極化去極化電流技術(shù)用于診斷XLPE電纜絕緣老化狀態(tài)

李 陳，雷 勇，周 凱，顏嘉俊，黃 昊

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

極化去極化電流技術(shù)用于診斷XLPE電纜絕緣老化狀態(tài)

李 陳，雷 勇，周 凱，顏嘉俊，黃 昊

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

研究了一種非破壞性的極化去極化電流(PDC)測(cè)量方法用于診斷交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜絕緣老化狀態(tài)。在闡述了該方法的基本原理后，通過在實(shí)驗(yàn)室搭建平臺(tái)，對(duì)進(jìn)行了加速水樹老化試驗(yàn)的電纜和在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的老化電纜分別進(jìn)行PDC試驗(yàn)。并利用最小二乘法，對(duì)測(cè)得的去極化電流曲線的低頻部分進(jìn)行線性擬合處理，通過比較擬合直線斜率比值，來分析各電纜絕緣去極化電流的變化規(guī)律，反映了去極化過程的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)XLPE電纜進(jìn)行PDC試驗(yàn)及對(duì)去極化電流測(cè)量曲線的分析，可以對(duì)電纜的絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行合理地診斷。

極化去極化電流;XLPE電纜;老化狀態(tài);診斷;最小二乘法

0 引言

電力電纜是電力輸變電中非常重要的設(shè)備，它能否可靠運(yùn)行對(duì)電力負(fù)荷安全、穩(wěn)定傳輸有著制約作用。XLPE電纜因其具有極佳的電氣性能且極易敷設(shè)的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外早已得到廣泛應(yīng)用。但電纜投入運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，由于在水分和電場(chǎng)的共同作用下電纜內(nèi)部會(huì)發(fā)生物理化學(xué)變化，形成水樹枝，水樹枝可進(jìn)一步發(fā)展成為電樹枝，使電纜絕緣性能下降，引發(fā)放電事故［1，2］。所以評(píng)估這些電纜的殘余壽命，如何及時(shí)地修復(fù)和更換接近使用壽命期限的電纜，對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。

任何電介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下，都會(huì)表現(xiàn)出一種基本電特性——極化特性。極化現(xiàn)象存在于所有電氣絕緣設(shè)備中，不同的電介質(zhì)具有不同的極化能力，故極化現(xiàn)象的差異能夠直接反映出電介質(zhì)的極化特性［3，4］?；诮殡婍憫?yīng)原理的極化去極化電流(PDC)測(cè)量方法，是一種快速簡(jiǎn)單、非破壞性的電氣測(cè)量診斷新方法。目前，在國(guó)外已經(jīng)被引入到電纜絕緣老化狀態(tài)診斷中，且有了實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)此技術(shù)的研究還主要集中在對(duì)變壓器的老化狀態(tài)評(píng)估［5］。

本文在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)進(jìn)行了加速水樹老化試驗(yàn)的電纜和在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的老化電纜進(jìn)行PDC試驗(yàn)，對(duì)老化電纜的去極化電流測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析討論。研究結(jié)果為使用去極化測(cè)量曲線進(jìn)行電纜老化狀態(tài)的評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

1 理論分析

結(jié)晶性材料中常會(huì)出現(xiàn)水樹枝老化，對(duì)于XLPE電纜，由于受到電場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力和熱等眾多綜合因素的作用影響，絕緣層中的水分會(huì)膨脹、拉伸、不規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過較長(zhǎng)的一段時(shí)間，會(huì)在附近區(qū)域產(chǎn)生細(xì)小微孔和微裂紋，這些一系列的微孔和微裂紋聚集在一起就形成了類似于樹枝狀的水樹老化。在直流高壓場(chǎng)的作用下，水樹枝尖端的微裂紋容易被注入XLPE電纜絕緣缺陷的陷阱空間電荷，此類電荷復(fù)原時(shí)間長(zhǎng)，即使在電極短接情況下也不會(huì)瞬間消除，且電纜絕緣水樹老化程度決定了電荷的注入程度。由于水樹區(qū)和非水樹區(qū)不同的電導(dǎo)率引起的界面極化現(xiàn)象必然存在，這給研究診斷XLPE絕緣老化電纜的水樹老化狀態(tài)提供了依據(jù)［6-8］。

