CN102830309A - 110kV交联电缆的老化因子的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了110kV交联电缆的老化因子的测试方法，包括以下步骤：（1）对电缆进行预处理；（2）对电缆两端进行电磁屏蔽；（3）对电缆进行极化；（4）对电缆进行瞬间短路；（5）采用等温松弛电流法测试由无定形与晶体界面产生的极化电流I₂及由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子产生的极化电流I₃；记录不同时刻t的I₂、I₃值；（6）分别计算极化电流I₂、I₂对应的时间常数τ₂、τ₃；(7)根据公式

计算老化因子。本发明的方法可以在无需参考敷设电缆的运行历史的条件下获得电缆的残余寿命，测试结果更加可靠，为城市电网改造工作提供更准确的指导。

Description

110kV交联电缆的老化因子的测试方法

技术领域

本发明涉及电缆的测试领域，特别涉及110kV交联电缆的老化因子的测试方法。

背景技术

高压交联电缆的剩余寿命研究一直是人们的关注焦点。在我国，交联聚乙烯绝缘电力电缆的使用已有多年，运行时间在10年以上的110kV交联电缆数量也已经很多，以广州市为例，110kV交联电缆运行时间超过10年以上的长度有几百公里，而这些电缆由于出自不同的生产厂家以及不同的敷设条件和运行条件等等，目前的质量情况和寿命状态也不尽相同。确切地了解这些电缆的质量状况对于电网的安全运行以及今后的电网规划意义非常重大，但是就目前的技术手段如果想对在线运行的电缆进行质量检测或寿命评估是难以实现的，且没有合理的实验方案。

逐级升压法和回复电压法是目前用得较多的两种对电缆进行寿命评估的有效方法，但是这两种方法都具有一定的不可避免的缺点。回复电压法主要由两个那以避免的缺点：一个是受电缆长度影响比较大，第二个是对测试时间的要求太长；逐级升压法也是有两个缺点：其一是在实验过程中需要与芯电缆进行对比，还有一个就是此法不能辨别电缆的集中性缺陷与分布性缺陷，这些缺点对这两种方法的推广与应用造成很大的限制。

等温松弛电流法是一种非破坏性的电缆寿命评估试验方法，不仅可以给出绝缘的老化状况，还可以在无需参考敷设电缆的运行历史的条件下获得电缆的残余寿命。等温松弛电流法是将等温松弛电流谱与破坏性试验方法获得的电缆残余寿命之间的相关性进行了分析，发现等温松弛电流谱与残余寿命之间存在明确的数学对应关系，并据此建立了完整的数据库，用于指导电缆寿命评估工作。但用等温松弛电流法评估110kV交联电缆的目前尚未见报道。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于等温松弛电流法测试110kV交联电缆的老化因子的方法，测试结果更加可靠。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

110kV交联电缆的老化因子的测试方法，包括以下步骤：

（1）对电缆进行预处理；

（2）对电缆两端进行电磁屏蔽；

（3）对电缆进行极化；

（4）对电缆进行瞬间短路；

（5）采用等温松弛电流法测试由无定形与晶体界面产生的极化电流I₂及由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子产生的极化电流I₃；记录不同时刻t的I₂、I₃值；

（6）根据以下公式分别计算极化电流I₂、I₂对应的时间常数τ₂、τ₃；

$I_2=a_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_2}}$

$I_3=a_3{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_3}}$

其中，a₂、a₃为与电介质材料的特性常数；

(7)根据公式

计算老化因子。

步骤（1）所述对电缆进行预处理，具体为：

将电缆两端的外屏蔽层剥离，用无水乙醇清洗剥离过程中留下的污垢。

步骤（2）所述对电缆两端进行电磁屏蔽，具体为：

采用可伸缩铝箔波纹管对电缆两端进行屏蔽处理。

步骤（3）所述对电缆进行极化，具体为：

将电缆的一端可靠绝缘，另一端的导体接极化用高压直流电源的正极，外金属屏蔽接地，极化时间1800s。

步骤（4）所述对电缆进行瞬间短路，具体为：

使用1MΩ电阻对电缆进行瞬间短路，短路时间为5s。

本发明的110kV交联电缆的老化因子的测试方法的理论依据如下：

从绝缘材料微观角度考虑，由于试验所用交联聚乙烯材料中可能存在微小气泡气泡等缺陷部位的介电常数比周围绝缘物的介电常数小得多，场强就较大，当场强达到一定数值时，缺陷处的气体会被击穿，缺陷处就会产生局部放电。对电极施加直流极化电压后会有电荷填充到电缆的缺陷中，产生电极化现象。一般说来，电介质在恒定电场作用下，从建立极化到其稳定状态，是要经过一定时间的。而影响时间长短的因素主要为松弛极化，每一种松弛极化强度与时间关系可用下式表示：

