胡誠(chéng)成， 洪寧寧， 倪 勇

（上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引 言

擠包絕緣電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電纜）擔(dān)任著電力、數(shù)據(jù)和信號(hào)的傳輸重任，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可或缺的關(guān)鍵元件。 鑒于目前其巨大的市場(chǎng)保有量與未來(lái)可期的增量，高可靠性與長(zhǎng)壽命的電纜已經(jīng)成為重大裝備與工程的發(fā)展目標(biāo)和緊迫需求，這對(duì)傳統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)手段提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何高效地進(jìn)行電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)是目前亟待解決的重要問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)電纜的監(jiān)測(cè)及評(píng)估技術(shù)遠(yuǎn)落后于制造及應(yīng)用技術(shù)。 國(guó)外早在20 世紀(jì)中期就開(kāi)展了關(guān)于電纜絕緣薄弱點(diǎn)檢測(cè)和長(zhǎng)期老化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的研究，時(shí)至今日研究范圍不再局限于陸地電纜，已經(jīng)擴(kuò)大到核電、機(jī)車(chē)和航空航天等領(lǐng)域，監(jiān)測(cè)手段與準(zhǔn)確性也趨于成熟。 反觀國(guó)內(nèi)，電纜在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)備基本依賴(lài)于進(jìn)口，手段也基本參照美國(guó)電子電氣工程師協(xié)會(huì)絕緣導(dǎo)體委員會(huì)推薦的《運(yùn)行老化的69 kV和115 kV XLPE 電纜》一文及NB／T 20421—2017《核電廠安全重要電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法》［1］、NB／T 20087—2012《核電廠安全重要儀表和控制電纜老化管理指南》［2］、GB／Z 28820.3—2012《聚合物長(zhǎng)期輻射老化第三部分：低壓電纜材料在役監(jiān)測(cè)程序》［3］、GB／T 11026—2012《電氣絕緣材料》［4］等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和以國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）為代表的機(jī)構(gòu)制定的關(guān)于核電站電纜系統(tǒng)的老化評(píng)估與管理技術(shù)文件。 對(duì)于不同領(lǐng)域的電纜，監(jiān)測(cè)手段基本相同。電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展受限也會(huì)制約電纜壽命評(píng)估技術(shù)及老化管理技術(shù)的發(fā)展，故監(jiān)測(cè)技術(shù)的更新迭代和可靠性驗(yàn)證為重中之重。

電纜故障的主要原因是絕緣性能下降導(dǎo)致電纜被擊穿［5-7］，造成絕緣性能降低或喪失的原因較多［8］，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)歸納，主要包括機(jī)械損傷、絕緣受潮、化學(xué)腐蝕、超常熱源或輻射，及長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行等情況。 一般而言，電纜故障頻發(fā)于某些人為因素，大多數(shù)情況下可以減少甚至避免，但是電纜長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致本體特別是絕緣的正常老化是不可避免的，所以科學(xué)地監(jiān)測(cè)電纜老化狀態(tài)，并及時(shí)更換或維修即將失效的老化電纜也是預(yù)判并防止故障發(fā)生的關(guān)鍵。

本文對(duì)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用的電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)指為評(píng)估電纜的運(yùn)行狀態(tài)及可靠性而進(jìn)行的工作，通常使用一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估電纜狀態(tài)，稱(chēng)為狀態(tài)指標(biāo)，用來(lái)表征電纜絕緣材料老化或者劣化的程度［9］。 實(shí)施有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)能夠識(shí)別出電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中沒(méi)有明顯宏觀表現(xiàn)出的老化現(xiàn)象，可以為初步的故障排除提供依據(jù)與參照，為壽命評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制打下基礎(chǔ)。 目前，電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的種類(lèi)非常多，大部分的監(jiān)測(cè)方法在NB／T 20421—2017《核電廠安全重要電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法》、NB／T 20087—2012《核電廠安全重要儀表和控制電纜老化管理指南》與GB／T 11026—2012《電氣絕緣材料》中均有詳細(xì)介紹，按取樣方式分為有損、微損和無(wú)損的模式；按監(jiān)測(cè)手段分為在線(xiàn)與離線(xiàn)的模式。

