王昊月 王曉威,2 孫茂倫 王 偉 李成榕

XLPE電纜絕緣熱老化的高壓頻域介電譜診斷方法

王昊月1王曉威1,2孫茂倫1王 偉1李成榕1

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206 2. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司 菏澤 274000）

熱老化是導(dǎo)致XLPE電纜絕緣性能下降的重要原因，實(shí)現(xiàn)熱老化的診斷對(duì)電纜安全具有重要意義，為此該文對(duì)XLPE電纜整體和局部熱老化高壓頻域介電譜特性進(jìn)行研究。通過內(nèi)外加熱法制備了整體熱老化電纜試樣和用于模擬局部熱老化電纜線段，分別在不同老化階段檢測(cè)了整體熱老化、局部熱老化段與完好電纜比值為10%、4%的10kV缺陷電纜的高壓頻域介電譜（0.01～0.1Hz，最高檢測(cè)電壓0），分析了局部老化段占比對(duì)介電常數(shù)的影響，定義并分析了曲線分層度、斜率、曲線積分和非線性度。研究結(jié)果表明：高壓頻域介電譜對(duì)整體、局部熱老化反應(yīng)靈敏；具有一定老化程度的整體熱老化、局部熱老化缺陷電纜試樣的均大于1，矩陣可作為電纜老化現(xiàn)象的診斷參數(shù)；較高檢測(cè)電壓等級(jí)（1.00）介電譜曲線的對(duì)老化程度的變化敏感，且受局部缺陷占比影響較小，可以作為電纜老化程度的診斷特征；局部老化段的占比減小會(huì)使高壓頻域介電譜出現(xiàn)分層對(duì)應(yīng)的時(shí)間延后，介電譜曲線積分值、曲線斜率減小，可以結(jié)合的數(shù)值及曲線積分、斜率值所在數(shù)值區(qū)間判定電纜是否為局部老化；介電譜曲線是否出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象可以作為區(qū)分XLPE電纜熱老化和水樹老化的依據(jù)。

XLPE電纜 熱老化 高壓頻域介電譜 診斷

0 引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的增大和城市化的快速發(fā)展，交聯(lián)聚乙烯（Cross-linked Polyethylene, XLPE）電纜因其擁有優(yōu)越的電氣、熱學(xué)、力學(xué)性能，且安裝敷設(shè)容易、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)的輸配電線路中，成為城市電網(wǎng)的主要電纜類型[1-2]。XLPE電纜在運(yùn)行環(huán)境中會(huì)在受到各種應(yīng)力（電氣、熱學(xué)、機(jī)械等）后老化。其中，熱老化是導(dǎo)致絕緣傷的最嚴(yán)重因素之一，嚴(yán)重降低了交聯(lián)聚乙烯電纜的性能，甚至導(dǎo)致絕緣失效[3-4]。實(shí)際運(yùn)行中電纜的熱老化有因?qū)w過電流導(dǎo)致的整體老化和因靠近熱源導(dǎo)致的局部熱老化。

XLPE熱老化后會(huì)有物理化學(xué)的變化，代表性的表征量有熔融溫度、結(jié)晶度、征基團(tuán)吸收峰、氧化誘導(dǎo)時(shí)間、電氣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度[5-8]。然而，利用上述性能評(píng)價(jià)電纜絕緣老化狀態(tài)仍然存在問題。有些方法需要復(fù)雜的設(shè)備，昂貴且耗時(shí)。此外，這些方法大多數(shù)都需要對(duì)電纜進(jìn)行切片，對(duì)電纜造成破壞，因此限制了其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

對(duì)電纜老化的檢測(cè)和評(píng)估方法應(yīng)該是無(wú)損的。目前，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電纜的檢測(cè)研究主要集中在局部放電檢測(cè)和介電檢測(cè)[9-10]。但現(xiàn)有研究表明，局部放電對(duì)熱老化不敏感，而頻域介電參數(shù)（如介質(zhì)損耗和介電常數(shù)）與電纜老化類型和程度密切相關(guān)[11-12]。已有研究表明低頻段介電損耗隨電纜老化時(shí)長(zhǎng)變化更明顯。隨著熱老化時(shí)長(zhǎng)、熱老化溫度的增加，XLPE試樣的介質(zhì)損耗增大，且頻率越低，介質(zhì)損耗的增幅越大；XLPE試樣在低頻范圍的頻域介電頻譜測(cè)量曲線所圍面積隨老化時(shí)間增加呈遞增趨勢(shì)，較高頻檢測(cè)結(jié)果具有更強(qiáng)的規(guī)律性。此外，熱老化試樣介質(zhì)損耗會(huì)存在峰值，峰值大小隨著老化時(shí)長(zhǎng)的增加而增大，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，介質(zhì)損耗曲線峰值向更低頻率移動(dòng)[8,13]。然而目前針對(duì)XLPE熱老化介電譜的研究以現(xiàn)象描述為主，沒有形成有效的判斷標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏有效的診斷方法。特別是，目前的頻域介電檢測(cè)主要是針對(duì)XLPE試樣的低壓檢測(cè)，并非針對(duì)電纜，且由于測(cè)試電壓較低，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度和抗干擾性降低。