P_r=P_rm(1-e^(-t/τ))        (1)

其中P_r为松弛极化强度；P_rm为稳态松弛极化强度；τ为松弛极化时间常数。

在建立极化的过渡过程中，研究表明当极化强度P是时间常数时，作用于微观粒子上的电场强度E亦为时间的函数,且电场强度与时间的关系可以用（1）式的形式表示,结果如下：

P_r=ε₀(ε_s-ε_∞)E         (2)

其中E为介质中宏观平均电场强度；ε₀表示真空介电常数；ε_s表示介质的静态介电常数，即介质在直流电场作用下的介电常数。

由于电缆中的缺陷可以理解为微小的电容器，由电容器性质知当电容器两端加变化的电场时，电容器内会形成位移电流，而位移电流与场强的关系可用下式表示：

$I_d=a\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

a为常数，其值与缺陷等效电容值、空隙大小及介质介电常数有关。

当移去直流极化电压，电缆中的电荷Q会有一部分电荷缓慢放电到零，产生松弛极化电流，它是时间的函数，并随时间的增长而减小，最后降至为零。由(1)、(2)和(3)式得松弛电流可用下式表示

I(t)=I_ae^-t/τ            (4)

I_a表示开始时松弛电流值，其值为：

$I_a=\frac{-\mathrm{cd}{P}_{\mathrm{rm}}}{\mathrm{\τ}{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞})}---\left(5\right)$

C、d分别表示缺陷的等效电容值、间隙。

通过试验测量电缆的等温松弛电流，可以了解电缆中的缺陷情况，由于缺陷情况反映了电缆老化情况，即可采用等温松弛电流法检测电缆老化情况，达到预估电缆剩余寿命的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

本发明通过采用等温松弛电流法测试110kV交联电缆的老化因子，无需破坏性电缆即可测得老化因子，从而根据老化因子判断110kV交联电缆的老化情况及评估其寿命，可以在无需参考敷设电缆的运行历史的条件下获得电缆的残余寿命，测试结果更加可靠。采用发明的方法可以在了解了电缆的剩余寿命后较为准确的指导城市电网改造工作，例如电缆改造前可以考虑先对城市电缆取样，进行等温松弛试验，在得知试验结果后再对存在的电缆进行更换，这样不仅可以及时发现并更换电网中那些存在安全隐患的老化电缆，而且可以防止因为对一些运行良好的电缆进行不必要的更换而带来的材料浪费，更好的实现电网材料的节约。

附图说明

图1为本发明的110kV交联电缆的老化因子的测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，110kV交联电缆的老化因子的测试方法，包括以下步骤：

（1）对电缆进行预处理：

将电缆两端的外屏蔽层剥离，用无水乙醇清洗剥离过程中留下的污垢。

（2）采用可伸缩铝箔波纹管对电缆两端进行电磁屏蔽：

（3）对电缆进行极化：将电缆的一端可靠绝缘，另一端的导体接极化用高压直流电源的正极，外金属屏蔽接地，极化时间1800s。

（4）对电缆进行瞬间短路；

（5）采用等温松弛电流法测试由无定形与晶体界面产生的极化电流I₂及由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子产生的极化电流I₃；记录不同时刻t的I₂、I₃值；

（6）根据以下公式分别计算极化电流I₂、I₂对应的时间常数τ₂、τ₃；

$I_2=a_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_2}}$

$I_3=a_3{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_3}}$

其中，a₂、a₃为与电介质材料的特性有关的未知参数；

（7）根据公式

计算老化因子，可根据表1判断电缆的寿命情况。

表1老化因子M与电缆老化情况的关系

本实施例选用南方某市中已经运行十几年的电缆进行试验，对本发明的方法进行实验验证：

选取的样品为电压等级110kV、截面400mm²的交联电缆及接头，数量共7根，每一根样品长度约20m，中间各带一个电缆接头。在试验研究过程中，将每一根样品截成长、短两段，作为试验样品。长样品中间包含软接头，总长度约15m；短样品长度为5m，并将样品按照如下规则进行编号：L：长电缆样品（带接头）；S：短电缆样品（不带接头）A：未经电热老化样品；B：经电热老化样品；1-7分别表示实验对电缆的编号。

