張忠貴

摘 要：電線電纜是電能的重要載體，在電力系統(tǒng)運(yùn)輸和分配電能的過程中發(fā)揮著重要的作用?；诖?，文章主要針對(duì)電線電纜絕緣材料的種類以及老化原因進(jìn)行研究，分析了電線電纜絕緣檢測(cè)技術(shù)的方法，包括離線檢測(cè)方法和在線檢測(cè)方法，對(duì)在線檢測(cè)方法中直流疊加法、直流分量法、在線tanr法、低頻疊加法以及交流疊加法進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析，并進(jìn)一步闡述了影響電線電纜絕緣檢測(cè)的因素以及解決辦法。

關(guān)鍵詞：電線電纜；檢測(cè)技術(shù)；絕緣材料；低頻疊加法

中圖分類號(hào)：TM21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0044-02

前言

電線電纜是指用于電力、電氣及相關(guān)傳輸用途的材料，電線和電纜分屬兩個(gè)區(qū)域，但并沒有嚴(yán)格的界限，通常將芯數(shù)少、產(chǎn)品直徑小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品稱為電線，在電線外圍均勻而密封地包裹一層不導(dǎo)電的材料，如：樹脂、塑料、硅橡膠、PVC等，形成絕緣層，防止導(dǎo)電體與外界接觸造成漏電、短路、觸電等事故發(fā)生的電線叫絕緣電線。其他的稱為電纜，導(dǎo)體截面積較大的稱為大電纜，較小的稱為小電纜，又稱為布電纜。

1 電線電纜絕緣材料的概述

1.1 電線電纜絕緣材料的種類

通常情況下，電線電纜中的絕緣材料大致可以分為固體材料、液體材料以及氣體材料三大類。固體絕緣材料又可以分為注射絕緣和擠出絕緣，運(yùn)用最廣泛的固體絕緣材料主要有強(qiáng)度高、耐熱高的云母絕緣物和注塑型絕緣物，具體應(yīng)用在電機(jī)、變壓器、交流器等電力設(shè)備中。液體絕緣材料可分為絕緣油和纖維紙，其中，具有高電壓、高耐電場(chǎng)、無(wú)氣孔特性的油浸絕緣物在日常工作中應(yīng)用最廣泛，比如變壓器、電容器以及OF油浸紙電纜。氣體絕緣中采用的絕緣氣體主要是空氣和SF6，運(yùn)用最廣泛的氣體絕緣材料是SF6，主要運(yùn)用在充氣變配電設(shè)備中。總而言之，不同設(shè)備、不同電壓等級(jí)以及不同容量的電力設(shè)備應(yīng)選擇不同的絕緣材料，以滿足絕緣要求。

1.2 電線電纜絕緣材料老化的原因

電線電纜絕緣材料在使用一定的年限之后，絕緣性能都會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的老化，被稱為“絕緣老化”，絕緣材料老化的原因多種多樣，其中最具代表性的有熱老化、機(jī)械老化以及電壓老化三方面原因。熱老化主要是指絕緣材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在熱量的不斷作用下發(fā)生了化學(xué)變化，使得絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，因此熱老化又稱為化學(xué)變化。通常情況下，隨著溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生速度越快，絕緣材料內(nèi)部的高分子有機(jī)材料會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而加快絕緣材料的老化速度。比如聚乙烯的氧化反應(yīng)就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的C-H鍵中H脫離導(dǎo)致的。熱老化使得絕緣材料的電氣和機(jī)械性能同時(shí)發(fā)生劣化，絕緣壽命減少，主體表現(xiàn)在材料的伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性的變化。例如，XLPE材料的拉伸率限制在一定的范圍內(nèi)，一般處于100%的狀態(tài)時(shí)壽命終止。在固體絕緣系統(tǒng)生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行的過程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力的作用而出現(xiàn)機(jī)械老化的問題，進(jìn)而形成微小裂縫，這些裂縫會(huì)隨著時(shí)間的推移持續(xù)惡化，最終引發(fā)局部放電的問題。