1.1 有損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

1.1.1 拉伸測(cè)試

電纜材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因老化引起材料延展特性逐步喪失，故可通過(guò)測(cè)量材料的斷裂伸長(zhǎng)率來(lái)評(píng)估電纜老化的狀態(tài)。 斷裂伸長(zhǎng)率定義為試樣拉伸至斷裂時(shí)，標(biāo)記距離的增量與標(biāo)記距離的百分比，它是測(cè)量材料的柔韌性與完整機(jī)械性能損失的指標(biāo)，具體測(cè)試方法可參照ASTM D638—2014《塑料拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。 但是拉伸測(cè)試本身是一個(gè)破壞性試驗(yàn)，對(duì)于實(shí)施留樣的電纜系統(tǒng)可以對(duì)其取樣并通過(guò)拉伸測(cè)試測(cè)量其斷裂伸長(zhǎng)率。 拉伸測(cè)試目前仍然是行業(yè)所認(rèn)可的推斷在役電纜老化狀態(tài)最可靠的方法。 然而對(duì)于無(wú)留樣的在役電纜的老化監(jiān)測(cè)而言，只能在試驗(yàn)室中用其他無(wú)損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量，并將所得結(jié)果建立相關(guān)性。

1.1.2 擊穿強(qiáng)度測(cè)試

擊穿強(qiáng)度通常用來(lái)表征電纜絕緣材料的電性能，具體測(cè)試方法可參照GB／T 1408—2016 《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法》或GB／T 1695—2005《硫化橡膠工頻擊穿電壓強(qiáng)度和耐電壓的測(cè)定方法》。通常來(lái)說(shuō)，絕緣材料的擊穿強(qiáng)度會(huì)隨著老化的加劇呈線(xiàn)性下降的趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到某一臨界點(diǎn)時(shí)，擊穿強(qiáng)度或呈加速下降的狀態(tài)，以此判斷失效臨界點(diǎn)。 老化過(guò)程中，由于分子鏈被氧化和降解，晶區(qū)結(jié)構(gòu)被破壞，從而大大降低其本征擊穿強(qiáng)度。 此外，材料本身的缺陷（如氣泡、氣隙、分散不均等問(wèn)題）也會(huì)造成擊穿。 威布爾統(tǒng)計(jì)分布是研究電纜擊穿強(qiáng)度的一個(gè)重要的手段，通過(guò)威布爾分布分析，可以研究絕緣材料擊穿強(qiáng)度分布與絕緣老化、材料本身缺陷等相關(guān)性，以便為在役電纜的更換和維修周期提供借鑒。但是對(duì)于一些低壓電纜或部分動(dòng)力電纜來(lái)說(shuō)并不適用，其本身對(duì)材料擊穿性能要求不高，故不能通過(guò)擊穿性能的變化來(lái)判斷其運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 微損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

1.2.1 密度測(cè)試

當(dāng)聚合物絕緣材料在空氣中老化時(shí)，氧化反應(yīng)在老化過(guò)程中起主導(dǎo)作用。 氧化反應(yīng)包含主鏈斷裂和過(guò)交聯(lián)的混合過(guò)程，通常初步老化伴隨著過(guò)交聯(lián)而導(dǎo)致密度的增加，隨著老化的進(jìn)一步進(jìn)行，過(guò)交聯(lián)伴隨著主鏈鏈斷的發(fā)生而導(dǎo)致密度緩慢增加，直至達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，密度達(dá)到相對(duì)峰值，最后鏈斷加速發(fā)生而導(dǎo)致密度快速下降。 所以通過(guò)對(duì)電纜絕緣材料密度的監(jiān)測(cè)可以大致判斷電纜的老化狀態(tài)。 目前直接測(cè)量密度的方法一般有阿基米德法和密度梯度法；間接測(cè)量密度的方法有聲速法。 聲波在聚合物的傳播速率與材料的密度和彈性模量有關(guān)，但是在電纜中，聲音的傳播速率也與電纜結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，聲速法存在一定的局限性，因?yàn)閷?duì)于復(fù)雜的電纜結(jié)構(gòu)聲速法并不適用，可靠性低。 目前，電纜行業(yè)通常應(yīng)用的具體測(cè)試方法參照GB／T 2951—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》。

