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中压交联聚乙烯绝缘电缆状态评估探讨
朱永华，吴长顺，贾欣，袁常俊，杨娟娟、商亮、范玉军、李骥、杨立志?
（上海电缆研究所 上海 200093）
摘 要：中压交联聚乙烯绝缘电缆是配电网的一个重要环节，它的可靠性关系到整个配电网的安全运行。本文首先从绝缘老化模型出发，介绍了描述绝缘老化的唯象模型和物理模型，以及从电缆老化的反幂定律推出的电缆击穿寿命指数，它是建立唯象和物理模型联系的潜在参数。在此基础上从在线和离线两个应用层面介绍了目前中压交联聚乙烯绝缘电缆状态评估的典型技术，并重点介绍了超低频和等温松弛电流法的原理及应用情况。
关键词：中压电缆；交联聚乙烯绝缘；状态评估；老化模型；在线测试；离线状态评估；直流成分法；局部放电；残余电荷；超低频法；介电谱；等温松弛电流法。
1引言?
交联聚乙烯绝缘电力电缆以其结构简单、加工工艺方便、敷设不受落差限制以及具备良好的电气性能、机械和耐热性能等优点，已成为配电用中压电缆的主体，自20世纪80年代在我国得到了广泛的应用。随着经济发展和城市电网的改造，中压电缆的用量越来越大，大量的中压电缆使用时间逐年增加，有些已经运行了接近设计寿命30年，尤其近年中压电缆事故频发，大量的电缆到了需要更换和紧密监测的程度。同时，国内对于配电网络用电安全和线路可靠性的关注程度逐步加强，对中压电缆的质量、预期寿命以及状态评估及判据的确立已成为业内最关切和亟待解决的技术难题。
关心电缆状态主要有两类人员，一类是电缆制造商，另一类是电缆运维人员，两者关注的角度有所区别。对于电缆制造商，关心电缆设计时的预期寿命，同时关心电缆的生产质量，这是电缆工艺控制的依据。运维人员关心电缆的状态缘于电缆运维措施的决策，如维持原先的预防性试验周期，还是缩短预防性试验周期，甚至是电缆更换与否的依据。
从电缆制造商的角度出发，如何获得电缆的理想预期寿命，通常的技术路线是依据反幂定律通过加速老化（如提高试验电压、增加频率或提高温度等），并结合破坏性试验方法，在较短时间内获得电缆的理想预期寿命。而这些技术手段获得的数据是否与电缆运行条件
下的理想寿命一致，则需要科学的依据，由此发展了很多的电缆老化模型。而针对电缆生产质量的评估，则既有破坏性方法，也有非破坏性方法，其中破坏性方法有耐压试验和局部放电试验等，非破坏性方法，则有介质损耗、泄露电流和绝缘电阻测量等等。
对于运维人员，除非迫不得已，一般情况下不希望采用破坏性方法，更希望通过一些非破坏性方法测得的参数，通过阈值或者趋势分析的方法，对电缆的运行状态进行判断与决策。电缆状态参数可以通过离线或在线的测试方法。采用的离线方法通常包括预防性试验方法和特殊的状态评估方法。预防性试验方法是指目前电力运维规程中规定的常规试验方法，其历史较长，方法简单，缺点是试验电场一般比工作场强低，有些潜在的缺陷无法在低电场下表现出来；特殊的状态评估方法是近二十年来发展起来的，它们尚未列入运维规程，或者至少未被所有的运维部门认可。特殊的状态评估方法可以分为两种类型，一种是依据电缆绝缘在运行过程中由于电场和热等应力作用导致材料结构、形态或成份上的变化，从电缆绝缘上取样，采用现代化学或物理检测技术，如快速傅里叶红外光谱（FTIR）、差热扫描量热法（DSC）、动态机械谱法（DMA）或者类似的方法。尽管这些方法能够直接了解绝缘中老化引起的物理或化学变化，由于需要直接从电缆绝缘上取样，因此无法作为预防性试验方法而强制执行。另外一种则是依据电缆绝缘在运行过程中发生老化，从而导致材料中产生如水树枝、电树枝或者其它极性小分子产物，这些可以统称为电缆绝缘中产生的缺陷，这些缺陷在电场作用下将产生极化行为，电荷会在这些缺陷处聚集。同时这些缺陷的含量又与电缆绝缘的残余击穿场强之间存在相关性，甚至某些时候可以获得确定的定量关系。此类检测方法总是以在外施电场（直流或者交流）下获取缺陷含量信息或者缺陷在电场下的极化特征量来实现电缆绝缘老化状态的评估。从当前电缆绝缘的老化评估的发展来看，目前主要有超低频介电法、工频或者谐波介质损耗法、等温松弛电流法或残余电荷（或者说残余电压法）等。从测试的原理来看，此类方法是在时域或者频域研究电缆绝缘的响应，因此可以归类为介电响应法。此外离线检测需要停电作为先决条件，对某些无法较长时间停电的场合，这些方法的应用显然受到限制。正式基于此问题，运维人员希望能够在电缆运行时，通过一些监测参数进行电缆状态的评估。目前在线监测的方法主要有直流成份法、直流分量方法、介质损耗法以及局部放电法。需要指出的是，在线监测技术的发展仅有二十多年的历史，相较于离线的预防性试验方法，技术的成熟性有很大的差异。此外在线监测常受环境干扰等的影响，被监测参数有时甚至存在错误之处，导致运维人员对此类数据无所适从，这也是运维人员从某种程度上对在线监测方法存疑的原因。但
