摘" 要：在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過加速熱老化試驗(yàn)完成老化電纜試樣的制備，并在不同老化階段分別開展介電性質(zhì)以及接地電流測試，分析研究各測試量隨熱老化加深的變化規(guī)律。結(jié)果表明，電纜電容及介質(zhì)損耗在熱老化進(jìn)程中呈加快趨勢增長；熱老化使電纜接地電流幅值增大，同時(shí)引起以3、9和13次諧波為主的諧波畸變。

關(guān)鍵詞：配電電纜；熱老化；介電特性；接地電流；諧波

中圖分類號(hào)：TM247" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）06-0069-04

Abstract： Under laboratory conditions， the preparation of aged cable samples was completed through accelerated thermal aging tests， and the dielectric properties and ground current tests were carried out at different aging stages， and the change laws of each test quantity with the deepening of thermal aging were analyzed and studied. The results show that the cable capacitance and dielectric loss increase rapidly during the thermal aging process; thermal aging increases the amplitude of the cable ground current and causes harmonic distortion mainly of the 3rd， 9th and 13th harmonics.

Keywords： distribution cable; thermal aging; dielectric characteristics; ground current; harmonics

熱老化是配電電纜劣化的常見形式，也是導(dǎo)致電纜絕緣性能退化、使用壽命縮短的主要因素之一[1-2]。深入剖析絕緣熱老化機(jī)理，盡早掌握電纜熱老化狀態(tài)有利于電纜線路的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。胡麗斌等[3]進(jìn)行了紅外光譜、頻域介電響應(yīng)及氧化誘導(dǎo)時(shí)間測試，對比研究了老化前后絕緣材料的理化及電氣特性；Kemari等[4]使用離散小波變換和標(biāo)準(zhǔn)差多分辨率分析來確定熱老化后的XLPE和PVC/B兩種電纜材料的降解水平。本文對熱老化進(jìn)程中的配電電纜進(jìn)行試驗(yàn)分析，從而總結(jié)電纜熱老化的介電特性和接地電流特征。

1" 試驗(yàn)試樣與試驗(yàn)方法

1.1" 試樣制備

選擇型號(hào)為YJLV 8.7/15 kV-1×70 mm2的配電電纜作為試驗(yàn)對象。考慮到熱老化箱尺寸的限制，試樣長度截取為400 mm。試驗(yàn)試樣如圖1所示。剝除電纜外護(hù)套及銅屏蔽層以保證試樣絕緣層受熱均勻。為避免放電現(xiàn)象發(fā)生、保障足夠絕緣間距，樣品兩端各去除絕緣屏蔽層60 mm。試樣中間段纏繞銅箔作為測試電極。XLPE電纜的最高允許運(yùn)行溫度為90 ℃，因此選擇90 ℃作為試樣加速熱老化試驗(yàn)溫度。分別在老化3、6、12、24、36和48 d時(shí)取出進(jìn)行后續(xù)測試。

1.2" 介電特性測試

電容量與介質(zhì)損耗因數(shù)是評價(jià)電介質(zhì)的2個(gè)重要參數(shù)。電容量代表介質(zhì)容納電荷的能力，介質(zhì)損耗因數(shù)則反映電介質(zhì)的能量損耗特性。采用HY1110型自動(dòng)抗干擾精密介質(zhì)損耗測量儀測量電纜試樣的電容及介質(zhì)損耗，如圖2所示。儀器高壓端經(jīng)高壓屏蔽線與電纜線芯連接，樣品輸入端通過芯線與試樣銅箔測量極相連。保證測量儀可靠接地，測試電壓為3 kV。測試結(jié)果通過儀器顯示屏顯示。

1.3" 接地電流測試

圖3為接地電流測試原理圖。220 V交流電通過調(diào)壓器和試驗(yàn)變壓器升壓產(chǎn)生0～50 kV高壓。施加在電纜試樣上的電壓有效值為8.7 kV，電壓波形通過示波器顯示。保護(hù)電阻為1 MΩ，防止測試過程中可能造成的過電流影響。從保護(hù)電阻引出的高壓端子與電纜試樣鋁線芯相連，電纜試樣測試極與采樣電阻相連。采樣電阻阻值為10 kΩ，放置于電磁屏蔽盒內(nèi)，以減少干擾，采樣電阻實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，阻抗轉(zhuǎn)換電路用于采集卡的阻抗匹配，采集卡采樣頻率設(shè)置為20 kHz。