與此同時(shí)，高壓介電譜（Frequency Domain Spectroscopy, FDS）在電纜老化檢測(cè)方面顯示出巨大的潛力[14-15]。研究表明老化電纜在高壓下具有一些在低壓下不存在的特殊介電性能[16]。P. Werelius等利用高壓頻域介電譜（檢測(cè)頻段0.1～1Hz，最高檢測(cè)電壓0）實(shí)現(xiàn)了電力電纜水樹老化檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)水樹老化電纜的高壓介電譜tan曲線隨著檢測(cè)電壓升高而增大的現(xiàn)象，可以作為電纜水樹老化的診斷依據(jù)。這一結(jié)果證明了高壓FDS檢測(cè)電纜老化的高靈敏度。此外，考慮到介電檢測(cè)不應(yīng)對(duì)電纜造成二次損傷，CIGRE規(guī)定介電譜檢測(cè)的最高檢測(cè)電壓不應(yīng)超過20[17]。因此，結(jié)合已有的研究結(jié)果，高壓介電譜的最高檢測(cè)電壓應(yīng)在0～20之間。

本文利用內(nèi)加熱法模擬了導(dǎo)體過熱導(dǎo)致的電纜整體熱老化，利用外加熱法制作了用于模擬局部熱老化缺陷的電纜線段。在實(shí)驗(yàn)室搭建了頻域介電檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)最高可施加10kV高壓、檢測(cè)頻段0.01～0.1Hz，對(duì)電纜的整體、局部?jī)煞N熱老化工況的進(jìn)行了檢測(cè)，研究了在熱老化過程中高壓介電譜的變化，探究了不同局部缺陷段和完好電纜比例變化對(duì)高壓介電譜的影響，并與0.1Hz介損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。最終從高壓介電譜中提取參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜整體和局部熱老化的診斷。

1 試驗(yàn)方法

1.1 加速熱老化

電纜運(yùn)行中的整體熱老化一般是由導(dǎo)線中的過電流引起的。為了更好地模擬實(shí)際運(yùn)行電纜的過熱情況，采用內(nèi)加熱法進(jìn)行加速熱老化。電纜整體熱老化內(nèi)加熱系統(tǒng)和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。利用大電流發(fā)生器產(chǎn)生的大電流，對(duì)電纜導(dǎo)體進(jìn)行加熱，為了控制加熱溫度，利用溫度采集系統(tǒng)對(duì)串聯(lián)的短電纜測(cè)溫試樣進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。其中，①、②、③為測(cè)溫?zé)犭娕?。①可以接觸到電纜銅芯；②、③測(cè)量電纜試樣和對(duì)比試樣外護(hù)套的溫度。通過測(cè)溫電偶可以隨時(shí)觀測(cè)導(dǎo)體溫度，以確定電纜絕緣受熱最嚴(yán)重處溫度為135℃。整體熱老化采用10kV電纜（絕緣電纜厚度4.5mm, 長(zhǎng)度4.2m），將銅接頭安裝在樣品的兩端。為了安全起見，在高壓試驗(yàn)期間，銅接頭附近剝離5～10 cm的外部半導(dǎo)體層。

電纜局部熱老化一般是由電纜靠近外部熱源引起的，為了模擬此種工況，將電纜試樣放入老化箱中進(jìn)行加速老化。局部熱老化采用40cm同型號(hào)的電纜。分別將4m、10m完好電纜與40cm老化電纜線段相連，以模擬電纜局部老化段與完好電纜比值為10%、4%的情況。老化段與完好電纜各剝出一段導(dǎo)體，通過金屬管連接，如圖2所示。

根據(jù)GB/T12706.2—2020，規(guī)定XLPE電纜絕緣熱老化處理溫度135℃[18]。設(shè)定135℃進(jìn)行內(nèi)外加速老化。老化時(shí)間共持續(xù)1 536h（64天），分別在48h、96h、192h、384h、768h和1 536h的時(shí)間點(diǎn)對(duì)電纜進(jìn)行整體、局部熱老化的介電和機(jī)械性能檢測(cè)。

