（电力系统及其自动化专业论文）电缆绝缘检测的研究.pdf

s u b j 佻t ：r e s e a e h e so nt h ei n s u l a t i o ue x a m i n a t i o nf o r e l e c t r i cc a b l e s p e c i a l t y lp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n n a m e：l il ei(signature) i n s t r u c t o r ：f uz h o u x i r g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) l - 勿： w i t ht h ed c v e l o p m e n to fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n dt h ef u r t h e rd e m a n do nt h es e r v i c e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fp o w e rs y s t e m s , t h ei n s u 蜥o nm o n i t o r i n gt e e l m i q u eh a sb e 衄p a i d m u c ha t t e n t i o n , a tt h e 文如et i m e , a d v a n c e dm e t h o d sa n dd e v i c e sh a sb e e ni nc o n s t a n t l ye m e r g e a e e o r d i n gt oi n c o m p l e t es t a t i s t i c s , t h ei n s u l a t i o nl l o tg o o de l i u s 船i nt h ea c c i d e n ta f f e c t st h e e q u i p m e n th a sn e a r l yo n ch a l fl e l a t c dt ot h ee l e c t r i cw i r ee l e e l r i ec a b l ei no u te o u n l r y , t h e i n s u l a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n i q u e sf o rh i g h - v o l t a g ec a b l ea p a i dm o l ea t t e n t i o nt h a nf o r l o w - v o l t a g ew i r ea n dc a b l e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e i n s u l a t i o nr e s i s t o rm e a s u r i n gf o rl o w - v o l t a g ew i r ea n dc a b l e n 圮f i r s tp a r to f t h et h e s i sh a sar e v i e w - l i k ec h a r a c t e r i tm a k 懿ab r i e f i n t r o d u c t i o no f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d i e l e c t r i c , a n d t h a n t h e m e c h a n i s m s o f i n s u l l l t i o l l a g , i n g a n d t h e c i r c u i t m o d e l a i ei n t r o d u c e d s o m em e t h o d sf o ri n s u l a t i m o n i t o r i n g 玳a l s oa n a l y z e db a s e do n t h ec i r c u i t m o d e l f u r t h e rm o 聆t h e 哪o f a d d i t i v el n c t h o df o ro