CN102759690A - 一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法，是通过空间电荷测量及理化性能测试，综合对比计算出的未老化、老化一年及运行30年电缆的羰基指数，得到交流电缆绝缘不同的老化规律，其特征是将不同老化程度三种电缆试样干燥后先后经过电荷积累特性测试、失重百分率测定并计算活化能TG值、红外光谱分析并计算羰基指数，然后绘制羰基指数与试样位置及老化时间的关系曲线。根据所获得的测试数据，综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度。

Description

一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法

技术领域

本发明涉及一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法，具体为采用空间电荷测量与理化性能分析相结合的方法，对加速绝缘老化电缆及长期实际运行电缆的老化状态进行评估，并评判XLPE交流电缆绝缘老化程度。属电力系统测量技术领域。

背景技术

交联聚乙烯(XLPE)电缆广泛应用于电力输电网络。针对这种电缆绝缘老化程度的测量与评判是一项重要内容，有利于对老化后电缆的更换提出准确的建议。通过直流电场作用，测量电缆绝缘中空间电荷方法是一种评估直流电缆绝缘老化的常用技术，但应用于高电场强度交流电缆的绝缘老化状态的评估，还缺乏通过选取评判实际运行情况下电缆绝缘老化状态的表征参数，再比较表征参数对电缆绝缘老化状态进行评价的方法。未老化、加速老化和实际运行老化电缆绝缘的测量数据变化规律可以反映不同老化方式下绝缘的老化规律，但电缆绝缘老化状态的评判并不能仅靠简单的比较上述三种样品测量数据即可得出。

中国发明专利《交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法》（申请号：200610041888.9）解决了直流成分法在线监测电缆绝缘老化状态中的干扰问题，但只能用于中低压电缆老化状态的评价，没有适应不同电压等级的可揭示电缆绝缘老化规律和选取老化表征参数方面内容；《一种检测中压固体绝缘电力电缆寿命的方法》（申请号：200810202541.7）公开的是通过宏观参数对老化状态进行表征，不涉及能够反映老化规律和老化状态的微观参数内容；《聚合物电力电缆绝缘加速电树老化的试验方法及装置》（申请号：200910103045.0）公开的，是研究电树老化过程中的放电现象以及分析电树老化对绝缘形态（通过显微照相）的影响，而对于评判电缆老化状态没有价值；《交联聚乙烯电缆绝缘老化检测系统》（申请号：201120042784.6）公开的，是一种用于电缆及附件局部放电检测的系统，主要通过接收局部放电过程中的超高频信号和声信号，达到提高检测灵敏度和准确度目的。由于局放信号的测量与老化状态的诊断之间还没有完全建立起因果联系，因此测得的局放信号并不能表示对电缆老化进行了检测，该专利中也没有相应描述。一种通过空间电荷测量、结合理化性能分析方法，判定交流电缆在不同老化方式下老化规律，同时指导选取评判实际运行情况下电缆绝缘老化状态的表征参数，通过比较表征参数对电缆绝缘老化状态进行评价，未见于各类公开的内容中。

发明内容

本发明公开一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法，通过空间电荷测量、结合理化性能分析，判定交流电缆在不同老化方式下老化规律，同时指导选取评判实际运行情况下电缆绝缘老化状态的表征参数，通过比较表征参数对电缆绝缘老化状态进行评价，准确提出交流电缆可否更换建议，达到安全、经济运行目的。

本发明的技术方案是：一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法，是通过空间电荷测量及理化性能测试，并计算出每个试样的羰基指数，再综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度方法；所述空间电荷测量及理化性能测试，并计算出每个试样的羰基指数步骤是：

⑴    试样选取：选取从未老化、工频交流加速老化一年以及实际运行30年的三类交流XLPE电缆，分别沿径向从内、中、外三层中取出9个绝缘介质试样；

⑵    真空干燥：将所述9个试样放置于80℃真空烘箱内，干燥8 h；

⑶    空间电荷测量：选用电声脉冲法（PEA）空间电荷测量装置，其中上电极为半导体电极，下电极是铝电极，声耦合剂为硅油，对干燥后的每一个试样，施加30 kV/mm直流电场，测量在20 min时间内试样的空间电荷分布特性，从而得到试样的电荷积累特性；

⑷    热失重分析：采用TGA851型热重分析仪，在常压充N₂环境中对试样进行热失重分析，测定失重百分率，并计算其活化能TG值，绘制TG值曲线图，设定温度范围为50℃～600℃，升温速率为10℃/min；

⑸    计算羰基指数：采用IRpresitge-21型红外光谱仪对试样进行红外光谱分析，并计算出每个试样的羰基指数，绘制羰基指数与试样位置及老化时间的关系曲线；

所述综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度方法是：

第一步：根据交流XLPE电缆绝缘的电荷积累特性曲线评判绝缘的绝缘老化程度，沿电缆径向由内向外，未老化电缆绝缘电荷积聚量逐渐增加；加速老化1年电缆电荷量先略增后下降；实际运行30年电缆电荷量逐渐增加；