1.2 機(jī)械性能

為探究熱老化試樣不同老化階段的老化程度，按照GB/T 11026.1—2016中的規(guī)定，以試樣的斷裂伸長(zhǎng)率作為判斷試樣老化程度的依據(jù)[19]。國(guó)標(biāo)規(guī)定當(dāng)XLPE試樣的斷裂伸長(zhǎng)率降低為初始值的75%，達(dá)到“注意”標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)降低為初始值的50%，材料失效。機(jī)械性能分析測(cè)量所需的樣品取自電纜老化最嚴(yán)重的部分。采用橫切機(jī)將電纜制成內(nèi)、中、外層帶狀試樣。先用橫切機(jī)切割1.5mm厚的交聯(lián)聚乙烯層，然后在剩余3mm層內(nèi)，每次切割3條0.6mm厚的交聯(lián)聚乙烯帶。最后，利用啞鈴沖模機(jī)制備啞鈴樣品，進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。圖3為電纜橫切示意圖。

圖3 電纜橫切示意圖

1.3 介電性能

介電譜檢測(cè)研究平臺(tái)及連接示意如圖4所示，由高壓頻域介電譜檢測(cè)系統(tǒng)、完好電纜、老化電纜線段組成。本文所采用的高壓頻域介電檢測(cè)系統(tǒng)，為現(xiàn)場(chǎng)使用的低頻高壓介電檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于整體熱老化電纜，將其地線與未老化電纜的地線并聯(lián)，并接到高壓介電譜檢測(cè)系統(tǒng)的電流檢測(cè)端。對(duì)于局部老化電纜，將完好段、老化段電纜地線并聯(lián)接到高壓介電譜檢測(cè)系統(tǒng)的電流檢測(cè)端。

圖4 介電譜檢測(cè)平臺(tái)示意圖

利用高壓介電譜對(duì)整體熱老化、局部老化缺陷電纜試樣進(jìn)行檢測(cè)。分別在未老化、老化48h、96h、192h、384h、768h、1 536h對(duì)整體熱老化電纜，同樣老化時(shí)長(zhǎng)的局部與完好電纜比例為10%、4%熱老化缺陷電纜進(jìn)行檢測(cè)。從0.250開始，每次增加0.250，按照0.250→0.50→0.750→1.00→0.250順序檢測(cè)，檢測(cè)頻率順序?yàn)?.1Hz→0.02Hz→0.05Hz→0.01Hz。

考慮到廣泛應(yīng)用的超低頻，按照IEEE 400.2—2013中規(guī)定的方法進(jìn)行超低頻測(cè)試，分別檢測(cè)0.1Hz、0.50/1.00/1.50外施電壓等級(jí)時(shí)電纜介質(zhì)損耗因數(shù)[20]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

電纜絕緣老化最嚴(yán)重部分（內(nèi)層）的斷裂伸長(zhǎng)率隨老化時(shí)間的變化如圖5所示。機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果表明，XLPE材料的斷裂伸長(zhǎng)率總體變化趨勢(shì)其老化程度呈良好的單調(diào)關(guān)系。當(dāng)老化程度為輕度（48～96h），斷裂伸長(zhǎng)率幾乎無(wú)變化。老化一段時(shí)間后，達(dá)到老化中度階段（192～384h），斷裂伸長(zhǎng)率開始下降。在老化重度階段（768～1 536h），斷裂伸長(zhǎng)率下降速率加快，迅速降低至注意值（斷裂伸長(zhǎng)率75%），直至失效（斷裂伸長(zhǎng)率50%）。

圖5 斷裂伸長(zhǎng)率與老化時(shí)間關(guān)系

2.2 超低頻（0.1Hz）檢測(cè)結(jié)果及分析

本文對(duì)未老化電纜、48～1 536h整體熱老化、相同時(shí)長(zhǎng)局部占比10%、4%的熱老化缺陷電纜進(jìn)行了超低頻檢測(cè)。選取了最嚴(yán)重的熱老化情況（1 536h）的超低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，并與未老化電纜的超低頻結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)整體熱老化（老化長(zhǎng)度100%）、局部10%、4%熱老化缺陷超低頻（0.1Hz）介損、介損偏差值檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 未老化、整體/局部熱老化電纜超低頻(0.1Hz)檢測(cè)結(jié)果（1536h）

Tab.1 VLF test results of unaged and aged cables with different aging section lengths (1536h)

