CN111766481B - 基于时间稳定性的xlpe电缆水树老化检测方法 - Google Patents

基于时间稳定性的xlpe电缆水树老化检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，通过对待测XLPE电缆进行连续多次极化‑去极化电流测试，以测试得到的极化电流和去极化电流为依据，得到电导电流系数，最后根据电导电流系数随测试次数的变化趋势判断XLPE是否存在水树老化，本发明基于水树老化随时间形变的蠕变特性，能够在多种老化方式并存的情况下保证对水树老化检出的准确性，从而能够在一定程度上减少由于水树老化而导致的击穿事故。

Description

基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法
技术领域
本发明属于电力电缆缺陷诊断技术，涉及XLPE电缆(交联聚乙烯电缆)老化检测技术，具体而言，涉及XLPE电缆的水树老化检测方法。
背景技术
随着XLPE电缆在配电网中大规模应用，在电缆运行过程中可能发生各种老化情况也逐渐显现。实际XLPE电缆的工作环境不同，其可能发生的老化情况的种类也不同。配电网中的XLPE电缆可能由于过负荷而导致热老化或是外护套破损进水等原因而导致水树老化，而在核电站中运行的电缆则还有可能受到辐照老化的威胁。多种老化因素相互作用效果下，电缆绝缘可能形成包含上述老化形式的复合老化。
水树老化作为一种局部缺陷，随着其长度的增加，可能使得尖端场强不断增加进而引发电树，最终导致绝缘击穿。因此，在复合老化形式下的电缆中准确分辨是否存在水树老化并进行处理就能够在一定程度上减少由于水树老化而导致的击穿事故。
申请号为CN201210213996.5的专利申请文件公开了一种判定XLPE电缆绝缘水树老化的方法，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等数据，对电缆绝缘水树老化程度进行综合评估和诊断；该方法主要研究的是单因子水树老化，主要关注电缆的整体老化程度。申请号为CN201210370265.1的专利申请文件公开了一种电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，包括高压电源、电流比较器高压电桥、损耗电流波形显示和分析系统等，该测试系统采用电流比较器高压电桥测试回路，平衡掉被测电缆容性电流，实现损耗电流的高精度测量，并获得损耗因数和被测电缆等效电容值，为水树老化状态诊断提供更多的信息；该方法主要是研究的水树老化状态，其他的老化形式可能会干扰检测的结果。
因此，目前已有的电缆水树老化检测方法大多关注电缆的整体老化或者老化程度，并且研究的老化类型多为单因子老化，而复合老化下水树检测却并没有受到广泛关注。
发明内容
针对目前缺少多种老化方式并存情况下难以实现对XLPE电缆水树老化进行有效诊断的技术现状，本发明的目的旨在提供一种基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，实现在多种老化方式并存情况下，确保对水树老化检测的准确性，进而减少由于水树老化导致的击穿事故。
XLPE作为一种半结晶的高聚物，其内部氛围排列较为规整的晶区以及排列无序的非晶区或无定型区。晶区作为一种比较紧密的结构，其在各种机械或者电场作用下会形成一种带有蠕变特性的结构。这种结构在撤去相应作用力后，发生的弹性形变能够在较短时间内恢复，而不可逆的形变则很难恢复，甚至有一部分形变无法恢复。基于此，本发明对待测电缆进行连续的极化-去极化电流测试(PDC)测试，研究电流波形随测试次数的变化趋势，并依据电流波形随测试次数的变化趋势判断是否存在水树老化故障。
本发明提供的基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，包括以下步骤：
S1极化-去极化电流测试
对待测XLPE电缆进行连续若干次极化-去极化电流测试，得到极化电流和去极化电流，以每次测试中极化电流减去去极化电流后的电流波形末端直线段作为电导电流；