伴隨著老化的發(fā)生，混合物內(nèi)部的電介質(zhì)特性的數(shù)值在頻域或時(shí)域范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生改變，而這種特性的改變可以通過與介質(zhì)響應(yīng)有關(guān)的測(cè)量來進(jìn)行分析。極化去極化電流測(cè)量原理如圖1所示，試驗(yàn)過程可分為兩個(gè)步驟:對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行充電和短路放電。在充電過程中，試品因被施加電壓為U0的階躍激勵(lì)而開始極化，持續(xù)時(shí)間為tp，此時(shí)流過試品的電流即為極化電流ip。瞬時(shí)撤去電壓后，試品因短路而產(chǎn)生反方向的放電電流，即為去極化電流id。相對(duì)于極化電流，去極化電流并不包含電導(dǎo)電流，完全是由電纜絕緣中特定松弛機(jī)制產(chǎn)生的松弛電流復(fù)合而形成的。而介質(zhì)內(nèi)部的松弛極化現(xiàn)象包含了絕緣材料的大部分狀態(tài)信息，包括由于老化產(chǎn)生的新物質(zhì)或新結(jié)構(gòu)的情況。因此，通過對(duì)老化電纜去極化電流的測(cè)量可以更加直觀地反應(yīng)絕緣材料內(nèi)部的極化特性［9，10］。

圖1 極化去極化電流測(cè)量原理圖Fig．1 Principle of PDC measurements

在極化去極化電流法中，XLPE電纜的去極化電流特性，即完整的去極化電流指數(shù)形狀取決于時(shí)間過程，那么試驗(yàn)時(shí)間是尤為重要的。而試驗(yàn)時(shí)間是由電纜中水樹老化區(qū)與非水樹區(qū)間的界面極化過程所決定，老化電纜的電介質(zhì)反映，隨著電壓施加時(shí)間的增加而越明顯，因?yàn)榻缑鏄O化更充分了。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

PDC測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵是用皮安表來捕獲極化和去極化過程中的低頻電流，通過RS-232接口與計(jì)算機(jī)相連接，這樣可以在計(jì)算機(jī)上編寫LabVIEW程序來控制Keithley 6485皮安表，傳輸速度可以達(dá)到1Mbit/s，足于滿足實(shí)驗(yàn)需求。在試驗(yàn)過程中，由于所施加的電壓會(huì)達(dá)到1kV，為了保證充放電電流在安全范圍內(nèi)，需串接高壓限流電阻，且應(yīng)注意足夠的沿面放電距離。

圖2 XLPE電纜PDC測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig．2 Schematic diagram of PDC measurements for XLPE cable

以下是對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行PDC試驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)被測(cè)樣品的準(zhǔn)備和預(yù)處理。將所有被測(cè)電纜兩端的絕緣外皮和銅屏蔽層剝?nèi)?，剝離的長(zhǎng)度在15cm左右即可，以消除沿面電流放電的影響。為了獲得含水樹老化的XLPE電纜樣品，對(duì)電纜部分進(jìn)行加速水樹老化處理。

(2)初始測(cè)量。將被測(cè)電纜接入電路中，電纜導(dǎo)體接直流高壓電源，另一端銅屏蔽層可靠接地。先對(duì)被測(cè)電纜進(jìn)行初始測(cè)量，初始測(cè)量的目的是為了確定電纜在沒有充電電壓情況下的初始條件，包括周圍環(huán)境干擾信號(hào)的大小，此時(shí)測(cè)量電流的振幅通常只有幾個(gè)pA。

(3)去極化電流測(cè)量。先將開關(guān)打到左端，對(duì)電纜充電后瞬間短路，通過計(jì)算機(jī)控制皮安表，測(cè)量去極化電流，電流采樣率為3Sa/s。此過程主要包括:皮安表復(fù)位、去極化電流采集和傳輸數(shù)據(jù)等幾個(gè)部分。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 經(jīng)老化處理的電纜測(cè)試