第二步：根据测定的活化能TG值曲线评判绝缘的绝缘老化程度，沿电缆径向由内向外，实际运行30年及未老化的XLPE电缆绝缘介质活化能降低；加速老化1年的XLPE电缆绝缘介质活化能向内部降低；

第三步：根据计算出的每种试样羰基指数，绘制羰基指数与试样位置及老化时间的关系曲线，评判试样的绝缘老化程度，未老化电缆由内到外羰基指数基本一致；老化1年电缆的羰基指数最高，且由内到外逐渐降低；实际运行30年电缆的羰基指数在电缆中侧较低，但内、外侧较高。

本发明的有益效果是：综合对比计算出的未老化、老化一年及运行30年电缆的羰基指数，得到交流电缆绝缘不同的老化规律。同时，结合空间电荷测量和理化性能分析选择合理的表征参数，根据在不同老化状态下电缆绝缘积累的数据，可以对实际运行的电缆绝缘老化状态进行准确的评判。

附图说明

附图1为未老化电缆在室温20℃空间电荷分布图；

附图2为加速老化1年电缆在室温20℃空间电荷分布图；

附图3为实际运行30年电缆在室温20℃空间电荷分布图；

附图4为不同电缆位置处空间电荷积聚特性的变化曲线图；

附图5为不同试样Tg活化能与位置及老化时间的关系曲线图；

附图6为不同老化试样羰基指数与位置的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对发明实施例作进一步说明：参照附图1～附图6，本发明一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法，是通过空间电荷测量及理化性能测试，并计算出每个试样的羰基指数，再综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度方法。其中空间电荷测量及理化性能测试、并计算出每个试样的羰基指数方法按如下步骤进行：

⑴     首先从未老化、加速1年老化及实际运行30年的交流XLPE电缆中，沿径向从外、中、内三层分别取出9种绝缘介质试样。

⑵ 再将所述9个试样同时放置于80℃真空烘箱内， 8 h。所述加速老化一年电缆的加速老化条件是：1.7U₀（216 kV）电压下老化一年（8760 h）。每24 h为一个加热循环，其中加热8 h，冷却16 h，每一个加热循环中，需确保电缆中导体的温度在95～100℃，至少保持2 h。

⑶     选用电声脉冲法（PEA）空间电荷测量装置（其中上电极为半导体电极，下电极是铝电极，声耦合剂为硅油），对干燥后的每一个试样，施加30 kV/mm直流电场，分别测量在20 min时间内试样的空间电荷分布特性值（单位：C/m³），得到的各个试样的电荷积累特性表（附图1～3）。

附图1中，自左至右，分别是未老化220kV电缆绝缘外、中、内三个试样在电场30kV/mm作用下加压20min空间电荷变化图，由图1可见，对于未老化电缆，从绝缘外层到内层，主要表现为阳极（Al电极）注入同极性正电荷，且注入电荷量从绝缘外层到内层逐渐减少。

附图2中，自左至右，分别是加速老化1年的220kV电缆绝缘外、中、内三个试样在电场30kV/mm作用下加压20min空间电荷变化图。由图2可见，对于加速老化1年电缆，在绝缘体内出现了大量的异极性电荷，且异极性电荷主要分布在绝缘中间。

附图3中，自左至右，分别是实际运行30年的110kV电缆绝缘外、中、内三个试样在电场30kV/mm作用下加压20min空间电荷变化图。由图3可见，对于实际运行30年电缆，在绝缘体外侧呈现大量的异极性电荷。

如附图4所示，自左至右，分别为未老化电缆、加速老化1年电缆、实际运行30年电缆不同位置的空间电荷积聚特性变化曲线图，图中横轴为自电缆内向外径向位置（inner=内层、mid=中层、outer=外层），纵轴是空间电荷积聚特性Q值（单位：C/mm³）。由图4可知，沿电缆径向由内向外，未老化电缆绝缘电荷积聚量逐渐增加；加速老化1年电缆电荷量先略增后下降；实际运行30年电缆电荷量逐渐增加。电缆老化过程中小分子的产生有利于空间电荷的积累。加速老化过程中，线芯温度很高，老化起始于内部，内侧热老化及电老化严重，性能下降快。而实际运行30年电缆线芯温度并不高，电缆运行过程中，内侧绝缘处于低温长时间热处理状态，内侧性能在一定程度上会有所提高，而运行的电缆外侧受到环境因素的影响老化严重。

⑷     采用TGA851型热重分析仪，在常压充N₂环境中对9个试样进行热失重分析，测定其活化能TG值，绘制TG值曲线图，设定温度范围为50℃～600℃，升温速率为10℃/min。

如图5所示，分别为未老化电缆、加速老化1年电缆、实际运行30年电缆不同位置的活化能TG值变化曲线图，图中横轴为自电缆内向外径向位置（inner=内层、mid=中层、outer=外层），纵轴是活化能TG值（单位：kJ/mol）。由于活化能的大小与电缆绝缘老化中的热裂解反应难易成正比，附图5中，沿电缆径向由内向外，实际运行30年及未老化的XLPE电缆绝缘介质活化能降低；加速老化1年的XLPE电缆绝缘介质活化能向内部降低。

