CN113064002A - 一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法。包括以下步骤：准备电缆绝缘层切片试样；在预设温度下，对电缆切片进行热老化处理，获得不同老化状态的XLPE绝缘试样；使用基于辨识理论的快速超低频介损检测仪对老化试样进行测试；测量数据在单对数坐标系中绘制介损‑频率曲线图；根据曲线图上变化趋势特征，以介损值达到预设值时所对应的频率为评价标准，设置不同老化状态所对应的频率范围，根据测试对象介损值达到预设值时的频率评估电缆的老化状态。通过本发明方法可以对10kV XLPE电缆绝缘的老化状态进行有效、准确地评估。

Description

一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法

技术领域

本发明涉及电缆绝缘老化状态的评估方法，特别涉及一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法。

背景技术

现有近年来，随着我国经济的快速发展和城市建设规模的不断扩大，输配电基础设施建设快速发展。交联聚乙烯(XLPE)电缆具有电气绝缘性能优良、占地空间小、铺埋方便，且维护工作量小等特点，目前已在城市中、低压输配电线路中得到广泛地应用。然而，在实际运行过程中，XLPE电缆通常会受到多种不利因素的影响，比如长期运行导致的绝缘热老化，潮湿进水引发的水树老化，安装或运行中受到外力破坏等，造成各种潜在的故障，严重地影响了城市供电的安全。因此，为了保障电缆输电线路或配电系统的运行安全，必须实时了解运行电缆的绝缘状态，而这取决于对绝缘老化状态的有效评估。

目前，国内外普遍采用超低频0.1Hz正弦电压激励下的相关介质值来对XLPE电缆的整体绝缘老化、受潮和水树劣化等特性进行检测。IEEE制定了相关导则(IEEE P400.2/D11)，通过施加0.5U₀，1U₀和1.5U₀的正弦激励电压对电缆绝缘“介损稳定性(VLF-TDStability)”、“介损平均值(VLF-TD)”和“介损变化率(DTD)”三个参量来评判电缆绝缘的老化状态，并制定了“无需采取行动”、“建议进一步测试”、“立即进行检修”三个不同等级的检修方案。

实际的研究表明，电缆老化状态严重时，超低频0.1Hz介损值与其绝缘状态相关性强，对新电缆或老化轻微的电缆而言，超低频介损值与其绝缘状态的相关性小。同时，在单一频率下测量绝缘介损值，受测试系统精度及外界环境波动的影响较大，测试结果通常并不能准确反应绝缘材料真实的绝缘状态。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：单一频率下测量的绝缘介损值，受外界环境波动的影响较大，并且测试系统的精度较差，测试结果不能反应绝缘材料真实的绝缘状态。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：包括如下步骤：

S100：准备电缆绝缘切片试样。

S200：对电缆绝缘切片试样进行热老化处理，得到多种加热条件下的N个老化切片试样，所述加热条件是指加热温度和加热时长同时作用下的加热条件。

S300：预设测试电压和测试频率范围，对步骤S200得到的所有老化切片试样进行频域介损测试，得到每个老化切片试样在预设测试频率范围内的介质损耗角正切值tanδ。

S400：用每种老化状态下老化切片试样的介损平均值tanδ’和测试频率建立介损-频率曲线图。

S500：根据介损-频率曲线图所展示的介质损耗角正切值与频率之间的变化规律，定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围。

S510：预设介损值阈值，以介损值阈值对应的频率作为特征频率。

S520：根据特征频率在介损-频率曲线图上的位置，提取每种绝缘老化状态的超低频介损特征。

S530：根据超低频介损特征，定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围。

S600：将待预测电缆进行频域介损测试，得到待预测电缆的频率值，按照S530中的定义，确定待预测电缆的频率值所处的频率范围，在该频率范围对应的老化状态则为待预测电缆老化状态。

作为优选，所述S100中准备电缆绝缘切片试样的具体步骤如下：

S110：从10kV XLPE成品电缆上截取一定长度的电缆段试样，并剥除除半导体层和绝缘层以外的部分。

S120：使用J/Q sliver电缆切片机沿电缆段试样轴向环切，获得厚度合适的薄膜带状试样。

S130：清洁并压平裁剪薄膜带状试样得到N个方形片状试样，该方形片状试样即为电缆绝缘切片试样。

此处使用环切的好处是对电缆试样环切，可以保证获得的切片来自于电缆绝缘的同一层位置，尽可能排除了样本来源的差异性。而将试样裁剪为方形试样，这样便于试样进行热老化处理和后续的介损测试。

