CN102778638A - 一种判定xlpe电缆绝缘水树老化状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过测试电缆绝缘的介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失等数据，对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法，可以更加准确的从微观角度对XLPE电缆绝缘性能的优劣进行评判，尤其是对发生水树的电缆绝缘老化状态进行有效的评估。当电缆绝缘试样出现：低频处损耗峰peaka对应的活化能≈0.14eV、低频0.1Hz的电导率随老化时间变化最大、在2700cm^-1处观测不到甲基团值、片晶厚度小于54.34×10^-10m等特征时，电缆绝缘水树老化程度较高。

Description

一种判定XLPE电缆绝缘水树老化状态的方法

技术领域

本发明涉及一种判定XLPE电缆绝缘水树老化状态的方法，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。在干燥环境中该种电缆绝缘的电气和机械性能十分优越，但潮湿环境中，因绝缘材料水树老化快而提前进入老化期。针对运行中的电缆，采用准确判别方法判定其老化程度，有利于系统的安全经济运行，十分必要。中国发明专利《一种电缆主绝缘体水树现象起始点的测试方法》（申请号：200710171889.X）给出了一种测试电缆主绝缘水树现象起始点数量的方法，其创新点在于通过测量半导电层析出导电离子的浓度来计算水树起始点的数量；发明专利《小微孔无水树交联电缆》（申请号：01267233.5）仅是通过降低绝缘内部微孔尺寸和在电缆屏蔽层表面微孔填充硅油来防止电缆绝缘水树老化的方法，没有评估和诊断电缆绝缘水树老化状态内容。一种利用介电谱、红外光谱、差示扫描量热分析等测试方法，从介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失等几个角度对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断，未见相关报道。

发明内容

本发明是对背景技术提出的问题，公开一种通过测试电缆绝缘的介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失等数据，对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法，可以更加准确的从微观角度对XLPE电缆绝缘性能的优劣进行评判，尤其是对发生水树的电缆绝缘老化状态进行有效的评估，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：一种判定XLPE电缆绝缘水树老化状态的方法，是通过测试电缆绝缘的介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失数据，对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法，实现过程如下：

⑴ 试样选取：选取未老化、老化120天和老化180天三种电缆，切取电缆上的绝缘薄片为试样，并命名为A、B和C；

⑵计算活化能：将A、B和C三个试样放在温度为--40～20℃（10℃或20℃测试间隔）环境中，分别测试在频率0.1Hz～10⁵Hz范围内的介电谱，观察低频损耗峰（tanδ）的变化，并通过Arrhenius公式对损耗峰值活化能进行计算；

⑶测定电导率：从0.1Hz到工频50Hz取三个频率点，获得电导率随老化时间的的增长规律；

⑷测定甲基团：通过红外光谱测试分析，主要观察试样的中甲基团随老化时间的变化；

⑸ 计算片晶厚度：差示扫描量热分析是在60～160℃进行，升温速率为10℃/min。从测试数据中分别获得试样熔融峰的温度，然后通过公式T_m=T_m0(1-2σ_e/(△H_mL))求得片晶厚度随老化时间的变化；

所述对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法是：

第一步：A试样介电损耗值≈0.01，而且只有高频一个固有的本征损耗峰peakβ；B和C试样低频损耗明显增大，通过分峰可发现低频处有一个新的损耗峰peakα，由Arrhenius公式计算出peak a对应的活化能≈0.14 eV，该能级的出现即可证明电缆绝缘水树老化严重；

第二步：根据测定的试样在低频0.1Hz，1Hz和50Hz处电导率随老化时间的关系曲线，判定低频0.1Hz的电导率随老化时间变化最大；

第三步：根据红外光谱曲线，观测试样在2700 cm^-1处的甲基团值，如该处甲基团值观测不到，则说明电缆的水树老化程度高；

第四步：根据公式T_m=T_m0(1-2σ_e/(△H_mL))求电缆绝缘片晶厚度，A试样绝缘片晶厚度≥54.34×10^-10m，B或C试样绝缘的片晶厚度小于54.34×10^-10m。

本发明的有益效果是：通过对老化前后试样介电性能和理化性能测试分析，可以得到介电损耗、低频电导率、甲基团以及片晶厚度是对水树老化比较敏感几个参数，可以对XLPE电缆绝缘水树老化状态进行准确评估。因此，结合介电性能和理化性能分析，选择合理的表征参数，可以对电缆绝缘的水树老化进行准确的评判。

附图说明

附图1为未老化绝缘试样A在不同下介电损耗与频率的关系曲线；

附图2为老化120天绝缘试样B在不同下介电损耗与频率的关系曲线；

附图3为老化180天绝缘试样C在不同下介电损耗与频率的关系曲线；

附图4为老化180天绝缘试样C的低频损耗峰 peak α对应活化能曲线；

附图5为试样A、 B和C的低频电导率随老化时间变化关系曲线；

附图6为试样A、 B和C的红外光谱图；

附图7为试样A、 B和C的差式扫描量热分析测试曲线图。

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7，本发明一种判定XLPE电缆绝缘水树老化状态的方法，是通过测试电缆绝缘的介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失数据，对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法，其中测试电缆绝缘的介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失数据的操作过程如下：

⑹ 试样选取：选取未老化、老化120天和老化180天三种电缆，切取电缆上的绝缘薄片为试样，并命名为A、B和C；

⑺计算活化能：将A、B和C三个试样放在温度为--40～20℃（10℃或20℃测试间隔）环境中，分别测试在频率0.1Hz～10⁵Hz范围内的介电谱，观察低频损耗峰（tanδ）的变化，并通过Arrhenius公式对损耗峰值活化能进行计算；

