛极化和弹性极化都会发生。而施加高频电场时，由于 空间电荷来不及移动，将不存在松弛极化。松弛极化需要消耗能量，弹性极化不消耗能 量。松弛极化受到分子热运动限制，因此极化强度与温度成反比。此外，水分有增塑作 用，介质受潮后，松弛极化时间缩短，同样时阃长度内建立的极化强度将增大。“” ( 2 ) 电导 对于理想绝缘介质而言，不舍任何自由韵带电粒子，电导率a 等于o ，介质是不导 电的。但是实际上，o 总会呈现个很小的值。就是说，介质中有少量自由的带电粒子 存在。带电粒子在电场的作用下会定向运动，形成微弱的电流，这就是平时所说绝缘漏 电流。 介质中的载流予一般是自由离子，它们来源于介质本身，也有的来自外部杂质。外 部温度越高，分子热运动就越剧烈，对自由离子的约束也越小，形成的电导电流越大， 这一点和金属的导宅特性是完全相反的。此舛，介质在外加高压电场的作用下，会形成 一定程度的电离，使得载流予数目增多，a 下降。当然，介质受潮后。也会下降。 ( 3 ) 损耗 绝缘介质在电场的作用下会产生电能的损耗，这些损耗主要来自以下三个方面： 电导损耗 如前文所述，绝缘介质存在定的。值，于是电流在介质中运动时会产生焦耳热现 船用电缆绝缘老化的研究 象，电能转化为热量散发。 极化损耗 电场对介质中运动的电荷做功，产生绝缘介质因松弛极化而引起的热损耗，这就是 极化损耗，随着交变电场频率的增加，电荷往复运动更加频繁，极化损耗也越大。 游离损耗 游离损耗是绝缘介质内部由于气泡、油隙、凸起电极等电场集中处电场强度高于某 一数值时产生游离放电引起的。游离损耗只有当电压超过一定数值时才会发生，并且随 着电压的升高而急剧增加。“8 2 3 3 绝缘介质的电路模型 ( 1 ) 流过绝缘介质的电流 建立绝缘介质在窀场下的电路模型有助于定性、定量地分析绝缘状况的优劣，这种 模型虽然只是近似的，但是仍然可以反映大部分的问题。 通过试验发现，当电压施加到绝缘介质两端时可以测量到如图2 6 所示的电流响应。 o t l 时间段电流迅速衰减，t l t 2 时间段电流衰减较慢，t 2 以后几乎没有衰减。 进步分析可发现，图2 6 所示电流是由四部分组成的：电容充电电流娃、介质吸 收电流i i 、泄漏( 电导) 电流i c 、局部放电电流i 。 电容充电电流( g e o m e t r i cc a p a c i t a n c ec u r r e n t ) i g ( t ) 是随着时间很快衰减到零的几何电 容和介质弹性极化所形成的电流。它与试品的材料、形状、大小、结构、终加电压大小 等因素有关，与介质绝缘能力无关。 介质吸收电流( a b s o r p t i o ne u r r e n t ) i d t ) 是衰减较慢的松弛极化电流，反映了材料的不 均匀程度、分层、受湖、老化和脏污等状况，因此它是反映绝缘性能优劣的重要指标之 一。它与绝缘结构、绝缘材质性能、夕卜加电压大小、温度等因素有关，和电容充电电流 一样随时间衰减到零。 泄漏( 电导) 电流( c o n d u c t i o ne u r r e n t ) i 。由介质电导率和外加电压大小决定，它的大小 反映了绝缘是否受潮、表面脏污程度、绝缘介质内部缺陷、是否有绝缘贯穿等状况，是 判断绝缘性能优劣最重要的参数之一。研究发现贯穿水树枝对直流泄漏电流的影响非 常大，是决定性因素，但是非贯穿的水树枝对泄漏电流的影响要小得多。 局部放电电流( p a r t l a ld i s c h a r g ee u r r e n t ) i q ( t ) 反映的是介质绝缘部分击穿和油隙的电 晕放电电流的大小。它表现为一组等幅锯齿状脉冲，一且随时问衰减振荡。 大连理工大学硕士学位论文 图2 6 绝缘试品电流响应 f i g 2 ，6 t h e e l e c t r i c c u r r e n tr e s p o r t d e n c e o f i n s u l a l e d t e s t p i e c e ( 2 ) 绝缘介质的电路模型 通过以上试验和分析可以将绝缘介质等效为图2 7 所示等效电路。 