按上述110kV交联电缆的老化因子的测试方法，测量I₂、I₃，计算时间常数τ₂、τ₃，同时也测量主极化电流I₁，并计算其对应的时间常数τ₁，得到的试验结果如表2、表3所示。

表2长样电热老化前后松弛时间与老化因子值对比

表3未经老化短样的松弛时间与老化因子值

表2内的数据比较可得：未经老化处理的长电缆样品的老化因子值分布在1.67~2.52范围之内，其中只有第一、第二组的老化因子在2.0以上，由于电缆运行环境和运行年限有所差异，电缆老化状况是不相同的，所以出现这种结果也是合理的。经过老化处理的长电缆样品的老化因子都在1.9以上，老化因子值分布在1.93~2.76范围之内；经老化与未经老化电缆老化因子差值分布在0.20—0.48范围之内，长样中经过老化处理的电缆都要比没有经过老化处理的电缆的老化因子大，其中第2、3、4、6组的差值幅度相近，其差值平均值为0.23，第1、5、7组的差值幅度相同，其差值平均值为0.47，这符合实际情况。

在表2中，对于长电缆样品，每一组中未经老化处理和经过老化处理的电缆样品试验数据对比可知：经过老化处理的电缆样品的τ₁、τ₂、τ₃基本上比未经老化处理的电缆样品小（只有第二组和第三组例外），由⑴式可得，此时经老化处理的电缆样品的松弛电流衰减的较快，在较短的时间内松弛电流趋于稳定，表明电缆缺陷较多，在老化因子上反映为老化因子M偏大，即电缆老化严重。

表2和表3的共同特征：长电缆和短电缆样品的试验数据都满足τ₁<τ₂<τ₃，说明电缆内部不同结构对松弛电流的影响是不同的(电缆内部主体极化对老化因子值的影响较小)，这也是符合国内外大量试验研究的；同时由表中数据显示，τ1的值要远远小于τ2和τ3的值，考虑到在长短样电缆老化过程中主体极化变化比较小，而无定形与晶体界面和金属盐与水和离子界面由电缆老化引起的变化较大，故实验结果中τ1远小于τ2、τ3值是合理的，这也说明了为什么计算老化因子时主要考虑τ2和τ3的值而忽略τ1的值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.110kV交联电缆的老化因子的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对电缆进行预处理；

（2）对电缆两端进行电磁屏蔽；

（3）对电缆进行极化；

（4）对电缆进行瞬间短路；

（5）采用等温松弛电流法测试由无定形与晶体界面产生的极化电流I₂及由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子产生的极化电流I₃；记录不同时刻t的I₂、I₃值；

（6）根据以下公式分别计算极化电流I₂、I₂对应的时间常数τ₂、τ₃；

$I_2=a_2{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\&tau;}}_2}}$

$I_3=a_3{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\&tau;}}_3}}$

其中，a₂、a₃为与电介质材料的特性常数；

(7)根据公式

计算老化因子。

2.根据权利要求1所述的110kV交联电缆的老化因子的测试方法，其特征在于，步骤（1）所述对电缆进行预处理，具体为：

将电缆两端的外屏蔽层剥离，用无水乙醇清洗剥离过程中留下的污垢。

3.根据权利要求1所述的110kV交联电缆的老化因子的测试方法，其特征在于，步骤（2）所述对电缆两端进行电磁屏蔽，具体为：

采用可伸缩铝箔波纹管对电缆两端进行屏蔽处理。

4.根据权利要求1所述的110kV交联电缆的老化因子的测试方法，其特征在于，步骤（3）所述对电缆进行极化，具体为：

将电缆的一端可靠绝缘，另一端的导体接极化用高压直流电源的正极，外金属屏蔽接地，极化时间1800s。

5.根据权利要求1所述的110kV交联电缆的老化因子的测试方法，其特征在于，步骤（4）所述对电缆进行瞬间短路，具体为：

使用1MΩ电阻对电缆进行瞬间短路，短路时间为5s。