根據(jù)《IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF)》，對(duì)于運(yùn)行中的電纜，XLPE電纜絕緣介損因數(shù)的偏差值、注意值為：0.1Hz檢測(cè)頻率，1.50與0.50超低頻介損平均值差值小于0.08；1.00下介質(zhì)損耗因數(shù)平均值小于0.05，低于注意值，即為良好電纜[21]。由表1可知，與未老化電纜相比，當(dāng)電纜具有1 536h的熱老化及10%、4%長(zhǎng)度局部熱老化缺陷時(shí)，0.1Hz檢測(cè)頻率下1.00介質(zhì)損耗因數(shù)分別增加38.88×10-3、11.72×10-3和6.65×10-3，但是仍未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的注意值。由此可見，按照現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，一些較為嚴(yán)重的局部熱老化缺陷可能會(huì)被漏判。

2.3 整體熱老化發(fā)展與高壓介電譜的關(guān)系

連接金屬管與未老化短電纜、未連接金屬管與未老化短電纜的完好電纜高壓介電譜分別如圖6a和圖6b所示。由圖6可以看出，連接金屬管產(chǎn)生的非連續(xù)界面對(duì)高壓介電譜影響較小，最大影響值僅在10-4左右。因此，無(wú)論是否存在連接金屬管的非連續(xù)界面，無(wú)老化缺陷電纜的各個(gè)電壓等級(jí)介電損耗因數(shù)值tan最大只能達(dá)到0.001左右；各個(gè)檢測(cè)電壓等級(jí)、檢測(cè)頻點(diǎn)的tan大小基本接近，無(wú)明顯隨檢測(cè)電壓等級(jí)、頻率變化增大或減小的趨勢(shì)。在頻域上分離不明顯，呈團(tuán)簇狀。

圖6 未老化電纜高壓頻域介電譜

根據(jù)機(jī)械性能變化和高壓介電譜形狀的變化，將熱老化分為輕、中、重度三個(gè)等級(jí)。電纜整體輕度熱老化（48～92h）的高壓FDS曲線如圖7a和圖7b所示。未老化電纜和輕度熱老化電纜的FDS曲線形狀相似，但tan的值呈上升趨勢(shì)。同時(shí)，自較高檢測(cè)電壓等級(jí)（1.00）開始，tan隨著檢測(cè)頻率降低。由此可見，輕度老化階段，tan-曲線的斜率較未老化電纜有所增加。此時(shí)電纜尚處于輕度老化階段，各項(xiàng)性能變化不明顯，如圖5所示，斷裂伸長(zhǎng)率幾乎無(wú)變化。

整體熱老化電纜在中度老化階段（192～384h）的高壓FDS曲線如圖8a和圖8b所示。如圖8所示，tan隨著老化時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)而不斷增加。特別是，從更高的檢測(cè)電壓（0）開始tan曲線在各頻率點(diǎn)隨著檢測(cè)電壓的升高而逐漸增大，說明FDS曲線開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象。在這一階段，如圖5所示，機(jī)械性能開始下降。

圖7 輕度熱老化電纜高壓頻域介電譜（48～96h）

圖8 中度熱老化電纜高壓頻域介電譜（192～384h）

電纜在重度老化階段（768～1 536h）的高壓FDS曲線如圖9a和圖9b所示。在重度老化階段，電纜的tan繼續(xù)增加，在老化最嚴(yán)重的情況下，最大可達(dá)0.18。tan曲線的分層現(xiàn)象在各個(gè)檢測(cè)電壓等級(jí)都變得越來越明顯。在這一階段，機(jī)械性能下降明顯，斷裂伸長(zhǎng)率下降速率加快，迅速降低至注意值（斷裂伸長(zhǎng)率75%），直至失效（斷裂伸長(zhǎng)率50%）。

圖9 重度熱老化電纜高壓頻域介電譜（768～1 536h）

從極化的角度來看，材料的極化強(qiáng)度可視為電場(chǎng)強(qiáng)度引起的響應(yīng)[22]，即

未老化的絕緣可以認(rèn)為是非極性的，所以電纜介質(zhì)損耗隨頻率和檢測(cè)電壓的變化很小。在老化初期，電纜絕緣中的抗氧化劑沒有被消耗，氧化物產(chǎn)量不大，極化強(qiáng)度低。因此，雖然介質(zhì)損耗和曲線斜率略有增加，但隨著檢測(cè)電壓的增加，其變化不明顯。曲線中沒有分層現(xiàn)象。隨著老化時(shí)間的增加，抗氧化劑逐漸耗盡，絕緣發(fā)生了熱氧化反應(yīng)。熱氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物是羰基、醛、酮和酯，這些物質(zhì)都是極性的。極性基團(tuán)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)和極化強(qiáng)度增大。因此，從中度老化階段開始，介電曲線隨著檢測(cè)電壓的升高而增大。在這個(gè)階段，F(xiàn)DS曲線開始分層。在重度熱老化階段，熱氧化斷鏈起主導(dǎo)作用。在有氧氣存在的情況下，聚合物的斷鏈會(huì)產(chǎn)生自由基，自由基可進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)形成烷氧基，導(dǎo)致更多的羰基、醛和酮的產(chǎn)生[8]。此外，熱氧化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致絕緣結(jié)晶度的降低，非晶相的增加，使得大分子鏈在極化作用下更易發(fā)生相互作用[20]。這些變化反映在FDS曲線上，即tan急劇增大，tan曲線斜率明顯增大，分層現(xiàn)象更加明顯。