1.2.2 氧化誘導(dǎo)測(cè)試

為了延緩電纜熱氧老化的進(jìn)程，保證電纜的設(shè)計(jì)使用壽命，電纜絕緣材料在生產(chǎn)過(guò)程中加入抗氧劑用來(lái)延緩絕緣材料氧化周期。 但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，絕緣材料中的抗氧劑會(huì)遷移到表面或者慢慢降解至消失。 抗氧劑的減少會(huì)加速絕緣材料的熱老化，導(dǎo)致電纜未能達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。 通常氧化誘導(dǎo)測(cè)試分為氧化誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)量和氧化誘導(dǎo)溫度測(cè)量，用差示掃描量熱儀來(lái)測(cè)定，具體可參照ISO 11357.6—2018《塑料 差示掃描量熱法第六部分：氧化誘導(dǎo)時(shí)間和氧化誘導(dǎo)溫度的測(cè)定》或GB／T 2951—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》中的方法。 其測(cè)試原理是將試樣在惰性氣氛中等速升溫至預(yù)定的溫度后，將惰性氣氛轉(zhuǎn)換為氧氣直至發(fā)生氧化反應(yīng)。 從切換氣氛至發(fā)生氧化反應(yīng)所需要的時(shí)間，即為氧化誘導(dǎo)時(shí)間。 氧化誘導(dǎo)溫度則是判定絕緣材料在等速升溫的氧氣氛圍下直至發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，其原理是與氧化誘導(dǎo)時(shí)間是一致的，只是經(jīng)過(guò)了時(shí)溫等效的換算。通常來(lái)說(shuō)，氧化誘導(dǎo)時(shí)間越長(zhǎng)或氧化誘導(dǎo)溫度越高說(shuō)明絕緣材料熱穩(wěn)定性能越優(yōu)良，電纜運(yùn)行可靠性越強(qiáng)。 相對(duì)于最常見(jiàn)的拉伸強(qiáng)度測(cè)試來(lái)說(shuō)，氧化誘導(dǎo)期測(cè)試所需要的試樣量非常少，近乎等同于無(wú)損測(cè)試，因此可直接從在役電纜上取樣而不至于影響其正常運(yùn)行性能。 陳昕［6］對(duì)單一熱老化條件下的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣試樣進(jìn)行氧化誘導(dǎo)試驗(yàn)，結(jié)果表明：XLPE 氧化誘導(dǎo)時(shí)間隨著老化程度的增加而明顯縮短，在熱老化環(huán)境中，XLPE 會(huì)發(fā)生降解并生成大量自由基，而作為催化劑的自由基會(huì)進(jìn)一步引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得分子鏈交聯(lián)程度不斷降低，從而降低了絕緣材料的抗氧化能力和熱穩(wěn)定性，縮短了氧化誘導(dǎo)期。 但氧化誘導(dǎo)期測(cè)試缺點(diǎn)和局限性也非常明顯，首先氧化誘導(dǎo)期測(cè)試可能會(huì)受到材料熱歷史的影響從而干擾測(cè)試曲線(xiàn)；其次不含抗氧劑的材料不存在氧化誘導(dǎo)現(xiàn)象，所以它只能針對(duì)含有抗氧劑的絕緣材料，因此，其通用性受到了限制，需要與其他監(jiān)測(cè)手段協(xié)同使用。