電壓老化是指電力設(shè)備在電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的老化，其老化機(jī)理十分復(fù)雜，它包含一系列的物理變化和化學(xué)變化，主要有以下兩種理論，第一種理論是：當(dāng)絕緣材料達(dá)到一定電場(chǎng)時(shí)，其內(nèi)部的電子數(shù)量會(huì)急劇增加，使得絕緣材料遭到擊穿破壞，由于擊穿破壞的原因主要是電子，因而這種理論稱為“電擊穿”。第二種理論是：在絕緣體上加上電壓后，通過的微電流會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致材料被擊穿破壞，因而這種理論稱為“熱擊穿”[1]。

2 電線電纜絕緣檢測(cè)技術(shù)的方法分析

2.1 電線電纜絕緣離線檢測(cè)技術(shù)

電線電纜的離線檢測(cè)技術(shù)主要通過介質(zhì)損耗試驗(yàn)、局部放大試驗(yàn)、直流耐壓試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)來完成。在介質(zhì)損耗試驗(yàn)中，介質(zhì)損耗因素的使用通常采用介質(zhì)損耗角的正切值來判斷絕緣性能，但由于引起介質(zhì)損耗因素變化的絕緣電纜的分散性較大，因此測(cè)量準(zhǔn)確度并不高。局部放電的試驗(yàn)缺點(diǎn)是在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)過程中，電磁的干擾比較大，使得試驗(yàn)結(jié)果并不準(zhǔn)確。直流耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是電力設(shè)備輕便、準(zhǔn)確得到伏安曲線、電壓缺陷容易被發(fā)現(xiàn)，缺點(diǎn)是不適用與高壓橡塑電纜。交流耐壓試驗(yàn)主要是利用低頻電壓存在的直流和工頻的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是絕緣材料在被破壞擊穿時(shí)不存在暫時(shí)性的高電壓，使得短路電流比較小，電壓和頻率的輸出穩(wěn)定，因此現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用具有較大的靈活性、可靠性以及穩(wěn)定性。

2.2 電線電纜絕緣在線檢測(cè)技術(shù)

2.2.1 直流疊加法

直流疊加法是在直流電流相關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，并在1977年正式開始大規(guī)模的應(yīng)用。直流疊加法的運(yùn)用，主要是為了檢測(cè)變電所中各電線電纜接地電流的大小，具體實(shí)施辦法是在所要測(cè)量的電線電纜的GPT中性接電處施加適當(dāng)幅度以及歐姆的直流電源，依據(jù)串聯(lián)電路電流處處相等的原理，從而計(jì)算出接地電流的具體值，因?yàn)榻^緣電阻的阻值對(duì)線路的變化更加敏感，而且操作簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，因此可以依據(jù)電壓、電流、電阻三者之間的關(guān)系，將電流中的電流值換算成絕緣電阻的阻值。在測(cè)量過程中，可以通過變換正負(fù)電壓的測(cè)量順序，來消除地下電纜與地下礦物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)。

在進(jìn)行電線電纜的測(cè)量工作中運(yùn)用直流疊加法，雖然可以使測(cè)量工作更加方便、快捷，但也存在著不可避免的缺點(diǎn)，以線路中直流電壓的測(cè)量工作來說，因?yàn)殡妷号c內(nèi)部的電流和電阻具有非常密切的關(guān)系，一旦內(nèi)部電流或者電阻發(fā)生變化，電壓的測(cè)量結(jié)果就與實(shí)際結(jié)果之間存在誤差，而線路在運(yùn)行過程中，電流和電阻的微觀變化是不可避免的。另外，通常情況下電纜中的直流電壓是經(jīng)過接地電壓的疊加而產(chǎn)生的，如果接地電壓的連接方式出現(xiàn)問題，就會(huì)產(chǎn)生零序電壓，導(dǎo)致整個(gè)線路出現(xiàn)故障，無(wú)法正常運(yùn)行[2]。