n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gi nl o w v o l t a g en e t w o r k i sp r e s e n t e di np a r tt h r e e a n di tw a s p r o v e db ys o t l w a r es i m u l a t i o n , i n d i c a t e t h a ti n s u l a t i n gr e s i s t a n c ea n d c a p a c i t a n c ea 北t h es a l n ea st h eo n e sa n a l y s e di nt h e o r y t h i - o u g l a t h ec h a n g et h ep e a k - t o - 1 ) e a k v a l u e ，t h ef r e q u e n c yo f a d d i t i v et h ep o w e rs o i 1 1 c e ，o b t a i l 3 st h e r e s u l th a sp r o v e nt h el o wf r e q u e n c ya d d i t i v em e t h o di nt h ee x a m i n a t i o ne l e c t r i c a ln e t w o r k i n s u l a t i o np a r a m e t e ri sw e l l a n dt l t k e5 1m i e r o e h i p 嬲t h ec o r e , b yt h er s 4 8 5m a i nl i n e sw i t h o np o s i t i o nm a c h i n ec o r r e s p o n d e n c e , h a sc o m p l e t e db a s e do nt h el o w f r e q u e n c ym e t h o do f s u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e 窃y l l t l n i n a t i o ni n s u l a t i o np a r a m e t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a l r ed e s i g n i nt h ee n do ft h et l a e s i s , as u m m a r yi sp r e s e n t e da n ds o m es u g g e s t i o n s 玳f o r w s r dt o i m p r o v et h et e c h n i q u e so f i n s u l a t i o nm o n i t o r i n gf o rl o wv o l t a g en e t w o r k k e y w o r d s ：l o wf r e q u e n c ya d d i t i v em e t h o d i n s u l a t i o np a r a m e t e rs i m u l a t i o n 西妻料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、， 学位论文作者签多钐兢日期：芴z 织2 , o 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签每嘲， 指导教师躲彳僻 年哆月如日 l 绪论 l 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在过去很长的时间内，由于诊断评估技术的限制，计划经济体制的制约，电力系统 得检修是以事后维修、预防计划检修为主的检修体制，这种检修体制适应了我国当时生 产力发展水平，其优点在于可保障电网备用容量的稳定，做到人力、物力和资金安排的 计划性，在相当一段时间里，为电力安全稳定生产起到了良好的作用，但是，就提高设 备安全经济运行水平而言，技术监督对检修的深层次要求是该修必修，不该修不修，也 就是状态检修。 电力电缆是电力系统重要组成部分，是连接发、供电网络的纽带和桥梁之一，随着 企业生产的快速发展，对电力要求的不断增加，电力电缆的使用量也在逐年增加，现代 电力、钢铁、石化、煤炭等企业要求电力电缆的运行必须安全、稳定、连续、长期和经 济。