⑸     采用IRpresitge-21型红外光谱仪对试样进行红外光谱分析，并计算出每个试样的羰基指数。

如附图6所示，分别为未老化电缆、加速老化1年电缆、实际运行30年电缆不同位置，由红外测量结果得出的羰基指数与试样位置关系曲线图（其中：inner=内层、middle=中层、outer=外层）。羰基吸收峰是一系列羰基衍生物的吸收，通常将XLPE谱带1710cm^-1处出现羰基吸收峰作为材料老化的判断依据，同时谱带2010cm^-1处基本不变。因此1710cm^-1处吸收峰与2010cm^-1处吸收峰的比值，即羰基指数，可用于表征老化电缆的热氧化老化程度。由附图6可知，未老化电缆由内到外羰基指数基本一致（图6中位于下部曲线）；老化1年电缆的羰基指数最高（图6中位于上部曲线），且由内到外逐渐降低，这表明加速老化1年电缆的老化过程是由内向外发展的；实际运行30年电缆的羰基指数在电缆中侧较低（图6中位于中间曲线），表明老化过程在内外两侧开始进行。

本发明通过对未老化、加速老化1年和实际运行30年的交流电缆试样进行空间电荷测量和理化性能测试分析，可以得到交流电缆绝缘不同的老化规律。综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度方法是：

第一步：根据交流XLPE电缆绝缘的电荷积累特性曲线评判绝缘的绝缘老化程度，沿电缆径向由内向外，未老化电缆绝缘电荷积聚量逐渐增加；加速老化1年电缆电荷量先略增后下降；实际运行30年电缆电荷量逐渐增加；

第二步：根据测定的活化能TG值曲线评判绝缘的绝缘老化程度，沿电缆径向由内向外，实际运行30年及未老化的XLPE电缆绝缘介质活化能降低；加速老化1年的XLPE电缆绝缘介质活化能向内部降低；

第三步：根据计算出的每种试样羰基指数，绘制羰基指数与试样位置及老化时间的关系曲线，评判试样的绝缘老化程度，未老化电缆由内到外羰基指数基本一致；老化1年电缆的羰基指数最高，且由内到外逐渐降低；实际运行30年电缆的羰基指数在电缆中侧较低，但内、外侧较高。

依据本发明所述的结合空间电荷测量和理化性能分析选择合理的表征参数，根据在不同老化状态下电缆绝缘积累的数据，可以对实际运行的电缆绝缘老化状态进行准确的评判。

Claims (1)

1.一种评判交流电缆绝缘老化程度的方法，是通过空间电荷测量及理化性能测试，并计算出每个试样的羰基指数，再综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度方法；

所述空间电荷测量及理化性能测试，并计算出每个试样的羰基指数步骤是：

（1）试样选取：选取从未老化、工频交流加速老化一年以及实际运行30年的三类交流XLPE电缆，分别沿径向从内、中、外三层中取出9个绝缘介质试样；

（2）真空干燥：将所述9个试样放置于80℃真空烘箱内，干燥8 h；

（3）空间电荷测量：选用电声脉冲法（PEA）空间电荷测量装置，其中上电极为半导体电极，下电极是铝电极，声耦合剂为硅油，对干燥后的每一个试样，施加30 kV/mm直流电场，测量在20 min时间内试样的空间电荷分布特性，从而得到试样的电荷积累特性；

（4）热失重分析：采用TGA851型热重分析仪，在常压充N₂环境中对试样进行热失重分析，测定失重百分率，并计算其活化能TG值，绘制TG值曲线图，设定温度范围为50℃～600℃，升温速率为10℃/min；

（5）计算羰基指数：采用IRpresitge-21型红外光谱仪对试样进行红外光谱分析，并计算出每个试样的羰基指数，绘制羰基指数与试样位置及老化时间的关系曲线；

所述综合评判交流XLPE电缆绝缘老化程度方法是：

第一步：根据交流XLPE电缆绝缘的电荷积累特性曲线评判绝缘的绝缘老化程度，沿电缆径向由内向外，未老化电缆绝缘电荷积聚量逐渐增加；加速老化1年电缆电荷量先略增后下降；实际运行30年电缆电荷量逐渐增加；

第二步：根据测定的活化能TG值曲线评判绝缘的绝缘老化程度，沿电缆径向由内向外，实际运行30年及未老化的XLPE电缆绝缘介质活化能降低；加速老化1年的XLPE电缆绝缘介质活化能向内部降低；

第三步：根据计算出的每种试样羰基指数，绘制羰基指数与试样位置及老化时间的关系曲线，评判试样的绝缘老化程度，未老化电缆由内到外羰基指数基本一致；老化1年电缆的羰基指数最高，且由内到外逐渐降低；实际运行30年电缆的羰基指数在电缆中侧较低，但内、外侧较高。

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