S2获取电导电流系数
将第一次极化-去极化电流测试得到的电导电流作为基准值，将之后每一次测试得到的电导电流系数；
S3 XLPE电缆水树老化故障诊断
若电导电流系数随测试次数增加呈增加趋势，则判定XLPE电缆存在水树老化故障，否则不存在水树老化故障。
上述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，水树老化使得XLPE绝缘中产生充水微孔(即微小水珠)。对于产生水树老化的电缆，水树主要发生在XLPE电缆的无定型区，可以将水树的微观结构被刻画为晶区包裹下的充水微孔以及连接各个微孔的细小通道。极化过程中，在电场作用下，水与XLPE两种电气性能迥异的介质交界面上，会产生垂直于交界面的麦克斯韦应力，且总是由节点常数大的一边(水树含水通道)指向节点常数小的一边(XLPE)。这一作用力会使充水微孔及连接微孔的水树通道向外扩张，充水微孔及连接微孔的水树通道宽度增加，使水树区域产生形变，这种形变在撤去电场力(去极化过程)后，不能完全恢复，进而影响后续PDC测试流经这一区域的电流。而对于非水树老化故障的XLPE电缆，则可能出现了包括热老化或是辐照老化在内的整体老化，而非在绝缘层局部产生这种电气性能迥异的部分，因而不会有此现象。
上述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，步骤S1中，为了研究连续PDC测试情况下，得到的电流波形变化趋势，对待测XLPE电缆进行连续极化-去极化电流测试的次数为4～6次为宜，若测试次数太少，难以得出规律；若测试次数太多，可能存在的水树老化形变特性会使得随着测试次数增加而出现饱和现象。每次极化-去极化电流测试所施加的极化电压均相同，为1～2kV。每次极化-去极化电流测试极化时间和去极化时间均相同，极化时间为90～180s，去极化时间与极化时间相同。
每次极化-去极化电流测试后，使测试系统中的电流恢复至系统噪声水平，之后立即进行下一次测试，这样一方面保证待测电缆的去极化完全，另一方面又不会使得电缆水树老化产生的形变恢复太多。
上述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，步骤S2中，得到的电导电流系数能够直观反映内部水树微孔在电场作用下的形变情况，因此，可以以电导电流系数作为水树老化故障的判断依据。
上述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，步骤S3中，经研究发现，对于具有水树老化故障的XLPE电缆，连续PDC测试中得到的电导电流系数随测试次数增加呈增加趋势，可得知电导电流呈现一个逐渐增大的趋势，表明电缆含有水树老化的单因素老化或者是包含水树老化多因素复合老化；而对于其他老化故障的XLPE电缆，连续PDC测试中得到的电导电流系数基本不变。因此，通过待测电缆连续PDC测试中的电导电流系数随测试次数变化趋势，可以判断XLPE电缆是否存在水树老化故障。进一步，当XLPE电缆存在复合老化情况(例如热-水树复合老化，辐照-水树复合老化等)，由于其他老化形式容易使XLPE绝缘中出现大量的断链以及晶区、无定形区的破坏，使得绝缘更容易被破坏，从而导致水树老化更严重。此外，本发明经研究发现，在连续PDC测试过程中，电导电流系数的增加幅度与水树长度成正相关系，电导电流系数越大，相应的水树长度越长。
与现有技术相比，本发明基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法具有如下有益效果：
1、本发明通过对待测XLPE电缆进行连续多次极化-去极化电流测试，以测试得到的极化电流和去极化电流为依据，得到电导电流系数，最后根据电导电流系数随测试次数的变化趋势判断XLPE是否存在水树老化，这种检测方法基于水树老化随时间形变的蠕变特性，能够在多种老化方式并存的情况下保证对水树老化检出的准确性，从而能够在一定程度上减少由于水树老化而导致的击穿事故。