作为优选，所述S200中对电缆绝缘切片试样进行热老化处理，得到多种加热条件下的N个老化切片试样的具体步骤如下：

S210：设置热风循环老化箱的加热温度为90℃。

S220：将n₁个方形片状试样置于热风循环老化箱内，使n₁个方形片状试样处于垂直悬挂，设热风循环老化箱的总加热时长为H小时，每隔相同时间取出m个方形片状试样，加热结束后得到n₁*m个老化方形片状试样。

S230：分别在热风循环老化箱加热温度为120℃和150℃下，重复步骤S220，得到加热温度为120℃时的n₂*m个老化方形片状试样和加热温度为150℃时的n₃*m个老化方形片状试样，其中n₁＝n₂＝n₃，且n₁*m+n₂*m+n₃*m＝N。

S240：将所有的老化方形片状试样置于空气中自然冷却，得到最终的多种加热条件下的N个老化切片试样。

热老化处理可加速绝缘材料老化，短时间获得具有不同老化特征的绝缘试样，多个样品可确保实验结果具有重复性。

作为优选，所述S400中建立介损-频率曲线图的具体步骤如下：

S410：针对同一老化状态，测试m个老化切片试样在每个测试频率下的tanδ测量数据。

S420：对m个tanδ测量数据求算术平均值tanδ’，以tanδ’作为该老化状态的介损测量结果。

S430：重复S410-S420，得到针对每种老化状态的介损测量结果。

S440：以介损测量结果tanδ’值作为纵坐标，测试频率的对数log f作为横坐标，建立介损-频率曲线图；

所述同一老化状态是指加热温度和加热时长都相同时试样的老化状态，不同老化状态是指加热温度或加热时长有一个不相同时试样的老化状态。

作为优选，所述S510中获得电缆的不同绝缘老化状态的超低频介损特征的预设介损值阈值为0.5。

本研究发现在超低频范围，针对电缆XLPE绝缘介质，其损耗总是在达到0.5后，呈现出随测试频率的减小而急剧增大的特点，这一特点使其可优选为介损阈值，结合测试频率对XLPE绝缘性能实现评估。

作为优选，所述S530中定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围的具体步骤如下：

S531：绝缘良好对应频段为≤0.01Hz，绝缘轻微老化对应频率为0.01～0.02Hz，绝缘中度老化对应频率为0.02～0.05Hz，绝缘严重老化对应的频率为0.05～0.2Hz，绝缘失效对应频率为≥0.2Hz。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1.超低频介损频谱的频率测试范围更宽，其介电谱中含有更为丰富的绝缘特征信息，弥补了超低频0.1Hz介损测试法的在单一频率数据可靠性低、绝缘轻微老化表征不灵敏的缺点。

2.针对中、低压电缆，超低频介损频谱介损频谱的频率测量范围通常为0.001-100Hz之间，测试频率的上限与电缆的长度和电源容量相关。因此，超低频介损频谱(包含0.1Hz)不仅可以通过0.1Hz介损的相关标准对电缆的绝缘状态进行评估，也降低了测试系统和测试环境噪声影响，提高了绝缘状态表征的准确度；适用范围广，不受电缆电压等级限制。

3.对于能否基于超低频介损频谱来判断XLPE绝缘的老化状态，以及具体的评估技术，目前行业内尚无相关研究。

附图说明

图1为温度为120℃时的超低频介损频谱测试结果。

图2为电缆切片试样制备示意图。

图3为试样老化处理完成外观形貌。

图4为超低频介损频谱测试电极原理图与实物图。

图5为超低频介损频谱测试结果。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

本发明以10kVXLPE交流电缆绝缘为研究对象，主要包括以下步骤：准备电缆绝缘层切片试样；在不同的预设温度下，对电缆切片进行不同时段的热老化处理，获得不同老化状态的XLPE绝缘试样；使用基于辨识理论的快速超低频介损检测仪(iFDS，重庆大学)对老化试样在电压200V，频率范围0.001～100Hz内介损频谱进行测试；测量数据在单对数坐标系中绘制介损-频率曲线图；根据介损-频率曲线图上不同热老化试样介损值大小随频率的变化趋势特征，以介损值达到0.5对应的频率为评价标准，设置轻微老化、中度老化、严重老化对应的频率范围，并根据测试对象介损值达到0.5时频率大小来评估电缆的老化状态，如图1。