1.2.3 起始降解溫度測(cè)試

電纜絕緣材料的老化不可避免，其材料的起始降解溫度會(huì)隨著老化的加劇而降低。 采用熱重分析法（TG）測(cè)試絕緣材料的起始降解溫度，按GB／T 14837.1—2014《橡膠和橡膠制品 熱重分析法測(cè)定硫化膠和未硫化膠的成分第一部分：丁二烯橡膠、乙烯-丙烯二元和三元共聚物、異丁烯-異戊二烯橡膠、異戊二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠》來(lái)進(jìn)行，在恒定升溫速率的空氣或氧氣條件下，對(duì)比不同老化階段的絕緣材料起始降解溫度來(lái)監(jiān)測(cè)其老化狀態(tài)。 TG可以突破熱分析法（DSC）中對(duì)是否含有抗氧劑的局限，此外也無(wú)熱歷史對(duì)曲線(xiàn)干擾的影響。 但TG也有其本身的缺陷，無(wú)法適用于含有大量增塑劑的絕緣材料，如聚氯乙烯（PVC）材料。 因?yàn)樵鏊軇┑膿]發(fā)通常先于聚合物的降解，增塑劑揮發(fā)的溫度區(qū)間與聚合物的起始降解溫度區(qū)間重疊而無(wú)法區(qū)分。雖然目前針對(duì)此類(lèi)狀況可以用減小升溫速率來(lái)降低影響，但是低升溫速率會(huì)造成測(cè)試的重復(fù)性減弱，不確定性增加。 因此，TG 在實(shí)際使用中可以和DSC形成互補(bǔ)參照。

1.2.4 熱降解活化能測(cè)試

電纜高分子材料的熱降解通常是外部或?qū)w熱源和有氧環(huán)境共同作用的結(jié)果。 熱源能量激發(fā)高分子材料越過(guò)其自身的化學(xué)鍵能壘，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)有氧反應(yīng)。 而熱降解活化能是高分子材料吸收熱能后越過(guò)化學(xué)鍵能壘，實(shí)現(xiàn)熱降解的難易程度的表征［10］。一般來(lái)說(shuō)，電纜材料的熱降解活化能隨著老化的進(jìn)程而逐漸減小，因?yàn)槔匣^(guò)程會(huì)伴隨著抗氧劑的揮發(fā)及材料本身抗氧能力的衰弱，從而表現(xiàn)為材料在吸收外在熱源后更易越過(guò)化學(xué)鍵能壘而降解。 目前，熱降解活化能的測(cè)試一般參照ISO 11358-2—2014《塑料 高聚物的熱重分析法（TG） 第2 部分：活化能測(cè)定》來(lái)進(jìn)行，使用熱失重測(cè)試不同升溫速率下在同一失重率時(shí)的絕對(duì)溫度，再基于Arrhenius公式得出表征材料性能老化程度與溫度、活化能之間的關(guān)系為

式中，K 為反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；R 為摩爾氣體常數(shù)，J·mol-1·K-1；Ea為活化能，kJ·mol-1；T 為熱力學(xué)溫度，K。 建立材料的不同老化程度與降解活化能之間的關(guān)系，可監(jiān)測(cè)電纜老化狀態(tài)。 此方法同樣使用TG 測(cè)試，故與起始降解溫度測(cè)試法有同樣的局限性，對(duì)含有大量增塑劑的絕緣材料無(wú)法適用，比如PVC 材料。

1.2.5 凝膠含量測(cè)試

高分子絕緣材料在制備過(guò)程中的交聯(lián)，顯著提高了材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和電性能，對(duì)材料的耐熱性也有明顯提高。 以XLPE 為例，交聯(lián)過(guò)程使得XLPE 的長(zhǎng)期使用的耐熱溫度由70 ℃升至90 ℃。 通過(guò)研究絕緣材料在熱老化過(guò)程中，交聯(lián)度和交聯(lián)點(diǎn)之間鏈段相對(duì)分子質(zhì)量的變化，可以得到交聯(lián)度和熱老化的相關(guān)性。 通常使用平衡溶脹法測(cè)凝膠含量，從而表征交聯(lián)度。 具體測(cè)試方法參照ASTM D2765—2011《交聯(lián)乙烯塑料凝膠含量和膨脹率測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。

通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，XLPE 的熱老化分為3 個(gè)階段：①在XLPE 老化前期溫度升高破壞了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，生成了較多的分子鏈段，交聯(lián)點(diǎn)之間鏈段相對(duì)分子質(zhì)量增加，凝膠含量降低；②由于熱氧老化持續(xù)作用，XLPE 同時(shí)發(fā)生裂解和交聯(lián)兩種反應(yīng)，且形成競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，裂解作用產(chǎn)生短分子鏈段和大量自由基，自由基通過(guò)鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)可形成新的交聯(lián)點(diǎn)，交聯(lián)點(diǎn)之間鏈段相對(duì)分子質(zhì)量有所降低，凝膠含量略微增加；③隨著熱效應(yīng)大量累積，XLPE 交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，完全老化，交聯(lián)點(diǎn)之間鏈段相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)一步降低，凝膠含量持續(xù)增加。