2、由于电导电流系数的增加幅度与水树长度成正相关系，因此本发明根据连续PDC测试得到的电导电流系数大小，可以定性地判断水树老化的严重程度。
附图说明
图1为本发明实施例电缆加速水树老化的示意图。
图2为本发明实施例连续5次PDC测试极化-去极化电流波形曲线，其中(a)对应新电缆样本，(b)对应热老化电缆样本，(c)对应辐照老化电缆样本，(d)对应水树老化电缆样本，(e)热-水树复合老化电缆样本，(f)对应辐照-水树复合老化电缆样本。
图3为本发明实施例不同电缆样本连续5次PDC测试得到的电导电流系数随测试次数变化的曲线。
图4为本发明实施例老化电缆微观形态图，其中(a)对应水树老化电缆样本，(b)对应热-水树复合老化电缆样本，(c)对应辐照-水树复合老化电缆样本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质性的改进和调整。
实施例
本实施例以电压等级为8.7/10kV某公司生产的XLPE电缆作为研究对象。
将电缆按照每段长度35cm进行截取，共计30根电缆段，并将其分为6组。将所有电缆段剥去外护套、铜屏蔽层以及阻水带，并且将两端的外半导电层分别剥去10cm，最后将一端缆芯露出1cm作为高压端接线用。其中1#为未老化的新电缆样本用作对照组；2#为热老化样本，老化温度为120℃，老化时间为90天；3#为辐照老化电缆，辐照源为Co60场，辐照时间为75天，辐照剂量率为24kGy/天，辐照总剂量为1800kGy；4#为水树老化电缆。加速水树老化过程如下：在留有外半导电层的区域使用钢针垂直于电缆表面进行扎孔，钢针直径为0.9mm，扎入深度为3mm，扣除1mm半导电层后，对于XLPE绝缘扎入深度为2mm。孔与孔之间间距为2cm，之后将扎针区域两端用热缩管套紧，浸泡在0.1mol/L的NaCl溶液中，热缩管外部开孔方便插入接地电极，然后按照图1所示方法进行电缆接线，并缆芯施加幅值为7.5kV、频率为400Hz的交流电压，加压时间为60天。5#和6#为复合老化样本组，其中5#为先经过与2#相同的热老化，再对其进行与4#相同的水树老化方式得到的热-水树复合老化样本；6#为先经过与3#相同的辐照老化，再经过与4#相同的水树老化方式得到的辐照-水树复合老化样本。
对上述老化完成的样本按照以下步骤进行电缆老化测试，实现对电缆水树老化的诊断：
S1极化-去极化电流测试。
将老化完成的样本用无水乙醇擦拭后密封防止受潮，待到所有样本冷却至实验温度23℃之后进行连续5次PDC测试。实验时保持环境温度保持在23℃，湿度保持不变。
在PDC测试之前，记录皮安表中所显示的系统噪声水平，之后对所有样本进行PDC测试。每次进行PDC测试过程为：首先向样本施加1kV的测试电压进行极化处理，极化持续时间为90s；然后对样本进行去极化处理，去极化持续时间为90s。由皮安表记录极化过程和去极化过程中分别测量的极化电流和去极化电流。对每根样本进行连续5次PDC测试，每次测试结束时整个测试系统中的电流应恢复至系统噪声水平以保证样本的去极化完全，之后立即进行下一次测试。
将测试完成的电缆样本于针孔处进行切片，每片厚度约为200μm，浸泡在亚甲基蓝溶液中，放入50℃的恒温箱中染色30min，取出后在显微镜下观察水树长度，统计所有针孔下方水树的平均长度。
未老化与整体老化组(1#，2#，3#)5次PDC测试得到的极化电流与去极化电流统计结果相减所得波形如图2所示。图中1-5编号代表测试次数，变化可以忽略不计，可以认为在5次PDC测试过程中，电缆绝缘的状态基本没有发生改变。而相反，样本处理过程中包含了水树老化的样本组(4#，5#，6#)，其极化电流，尤其是在极化电流的末端出现逐渐增大的趋势。
对于每根电缆样品，将5次极化电流减去去极化电流后，末端平缓的直线段进行提取作为电导电流。
S2获取电导电流系数。
将第一次PDC测试时得到的电导电流值作为基准值，将之后每一次测试得到的电导电流值除以基准值，得到相应的电导电流系数，连续5次PDC测试后得到的电导电流系数随测试次数变化的曲线如图3所示。