电缆绝缘故障的在线监测和故障诊断对于保证供电的可靠性具有重要意义，也是电 力系统中长期研究的一个多因素、非常复杂的课题。 以前，由于电力系统庞大，电缆运行的周期比较长，绝缘老化缓慢，电缆的监测和 诊断没有引起人们足够重视。而x l p e 电缆的一个致命弱点是在绝缘内容易引发水树枝， 水树枝发展到一定程度就会成为电树枝，并形成放电而造成绝缘劣化，以致于在运行过 程中发生击穿。对于连续运行的电力系统来说，电缆的在线绝缘监测与故障诊断已是电 力系统状态检修不可缺少的环节。 对x l p e 电缆在线监测的目的主要是：一是发现早期水树枝绝缘老化，防止发生突 然事故，以期尽量减少故障损失和运行的可靠性，这主要是以安全为目的。二是持续监 测和采集电缆的重要状态参数并加以存储，通过对这些参数的处理、比较和分析，对电 缆的劣化程度有一个正确的评估，预测电缆的实际寿命，以做到该修必修。 电缆绝缘在线监测避免了原来的人工管理电缆的运行，不必大量人员到现场进行巡 视和定期停电检修，这样节省了大量的人力资源，也减少了人工巡检的不安全因素。 1 2 电缆供电的优缺点 与传统的架空线供电相比，电缆供电有一系列优点，大体归纳为以下： ( 1 ) 削弱自然环境的影响，由于电缆线路直接敷设于地下，除电缆分接箱和户外 终端部分外，不受外界恶劣气候环境的影响，而架空线易受暴风、暴雨、雷电、冰雹、 积雪、沙尘暴等自然灾害造成断线、断路或其它故障。 ( 2 ) 可避免外力直接破坏，如交通事故撞击，建筑棚架倒塌，鸟害或风筝引发的 西安科技大学硕士学位论丈 高压放电，电路器材被窃或战争损害。 ( 3 ) 减少人身触电事故，架空线敞露于地面之上，线路全程都需要安全的全线保 护，而电力电缆仅有若干个地点突出于地面，只需进行单点保护，大大减少了防范范围， 提高了整体安全性。 ( 4 ) 节省地面上的战地面积，架空线走廊占地面积大且较平直，其走向通常不能 与城市道路方向相符，使城市建筑布局困难，架空线下很大一块面积不允许搭建任何建 筑物，而电缆输电可以躲开建筑物。 ( 5 ) 有利于提高功率因数，电缆芯线与其外面的接地屏蔽层构成一个电容器。这 就相当于每相加进无功补偿电容器，容性电流分量将部分补偿线路上感性无功电流分 量，使总电流幅值降低。 ( 6 ) 电缆供电可以直接深入负荷中心，对于负荷密集地区，可以减少供电半径， 减少线损，提高供电质量。 ( 7 ) 容易大幅度提高馈电线路的供电能力，一条电缆通道通常可以容纳多条电力 电缆，需要增加馈电容量时，可在电缆沟或电缆通道内多加电缆，施工简单，施工过程 无需长时间停电。 ( 8 ) 维护工作量减轻和保密性强，电缆敷设于地下，正常时一般不需维护，避免 人为破坏。 与此同时，电缆化供电也存在不足之处： ( 1 ) 投资费用较大，电缆的结构设计、制造材料、工艺流程以及设备安装维护都 比较严格，造价也比较高。 ( 2 ) 线路不宜变更，电缆线路长期埋于地下，产生自然定形，其外护套会受到腐 蚀，一般不宜移动，这就要求电缆敷设须有长远规划，线路不再更改，必要时利用电缆 分接箱留出备用分接头。 ( 3 ) 故障点的测寻和修复比较困难，虽然有故障点寻测的专用仪器。但使用起来 也比较麻烦。 ( 4 ) 电缆附件( 中继接头、终端接头) 的绝缘强度、防水密封、安装工艺要求高， 所以现场施工操作人员需要经过专业培训，具备一定的专业水准。 根据以上对电缆供电和架空线供电的优缺点分析，电缆取代传统架空线可以做到小 型化、无油化、低损耗、低噪音、自动化、智能化、高可靠性和环保性，为可持续发展 作出一定的贡献。随着科学技术和工艺流程的进一步发展，电缆的使用费用高昂也将逐 步得到改善，维护和检测技术也进一步提高 2 1 绪论 - - i l _ 一 1 3 电力电缆的分类及常见故障 1 3 1 电力电缆的分类 在国外，2 0 世纪初开始使用电缆。我国在建国后特别是在七十年代以后，电缆的使 用量迅猛增长。现在使用的3 5 k v 以下的电力电缆主要有橡皮绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘 电力电缆、油浸纸绝缘电力电缆、交联聚乙烯绝缘电力电缆；3 5 k v 以上电力电缆主要 有高压充油电力电缆、交联聚乙烯绝缘电力电缆、s 圪气体绝缘电力电缆等“瑚 ( 1 ) 橡皮绝缘电力电缆 橡皮绝缘电力电缆的绝缘材料是普通的合成橡胶或乙丙橡胶等，普通的合成橡胶耐 臭氧能力差，在电晕的作用下容易发生开裂，击穿场强较低，一般只用于低压配电系统， 也可以用于定期移动的固定敷设线路。当用于直流电力系统时，电缆的工作电压可以是 交流电压的两倍。 ( 2 ) 聚氯乙烯电力电缆 聚氯乙烯电力电缆加工简单、成本低、耐腐蚀、化学稳定性好，但这种材料的介质 损耗大、耐热性差、击穿场强低因而，使用场合也受到限制。 ( 3 ) 油浸纸绝缘电力电缆 油浸纸绝缘电力电缆是由纤维纸和浸渍剂组成的复合绝缘电缆，分为带绝缘电缆和 分相铅包电缆，这种电缆在生产和运输过程中难免会产生气隙，使其绝缘性能降低，因 此只能用于低压配电系统。 ( 4 ) 高压充油电力电缆 高压充油电力电缆利用补充浸渍油的原理来消除绝缘层中的气隙以提高电缆工作 场强。按照其保护层的结构不同分为两类：一类是自容式充油电缆，一类是钢管充油电 缆。自容式充油电缆在线芯中心有油道和补充浸渍设备相连，使得当电缆温度升降时， 浸渍剂热胀冷缩，膨胀的油可以流入浸渍设备或者从浸渍设备补充浸渍油。钢管式充油 电缆设有中心油道，三根屏蔽电缆拉入密封的钢管内浸渍剂粘度较高。充油电缆虽然有 较好的运行特点，但是运行维护工作量大，安装不方便目前正在逐渐被淘汰。 ( 5 ) 交联聚乙烯电力电缆 从7 0 年代开始，交联聚乙烯( ) ( l p e ) 作为电缆的绝缘得到了广泛的应用，国外高压 电缆的电压等级已发展到5 0 0 k v ，而且己在线路上应用。我国则从8 0 年代开始大规模引 进x l p e 绝缘电力电缆生产线，产品的等级也在逐步提高脚，6 6 1 1 0 k v 交联聚乙烯电缆 于1 9 9 1 年在沈阳进行了首批鉴定，并在沈阳电缆厂和上海电缆厂批量生产。目前国内 已形成了一个生产高压交联电缆热，已能批量生产，加上从国外引进的产品，极大地促 进了我国城市电网的建设和改造。 3 西安科技大学硕士学位论文 交联聚乙烯绝缘电力电缆由于无油、附属设备较少，在一定防护条件下无火灾危险、 安装敷设以及运行维护较简单，而成为城市电网改造和建设所需电力电缆的首选产品 1 l o k v 及2 2 0 k vx l p e 电缆也逐渐取代l l o k v 及2 2 0 k v 充油电缆，使高压电能通过高压电 缆地下输电方式输入至城市负荷中心，这为我国x l p e 电缆技术的发展与规模生产也带 来了良好的机遇。通过在城市拓展的新区中预留和安排好变电站地址、线路走廊、地下 电缆通道和大型建筑物的配电间以及开关室等，使新区实现高低压配电地下电缆化。按 水电部1 9 8 2 年8 月提出的城市电网新装备技术条件，地下电缆普遍采用交联聚乙烯 绝缘电力电缆。 交联聚乙烯电力电缆由于其合理的工艺和结构，耐酸碱、耐腐蚀能力较强，安装敷 设简单，运行维护工作少，不存在油的淌流问题，优良的电气性能和安全可靠的运行特 点，比充油电缆有较大的优越性，国内外已经把它作为主要的发展对象。例如日本已经 开始开发7 5 0 k v 电缆，俄罗斯的2 2 0 k v 电缆已经稳定运行了上十年，我国也开始使用 2 2 0 k v 交联聚乙烯电力电缆，一些5 0 0 k v x l p e 电力电缆项目己在招标和敷设之中。 ( 6 ) 一些新型的电力电缆 随着科学技术的发展和大容量远距离输电的要求，一些新型结构的电力电缆还在不 断出现，如管道充气电缆，低温有阻电缆和超导电缆。 管道充气电缆主要是为了满足封闭式变电站的要求，也就是六氟化硫电缆，这种电 缆的优点在于既有架空电线的传输能力，又有电缆的运行优点：其介电系数小，电缆电 容量小，充电电流小，不需要电容电流补偿装置，有效输电距离长；介质损耗小，限制 了运行时温度的上升，增加了传输容量。 低温有阻电缆是采用冷却技术把高纯度铝或铜导体冷却到很低温度，使得导体电阻 系数大大降低，从而提高电流密度，降低导线损耗，增强散热能力，增加整体传输容量。 超导电缆是由超导技术的发展而出现的，电缆工作时处于超导状态，导体电阻等于 零，其传输容量远远超过充油电缆，也大于低温有阻电缆。但因为常温冷却和降低造价 和一些关键技术等问题很难寻求一个合理解决的平衡点，故其离实际应用有一定的距 离。 虽然电缆的形式多种多样，但目前广泛应用以及使用范围将不断扩大的电缆仍然以 n p e 电力电缆为主。 1 3 2 电力电缆的常见故障 2 0 0 3 年，美国、加拿大等国家相继发生大面积的突然停电，导致航空、道路交通、 通讯系统全面或部分瘫痪、人们的生活收到了极大的影响。仅美国大停电的经济损失就 高达6 0 亿美元。可见，随着电力系统的日益庞大、复杂，其脆弱性和潜在危险也逐渐 暴露出来。中国科学院院士卢强曾指出过：。二十世纪后半叶发生在美国的五次灾难大 4 l 绪论 1 i i i 自目i 停电给以科技为主导的现代社会敲响了警钟”。