1.3 無(wú)損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

1.3.1 壓痕模量測(cè)試

長(zhǎng)期運(yùn)行的電纜隨著時(shí)間的推移會(huì)喪失延展性，其材料隨著老化效應(yīng)的積累而變硬也是長(zhǎng)期在役電纜的宏觀表現(xiàn)之一。 壓痕模量是探頭對(duì)材料施加壓縮應(yīng)力與材料自身產(chǎn)生的應(yīng)變之比，反映了電纜絕緣材料或護(hù)套材料硬度的一種機(jī)械特性，因此可以用該指標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)電纜材料，特別是護(hù)套材料的老化狀態(tài)。 對(duì)于低壓電纜和部分動(dòng)力電纜來(lái)說(shuō)，其本身歐姆發(fā)熱量少，電纜承受的老化主要來(lái)自外部環(huán)境，護(hù)套老化會(huì)先于絕緣老化，因此壓痕模量測(cè)試技術(shù)能有效監(jiān)測(cè)這類(lèi)電纜的老化狀態(tài)。 具體測(cè)試方法參照NB／T 20421.2—2017《核電廠安全重要電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法 第二部分：壓痕模量》。 劉韜等［11］開(kāi)發(fā)了基于壓痕模量且適用于核電廠低壓電纜老化狀態(tài)評(píng)估的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用AM3517 作為主控芯片進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，利用伺服電機(jī)和傳感器作為運(yùn)動(dòng)及控制手段，配合線(xiàn)性擬合計(jì)算法得到被測(cè)電纜護(hù)套的壓痕模量。 經(jīng)驗(yàn)證明，壓痕模量測(cè)試是一種可對(duì)在役電纜進(jìn)行的無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)，但不適用于經(jīng)輻照老化的PVC 護(hù)套材料的電纜。

1.3.2 紅外光譜法

聚合物在老化的過(guò)程中，其特征官能團(tuán)羰基、羥基和羧基等均會(huì)發(fā)生變化，所以紅外光譜法測(cè)試也常用于老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)中對(duì)于材料官能團(tuán)變化的監(jiān)測(cè)，具體測(cè)試方法參照GB／T 6040—2019《紅外光譜分析方法通則》。 經(jīng)驗(yàn)表明，電纜絕緣材料XLPE在熱老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生羰基， 羰基指數(shù)（將1740 cm-1附近的羰基吸光度與不隨電纜老化而變化的2010 cm-1處的吸光度的比值）的增量是表征電纜絕緣老化程度的指標(biāo)。 雖然紅外光譜法為無(wú)損檢測(cè)且操作簡(jiǎn)便，但是局限性也較大，比如不適用有炭黑填充的材料，及老化后其羰基指數(shù)變化不敏感的材料。 因此，采用紅外光譜法對(duì)電纜絕緣老化監(jiān)測(cè)的意義定性多于定量。

1.3.3 絕緣電阻測(cè)量

絕緣電阻表征絕緣材料的一種電絕緣特性，反映在一定直流電壓下穩(wěn)定傳導(dǎo)電流的大小。 在恒定直流電壓下，電流強(qiáng)度與絕緣電阻呈反向相關(guān)性。絕緣電阻是監(jiān)測(cè)電纜絕緣特性的一個(gè)重要指標(biāo)，可以清晰地了解電纜的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理隱患。 主流測(cè)量絕緣電阻的方法有兩種：高阻計(jì)法和兆歐表法。 具體測(cè)試方法可參照GB／T 3048—2007《電線(xiàn)電纜電性能試驗(yàn)方法》。 通常情況下，考慮便捷與成本，現(xiàn)場(chǎng)普遍采用兆歐表進(jìn)行測(cè)試，此法一般作為一種前期監(jiān)測(cè)手段，是對(duì)局部電纜絕緣性能的檢測(cè)，可以用于定性的判別，較難與緩慢的老化過(guò)程建立直接的相關(guān)性。