图2 7 绝缘介质的近似等效电路 f 培2 7e q u i v a l e n tc u r r o n to f i n s u l a t e dm e d i u m t = 0 q 图2 8 绝缘介质直流测试原理图 f i g 2 gt h ee l e m e n t a r yd i a g r a mo f t e m n gi n s u l a t e dm e d i u md b e o t r r e n t 绝缘介质试品在直流电压作用下的电流响应见图2 8 所示，其中r i 为电源和测试回 船用电缆绝缘老化的研究 路的电阻。由电路定律可以推出： 挑) = 争“ ( 2 3 ) ，小| t + r n l c a 乞) = e 三而 仁4 e 之= 一r c g 5 由式2 3 2 5 也可以看出，电容充电电流和介质吸收电流随时间成指数衰减，电容 充电电流的时间常数要比介质吸收电流的时间常数小很多。同时，泄漏电流是一个恒流 分量，保持不变。“” 2 3 4 吸收比和极化指数 如前文所述，绝缘介质的极化强度一定程度的反映了介质绝缘优劣，吸收比和极化 指数就是对极化强度可测量参数的定量描述。一般规定绝缘的吸收比k = 导即试品在 加压后6 0 s 时的视在电阻值和1 5 s 时的视在电阻值之比；极化指数盯= 鲁= 即试品在 加压后1 0 分钟时的视在电阻值和1 分钟时的视在电阻值之比“”。通常情况下，同一绝 缘材料试品在绝缘状况良好时，松弛极化明显，k 和p i 较大，而在受潮或者脏污严重 时，松弛极化变得不明显，k 和p i 都偏小。推荐的k 、p i 与绝缘状况的关系见表2 2 所示。 表2 2k 和p i 判据 t a b 2 2c f i r e , o nka n dp i 状态 kp i 危险 2 0 吸收比、极化指数与绝缘吸收系数g 和吸收时间常数的关系式如下： 1 4 大连理工大学硕士学位论文 k = 萨1 + g e - 1 5 r ( 2 6 ) p f ：1 + g e - 焉6 。r ( 2 7 ) 1 + g 爸- 6 0 0 7 r 。 绝缘吸收系数g 主要取决于介质的不均匀程度。当绝缘材奉孚绝缘良好或者很差时，g 都 会表现出较小的值，使得试品吸收比k 偏小，这导致用吸收比k 来判别绝缘状况的优 劣变得不确定。与吸收比k 相比，用极化指数p i 来衡量绝缘状况的优劣有其优越性。 通常。t = 1 0 0 2 0 0 s ，于是g 叠“”* 0 ，所以，式2 ，7 可以简化为式2 8 ： = 1 + g e 确7 r ( 2 8 ) 因此可以看出，p i 与吸收时问常数t 成单调变化的关系，而且，因为是在测试电压 施加比较长的时间后测量的，受几何电容充电电流的影响较小，所以现在有学者提出用 p i 代替k 作为绝缘性能判别指标要更科学的观点。 但是，我们应该看到受到g 值与材料绝缘优劣关系的不确定性的影响，单纯靠k 或者p i 来衡量材料绝缘性能好坏郡是片面的，应该结台绝缘电阻r c 的值等参数来综合 判断而且，仅依据一次测量数据来判断绝缘状况的劣化也是不充分的，重要的是对各 参数进行的长期观察和对比，分析各参数的变化趋势，并以此为依据，判断绝缘老化情 况和剩余绝缘寿命。 2 3 5 介质损耗角6 吸收比k 和极化指数p i 都是在外加测试电压是直流时测得的反映绝缘状况的参数， 当外加测试电压是交流电压时，可以测量到介质损耗角6 。它同样可以反映出绝缘状况 的好坏。