本发明方法可以对10kV XLPE电缆绝缘的老化状态进行有效、准确地评估；超低频介损频谱的频率测试范围宽，介电谱中含有更为丰富的绝缘特征信息，弥补了超低频0.1Hz介损测试法的在单一频率数据可靠性低、绝缘轻微老化表征不灵敏的缺点；降低了测试系统和测试环境噪声影响，提高了绝缘状态表征的准确度；适用范围广，不受电缆电压等级限制。

参见图2-5，一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，包括如下步骤：

S100：准备电缆绝缘切片试样。

S200：对电缆绝缘切片试样进行热老化处理，得到多种加热条件下的N个老化切片试样，所述加热条件是指加热温度和加热时长同时作用下的加热条件；此处的热老化处理是按照IEC 60216标准进行加速热老化实验的。

S300：预设测试电压和测试频率范围，对步骤S200得到的所有老化切片试样进行频域介损测试，该测量方法为现有技术，得到每个老化切片试样在预设测试频率范围内的介质损耗角正切值tanδ。

S400：用每种老化状态下老化切片试样的介损平均值tanδ’和测试频率建立介损-频率曲线图。

S500：根据介损-频率曲线图所展示的介质损耗角正切值与频率之间的变化规律，定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围。

S510：预设介损值阈值，以介损值阈值对应的频率作为特征频率。

S520：根据特征频率在介损-频率曲线图上的位置，提取每种绝缘老化状态的超低频介损特征；此处的超低频介损特征是指介损值在特征频率以下随频率减小开始明显增大。在特征频率以下，试样的介损随测试频率的减小开始明显上升，但老化前后的增量并不太大，特征频率以上介损值的变化幅度非常小。

S530：根据超低频介损特征，定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围。

S600：将待预测电缆进行频域介损测试，得到待预测电缆的频率值，按照S530中的定义，确定待预测电缆的频率值所处的频率范围，在该频率范围对应的老化状态则为待预测电缆老化状态。

具体实施时，所述S100中准备电缆绝缘切片试样的具体步骤如下：

S110：从10kV XLPE成品电缆上截取一定长度的电缆段试样，并剥除除半导体层和绝缘层以外的部分。

S120：使用J/Q sliver电缆切片机沿电缆段试样轴向环切，获得厚度合适的薄膜带状试样；根据以往的实验经验，此处的薄膜带状试样厚度取为0.2mm。

S130：清洁并压平裁剪薄膜带状试样得到N个方形片状试样，该方形片状试样即为电缆绝缘切片试样，这里的方形片状试样的大小均为80mm*80mm*0.2mm时为最佳。

具体实施时，所述S200中对电缆绝缘切片试样进行热老化处理，得到多种加热条件下的N个老化切片试样的具体步骤如下：

S210：设置热风循环老化箱的加热温度为90℃。

S220：将n₁个方形片状试样置于热风循环老化箱内，使n₁个方形片状试样处于垂直悬挂，设热风循环老化箱的总加热时长为H小时，每隔相同时间取出m个方形片状试样，加热结束后得到n₁*m个老化方形片状试样；一般实验条件下，n₁取值为9，H取值为720小时，m取值为3。

S230：分别在热风循环老化箱加热温度为120℃和150℃下，重复步骤S220，得到加热温度为120℃时的n₂*m个老化方形片状试样和加热温度为150℃时的n₃*m个老化方形片状试样，其中n₁＝n₂＝n₃，且n₁*m+n₂*m+n₃*m＝N。