2.4 局部熱老化發(fā)展與高壓介電譜的關(guān)系

2.4.1 局部熱老化對(duì)介電譜線的影響

為了探究局部熱老化缺陷對(duì)介電譜的影響，分別對(duì)局部熱老化占比10%、4%的缺陷電纜進(jìn)行了高壓介電譜檢測(cè)。分別在輕、中、重度老化中選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

輕度老化（96h）的局部10%、4%熱老化電纜的介電譜如圖10a和圖10b所示。對(duì)比圖10和圖7b的譜線形狀，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜出現(xiàn)整體老化時(shí)，輕度老化曲線斜率就會(huì)增大，當(dāng)熱老化局部占比10%時(shí)，盡管較全長(zhǎng)tan值降低，但是譜線斜率仍較未老化電纜增大。當(dāng)熱老化局部占比降低至4%時(shí)，tan不再隨檢測(cè)頻率降低而增大。由此可見，局部熱老化段的長(zhǎng)度降低，會(huì)將介電譜曲線斜率隨老化時(shí)長(zhǎng)開始增大的階段延后。

圖10 輕度局部熱老化缺陷電纜高壓頻域介電譜

老化中期（192h）的局部10%、4%熱老化電纜的介電譜如圖11a和圖11b所示。對(duì)比圖11和圖8a的譜線形狀，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱老化局部占比10%時(shí)，譜線形狀與整體熱老化電纜的譜線形狀是相似的，即從高檢測(cè)電壓（1.00）開始tan曲線在各頻率點(diǎn)隨著檢測(cè)電壓的升高而逐漸增大，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而局部熱老化占比4%的電纜在相同的老化時(shí)間曲線仍在頻域上有交叉，呈團(tuán)簇狀。由此可見，局部占比的降低會(huì)影響高壓介電譜曲線出現(xiàn)分層的階段。

圖11 中度局部熱老化缺陷電纜高壓頻域介電譜

重度老化（1 536h）的局部10%、4%熱老化電纜的介電譜如圖12a和圖12b所示。對(duì)比圖12和圖9b的譜線形狀，可以發(fā)現(xiàn)，不論是整體熱老化還是局部熱老化電纜，在重度老化階段都會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的分層現(xiàn)象。

圖12 重度局部熱老化缺陷電纜高壓頻域介電譜

2.4.2 局部熱老化的影響分析

在本文的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)即使在較嚴(yán)重的局部老化情況下，隨著局部老化段占比的減小，電纜仍無(wú)法到達(dá)到VLF相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的注意值。IEEE Std 400.2—2013的來源是由IEEE工作組通過對(duì)2 420組平均長(zhǎng)度320m、總長(zhǎng)度超過760km的高聚物電纜進(jìn)行檢測(cè)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，規(guī)定檢測(cè)結(jié)果不超過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)80%的電纜為“正?！鳖?，介于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)80%～95%之間的電纜屬于“注意”類，檢測(cè)結(jié)果超過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)95%的電纜屬于“異常”類，由此可見，這種方法更多地側(cè)重于電纜整體絕緣狀態(tài)的檢測(cè)[23]。此外，局部缺陷段占比的減小會(huì)影響高壓介電譜曲線出現(xiàn)分層的階段。單點(diǎn)介質(zhì)損耗值、介電譜曲線積分值、曲線斜率都會(huì)隨局部老化段長(zhǎng)度占比的減小而減小。

出現(xiàn)局部缺陷的電纜可以看作兩段電容的并聯(lián)，電纜整體的電容為，介質(zhì)損耗因數(shù)為tan；完好部分的電容為0，介質(zhì)損耗因數(shù)為tan0；局部劣化部分的電容1，介質(zhì)損耗因數(shù)為tan1；則有[24]