根据绝缘试品的等效电路( 见图2 7 ) 当外加溺试电源电压为u ( t ) = e s i n d o t 对 测得的全电流i ( t ) 的矢量图如图2 9 所示： 船用电缆绝缘老化的研究 图2 9 绝缘试品通过交流电时电参量矢量图 f i g 2 9 t h ee l e c 硒c a ip 雏踟i l e t 盯v | c t o rg r a p ho f t h ei n s u l a t e ds p e c i m e nw i t ha c j 为全电流，五为电容性电流分量，丘为电阻性电流分量 由图2 9 可见，在绝缘试品等效电路中存在电阻性成分时，全电流矢量j 偏离了电 容性电流矢量乃一个角度6 。因为是有功分量，它的大小决定了介质中电能转化为热 能的多少，即有功损耗丘越大，6 也越大，介质损耗也就越大，所以6 被称为介质损 耗角。常用介质损耗角6 的正切锄6 表示介质损耗的大小。t 柚6 为检测绝缘状况提供了 新的判断依据和新的方法。同绝缘状况的其它参数一样，以诅硒作为判据时，一次涣4 量 结果并不能完全反映问题，必须根据一段时间的跟踪测量的结果来判断绝缘老化的趋 势。“”1 1 6 大连理工大学硕士学位论文 3 第三章老化电缆电气性能的实验研究 3 1 船用线缆电参数测量方法 为了确保船只设备安全运行，船用设备和线缆在运行前和运行中要进行交接试验、 在线监测或者老化寿命评估。通过这些试验和监测，及早的发现绝缘缺陷，从而进行相 应的维护与检修，以保证设备的正常、安全的运行，减少事故发生。 线缆寿命评估试验可以分为两大类：破坏性试验和非破坏性试验。破坏性试验又称 绝缘耐压试验，是指在高于设备工作电压下进行的试验。它主要有交流耐压和直流耐压 两种试验，旨在揭露危险性大的集中性绝缘缺陷，保证绝缘有一定的裕度。需要指出的 是，耐压试验可能会对试品产生某些损坏，从而影啊绝缘寿命。非破坏性试验又称为绝 缘特性试验，是指在较低电压下用其它不会损伤绝缘的方法来测量绝缘的各种特性，从 而判断绝缘内部有无缺陷。似1 尽管电源与电器设备的距离较短，但船舶电缆的总长度通常可以达到几十甚至几百 千米，其重量约为总电力设备的4 0 。在船上，对于动力和照明线路来说，采用的橡胶 绝缘电缆在使用过程中，由于橡胶的氧化分解作用，使橡胶的电物理和机械性能发生变 化：他们逐渐变硬、变脆，在橡皮上形成裂纹，空气和水分将填充裂纹中。在温度升高、 在阳光、可燃性油及其他因素作用下，绝缘将发生强烈老化。若电缆包皮的温度高于设 计值达8 ，电缆寿命则减少1 2 。电缆绝缘的过热不仅发生在环境温度升高的时候，而 且也生发生在船用电力设备正常使用时可能的、经常性反复的电流过载时。例如，当电 动机起动的时候，起动电流可以为额定值的5 7 倍。此时，导电线缆承受过流负载，在 堵转、断相等情况下将导致更大的过热。“” 针对电缆的寿命评估试验主要有：介质损耗角正切值测量、直流耐压试验、绝缘电 阻测量、直流泄漏电流测量等。 3 1 1 介质损耗角正切值的测量 对于电力电缆，如x l p e 电缆等有时要求测量介质损耗正切值t a n 8 。t a n 5 的增大 一定程度上反映了绝缘老化状况，如水树枝的发生数量和程度、屏蔽层铜带被腐蚀程度 等状况的招剧。 t a n 6 的停电测量方法研究得很多了，关键问题是如何从噪音中将很小的无功电流分 量准确地提取出来。主要的测量方法是通过在电缆导体和屏蔽层之间施加一个理想交流 电源，测量电压电流相位差来推算m n 6 ，或者采用西林电桥进行测量。因为有功电流分 量一般很小，电流电压相位差接近9 0 度( 如图2 9 所示) 。对于一个电阻r 和一个电容 1 7 船用电缆绝缘老化的研究 c 并联的简化模型，有：矗= 等，乓2 主。眦所以 儿c 纽万2 誓2 壶 ( 3 1 ) lm r c 一” 根据电容性无功电流与电源频率成正比的关系，可以通过降低测试电源频率的方 法减小无功电流比例，从而放大t a i l 5 。 3 1 2 电位衰减法 给电缆施加电压后，断开电源，由于电缆绝缘体的绝缘电阻作用，导体与屏蔽层之 间的电位差将衰减。和电缆加电压时的电流响应一样，电位衰减的快慢和绝缘老化状况 有关，其中，和水树枝的状况关系尤为密切。水树枝多、贯