S240：将所有的老化方形片状试样置于空气中自然冷却，得到最终的多种加热条件下的N个老化切片试样。

具体实施时，所述S400中建立介损-频率曲线图的具体步骤如下。

S410：针对同一老化状态，测试m个老化切片试样在每个测试频率下的tanδ测量数据。

S420：对m个tanδ测量数据求算术平均值tanδ’，以tanδ’作为该老化状态的介损测量结果。

S430：重复S410-S420，得到针对每种老化状态的介损测量结果。

S440：以介损测量结果tanδ’值作为纵坐标，测试频率的对数log f作为横坐标，建立介损-频率曲线图。

所述同一老化状态是指加热温度和加热时长都相同时试样的老化状态，不同老化状态是指加热温度或加热时长有一个不相同时试样的老化状态。

使用介损-频率曲线图可以很好的表征老化状态：

基于绝缘材料介电响应的频域介电谱(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)作为一种无损检测技术，具备携带绝缘信息丰富、操作简单，且受环境干扰小等优点，被广泛应用于电气绝缘材料的介电特性分析中。目前，该方法在输变电设备如电力变压器、油纸套管和电力电缆等设备绝缘状态评估和诊断中的应用得到了广泛关注，国内外学者开展了大量的相关研究。在电缆绝缘状态的检测中，国内外普遍采用超低频0.1Hz正弦电压激励下的介质损耗角正切(tanδ)来对XLPE电缆的整体绝缘热老化、受潮和水树劣化等特性进行检测。IEEE制定了相关导则(IEEE P400.2/D11)，通过施加0.5U₀，1U₀和1.5U₀的正弦激励电压对电缆绝缘“介损稳定性(VLF-TD Stability)等、“介损平均值(VLF-TD)和“介损变化率(DTD)率三个参量来评判电缆绝缘的老化状态，并制定了“无需采取行动”、“建议进一步测试”、“立即进行检修”三个不同等级的检修方案。研究表明，电缆老化状态严重时，超低频0.1Hz介损值与其绝缘状态相关性强，对新电缆或老化轻微的电缆而言，超低频介损值与其绝缘状态的相关性小。目前，这项检测技术在欧美及东南亚国家有一定的应用，在国内仅有很少的相关应用经验和数据积累。

使用介损-频率曲线图的优点在于：超低频FDS与单一频率0.1Hz介损的测试原理是相同的，但超低频FDS的频率测试范围更宽，其介电谱中含有更为丰富的绝缘特征信息。针对中、低压电缆，超低频FDS的频率测量范围通常为10^-3-100Hz之间，测试频率的上限与电缆的长度和电源容量相关。因此，超低频FDS(包含0.1Hz)不仅可以通过0.1Hz介损的相关标准对电缆的绝缘状态进行评估，也可以避免由于现场因素导致的单一频率点介损测试导致的错误或误差。另外，通过超低频介电谱可获得更多XLPE电缆的缺陷信息，比如超低频介电谱可以发现低频0.01-0.4Hz范围内介损与激励电压的非线性关系，这种情况通常对应着电缆绝缘内部的高密度水树缺陷。当0.1Hz介损随外施电压的升高而增大，而在0.2-10Hz范围内介损值却表现出非线性的频率特性和负相关的电压依赖性时，表明电缆中可能存在分布屏蔽腐蚀或高串联电阻效应

具体实施时，所述S510中获得电缆的不同绝缘老化状态的超低频介损特征的预设介损值阈值为0.5。

具体实施时，所述S530中定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围的具体步骤如下：

S531：绝缘良好对应频段为≤0.01Hz，绝缘轻微老化对应频率为0.01～0.02Hz，绝缘中度老化对应频率为0.02～0.05Hz，绝缘严重老化对应的频率为0.05～0.2Hz，绝缘失效对应频率为≥0.2Hz。

XLPE绝缘试样的介损tanδ与直流电导率γ和交流等效电导率g之间的关系如式(1)所示。

其中，g的表达式如下：

式中ω为角频率，ω₀为真空介电常数，ε_r为XLPE的相对介电常数，ε_s为静态介电常数，ε_∞为光频介电常数，τ松弛时间常数。在高频时，XLPE的介损主要以松弛极化(转向极化)产生的损耗为主(与g相关)；在低频时，介损主要以载流子迁移引起的直流电导损耗为主(与γ相关)，同时由于载流子迁移在XLPE缺陷界面(老化导致)处形成界面极化损耗增大(发生在低频，与g相关)。电缆绝缘老化导致极性基团增加，载流子在绝缘缺陷处积累，导致转向极化、界面极化和电导增加，也即γ与g增加。目前电缆绝缘性能通常以高频段(0.1Hz～1000Hz)介损表征，ω较大，介损变化较小，此时介损频谱几乎成一条直线，如图5中0.1Hz～100Hz的介损曲线，即高频段介损频谱对于电缆绝缘性能表征不准确(可靠性与灵敏性低)；而采用超低频介损频谱(0.001Hz～0.1Hz)时，ω较小，γ与g变化时，介损变化较大，因此可以准确地反映电缆绝缘状态的变化(可靠性与灵敏度较高)。