为此，现代电力网络应具有极强的自我 保护和调解能力，从网络末端到核心枢纽的实施层层保护，局部设备应具有监测和故障 诊断的措施等。 电力电缆和其他电气设备一样在运行过程中会由于各种各样的原因而发生一些突 发性的故障，为电力系统的安全运行、国民经济生产、人民生活带来影响。但是，电力 电缆的故障不是一下发展起来的，而是长期绝缘老化的结果最终导致绝缘击穿。 1 9 6 8 年首次在地下直埋式x l p e 电缆绝缘中发现“水树枝”以来，人们一直没有停 止过有关水树枝引发和生长机理、水树枝结构及特性的研究。特别是近些年来，一方面， 由于水树枝老化导致早期敷设应用的) 【l p e 电缆绝缘击穿停电事故呈逐年上升之势，并 不断造成重大经济损失，水树枝现象己成为电力电缆安全运行的重大隐患，迫使人们不 断加强对】( l p e 电缆绝缘老化状况的诊断技术研究工作。另一方面，伴随许多新技术新 设备的不断出现，将水树枝机理及检测技术研究推向新的阶段。 在绝缘中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔处的电场畸变，会导致 在较低的电压下引发水树枝，这便是x l p e 电缆绝缘中水树枝的引发及生长特征一。水 树枝的生长相对较慢，但伴随水树枝生长，水树枝尖端的电场将愈加集中，局部高电场 强度最终会导致水树枝尖端产生电树枝电树枝一旦形成，即可能造成电缆绝缘在短期 内被击穿“”研究发现，许多x l p e 电缆在电力线路遭到雷击后较短时间即发生击穿停 电事故，对这些电缆绝缘的解剖分析发现，在水树枝尖端有不同程度的电树枝出现。分 析表明，当水树枝长到一定程度时，如电力线路遭到雷击，大气过电压会在水树枝尖端 形成较大瞬态电流，该电流在树枝中的损耗会造成水树枝微孔内水分温度的急剧上升甚 至气化，所产生较大压力会使水树枝尖端处的x l p e 分子链断裂从而引发电树枝。雷 电流导致含水树枝】( l p e 电缆绝缘在短时间内有被工频运行电压击穿的可能。还存在另 一种机理，即较高的雷电压向水树枝尖端附近的绝缘陷阱中注入了空间电荷，在日后的 运行中，空间电荷在水树枝尖端构成的局部高电场与电缆的工频额定电压叠加即可能引 发电树枝并导致绝缘在短期内被击穿。可见水树枝的引发和不断生长是x l p e 电缆绝缘 老化的最首要原因之一 绝缘损坏的原因是复杂多样的。电力设备在制造、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、热作用、电场作用、 化学腐蚀等因素综合作用产生的。 电气设备的绝缘缺陷主要有两大类：一类是集中性缺陷，指集中于绝缘某个部分或 某几个部分比较严重的缺陷。它又可分为贯穿性缺陷和非贯穿性缺陷。这类缺陷发展的 速度最快，因而带来严重后果的可能性也大。但是集中性缺陷比较明显，因而较容易事 先察觉。另一类是分布性缺陷，指整体绝缘性能下降。它是一种普遍性的绝缘劣化，是 缓慢演变和发展的。此类缺陷较难引起足够的重视，经常是由分布性缺陷演化到集中性 5 西安科技大学硕士学位论文 缺陷，直至产生后果时才被重视起来。及早检测到绝缘分布式缺陷对绝缘检测技术提出 了更高的要求。 这些不同形式的老化在不同程度上腐蚀了电力电缆的绝缘，也给电力电缆绝缘老化 的研究增加了一定的难度。 1 4 国内外对电缆监测问题认识的发展过程 自1 9 4 4 年美国铺设第一根3 k v 交联聚乙烯绝缘电缆以来，) 【l p e 电缆因其性能优良、 工艺简单、安装方便、输送容量大、适应多种场合和运行维护简单而在世界范围内得以 广泛应用。 高压x l p e 电缆的发展历史并不长，1 9 6 0 年在美国才开始交联聚乙烯电缆的制造技 术。该技术一问世，立即传入了欧洲和日本，此后x l p e 电缆在美国、欧i 1 1 和日本开始 逐渐成熟。由于日本x l p e 电缆自1 9 6 0 年以后，发展速度最快，并形成了自己的体系。 目前，在国外电缆的在线监测开展比较早、比较多的是日本。早在二十世纪8 0 年 代初，日本就在该领域进行持续不断的研究和探索，开发出直流分量法、叠加电压法和 电介质损耗法等多种诊断技术。日本住友电气工业株式会社于8 0 年代后期研制出在线 运行电缆监测仪( o l c v - - o nl i n ec a b l em o n i t o r ) 该仪器分为固定型和携带型两种， 主要应用的条件是电压等级在3 3 ，6 6 ，1 1 o k v 电压等级下：电网中性点的接地方式为 不接地、经消弧线圈接地或接电阻接地：采用的方法主要是直流叠加法n 1 。 我国的】( l p e 电缆的在线监测的起步较晚、发展相对缓慢。九十年代初，上海电缆 研究所也开始了研究工作，并进行了大量的现场试验。