2" 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1" 電容及介質(zhì)損耗

采用電容變化率ΔC（%）和介質(zhì)損耗變化率Δtan？啄（%）描述電容和介質(zhì)損耗的變化，如式（1）和式（2）所示。

式中：Ｃ０、tan０分別表示電纜試樣在制作缺陷前的電容和介質(zhì)損耗值；C和tan？啄分別表示缺陷制作完成后電纜試樣的電容與介質(zhì)損耗值。

進(jìn)一步分析微觀機(jī)理，熱老化過程中，XLPE分子在熱作用下與氧氣發(fā)生熱氧化反應(yīng)，導(dǎo)致網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的XLPE分子鏈斷裂并生成含有酮基、酯基、醛基和羧酸等極性基團(tuán)的分子鏈[5-6]，導(dǎo)致XLPE在工頻下的介電常數(shù)和電容增大。在工頻電場作用下，分子鏈發(fā)生轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生極化，同時(shí)由于受到很大的阻礙摩擦力，產(chǎn)生較大的偶極子轉(zhuǎn)向損耗，所以介質(zhì)損耗在老化后會(huì)增大。

2.2" 接地電流

2.2.1" 幅值分析

未老化時(shí)，接地電流接近正弦波，呈現(xiàn)周期性變化，峰值約為690 μA。結(jié)合電纜試樣電容和介質(zhì)損耗變化情況，圖5選取12、24和48 d老化時(shí)長下熱老化電纜試樣的接地電流。熱老化引起電纜接地電流波形發(fā)生了畸變，但整體上仍呈現(xiàn)周期性；熱老化試樣接地電流幅值增大，如在90 ℃下老化12 d的電纜試樣接地電流峰值為745.63 μA，相比于無缺陷電纜試樣增大了8.40%；在同一老化溫度下，熱老化時(shí)間越長，接地電流幅值越大，90 ℃下老化12、24和48 d的電纜試樣接地電流峰值分別為745.63、769.39和827.86 μA。

進(jìn)一步分析微觀機(jī)理，在高溫作用下XLPE的大分子鏈斷裂，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，絕緣性能下降，導(dǎo)致接地電流幅值增大。同時(shí)，熱老化使得電纜試樣電容產(chǎn)生了非線性變化，在工頻電壓作用下，接地電流波形發(fā)生了畸變。

2.2.2" 諧波分析

采用變分模態(tài)分解（Variational Mode decomposition，VMD）將接地電流分解為一系列IMF分量[7-8]。VMD時(shí)域及頻譜分解結(jié)果如圖6所示，以熱老化48 d為例。從時(shí)域圖可以發(fā)現(xiàn)電纜試樣接地電流經(jīng)VMD后都得到了9個(gè)正弦波IMF分量，IMF1—IMF9從高頻到低頻依次排列；頻譜圖進(jìn)一步表明了這些分量是工頻基波和奇次諧波，奇次諧波頻率為150、250、350、450、550、650、750和950 Hz。

分解后得到基波分量及各次諧波分量的幅值見表1。工頻基波分量幅值隨著老化天數(shù)的增加而增大，諧波分量中3次諧波也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，但是其他次諧波幅值未出現(xiàn)明顯變化規(guī)律。

通過諧波電流含有率以及諧波電流畸變率2項(xiàng)指標(biāo)分析熱老化進(jìn)程中的接地電流諧波特征。諧波電流含有率（Harmonic Ratio of Current，HRI）定義為周期性交流電流中含有的第h次諧波電流分量有效值與基波電流分量有效值之比，通常以百分?jǐn)?shù)表示，反映各階諧波的含量，如式（3）所示。

式中：Ih為h階諧波電流有效值；I1為基波電流有效值。

圖7展示了熱老化不同時(shí)長電纜試樣接地電流的諧波電流含有率。諧波含量和老化程度之間并非簡單的正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著老化天數(shù)的增加，5次諧波在90 ℃老化溫度下含量增大。熱老化電纜試樣接地電流中含量相對較高為3、9和13次諧波。

諧波電流總畸變率（Total Harmonic Current Distortion，THDi）描述電流波形的畸變程度，定義為總諧波電流有效值IH與基波電流有效值I1之比，常以百分?jǐn)?shù)表示，如式（4）所示。

熱老化引起的電流波形畸變較為嚴(yán)重，接地電流諧波電流總畸變率隨著老化程度加劇而逐漸增大，90 ℃下試樣老化12、24及48 d的接地電流畸變率分別為28.87%、30.64%和31.05%。隨著老化的加深，諧波畸變程度逐漸增大。

3" 結(jié)論

本文針對熱老化進(jìn)程中的配電電纜進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測試了熱老化不同階段電纜的電容、介質(zhì)損耗以及接地電流。研究發(fā)現(xiàn)，熱老化導(dǎo)致電纜電容及介質(zhì)損耗變大，并且隨著老化的進(jìn)程，電容和介質(zhì)損耗的增大趨勢越發(fā)明顯；此外，熱老化使得電纜接地電流幅值增大并引起諧波畸變，以3、9和13次諧波為主，畸變程度隨著老化的加深而增大。研究內(nèi)容有利于進(jìn)一步評估配電電纜狀態(tài)、保障電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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第一作者簡介：辛忠良（1970-），男，碩士，正高級(jí)工程師。研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。