S3 XLPE电缆水树老化故障诊断。
从图3可以看出，新电缆、热老化电缆以及辐照老化电缆，其电导电流系数基本保持在1左右，意味着在连续的PDC测试过程中，其电导电流的值并没有发生很大的变化；而含有水树老化的3组样本，其电导电流系数逐渐增加，并且热水树复合以及辐照水树复合两组样本电导电流增加的幅度明显大于单纯水树老化的样本组。由此可见，当电导电流系数随测试次数增加呈增加趋势，表明电缆含有水树老化的单因素老化或者是包含水树老化多因素复合老化，即XLPE电缆存在水树老化故障；否则电缆不存在水树老化故障。
这些现象可以解释为，水树老化使得XLPE绝缘中产生充水微孔，极化过程中充水微孔在电场力作用下向外扩张，使得水树尺寸发生变化，随着充水微孔宽度逐渐增加，流经充水微孔的电流也随之增加。正是这种电流的变化使得每一次PDC测试时，流经水树区域的电流不断增大，从而反映在整体的PDC测试中，电导电流呈现一个逐渐增大的趋势。此外，对于热-水树复合老化电缆样本、辐照-水树复合老化电缆样本，由于热应力以及辐照高能射线使得XLPE绝缘中出现大量的断链以及晶区、无定形区的破坏，从而产生更多的充水微孔以及连接各个微孔通道，进而导致水树老化更严重。
研究还发现，随着水树老化区域充水微孔的增多，其电导电流增加幅度也相应越大。为了验证这一点，本实施例进一步研究了1#，2#，3#，4#，5#以及6#不同老化电缆样本的水树长度变化，对上述样品进行了SEM测试。1#，2#，3#样本组由于并未进行水树老化，可认为其水树长度为0。如图4所示，5#以及6#的平均水树长度比较接近，都超过了500μm，4#样本其平均水树长度仅为282μm。从图4可知，4#对应的5次PDC测试后电导电流系数为1.5左右，而5#以及6#这两组的电导电流系数在5次PDC测试后均超过2，因此可以认为连续PDC测试过程中电导电流增加的幅度与水树平均长度成正相关关系。
综上所述，本发明实施例基于XLPE电缆因水树老化而导致的形变特性，利用连续若干次PDC测试得到的极化电流与去极化电流，并提取极化电流与去极化电流之差的电流波形末端的直流成分作为电导电流，然后通过对连续PDC测试得到的电导电流进行分析比较判断电缆是否存在水树老化以及评估水树的长度等，从而实现对XLPE电缆水树老化的检测。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1 极化-去极化电流测试
对待测XLPE电缆进行连续4~6次极化-去极化电流测试，得到极化电流和去极化电流，以每次测试中极化电流减去去极化电流后的电流波形末端直线段作为电导电流；每次极化-去极化电流测试所施加的极化电压均相同；
S2 获取电导电流系数
将第一次极化-去极化电流测试得到的电导电流作为基准值，将之后每一次测试得到的电导电流值除以基准值，得到相应的电导电流系数；
S3 XLPE电缆水树老化故障诊断
若电导电流系数随测试次数增加呈增加趋势，则判定XLPE电缆存在水树老化故障，否则不存在水树老化故障。
2.根据权利要求1所述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，其特征在于步骤S1中，每次极化-去极化电流测试所施加的极化电压为1~2kV。
3.根据权利要求1所述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，其特征在于步骤S1中，每次极化-去极化电流测试极化时间均相同，极化时间为90~180s，去极化时间与极化时间相同。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述基于时间稳定性的XLPE电缆水树老化检测方法，其特征在于步骤S1中，每次次极化-去极化电流测试后，使测试系统中的电流恢复至系统噪声水平，之后立即进行下一次测试。
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