1 9 9 3 年，该所采用直流成分和直 流叠加的复合诊断方法，研制成了适合于工业现场使用的c d z 型) ( l p e 电缆诊断仪，并 在包钢东码头电网中现场运行了两年为企业的经济运行提供了有力保证。 电缆运行的安全与否，对电力系统、各种厂矿的影响较大，这一点己经逐渐被电力 运行部门重视。1 9 9 8 年l o 月，中原油田下属分公司的一从总变电站到聚乙烯变电站的 电缆，由于敷设环境潮湿，温度过热，绝缘提前老化，造成相间短路，造成上游开关由 于差动保护而跳闸的恶性事故，为生产安全和连续生产造成极大的损失。1 9 9 9 年本溪钢 铁公司由于电缆接头烧毁，导致隧道内一百二十多条电缆全部被烧毁。2 0 0 0 年宝钢某一 电缆隧道的一条电缆故障引起火灾，造成经济损失上亿元。 整体来说，国内外对于电缆绝缘故障的在线监测研究还不够成熟，尤其是对于 1 1 0 k v 2 2 0 k v 超高压电缆系统的研究和应用少之而又少。而随着电力系统的容量的不断 扩大，电压等级的不断提高，高压电缆的造价和维护费用的不断增加，一种经济可行、 安全可靠的在线监测方法和装置是迫切需要的。 同时，随着变频技术和数字信号处理方面的成熟，采集和传输系统的数字化，并在 此基础下进一步实现智能化，才能真正的做到提高系统的稳定性和可靠性，从而令电缆 6 l 绪论 绝缘故障在线监测系统在大面积、长距离、多测点、工作条件恶劣的现场使用。 本课题主要研究的内容是线路绝缘电阻和对地电容的测量，这两个量通常作为线路 绝缘好坏的重要参数，并且作为漏电保护的重要依据，本文以理论分析为基础，对绝缘 参数的测量方法进行研究，利用m a t l a b 软件中的s i m p o w e r s y s t e m 进行仿真试验，找到 一种适合的测量绝缘参数的方法。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 绝缘老化原因及表现形式 电力系统中不同设备、不同电压等级和不同容量的电力设备应选用不同的绝缘材 料，以满足绝缘要求。一般电压等级较高的电力电缆常采用挤出成型的交联聚乙烯 ( x l p e ) 、聚氯乙稀( p v c ) 、乙丙橡胶、聚烯烃类等固态绝缘材料，新型低烟无毒绝缘 材料也在不断推出中。另外，还有少量的电缆采用油浸纸作为绝缘介质。电压等级较低 的电线电缆一般以聚氯乙稀、天然丁苯橡胶、乙烯一乙酸乙烯酯橡胶等作为绝缘介质。 2 i 绝缘老化的类型 对于固体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。 ( i ) 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，使得绝缘性能下降的 现象。熟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1 0 0 时寿命终止“目。 一般地区，大气的温度对热老化的作用不明显，炎热高温的地区作用相对大些，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 是采用添加抗氧化剂的方法。聚乙烯的抗氧化剂常使用苯酚系化合物，其主要作用是提 供日，与氧化老化连锁反应中产生的r 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 八d = 正懿p ( - 票) ( 2 1 ) 肌 厂( d ：表示老化状态的物理量；e 。：引起老化所必须的能量；r ：热力学温度；疋，| j ： 常数，式中毋，z 和k 由材料的特性决定。 8 2 绝缘老化原因及表现形式 对式2 1 两边取对数可得 。 穿 l g ( f ( d ) = l g 五一告 ( 2 2 ) 五 此式是被称为表征老化特性的阿雷尼乌斯方程。 由上式可以看出丁越高，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。 热氧化老化是热和空气中氧长期联合作用所引起的一种老化形式。由于应用中的绝 缘材料大部分都是要和空气接触( 空气中氧对氧化机理有很大影响) ，热氧化老化是有 机绝缘材料老化的一种主要形式，习惯上又称为热老化。 ( 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 时间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” ( 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： 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”； 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”，也是原因之一。 