电缆绝缘状态及寿命评估.docx
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电缆绝缘状态及寿命评估
电缆绝缘状态及寿命评估
1.1背景及意义
进入二十一世纪以来，我国经济发展突飞猛进，电力行业作为经济发展的重要支柱之一，随着国民经济快速发展，人们生活水平大有改善，但与此同时，对电力市场的需求也日益增加，突现出电力短缺的供需矛盾。
在城市文明化的建设过程中，人们希望营造优雅的生存环境和宽松的生活空间。
于是，地下电力电缆逐渐取代架空线路，同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。
因此，研究电力电缆在线监测技术，可及时对电缆进行合理的维护、检修及更换，对保证电缆可靠运行具有重要意义。
对电缆进行状态诊断及评估，是合理安排电缆更换，保证电力供应安全可靠的一个重要技术手段，也是在智能电网中实现对电缆有效管理的极其重要的部分。
对电缆进行状态诊断及评估，为及时的找出原因进行更换和处理，从而为减少电力事故保驾护航。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外电缆绝缘检测和老化检测发展现状
20世纪60年代起，国外就开始了关于XLPE（交联聚乙烯）电缆绝缘弱点检测和老化检测技术的研究，时至今日，该项研究仍在不断发展。
日本是较早开展XLPE电缆绝缘老化检测技术研究的国家之一，但是研发的电缆绝缘检测仪只能发现已经发生绝缘老化的电缆，无法描述被检测电缆的绝缘老化程度，而且该检测仪主要针对的是陆地所使用电缆。
美国电子电气工程师协会（IEEE）绝缘导体委员会推荐的《运行老化的69KV和115KVXLEP电缆》一文，对运行了6-23年的6回被撤换下的电缆（均无金属套，且敷设于阴湿环境排管中，其中有2回是运行20年后出现故障）的测试结果进行了评述，对电缆绝缘状态及老化原因进行了细致的分析。
1.2.2我国电缆绝缘检测和老化检测发展现状
国内天津大学杜伯学采用温差法对XLPE电缆老化进行评估，其研究对象为10KV的陆用电缆；上海交通大学王雅群采用等温松驰电流对XLPE电缆寿命评估，但是受到国内外电缆制造工艺差异的影响，计算所得老化因子与国外学者报道的结果相差普遍较大。
在我国电力电缆试验技术严重滞后于电力电缆制造和应用
技术。
国家关于绝缘电力电缆XLPE投运后的试验方法、标准和运行规程大多在20世纪70年代颁布，比较陈旧落后，有的甚至是沿用油纸绝缘电力电缆的试验方法。
1996年修编的《电力设备预防性试验规程》中，仅用很少的篇幅提及绝缘电力电缆投运后的预试方法，不具可操作性。
2.1电缆故障的类型
电缆故障有许多种，大致分为：
2.1.1接地故障电缆一芯或多芯对地故障。
其中又可分为低阻接地或高阻接地。
一般接地电阻在20欧一100OO欧。
以下为低阻故障，以上为高阻故障。
因使用的电桥和检流计灵敏度不同，对低阻与高阻的划分也往往不一致。
原则上接地电阻较低，能直接用低压电桥进行测量的故障，称为低阻故障。
须要进行烧穿或用高压电桥进行的故障，称为高阻接地。
2.1.2短路故障电缆两芯或三芯短路，或两芯、三芯短路接地。
其中也可分
为低阻短路或高阻短路故障，其划分原则与接地故障相同。
2.1.3断线故障电缆一芯或多芯被故障电流烧断或受机械外力拉断，形成完
全断线或不完全断线，其故障点对地的电阻也可分为高阻或低阻故障，一般以IMQ为分界限，小于1M为低阻。
能较准确地测出电缆的电容，用电容量的大小来判断故障点可称为高阻断线故障。
2.1.4闪络性故障这类故障绝大多数在预防性试验中发生，并多出现在电缆中
间接头和终端头。
试验时绝缘被击穿，形成间隙性放电，当所加电压达到某一定值时，发生击穿，当电压降至某一值时，绝缘恢复而不发生击穿。
在特殊条件下，绝缘击穿后又恢复正常，即使提高试验电压，也不再击穿，这种故障称为封闭性故障。
以上两
种现象均属于闪络性故障
综上所述，电力低压电缆故障的最直接原因是绝缘降低而被击穿。
导致绝缘降低的因素很多，根据实际运行经验，归纳起来不外乎以下几种情况：
1、外力损伤。
现在高速发展中的城市，建设不分白天黑夜，相当多的电缆故障都是由于机械损伤引起的。
比如：
电缆敷设安装时不规范施工，容易造成机械损伤；在直埋电缆上搞土建施工也极易将运行中的电缆损伤等。
有时损伤不严重，要几个月甚至几年才会导致损伤部位彻底击穿形成故障，有时破坏严重的可能发生短路故障，直接影响用电的安全生产。
2、绝缘受潮。
一般发生在直埋或排管里的电缆接头处。
比如：
电缆接头制作不合格和在潮湿的气候条件下做接头，会使接头进水或混入水蒸气，时间久在电场作用下形成水树枝，逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障。
3、化学腐蚀。
电缆直接埋在有酸碱作用的地区，往往会造成电缆的铠装、铅皮或外护层被腐蚀，保护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀，致使保护层失效，绝缘降低，也会导致电缆故障。