⑻测定电导率：从0.1Hz到工频50Hz取三个频率点，获得电导率随老化时间的增长规律；

⑼测定甲基团：通过红外光谱测试分析，主要观察试样的中甲基团随老化时间的变化；

⑽ 计算片晶厚度：差示扫描量热分析是在60～160℃进行，升温速率为10℃/min。从测试数据中分别获得试样熔融峰的温度，然后通过公式T_m=T_m0(1-2σ_e/(△H_mL))求得片晶厚度随老化时间的变化。

根据以上测试过程，针对测试结果进行比较与计算，即可对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断，其方法及步骤如下：

第一步：未老化的试样损耗很低，如图1所示的A试样，其介电损耗值≈0.01，而且只有高频一个固有的本征损耗峰peakβ；而图2所示B试样、图3所示C试样的低频损耗明显增大，通过分峰可发现低频处有一个新的损耗峰peakα，由图4可知，根据Arrhenius公式计算出peaka对应的活化能≈0.14 eV，该能级的出现是电缆绝缘水树老化严重的一个重要标志。

第二步：如图5所示，是根据测定的试样在低频0.1Hz，1Hz和50Hz处电导率随老化时间的关系曲线，判定低频0.1Hz的电导率随老化时间变化最大，因此，低频电导是对电缆绝缘水树老化敏感的一个参数。

第三步：如图6所示，是不同老化的试样A、B和C的红外光谱曲线图，根据该红外光谱曲线，观测试样在2700 cm^-1处的甲基团值，很明显老化后试样B和C在2700 cm-1处（D处是甲基团观测处）的甲基团观测不到，这被看作试样水树老化的结果。

第四步：如附图7所示，为试样A、 B和C的差式扫描量热分析测试曲线图，不同老化试样的差式扫描量热分析测量参数如下表1所示，由图可见熔融峰温度随老化下降，如附图7中的柱状图所示。

表1

电缆绝缘试样	Tm/oC	ΔTm/oC	Tc/oC	ΔTc/oC	D/oC
						A	109.33	20.53	80.46	28.87	9.98
B	108.83	19.66	81.13	27.7	10.62
						C	107.83	20.61	81.80	26.03	10.76

根据公式T_m=T_m0(1-2σ_e/(△H_mL)) 可求得XLPE电缆绝缘片晶厚度随老化时间的变化值，如下表2所示，公式中：T_m表示熔融温度(熔融峰顶温度)，T_m0为厚度无限大晶体的平衡熔融温度，σ_e  为单位表面自由能，△H_m为单位体积聚乙烯晶体的熔融热，L为片晶厚度，其中，T_m0=414.6 K, ΔH_m= 2.88×10⁸ J·m^-3 and σ_e= 60.9×10^-3J·m^-2。由表2可知，A试样绝缘片晶厚度≥54.34×10^-10m，B或C试样绝缘的片晶厚度小于54.34×10^-10m，说明试样片晶厚度随老化时间逐渐降低。

电缆绝缘试样	A	B	C
				片晶厚度(×10-10) (m)	54.34	53.51	51.92

本发明通过对老化前后试样介电性能和理化性能测试分析，可以得到，介电损耗，低频电导率，甲基团以及片晶厚度是对水树老化比较敏感几个参数，可以对XLPE电缆绝缘水树老化状态进行准确评估。因此，结合介电性能和理化性能分析，选择合理的表征参数，可以对电缆绝缘的水树老化进行准确的评判。

Claims (1)

1.一种判定XLPE电缆绝缘水树老化状态的方法，其特征在于：是通过测试电缆绝缘的介电损耗峰、低频电导、片晶厚度变化和基团消失数据，对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法，实现过程如下：

 （1）试样选取：选取未老化、老化120天和老化180天三种电缆，切取电缆上的绝缘薄片为试样，并命名为A、B和C；

（2）计算活化能：将A、B和C三个试样放在温度为--40～20℃（10℃或20℃测试间隔）环境中，分别测试在频率0.1Hz～10⁵Hz范围内的介电谱，观察低频损耗峰（tand）的变化，并通过Arrhenius公式对损耗峰值活化能进行计算；

（3）测定电导率：从0.1Hz到工频50Hz取三个频率点，获得电导率随老化时间的的增长规律；

（4）测定甲基团：通过红外光谱测试分析，主要观察试样的中甲基团随老化时间的变化；

（5） 计算片晶厚度：差示扫描量热分析是在60～160℃进行，升温速率为10℃/min；从测试数据中分别获得试样熔融峰的温度，然后通过公式T _m=T _m0(1-2s_e/(△H _m L))求得片晶厚度随老化时间的变化；

所述对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断方法是：

第一步：A试样介电损耗值≈0.01，而且只有高频一个固有的本征损耗峰peakβ；B和C试样低频损耗明显增大，通过分峰可发现低频处有一个新的损耗峰peakα，由Arrhenius公式计算出peak a对应的活化能≈0.14 eV，该能级的出现即可证明电缆绝缘水树老化严重；

第二步：根据测定的试样在低频0.1Hz，1Hz和50Hz处电导率随老化时间的关系曲线，判定低频0.1Hz的电导率随老化时间变化最大；

第三步：根据红外光谱曲线，观测试样在2700 cm^-1处的甲基团值，如该处甲基团值观测不到，则说明电缆的水树老化程度高；

第四步：根据公式T _m=T _m0(1-2s_e/(△H _m L))求电缆绝缘片晶厚度，A试样绝缘片晶厚度≥54.34×10^-10m，B或C试样绝缘的片晶厚度小于54.34×10^-10m。

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