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”，即 t = k + e 1 ( 2 3 ) 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，绝缘在额定工作电压下的寿命越短。 ( 4 ) 光老化或光氧化老化 如果绝缘材料在户外环境中使用，则材料在光与氧的长期作用下发生光氧化老化。 9 西安科技大学硕士擘位论文 这是户外绝缘材料老化的一种主要形式。例如户外安装的橡皮电线、塑料电线、户外电 抗器的外层绝缘材料、有机合成绝缘子等都可能出现这种老化形式。 ( 5 ) 臭氧老化 空气中有臭氧，特别是在污秽大气中。若绝缘材料中部分结构成分对臭氧特别敏感， 则臭氧老化成为其主要老化形式。 ( 6 ) 生物老化 电工产品( 电机、电线电缆等) 中的绝缘材料常被某些微生物所损坏，微生物在湿 热环境中繁殖使材料分解。 ( 7 ) 高能辐射老化 。 高能辐射包括x 射线、，射线、口和粒子流、宇宙射线等，原子能电站、航天飞 行器等存在高能辐射老化问题“” 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，是一个非常复杂的过程，在推算绝缘材料使用寿命时应该尽量综合以上因素考虑。 2 2 绝缘老化中的树枝结构 2 2 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”。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 2 2 水树枝 电缆绝缘微孔中的水分来源有两种：一是x l p e 绝缘中固有的，包括电缆绝缘材料中 的固有水分及在电缆绝缘生产制造过程中引入的水分：二是在电缆运行中由外界环境侵 入，特别是对于敷设环境中酸、碱、水气比较严重的情况下，由于液体渗透压的作用和 有机介质具有吸湿性，水分更容易从外界浸入绝缘。有学者对几条运行5 - 7 年的低压电 缆绝缘进行湿度分析，得出如下结论：绝缘在靠近外半导电屏蔽处的含水量大于靠近内 1 0 2 绝缘老化原因及表现形式 屏蔽处，在水中浸泡后各电缆样品绝缘在靠近外半导电屏蔽处的含水量变化并不明显， 而内屏蔽处的绝缘含水量趋于均匀，表明外屏蔽附近绝缘中的水分是在电缆运行过程中 由外界环境侵入且含水量己趋于饱和“”“o ， 在不同电压作用下，水树枝化】【l p e 绝缘中会出现两种空间电荷，一种为积聚于水 树枝尖端的由水分电离离子和杂质离子构成的离子型电荷“叭，此类空间电荷会随施加 的交变电场作周期性振动，在较低电场h 就会产生，电场消除或两电极短接时即会消除。 另一类为在直流高电场下由水树枝尖端注入】【l p e 绝缘缺陷的陷阱空间电荷，其注入程 度取决于电缆绝缘水树枝老化的程度；此类空间电荷即使在电极短接情况下也不会消 除，在较高交变电场下或经对试样进行热处理才可能在短期内得以释放；此类空间电荷 所产生的静电场与电缆工频运行电压叠加即可能在水树枝尖端引发电树枝，电树枝的存 在是导致电缆绝缘在短期内被击穿的直接原因，因此这种空问电荷对电缆的安全运行有 较大威胁“8 ，所以一般不推荐采用高压直流耐压对己运行的】( l p e 电缆进行预防性试验。 两种空间电荷具有完全不同的形成机理，也必然存在不同的响应特征。空间电荷行 为不仅是加速绝缘老化的重要因素，空间电荷的分布和其在不同电压下的运动特性也是 判别绝缘水树枝老化状态的重要依据。从实验中可以得出以下结沦；多数空间电荷聚集 在水树枝尖端；空间电荷密度随水树枝中的水分含量增加而上升；频率增加时含水较少 的水树枝老化试样中的空间电荷密度减小，当水树枝中水分含量进一步减小时这种趋势 更加明显；空问电荷的极性与水树枝长出侧的电极极性相同；总电荷量与所旌加电压成 正比啕。 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。水树枝是聚乙烯类绝缘材料在长时间与水共存状态下因电场作用产生的，其形状为 充满了水的各种数值状的细微通道或气隙。在实际状态中，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 o 1 li lm 的微小气泡的集合，它们之间由直径为0 0 5pm 的微小导管相连，这些微气 泡和微导管中有水的存在。 