4、长期过负荷运行。
超负荷运行，由于电流的热效应，负载电流通过电缆时必然导致导体发热，同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产乍附加热量，从而使电缆温度升高。
长期超负荷运行时，过高的温度会加速绝缘的老化，以至绝缘被击穿。
电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击
穿，因此在夏季，电缆的故障也就特别多。
5、电缆接头
故障。
电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节，由人员直接过失（施工不良）引发的电缆接头故障时常发生。
在制作电缆接头过程中，如果有接头压接不紧、加热不充分等原网，都会导致电缆头绝缘降低，从而引发事故。
6、环境和温度。
电缆所处的外界环境和热源也会造成电缆温度过高、绝缘击穿，甚至爆炸起火。
7、电缆本体的正常老化或不可预测的自然灾害等其他原因。
2.2电缆老化原因电缆老化原因可分为：
2.2.1电气老化
电气老化指的是在电场长期作用下，由于电缆制造中的质量缺陷，施工中机械与外力作用伤害，绝缘物中的空隙、裂纹等，造成局部电场不均匀，诱发局部放电，以导体的变异部、空隙、杂质为起点，局部破坏，发展成树枝化，渐渐地导致绝缘破坏。
固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论：
1.达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”。
2.在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏，这被称为“热击穿”。
2.2.2热老化
热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、热分解等化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降低。
其化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。
热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。
热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。
例如，XLPE材料被认为当拉伸率从初始的400%一600%笔低到100^寿命终止。
2.2.3机械老化
机械老化是电缆系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。
这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电一机械击穿'。
2.2.4水老化水浸入电缆后（制造时或施工与运行中接头浸潮等），由于
电场的叠效果，在电场不均匀及电场力集中点形成水树枝化。
通常有内导水树枝化、蝴蝶水树枝化和外导水树枝化阵。
由此可以看出，电缆老化主要是由于电气老化，热老化，机械老化，水老化四个方面引起的
电缆绝缘状态的检测与寿命分析
3.1绝缘电阻的测量意义电气设备的绝缘电阻，是反映绝缘体在一定直流电压作用下，通过它的稳定传导电流的大小。
在某一电压下，电流越小，绝缘电阻就越大；电流越大，绝缘电阻就越小，表明了绝缘体在直流电压作用下的特性。
绝缘电阻是反映电缆产品绝缘特性的重要指标，因此平时应用于方方面面的电力电缆，一般都要测定其绝缘电阻，把测定绝缘电阻作为控制和保证其绝缘品质的主要参数。
电缆制作中一定要严格遵守规定要求，在工程的各个重要环节对电缆进行绝缘试验，测量绝缘电阻是其中一个非常好的方法，电力电缆在投入使用后，定期利用仪器进行绝缘电阻的测量，进行分析，可以清晰的知道电缆的运行状态，可以及时发现缺陷故障，进行处理隐患，为提高供电的可靠性做出积极的影响。
由此可见电缆绝缘电阻的测量为检验优劣，及时发现缺陷和反映电缆的状态提供了可靠的依据，对生产和维护电力电缆有重要的意义。
3.2绝缘电阻测量方法与分析
测量绝缘电阻的方法较多：
有通过试验变压器来操作的，这种方法电压较高，设备价格也贵，接线复杂；也有用兆欧表来操作的，这种方法价格便宜，接线简单，使用方便，容易操作。
目前现场普遍是用兆欧表来进行测量的。
由于把兆欧表的测量作为对设备的一种前期测试，是对设备绝缘情况的一种初步的检查，
再结合一些其他的试验，就可以对电气设备进行综合的判断，所以使用兆欧表测量绝缘电阻是非常重要的，缺之不可。
绝缘电阻的测量方法
在使用兆欧表时，自身会产生很高的电压，由于测量对象通常为电气设备，所以必须正确使用，否则将造成安全事故或设备事故。
下面介绍如何用兆欧表正确测量绝缘电阻，仅供参考。
准备工作，在使用前要做好以下准备：
1.必须切断被测设备电源，并对地短路放电，不允许在设备带电的情况下进行测量。