1.3.4 工頻介電常數(shù)與介電損耗

工頻介電常數(shù)與介電損耗為工業(yè)用參數(shù)。 一般常見(jiàn)的高分子絕緣材料的介電常數(shù)在2 ～4 之間，隨著老化過(guò)程的持續(xù)會(huì)生成比較多的極性基團(tuán)，材料的介電常數(shù)會(huì)逐漸增加。 介電損耗則是表征在穩(wěn)定頻率的外部交流電場(chǎng)作用下，引起的一種滯后的介電性能［12］，這種滯后的現(xiàn)象通常被稱(chēng)為介電松弛，用損耗角正切tan δ 表示。 具體測(cè)試方法參照GB／T 1409—2006《測(cè)量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長(zhǎng)在內(nèi)）下電容率和介電損耗因數(shù)的推薦方法》。 介電損耗隨著老化時(shí)間的增加逐漸增大，因此可以研究高分子絕緣材料的介電常數(shù)與階段損耗是否與老化過(guò)程存在線(xiàn)性相關(guān)性，以此作為針對(duì)不同材料老化程度的判別指標(biāo)。 但此方法也有局限性，并不適用于高介電常數(shù)的半導(dǎo)電材料和某些電纜附件使用的應(yīng)力管的老化監(jiān)測(cè)。

1.3.5 介電頻譜測(cè)試

介電響應(yīng)技術(shù)始于20 世紀(jì)90 年代，作為一種無(wú)損的絕緣狀態(tài)診斷方法，其主要特點(diǎn)是可獲取的信息量大且抗干擾能力強(qiáng)［13］。 利用該技術(shù)可以對(duì)電纜絕緣性能進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，并獲取絕緣老化程度及絕緣中含水量等重要信息，因此，介電響應(yīng)技術(shù)作為診斷電纜絕緣性能的工具是非常適合的。 介電頻譜法是一種在頻域內(nèi)且基于介電響應(yīng)技術(shù)的檢測(cè)方法［14］。 介電頻譜法利用電介質(zhì)在交流電壓作用下會(huì)極化的特性，通過(guò)對(duì)待測(cè)電纜系統(tǒng)施加正弦交流電壓，測(cè)量電流與電壓的相位差，獲取介質(zhì)損耗角正切和相對(duì)介電常數(shù)等與頻率有關(guān)的極化參數(shù)，并觀測(cè)其數(shù)值的變化情況，同時(shí)溫度也會(huì)對(duì)絕緣材料的介電性能產(chǎn)生較大影響，因此介電頻譜被用來(lái)分析絕緣材料介電性能與頻率、老化時(shí)間和老化溫度之間的關(guān)系，借此判斷電纜的老化狀態(tài)。 周長(zhǎng)亮［15］進(jìn)行了基于介電頻譜特性的低壓電纜橡膠絕緣老化程度評(píng)估方法的研究，并在加速老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)介電頻譜低頻區(qū)間進(jìn)行積分，得到老化狀態(tài)方程的特征值。 確定基準(zhǔn)溫度后，推導(dǎo)出不同老化溫度下的時(shí)間折算因數(shù)，通過(guò)擬合與折算的方法得出絕緣材料老化方程。 理論分析結(jié)合實(shí)際測(cè)量，其結(jié)果表明所測(cè)量的介電頻譜低頻區(qū)間積分值準(zhǔn)確度高、檢測(cè)效果好，驗(yàn)證了采用介電頻譜法分析電纜絕緣材料老化狀態(tài)的可行性。

1.3.6 核磁共振法

電纜絕緣材料XLPE 在持續(xù)熱效應(yīng)的作用下會(huì)發(fā)生老化降解，使得相對(duì)分子量降低、C—H 鍵減少并伴隨著氫原子化學(xué)環(huán)境的改變。 核磁共振技術(shù)就是通過(guò)氫原子核磁共振的特性，研究XLPE 中含氫量及氫原子狀態(tài)變化，從而研究XLPE 的熱老化行為。 楊帆等［16］基于微損的核磁共振法方法申請(qǐng)了《一種基于核磁共振的交聯(lián)聚乙烯電纜老化程度評(píng)估方法》的發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為CN102998323A，文獻(xiàn)［17］在此專(zhuān)利基礎(chǔ)上，從材料學(xué)的角度出發(fā)，采用核磁共振法分析了XLPE 的熱老化行為，發(fā)現(xiàn)了能表征XLPE 老化規(guī)律的特征量-縱向弛豫時(shí)間和波峰面積［17］。 試驗(yàn)結(jié)果表明，波峰面積隨著老化程度的增加而減小，在恒定的老化溫度下，波峰面積與老化時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系，此外縱向弛豫時(shí)間也隨著老化程度增加而下降。 研究表明核磁共振法為監(jiān)測(cè)電纜老化狀態(tài)提供了科學(xué)依據(jù)。