由式（2）和式（3）可知，完好電纜的所占比例越大，缺陷段tan的變化能引起整體的變化就越小。因此隨著局部缺陷占比的減小，盡管其VLF的相關(guān)參數(shù)均有增大，但是仍未到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)中的異常值。此外，曲線斜率開始增大和曲線出現(xiàn)分層的老化階段都會(huì)延后。

2.5 檢測(cè)順序的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]，當(dāng)電纜出現(xiàn)水樹老化時(shí)，高壓FDS曲線也隨著檢測(cè)電壓的升高而增加，同樣也會(huì)呈現(xiàn)分層現(xiàn)象。此外，水樹電纜的高FDS還具有遲滯現(xiàn)象，即當(dāng)按照低壓→高壓→低壓的檢測(cè)順序?qū)匣娎|進(jìn)行高壓介電譜檢測(cè)時(shí)，水樹老化電纜第二次低壓檢測(cè)值明顯大于第一次低壓檢測(cè)值。圖13是按照同樣檢測(cè)方法進(jìn)行的熱老化電纜檢測(cè)結(jié)果。圖13所示的是整體老化重度階段（1 536h）施加高檢測(cè)電壓（1.00）前后兩次低電壓水平（0.250）檢測(cè)曲線。根據(jù)圖13，即使在老化最嚴(yán)重的情況下，對(duì)于熱老化電纜，兩條低電壓檢測(cè)的曲線在頻域交叉。這意味著，即使在重度老化階段，熱老化也不會(huì)引起遲滯現(xiàn)象。因此可以通過遲滯現(xiàn)象對(duì)水樹老化、熱老化進(jìn)行類型區(qū)分。

根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果[25]，水樹是由離子等導(dǎo)電物質(zhì)和水組成的單元及連接通道構(gòu)成的，導(dǎo)電單元與單元之間由封閉絕緣的通道連接。當(dāng)檢測(cè)電壓等級(jí)提高，Maxwell應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致各個(gè)單元中的水和導(dǎo)電性物質(zhì)滲入通道，形成電接觸，水樹通道由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)電狀態(tài)，電導(dǎo)率增加，介質(zhì)損耗因數(shù)增大。但是通道的開閉過程都是逐步的[26]，因此在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，按照低電壓等級(jí)→高電壓等級(jí)→低電壓等級(jí)順序進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，第二次低壓檢測(cè)時(shí)水樹通道沒有完全關(guān)閉，導(dǎo)致第二次的介損檢測(cè)大于第一次的介損檢測(cè)值。與之不同的是，熱老化過程中介電性能的變化主要是由極化基團(tuán)和非晶相的增加引起的，與水樹老化的變化機(jī)理不同，不存在遲滯效應(yīng)。因此，遲滯現(xiàn)象可以用來區(qū)分水樹老化和熱老化。

圖13 施加高壓前后兩次低壓測(cè)量對(duì)比（1 536h）

3 診斷方法的討論

3.1 老化現(xiàn)象的診斷

由圖6～圖12的對(duì)比可知，對(duì)于具有一定老化程度（中度重度）的整體、局部缺陷電纜，高壓介電譜曲線tan-隨檢測(cè)電壓升高而增大，曲線在頻域上呈現(xiàn)分層的特征，即在任何檢測(cè)頻點(diǎn)，(1.00)tan＞(0.750)tan＞(0.50)tan＞(0.250) tan，較高電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)和較低電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)之比一定是大于1的。因此，本文提取高壓頻域介電譜線分層度作為特征量，表征XLPE電纜介電譜的變化。定義譜線分層度為各個(gè)相鄰檢測(cè)電壓等級(jí)各檢測(cè)頻點(diǎn)介質(zhì)損耗因數(shù)之比的均值，即

式中，1、2、3為不同電壓等級(jí)之間的介電譜曲線分層度。

根據(jù)《IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF)》中對(duì)介質(zhì)損耗檢測(cè)的要求，試驗(yàn)設(shè)備對(duì)tan的精度應(yīng)在±10-4。根據(jù)本文提取的判斷出現(xiàn)劣化的特征量，每提高0.250，各個(gè)檢測(cè)頻點(diǎn)多次檢測(cè)能增加10-4以上即可以判定為電纜出現(xiàn)了分層。

3.2 老化程度診斷及整體/局部的區(qū)分

整體熱老化、局部熱老化10%、4%的電纜各個(gè)檢測(cè)電壓等級(jí)曲線斜率和積分隨檢測(cè)電壓等級(jí)的變化如圖14a和圖14b所示。隨著檢測(cè)電壓的提高，曲線的斜率、曲線與低壓曲線面積差都會(huì)增大。