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， 根据水树枝产生的位置大体可以分为三类：在电缆的内侧即内层半导电层处发生的是 西安科技大学硕士学位论文 “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” 内导水树枝以及外导水树枝，在完全没有半导电层时可从与水相接触的界面产生， 当内、外半导电层使用布胶带等纤维胶带时，从胶带的边缘部以及纤维的细小绒毛等不 平整处为起点而发生。 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【1 2 j ，如图2 1 所示： 老化原因起点 老化形态 电场 热 机械力 环境( 局部放电老化 i 电树枝老化绝缘击穿 十 水树枝老化 主要原因 - 次要因素 图2 1 老化原因与老化形态间的关系 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 指导。 首先，对于铺设在地面以下的电力电缆，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。 2 2 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 绝缘老化原因及表现形式 2 3 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。 2 3 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同，介质极化可以分为以下四种： ( 1 ) 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子。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，形成偶极予。 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，外电场一旦消失，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 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。这种极化在偶极子转向时需要克服分子问的吸引力，因 而要消耗能量。 ( 4 ) 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，于是在某一空问 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 1 3 西安科技大学硕士学位论文 i i j i i | i i i i - 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，同样时间长度内建立的极化强度将增大。 2 3 2 电导 对于理想绝缘介质而言，不舍任何自由的带电粒子，电导率o 等于0 ，介质是不导 电的。但是实际上，o 总会呈现一个很小的值，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。 介质中的载流子一般是自由离子，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， 这一点和金属的导电特性是完全相反的。此外，介质在外加高压电场的作用下，会形成 一定程度的电离，使得载流子数目增多，o 下降。当然，介质受潮后o 也会下降 2 3 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； ( i ) 电导损耗 如前文所述，绝缘介质存在一定的0 值，于是电流在介质中运动时会产生焦耳热现 象，电能转化为热量散发。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 2 4 吸收比和极化指数 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 d 化强度可测量参数的定量描述。一般规定绝缘的吸收比k = _ a 6 0 s ，即试品在加压后6 0 s 时 “ d 的视在电阻值和1 5 s 时的视在电阻值之比；极化指数p ，= - x 1 0 u , 。，即试品在加压后l o 心_ 分钟时的视在电阻值和1 分钟时的