2.2.2 直流分量法

在直流分量方法使用過程中，為了更好地判斷電纜絕緣性能的老化程度，可以在電纜內(nèi)水樹枝結(jié)構(gòu)附近施加一個(gè)適當(dāng)幅度的交流電壓，線路運(yùn)行一段時(shí)間之后，電纜線路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生直流電流，并利用水樹枝自動(dòng)整流的作用，對(duì)直流電流的大小進(jìn)行測(cè)量，通過測(cè)量結(jié)果可以判斷出線路絕緣性能的老化程度。電纜內(nèi)水樹枝的整流結(jié)構(gòu)主要是可以對(duì)施加的交流電壓的電流值進(jìn)行有效控制，把形成的電流差值看做一個(gè)微弱的直流電流，保證該方法的順利實(shí)施。endprint

直流分量法相比于直流疊加法，其操作更加的簡(jiǎn)便，不需要設(shè)置額外的電源就可以直接進(jìn)行電纜絕緣性能的測(cè)量工作。其缺點(diǎn)主要是由于直流分量電流比較小，因此在測(cè)量過程中容易混入其他的雜散電流，對(duì)其造成干擾，影響測(cè)量結(jié)果。除此之外，電纜端部的電阻值在被臟污覆蓋或者被雨水淋時(shí)會(huì)增大，造成較大的測(cè)量誤差，因此，必須要對(duì)電纜端部進(jìn)行定期的清潔，并且盡量選擇在晴朗的天氣中測(cè)量，保障電阻處于正常狀態(tài)中。

2.2.3 在線tanr法

在線tanr在運(yùn)用過程中，對(duì)電纜內(nèi)的額定電壓以及運(yùn)行頻率的測(cè)量來說，其測(cè)量結(jié)果在線路運(yùn)行過程中比停電時(shí)測(cè)量的結(jié)果更加接近真實(shí)值，主要是由于線路在運(yùn)行過程中，其產(chǎn)生的電流、電阻處于恒定的狀態(tài)下，可以準(zhǔn)確測(cè)量電流、電壓的值，來推算出準(zhǔn)確的電壓值，而停電時(shí)，只能對(duì)電纜的局部電壓進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果會(huì)受到外部條件的限制，測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。在線tanr法在測(cè)量線路內(nèi)的電壓、電阻值過程中，主要有時(shí)域測(cè)量法和頻域測(cè)量法兩種方法，時(shí)域測(cè)量法主要運(yùn)用相位差法進(jìn)行有效測(cè)量，具體方法為：在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量線路內(nèi)的電壓、電阻值，并準(zhǔn)確記錄具體時(shí)間以及具體數(shù)值，一段時(shí)間之后，進(jìn)行二次測(cè)量，并記錄時(shí)間和數(shù)值，通過計(jì)算兩者的時(shí)間差以及數(shù)值差，來推算相位值。這種方法的不足之處主要體現(xiàn)在過零比較器零點(diǎn)漂移的變化以及電磁波的干擾對(duì)具體時(shí)刻的確定影響較大。頻域測(cè)量法的運(yùn)行原理與時(shí)域測(cè)量法截然不同，主要是將運(yùn)行過程中的電流、電阻值轉(zhuǎn)換為適當(dāng)頻率下的數(shù)字化信號(hào)，然后依據(jù)數(shù)字化信號(hào)的測(cè)量辦法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，然后再轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電流值和電阻值。

2.2.4 低頻疊加法

低頻疊加法的運(yùn)用，主要是為了測(cè)量線路內(nèi)絕緣電阻的具體數(shù)值，通過在電纜線上施加額定數(shù)值的低頻電壓，依據(jù)串聯(lián)電路內(nèi)電流處處相等的原理，從而得出低頻電流的準(zhǔn)確值，最終根據(jù)電壓和電流的具體數(shù)值，推算出絕緣電阻的大小。在上述低頻電壓的選擇上還需要依據(jù)線路在運(yùn)行過程中的頻率與電流分量的具體數(shù)值，來進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇。同時(shí)，大量的試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用的20V的電壓幅值產(chǎn)生的電流相應(yīng)值不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的負(fù)載造成較大的影響。