圖14 不同局部老化段占比電纜介電參數(shù)與電壓等級(jí)的關(guān)系

由于tan是電纜中電流有功分量R與電流無(wú)功分量C的比值。當(dāng)電纜發(fā)生局部熱老化時(shí)，R主要由熱老化段的有損極化產(chǎn)生，C則由電纜的長(zhǎng)度決定。可以利用不同電壓等級(jí)測(cè)得的tan比值來消除C中電纜長(zhǎng)度的影響，引入介電譜的非線性度作為特征量進(jìn)行電纜老化程度的判斷。非線性度定義為

整體熱老化及局部熱老化10%、4%的電纜各個(gè)檢測(cè)電壓等級(jí)曲線非線性度隨檢測(cè)電壓等級(jí)的變化如圖14c所示。如圖14c，由于介損比值消除了完好電纜長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)值造成的影響，所以非線性度隨檢測(cè)電壓變化有增大，而受局部缺陷占比影響較小。

如前所述，較高檢測(cè)電壓等級(jí)（1.00）的曲線積分、斜率和非線性度可以用作判斷電纜整體/局部熱老化缺陷和診斷老化等級(jí)的特征量。

3.3 診斷方法與流程

相關(guān)診斷特征量與老化時(shí)間的關(guān)系見表2。由表2可知，當(dāng)電纜具有一定程度熱老化時(shí)，電纜分層度123都是大于1的，因此，當(dāng)分層度均是大于1的值時(shí)，可以確定電纜已經(jīng)出現(xiàn)了老化現(xiàn)象。根據(jù)2.5節(jié)的內(nèi)容，即使在重度老化階段，熱老化也不會(huì)引起遲滯現(xiàn)象。因此曲線是否出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象可以作為區(qū)分XLPE電纜熱老化和水樹老化的依據(jù)。

表2 診斷特征量與老化時(shí)間的關(guān)系

Tab.2 Diagnostic parameters versus aging time

在確定出現(xiàn)老化現(xiàn)象和判定老化類型后，再通過高檢測(cè)電壓等級(jí)(1.00)曲線的非線性度確定老化程度：非線性度在1～2之間可被劃分為輕度老化，此種情況下電纜的高壓介電譜還未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，此時(shí)電纜的機(jī)械性能尚無(wú)明顯變化；非線性度在2～6之間可被劃分為中度老化，這個(gè)階段電纜的高壓介電譜由較高電壓(0)開始，逐漸呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，機(jī)械性能開始下降；非線性度在9及以上可被劃分為重度老化，這個(gè)階段電纜的介質(zhì)損耗持續(xù)增大，分層現(xiàn)象明顯，機(jī)械性能下降明顯，斷裂伸長(zhǎng)率下降速率加快，迅速降低至注意值（斷裂伸長(zhǎng)率75%），直至失效（斷裂伸長(zhǎng)率50%）。再結(jié)合較高電壓等級(jí)（1.00）譜線曲線斜率和積分（K0/S0）進(jìn)行局部/整體熱老化的判斷：當(dāng)在2～6區(qū)間、且K0在109～253區(qū)間、S0在20～80區(qū)間，可以判定整條電纜都已經(jīng)出現(xiàn)了中度老化；當(dāng)在2～6區(qū)間，且K0＜109、 S0＜80，可以確定電纜出現(xiàn)了中度局部老化；當(dāng)在9及以上、且K0在755～1625區(qū)間、S0在183～417區(qū)間，可以判定整條電纜都已經(jīng)出現(xiàn)了重度老化；當(dāng)在9及以上，且K0＜755、S0＜183，可以確定電纜出現(xiàn)了重度局部老化。綜上所述，對(duì)電纜熱老化的診斷應(yīng)遵循以下順序：首先通過分層度是否均大于1進(jìn)行老化現(xiàn)象的診斷；再根據(jù)是否出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象區(qū)分老化類型（水樹/熱）；最后，結(jié)合和K0/S0數(shù)值的大小確定整體老化/局部老化程度。診斷流程如圖15所示。

