基于损耗因数和老化因子的老化状态评估

基于损耗因数和老化因子的老化状态评估

臧 磊  朱祖华

浙江新图维电子科技有限公司，浙江杭州，311100

摘要：本文实验研究了不同老化程度XLPE电缆绝缘的超低频和工频介损的变化规律，搭建了XLPE电缆等温松弛电流测试平台，利用等温松弛电流法的基本理论对测试电流进行拟合分析并计算出老化因子。

关键词：工频介损；绝缘老化；仿真模型

1电缆水树老化

为了解电缆及其附件的老化情况，判断其是否能继续可靠运行，对服役中的电缆进行周期性的绝缘检测并评估其剩余寿命是非常有必要的。对服役中的电缆进行检测通常采用非破坏性检测。非破坏性检测方法包括直流法、交流叠加法、介质损耗法、损耗电流谐波分量法、残余电荷法和退极化电流法等。

2基于损耗因数的水树老化评估

2.1介质损耗因数测试原理

在高场强作用下，绝缘介质由于介质极化和介质电导的滞后效应，导致绝缘介质内部产生的能量损耗称之为介质损耗。介质损耗会导致绝缘温度上升，加速绝缘老化，温升过高时甚至会引发绝缘发生热击穿，绝缘性能丧失。可见，介质损耗的大小对于绝缘性能优劣的评价非常重要。

XLPE电缆绝缘结构可由电容与电阻的并联(或串联)电路等效表示，并联等效电路图及其对应的向量图如图3-1所示。介质损耗因数定义为叠加于电缆主绝缘上的系统电压与流过主绝缘的泄漏电流的夹角θ的余角δ的正切值tanδ，tanδ是反映绝缘介质损耗的特征参量，是评价设备绝缘性能的重要指标。tanδ只取决于绝缘的介质特性,与绝缘材料的尺寸无关。通过对设备绝缘的损耗角正切值的测量，可以很好地判断设备整体的受潮情况、绝缘劣化状态及发展性的局部缺陷。

图1电缆绝缘等效图

2.2超低频介损的测试及分析

在进行0.1Hz下的介质损耗测试时赛巴超低频损耗测试仪对0.5U0、U0、1.5U0三个电压下的0.1Hz下的介质损耗结果进行记录，选取具有代表性的老化180天的3类电缆试样进行分析.

图2电压对电缆0.1Hz下的介质损耗的影响

随着试验电压的升高，三类电缆的0.1Hz下的介质损耗均随着电压升高而不断升高。在同一电压下有中间接头的电缆介质损耗最大，正常处理的电缆介质损耗次之，仅热老化的电缆介质损耗最低。由于电缆水树老化通常发生在半导电层与绝缘层的交界面，所以老化后具有中间接头的电缆较热老化电缆和正常处理电缆而言，接头处的绝缘中存在更多的微孔和含离子水和亲水性极性端基等。

将新电缆注水来模拟电缆受潮环境，验证受潮对XLPE电缆0.1Hz下的介质损耗测试的影响。

图3注水对0.1Hz下的介质损耗的影响

注水会使XLPE电缆0.1Hz下的介质损耗值升高，这是因为水的相对介电常数与XLPE相差甚远，并且水分的侵入会导致局部电场发生畸变，导致绝缘的能量损失增大。随着注水时间的增加，介质损耗增大，但是在注水18小时后介质损耗下降，这可能是由于电缆普遍受潮后会降低局部电场的畸变，所以介质损耗值下降。

2.3工频介损的测试及分析

运用HAEFELY-2877型全自动西林电桥对电缆试样的在四个电压等级0.5U0、U0、1.5U0、2U0的工频介质损耗进行测试，选取3类老化到180天的电缆试样开展研究。

电缆试样的工频介质损耗值均随着电压升高而增加，在相同测试电压下，含中间接头的电缆试样的工频介质损耗最大，仅热老化的电缆试样工频介质损耗最小，与0.1Hz下的介质损耗规律一致。比较工频介质损耗和0.1Hz介质损耗值可知，在同一老化天数下，不同电压下的0.1Hz下的介质损耗的测试结果均大于工频介质损耗的测试结果，0.1Hz下的介质损耗的变化率也大于工频介质损耗变化率。

线芯注水对工频介质损耗基本没有影响。这是因为工频下无功损耗远大于有功损耗，电导导致的有功损耗影响减小。综上可知，0.1Hz下的介质损耗测试对受潮环境比较敏感，而工频测试对受潮环境不敏感。

三类电缆随着老化天数的增加工频介质损耗因数整体是呈上升趋势的，仅热老化的电缆测试结果变化较为平缓。这是因为电缆水树老化通常在半导电层与绝缘层的交界面引发，老化后具有中间接头的电缆较热老化电缆和正常处理电缆而言，其接头处的绝缘层中存在更多的微孔与含离子水和亲水性极性端基等。在高压的作用下，浅陷阱电荷极易流入水树缺陷区，且浅陷阱电荷的注入量由绝缘的水树老化程度所决定。随着XLPE电缆绝缘水树老化程度的加深，电缆绝缘层的含水量及微孔数量等不断增加，更容易捕获空间电荷，捕获的空间电荷数量增加，进而使得水树缺陷区域的电导率变大致使介质损耗增加。

3基于老化因子的水树老化状态评估

3.1等温松弛电流法

PDC如果在一定的温度和环境下仅测试分析其退极化电流部分，即为等温松弛电流法。依据Simmons和Tam的发表的理论，XLPE中的陷阱是离散地分布在整个能级上。因为分布具有对称关系，所以只需分析被电子占据处于费米能级以上的区域即可。根据Simmons等学者的研究，绝缘材料内部的缺陷位置及类型与其退极化电流存在联系。在温度恒定的条件下电荷可以跃出绝缘介质形成短路电流，因此这个短路电流的等级就可以衡量绝缘介质中陷阱的密度，短路电流衰减的速率可以判断出其陷阱的深度。退极化电流Id与时间的乘积则表示绝缘介质内部陷阱的分布情况。

3.2等温松弛极化电流测试装置

由等温松弛极化原理可知，只需测取电缆绝缘的去极化电流，因此可以直接施加直流高压对电缆绝缘进行极化，极化后将绝缘短路放电，然后通过皮安表测试即可。由于极化时绝缘存在表面电荷，须先将绝缘对地短接放电再行测量去极化电流。

图4测试系统接线原理图

3.3老化因子测试

XLPE电缆水树老化是由于多种外部或内部原因引发的，并且电缆绝缘内部具有多种复合材料和不同的老化类型，Debye模型只有单一的极化常数不足以说明电缆绝缘老化情况和内部缺陷类型。电缆的老化因子A随时间增加而增大，说明经历了180天的加速水树老化试验，各试样电缆都发生了不同程度上的劣化。

4结语

提出并搭建了水浴加热方式下的水树老化试验方案和试验装置，在实验室条件下开展基于介质损耗因数的电缆绝缘水树老化评估技术研究。验证了XLPE电缆发生了水树老化，且老化程度逐渐加深，介质损耗和老化因子也逐渐增加。

参考文献：

[1]叶刚，姚星辰，李涛等.XLPE电缆绝缘老化的时频域介电特性[J].高电压技术，2018,44(11):3713-3719.

[2]霍振星.基于10kVXLPE电缆的绝缘老化分析研究[D].天津大学,2009.

[3]王雅群，尹毅，李旭光，等.等温松弛电流用于 10kV XLPE 电缆寿命评估 的方法[J]. 电工技术学报,2009,24(09):33-37+52.