图5(a)-(c)分别为90℃、120℃、150℃条件下，老化一定时间后XLPE绝缘试样的超低频介损谱。以tanδ值为0.5时对应的频率为特征频率，认为介损值在特征频率以下随频率减小开始明显增大。如图5(a)所示，90℃老化的试样，在特征频率0.02Hz以下，试样的介损随测试频率的减小开始明显上升，但老化前后的增量并不太大，0.02Hz以上tanδ的变化幅度非常小；图5(b)所示，120℃老化720h的试样，tanδ从0.1Hz开始随频率的减小明显上升；而150℃老化720h的试样(图5(c))，tanδ从0.2Hz附近即开始随频率的减小显著增大。这表明，XLPE绝缘试样老化越严重，介损起始增大的频率(特征频率)越高，换句话说，在老化早期，采用更低频率的介损值对XLPE绝缘状态的检测更有效，更能敏感地探测绝缘性能的变化。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

S100：准备电缆绝缘切片试样；

S200：对电缆绝缘切片试样进行热老化处理，得到多种加热条件下的N个老化切片试样，所述加热条件是指加热温度和加热时长同时作用下的加热条件；

S300：预设测试电压和测试频率范围，对步骤S200得到的所有老化切片试样进行频域介损测试，得到每个老化切片试样在预设测试频率范围内的介质损耗角正切值tanδ；

S400：用每种老化状态下老化切片试样的介损平均值tanδ’和测试频率建立介损-频率曲线图；

S500：根据介损-频率曲线图所展示的介质损耗角正切值与频率之间的变化规律，定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围；

S510：预设介损值阈值，以介损值阈值对应的频率作为特征频率；

S520：根据特征频率在介损-频率曲线图上的位置，提取每种绝缘老化状态的超低频介损特征；

S530：根据超低频介损特征，定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围；

S600：将待预测电缆进行频域介损测试，得到待预测电缆的频率值，按照S530中的定义，确定待预测电缆的频率值所处的频率范围，在该频率范围对应的老化状态则为待预测电缆老化状态。

2.如权利要求1所述的一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述S100中准备电缆绝缘切片试样的具体步骤如下：

S110：从10kV XLPE成品电缆上截取一定长度的电缆段试样，并剥除除半导体层和绝缘层以外的部分；

S120：使用J/Q sliver电缆切片机沿电缆段试样轴向环切，获得厚度合适的薄膜带状试样；

S130：清洁并压平裁剪薄膜带状试样得到N个方形片状试样，该方形片状试样即为电缆绝缘切片试样。

3.如权利要求2所述的一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述S200中对电缆绝缘切片试样进行热老化处理，得到多种加热条件下的N个老化切片试样的具体步骤如下：

S210：设置热风循环老化箱的加热温度为90℃；

S220：将n₁个方形片状试样置于热风循环老化箱内，使n₁个方形片状试样处于垂直悬挂，设热风循环老化箱的总加热时长为H小时，每隔相同时间取出m个方形片状试样，加热结束后得到n₁*m个老化方形片状试样；

S230：分别在热风循环老化箱加热温度为120℃和150℃下，重复步骤S220，得到加热温度为120℃时的n₂*m个老化方形片状试样和加热温度为150℃时的n₃*m个老化方形片状试样，其中n₁＝n₂＝n₃，且n₁*m+n₂*m+n₃*m＝N；

S240：将所有的老化方形片状试样置于空气中自然冷却，得到最终的多种加热条件下的N个老化切片试样。

4.如权利要求3所述的一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述S400中建立介损-频率曲线图的具体步骤如下：

S410：针对同一老化状态，测试m个老化切片试样在每个测试频率下的tanδ测量数据；

S420：对m个tanδ测量数据求算术平均值tanδ’，以tanδ’作为该老化状态的介损测量结果；

S430：重复S410-S420，得到针对每种老化状态的介损测量结果；

S440：以介损测量结果tanδ’值作为纵坐标，测试频率的对数log f作为横坐标，建立介损-频率曲线图；

所述同一老化状态是指加热温度和加热时长都相同，不同老化状态是指加热温度或加热时长有一个不相同时的加热条件。

5.如权利要求4所述的一种10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述S510中获得电缆的不同绝缘老化状态的超低频介损特征的预设介损值阈值为0.5。

6.如权利要求5所述的一种的10kV XLPE电缆绝缘老化状态的评估方法，其特征在于：所述S530中定义电缆的各种绝缘老化状态的频率范围的具体步骤如下：

S531：绝缘良好对应频段为≤0.01Hz，绝缘轻微老化对应频率为0.01～0.02Hz，绝缘中度老化对应频率为0.02～0.05Hz，绝缘严重老化对应的频率为0.05～0.2Hz，绝缘失效对应频率为≥0.2Hz。

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