2.对那些可能感应出高电压的设备，必须消除这种可能性后，才能进行测量。
3.注意被测物表面需保持清洁，减小表面电阻，确保测量结果的正确性。
4.应检查兆欧表是否处于正常状态，主要检查其"0"和"a"
两点。
即摇动手柄，使电机达到额定转速，在短路兆欧表时指针应指在"0"位置，而开路时指针应指在"a"位置。
5.注意平稳、牢固地放置兆欧表，且远离较大电流导体及强磁场。
3.3介质损耗测量的意义绝缘介质损耗是作为绝缘材料的电介质在较高电压电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失。
介质损耗角正切（tanS）值表示。
TanS
值能够较全面的反映在交流电场中绝缘的品质，例如：
绝缘材料
的分子结构与组成；绝缘中含气、受潮，或微粒杂质存在的程度；工艺处理的完善程度（干燥是否充分，浸渍是否均匀和充分）；结构设计是否合理（如外屏蔽层与绝缘接触是否良好，导线表面有否均匀电场的屏蔽层），以及运行中的产品绝缘是否老化等。
电气设备的绝缘在交流电压作用下大都表现为容性阻抗，但并不是纯容性，其有功功率损失部分统称为绝缘的介质损失。
绝缘受潮后有功功率损失明显增大，因此对大部分电气设备通过检测介质损失，可以检查出绝缘是否受潮。
3.4介质损耗的测量与分析
目前测试介质损耗的仪器有很多，可以用工DA20O来对电缆进行测量研究，IDAZOC采用频率响应原理，测试介质损耗、电容等绝缘参数。
频率范围从0.0001Hz-1KHz。
根据介质损耗、电容值的频谱响应，从而诊断判定各种绝缘介质的老化程度，区分影响绝缘的因素。
介质损耗的测量方法目前比较常用的主要有直接测量法，介质损耗角测量法和数字化过零点电压比较法。
过零比较法是通过脉冲计数测量正弦电流、电压过零点的时差，再换算为电流超前电压的相位差，进而得到占值的一种方法。
该方法是目前发展比较成熟的一种介质损耗测量方法，原理简单，易于实现，但易受硬件的影响，其中零点漂移和硬件通道延时等对测量精确度的影响较大。
虽然介质损耗的测量取得了不少进展，但是在实际测量中仍有许多问题有待解决，特别是用于在线监测时，需要测量精确度更高、性能更稳定的介质损耗测量仪。
3.5热老化性能概述热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、热分解等化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降低。
其化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。
热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。
一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。
3.6热老化实验及数据分析热老化试验主要采用烘箱法。
热寿命评定试验的目的就是要通过一系列的试验研究得出产品的寿命与使用温度之间的关系曲线（称为寿命曲线），这样就可以得出在各个使用温度下相应的工作寿命，从而根据使用的要求合理的选择产品的工作温度，使产品在可靠而又经济的条件下工作。
因此热寿命评定试验可以确定产品的耐温等级。
将烘箱调至试验温度，把试样显自由状态悬挂在老化臬中进行试验。
试样放入老化箱即开始计算老化时间，到达规定时间时，取出试样。
取出的试样按不同的材料相关的规定进行环境调节16h〜
144h。
有关性能的测定按相应测试标准的规定进行。
结果表示
性能变化率按公式
（1）计算：
x1—x0
P=x0x100
（1）
式中：
p—性能变化率，%
x1—试样老化后的性能测定值；
X0—试样老化前的性能测定值。
硬度变化按公式
（2）计算：
H=X1—X0。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
（2）
式中：
H—硬度变化
X1—试样老化后的硬度测定值；
xO—试样老化前的硬度测定值
试验中试样获得给定老化程度所需要的时间取决于试样材料的类型。
所用的试验周期应使试样的老化不致降低到妨碍试样物理性能的最终测定。
在使用高温老化导致的降解机理与在使用湿度时发生的降解机理有差别时，此试验结果无效。
通过分析发现，只要在使用过程中正确地安装和操作及加强日常维护保养，就可以使电缆使用寿命有效地延长，为企业创造更大的效益。
电缆作为输电线路的一个组成部分，在实际工作中，首先在设计方面应做到技术先进、经济合理、安全实用、便于施工和维护；其次在施工时应按照设计图纸和施工规范精心组织、严格施工，杜绝质量隐患；最后在工程投入运行后，应定期做好维护试验工作，及时发现和消除事故隐患，使电力电缆工程质量长期处于可控、在控状态，提高电力系统供电可靠性和稳定性。
李献峰：
1983--阜阳明珲阳光电力XX公司高级工
吴颍村：
1963--阜阳供电公司运维检修部配电技师
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