隨著局部老化段占比的減小，K0、S0、會(huì)隨著老化程度增加而增大，但K0、S0數(shù)值會(huì)隨局部老化段占比降低而減小，變化不大，因此結(jié)合三個(gè)參數(shù)的變化可以診斷電纜老化程度和判斷電纜是否是局部老化，由于頻域介電響應(yīng)測(cè)量的結(jié)果與絕緣系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和組成無(wú)關(guān)[27]，本文所提出的診斷方法具有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的潛力。值得注意的是，在不同的老化階段，無(wú)論是K0、S0還是，其值都是在一定的區(qū)間內(nèi)，特別是K0、S0數(shù)值受局部缺陷占比影響較為明顯。因此本文給出的判斷電纜整體/局部熱老化的標(biāo)準(zhǔn)都是基于現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果的（全長(zhǎng)熱老化，局部10%、4%熱老化）。根據(jù)本文現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)非線性在9及以上時(shí)，電纜的機(jī)械參數(shù)開始迅速下降直至低于50%，到達(dá)退運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)目前的試驗(yàn)結(jié)果，可以推測(cè)分線性度在7～8區(qū)間內(nèi)，電纜應(yīng)處于熱老化中度、重度狀態(tài)。然而，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜局部/整體熱老化和老化程度的精確判斷，需要對(duì)不同老化程度、老化段局部占比的電纜進(jìn)行高壓介電譜檢測(cè)，以確定三個(gè)參數(shù)在不同情況下所在的區(qū)間。因此，盡管較高電壓等級(jí)介電譜相關(guān)參數(shù)和整體/局部老化程度較好的一致性，有判定整體/局部老化的潛力，但其值與老化程度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是局部缺陷老化程度的關(guān)系仍是需要研究的問題。

圖15 診斷流程

4 結(jié)論

本文針對(duì)高壓頻域介電譜診斷XLPE電纜熱老化特性展開研究，通過內(nèi)外加速熱老化實(shí)驗(yàn)?zāi)M了電纜整體和局部老化兩種工況，探究了老化段與完好電纜不同長(zhǎng)度占比下、不同老化程度的電纜高壓介電譜變化，并提取了相關(guān)的高壓介電診斷參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電纜整體/局部熱老化的診斷和老化程度的判斷。本文得到如下結(jié)論：

1）具有一定老化程度的整體熱老化、局部熱老化缺陷電纜的高壓FDS呈現(xiàn)分層特征。分層特征導(dǎo)致熱老化電纜的分層度均大于1，可作為判斷電纜出現(xiàn)老化的依據(jù)。較高檢測(cè)電壓下的FDS曲線非線性度變化對(duì)老化程度的變化較為敏感，可以作為判斷老化程度的特征量。

2）局部老化段的占比減小會(huì)使高壓介電譜出現(xiàn)分層的時(shí)間延后，介電譜曲線積分、曲線斜率減小。而非線性度隨局部老化段占比變化不大，因此可以結(jié)合非線性度大小和曲線積分、斜率所在區(qū)間判定電纜是否發(fā)生局部老化。

3）熱老化電纜不存在遲滯效應(yīng)，與水樹老化電纜明顯不同?？梢酝ㄟ^是否出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象區(qū)分水樹老化和熱老化電纜。

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High Voltage Frequency Domain Dielectric Spectroscopy Diagnosis Method for Thermal Aging of XPLE Cables

Wang Haoyue1Wang Xiaowei1,2Sun Maolun1Wang Wei1Li Chengrong1

（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. State Grid Shandong Electric Power Company Heze 274000 China）

Thermal aging is the important reasons for the degradation of XLPE cable insulation. The timely detection and treatment are of great significance for system operation safety. The research on diagnosis of XLPE cable overall and local aging using high voltage frequency domain spectroscopy (FDS) is carried out. The high voltage FDS (0.01Hz～0.1Hz, detection voltage up to0) of 10 kV cables with overall length, with ratio of local thermal aging section to intact cable of 10% and 4% at different thermal aging stages are measured. Besides, the layering degree of the high voltage FDS curves, slope and integral, and nonlinearityare defined and analyzed. The effects of local aging ratio on the dielectric parameters are also studied. The results show that high voltage FDS is sensitive to both overall and local thermal aging, Theparameters of cable samples with overall and local thermal aging defects with a certain degree are greater than 1, somatrix can be used as the diagnostic parameter of cable aging. Nonlinearityis sensitive to the change of aging degree, and it is less affected by the proportion of local defects, so it can be used as a diagnostic characteristic of cable aging degree. With the decrease of the aging section proportion, the curves show layered characteristics later, and the integral value of dielectric spectrum curve and the slope of the curve are reduced. It can be determined whether the cable is thermal aged by combining the value ofand the range of slope and integral. The hysteresis phenomenon can be used as basis to distinguish thermal aging and water tree aging of XLPE cable.

XLPE cable, thermal aging, high voltage frequency domain spectroscopy, diagnosis

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210962

TM85

2021-06-23

2021-09-09

王昊月 女，1993年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娎|故障檢測(cè)及評(píng)估。E-mail：ncepu_why@ncepu.edu.cn

王 偉 男，1979年生，副教授，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與診斷等。E-mail：ww790324@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）