不管怎样，作为一种新型的状态检测技术，它的优点也是不言而喻的，其中最重要的是它的实时性以及能够在运行时更多地暴露可能的潜在缺陷，因此是电缆状态评估的着力发展方向。
从上述的分析来看，当前电缆制造商与运维人员关注的电缆绝缘的状态评估的目的和实现手段，尽管有区别，但也有重叠的方面。比如电缆预期寿命都是遵循由击穿试验获得残余击穿场强，再由反幂定律推断的技术路线。再如介电响应方法不仅能够用于运行中的电缆绝缘的状态评估，同时也可以对开发和生产过程中电缆质量的评定。
正是由于无法将电缆生产制造和电缆运行时的评估技术完全割裂，因此本文试图从以下几个方面对近年来电缆绝缘的状态评估方法进行梳理。首先从老化时发生的最本质的物理或化学过程出发，分析目前适用于电缆绝缘老化评估的物理模型，它是电缆寿命评定的基础，尽管目前这种尝试还远未达到预期的目标，但仍然是后续各种破坏性试验方法和非破坏性试样方法都试图与寿命建立定量关系纽带。接着分析目前常用的电缆状态的方法，这些方法有在线和离线两种方案，一些技术既可以离线也可以在线进行评估，而另外一些方法，受原理的限制，只能以离线的方式进行。有些方法因为属于常规的预防性试验，因此在本文中不再赘述。 2 中压XLPE电缆老化模型
聚合物绝缘传统电老化理论建立在唯象论的基础上，根据击穿电压的威布尔分布经数学推导得出。目前XLPE绝缘聚合物材料能够耐受的击穿场强可以达到90kV/mm以上，实验已经证明当绝缘聚合物的工作电场强度达到击穿电场强度的十分之一时，长时期工作的绝缘中仍会引起树枝化，最后导致绝缘击穿。因此老化过程中绝缘材料发生的物理和化学变化也是研究的重要内容，在此基础上建立了多种物理模型。唯象模型和物理模型是电缆状态和寿命评定的基础，因为两类模型从不同角度描述了同一对象和同一过程，电缆击穿的寿命指数似乎是建立二者间联系的纽带，因此本文从唯象和物理模型以及电缆击穿的寿命指数三个方面进行了分析。 2.1 维象模型
2.1.1电热联合老化的G.C.Montanari模型【1】
Montanari将这种依赖关系命名为函数F，即：老化=F(p)。当老化进行时特性p将下降，最终p降到绝缘材料或系统无法再维持运行的程度。在这个点p达到了极限值pL，这一刻的老化时间称为寿命，见式（1）。
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L????1b??B?exp??exp???a???E?E0??AT??T????E?E0 （1）
b、A和B都是从实验获得的常数。 2.1.2 J.P.Crine微观老化模型【2】
Crine期望赋予模型的参数以物理意义，认为单个能量势垒的穿越时间等于整个势垒的穿越时间，如图1所示，这可以由热力学关系描述式（2）和式（3）。
?????GL???kT??exp??低电场下：?B??kBT??e?E??csch??kT??B????
（2） （3）
??L???高电场下：?kBT???G?e?E???exp??kT??B???
?为普朗克常数；kB为玻尔兹曼常数；ΔG为活化的自由能；?为A和B势垒间的距离；e为参与老化过程的粒子的电荷量。
图1 J.P.Crine 微观老化热力学模型示意图
2.2 物理模型
2.2.1电树枝化模型—屠德民和K.C.Kao陷阱化过程中非辐射能量的转移【3】
聚合物电树枝化陷阱模型如图2所示，电荷入陷后，将能量传给第二个电子，随后第二个电子可能也可能入陷，将能量传给第三个电子，这样第三个电子的能量要远大于第一个电子的，当能量足够大后，与分子链碰撞，导致分子链的断裂，随后形成自由基，自由基可能引发周围分子链断裂，形成更多的自由基与小分子产物，这样的过程称为链式反应。当链式反应足够多时，在聚合物中形成低密度区，随后引发电树枝，电树枝通道足够长后，将引起局部放电，局部放电达到一定程度后，导致贯穿性通道，引发击穿，其整个过程如图3所示。
图2 聚合物电老化陷阱模型
图3 绝缘电树枝引发直至击穿的非辐射能量转移全过程
2.2.3电树枝化模型—Bamji为代表的学者提出了一种电致发光的光降解理论【4】
该理论认为聚合物中的紫外辐射（波长<380nm）是导致聚合物降解并引起树枝起始的主要因素。该理论以针板电极系统中交流电压的作用过程为出发点。电荷在电极界面处的双注入是光发射必要条件。Bamji从实验现象出发提出了该理论，将局域态再细分为陷阱与复合中心，电子和空穴在复合中心复合后辐射紫外线，紫外线导致聚合物的降解。如图4所示为聚合物能带理论的模型，该模型描述了电子陷阱和空穴陷阱在能带中所处的位置，
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