1.3.7 X 射線(xiàn)衍射法

X 射線(xiàn)衍射法是目前嘗試的有區(qū)別于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的一種方法。 電纜絕緣材料XLPE 在老化過(guò)程中，除了宏觀表象發(fā)生改變外，微觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。分子鏈斷裂、自由基再交聯(lián)、分子鏈間內(nèi)應(yīng)力釋放等一系列復(fù)雜的過(guò)程，會(huì)引起相對(duì)分子質(zhì)量、結(jié)晶度和晶粒尺寸的變化。 研究表明：隨著XLPE 老化進(jìn)程的推移，電纜絕緣材料XLPE 的相對(duì)分子質(zhì)量微減，但仍舊保持在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，可見(jiàn)相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)不同老化程度并不敏感。 但隨著老化的進(jìn)行，材料晶粒尺寸會(huì)變小，老化樹(shù)枝的生長(zhǎng)率會(huì)變慢，因此可以通過(guò)X 射線(xiàn)衍射法測(cè)得各晶面的衍射峰。 以XLPE 為例，XLPE 在老化過(guò)程中，其相對(duì)分子質(zhì)量、結(jié)晶度和晶粒尺寸均不能和老化過(guò)程呈相關(guān)關(guān)系，張圣博等［18］研究發(fā)現(xiàn)XLPE（200）晶面衍射峰強(qiáng)度隨著老化狀態(tài)的不同發(fā)生明顯的變化，可以此來(lái)評(píng)估絕緣材料的老化狀態(tài)［19］。

2 結(jié)束語(yǔ)

電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)非常繁多且各有優(yōu)劣，其中對(duì)電纜材料斷裂伸長(zhǎng)率的監(jiān)測(cè)仍然是目前行業(yè)公認(rèn)最可靠的方法。 隨著行業(yè)的發(fā)展和手段的開(kāi)發(fā)，在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，新型手段也日趨廣泛應(yīng)用，如X 射線(xiàn)衍射法、核磁共振法等。 目前行業(yè)主流更加傾向于無(wú)損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室取樣分析技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù)，可以達(dá)到互補(bǔ)的目的。 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)主要目的是為了排除故障并對(duì)老化嚴(yán)重的電纜進(jìn)行及時(shí)的維修更換，而實(shí)驗(yàn)室取樣分析主要是為了檢測(cè)并收集電纜絕緣老化過(guò)程中相關(guān)性能特征值的大數(shù)據(jù)，為后期建立壽命評(píng)估模型提供數(shù)據(jù)支持。 但是目前因大數(shù)據(jù)的缺失與試驗(yàn)方法無(wú)法達(dá)成共識(shí)，造成電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)還沒(méi)有形成一個(gè)公認(rèn)的、通用的方法標(biāo)準(zhǔn)，所以未來(lái)還有3 個(gè)難題需要進(jìn)一步探討：

（1）針對(duì)不同的電纜絕緣老化影響因素，選擇與絕緣電纜料、電纜結(jié)構(gòu)，及運(yùn)行工況等相匹配的監(jiān)測(cè)手段。

（2）老化樹(shù)枝結(jié)構(gòu)發(fā)生時(shí)，絕緣電阻、介質(zhì)損耗、局部放電等電性能參數(shù)和氧化誘導(dǎo)溫度（時(shí)間）、起始降解溫度等熱性能參數(shù)的變化對(duì)老化樹(shù)枝結(jié)構(gòu)引發(fā)與生長(zhǎng)的影響。

（3）其他監(jiān)測(cè)手段與斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試的相關(guān)性、換算可行性和可靠性。