在水樹枝引起的電纜絕緣老化檢測(cè)過程中，經(jīng)常會(huì)用到低頻疊加法，該方法可以有效檢測(cè)出交流電的損失以及劣化程度。但在檢測(cè)工程中，必須讓電纜端部時(shí)刻保持著工作狀態(tài)，例如，在很多電場(chǎng)端部中都裝有應(yīng)力環(huán)，即使電纜的絕緣能力處于正常狀態(tài)，其電流的損失量也會(huì)比較嚴(yán)重，如果在檢測(cè)過程中，只根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行電纜絕緣性能的判斷，那么極有可能做出“絕緣不良”的誤判斷。

在低壓配電網(wǎng)在線絕緣檢測(cè)過程中可以采用低頻疊加法，其基本原理是將該方法運(yùn)用到中性點(diǎn)不接地的低壓IT型配電網(wǎng)中，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣電阻大小的測(cè)量，還可以將配電網(wǎng)中的由于電容性泄露的電流分離出來，體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性。根據(jù)對(duì)電纜絕緣劣化的機(jī)理總結(jié)可知，電纜對(duì)地的絕緣程度往往受絕緣裝置電阻數(shù)值影響，如果在電纜的工作環(huán)境加入工頻交流電壓，會(huì)導(dǎo)致電纜的對(duì)地分布電容出現(xiàn)電流泄露現(xiàn)象，這對(duì)于低壓配電網(wǎng)而言，電流泄露的幾率并不大，但是一旦電纜線路較長(zhǎng)時(shí)，電流的泄露會(huì)引起嚴(yán)重的后果，一方面，它會(huì)影響電纜中電流測(cè)量的準(zhǔn)確度，另一方面，在自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償性的漏電保護(hù)系統(tǒng)中，由于電流的測(cè)量精度要求更高，導(dǎo)致其無(wú)法有效運(yùn)行。

2.2.5 交流疊加法

在交流疊加法實(shí)施過程中，主要將頻率為工率2倍，外加1Hz的交流電壓疊加到電纜的屏蔽層內(nèi)，該交流電壓的大小為50v，根據(jù)1Hz產(chǎn)生的劣化電流信息，可以將電纜的老化程度進(jìn)行判斷。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)老化的電纜屏蔽層施加不同頻率的交流電壓時(shí)，并將電壓頻率調(diào)至100Hz，此時(shí)電纜中會(huì)產(chǎn)生較大的特征電流，為后續(xù)檢測(cè)工作提供基礎(chǔ)。該方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)精度高，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。另外，由于交流疊加法在檢測(cè)過程中不會(huì)與高壓電纜部分直接接觸，因此在操作過程中比較簡(jiǎn)單，甚至可以做成便攜式的檢測(cè)設(shè)備。

3 影響電線電纜絕緣檢測(cè)的因素以及解決辦法

3.1 絕緣電阻的溫度

在進(jìn)行電線電纜絕緣檢測(cè)過程中，隨著溫度的不斷提升，絕緣電阻的阻值會(huì)快速下降，主要是由于伴隨著溫度的上升，絕緣材料內(nèi)部存在的離散雜質(zhì)離子獲取的能量會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致它的運(yùn)行效率增加，促使電纜中的電流增加，因而絕緣電阻會(huì)減小。因此，溫度對(duì)于電線電纜絕緣檢測(cè)結(jié)果有比較大的影響，在進(jìn)行測(cè)量過程中，只有保證溫度的平衡，才能得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.2 讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間

在進(jìn)行電線電纜絕緣檢測(cè)過程中，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)短直接影響著檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。通常情況下，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間越長(zhǎng)，檢測(cè)數(shù)值的偏差會(huì)越大。因此，為了保持絕緣電阻阻值的穩(wěn)定性，得到準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，充電的時(shí)間一定要充裕，保持在1-5分鐘內(nèi)，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間在1分鐘左右為宜。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電線電纜絕緣性能檢測(cè)方法中，基于差額法的絕緣在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用也比較廣泛。其原理是通過對(duì)劣化的電纜施加兩個(gè)頻率相近的正弦電壓，對(duì)其產(chǎn)生的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，從而得出電線電纜的絕緣老化程度。通常情況下，在存在水樹枝劣化的電纜中，產(chǎn)生的電流信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)非線性的變化特征，不利于后續(xù)的電纜絕緣性能的檢測(cè)工作。

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