圖3為在同一實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)三種XLPE電纜進(jìn)行PDC試驗(yàn)所測(cè)量得到的去極化電流曲線。其中兩根電纜是從一根新電纜上截取下來的，且為等長(zhǎng)的兩段(10m)。將一根電纜進(jìn)行老化處理，為方便分析將它編號(hào)為Ac10;另一根電纜則不做處理，其編號(hào)為Nc10，而編號(hào)為Rc10的電纜去極化電流曲線是對(duì)老化電纜實(shí)施絕緣修復(fù)后所測(cè)得的結(jié)果。

圖3 三種XLPE電纜去極化電流測(cè)量曲線Fig．3 Depolarization current for three kinds of XLPE cable

由于去極化電流具有衰減幅度大，衰減速度快的特點(diǎn)，這樣在線性坐標(biāo)系下，較難分辨出電流曲線的變化特征，不適合分析整個(gè)去極化過程，故將圖中的去極化電流曲線經(jīng)對(duì)數(shù)映射來表示。

從圖3中可以看出，老化電纜Ac10的去極化電流衰減較快，經(jīng)過短短20多秒后便穩(wěn)定在幾個(gè)nA的范圍內(nèi)，而新電纜Nc10和修復(fù)后的電纜Rc10經(jīng)過大約350s后才逐漸穩(wěn)定，且最終的穩(wěn)定電流只有幾十個(gè)pA。

這是因?yàn)槔匣娎|的水樹枝周圍固體絕緣界面存在一些由水樹生長(zhǎng)產(chǎn)生的親水性極性基端，這些極性基端是因XLPE分子鏈在機(jī)械應(yīng)力、氧化降解等綜合作用下發(fā)生斷裂和化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生。由于極性基端在極化過程出現(xiàn)剩余電荷，這部分電荷在短接情況下不會(huì)消除，并且會(huì)在水樹中殘留很長(zhǎng)一段時(shí)間，從而導(dǎo)致老化電纜的去極化電流差異明顯。從被修復(fù)的電纜Rc10去極化電流曲線變化特征來看，其與新電纜Nc10有類似的規(guī)律，這說明絕緣老化電纜修復(fù)狀態(tài)良好。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)電纜測(cè)試

為了進(jìn)一步研究老化XLPE電纜對(duì)于去極化過程的真實(shí)反應(yīng)，對(duì)一根在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行超過10年的XLPE電纜進(jìn)行了PDC試驗(yàn)。其長(zhǎng)度為70m，編號(hào)為Ac70，此電纜發(fā)生了較為嚴(yán)重的水樹老化。而編號(hào)為Nc70的電纜是為了作對(duì)比，從電纜廠獲取的一根70m新電纜，不存在老化現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 70m長(zhǎng)的XLPE電纜去極化電流曲線Fig．4 Depolarization current for length of 70m of XLPE cable

從圖4可以明顯看出，電纜長(zhǎng)度增加后，去極化電流幅值變大，到達(dá)穩(wěn)態(tài)過程需要更長(zhǎng)的時(shí)間。通過與圖3中曲線對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的電纜去極化電流與Ac10電纜的去極化電流曲線有相似的變化規(guī)律，穩(wěn)定電流仍然存在幾個(gè)nA的直流成分。反映了該電纜存在水樹老化狀況。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了去極化電流進(jìn)行XLPE電纜絕緣診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。

同時(shí)，上述試驗(yàn)結(jié)果也說明了電纜長(zhǎng)度并不影響對(duì)電纜老化狀態(tài)的診斷。因此，通過對(duì)敷設(shè)電纜進(jìn)行PDC試驗(yàn)，可以直接與未老化電纜的去極化電流曲線進(jìn)行比較，即可判斷出電纜的老化狀態(tài)。

3.3 分析計(jì)算

以上老化電纜與新電纜的差異主要體現(xiàn)在低頻段，水樹枝的形成增強(qiáng)了夾層界面極化的強(qiáng)度，這些界面極化引起去極化電流增大，且去極化電流的低頻段不同與老化相關(guān)的慢極化有關(guān)，故觀察低頻段的去極化電流可以診斷電纜的絕緣老化狀態(tài)。

由于絕緣老化放電過程中，皮安表較為靈敏，易受干擾。這樣就造成去極化電流低頻段稍顯不太規(guī)律，而這種電流曲線的尾部較難分析的問題可以通過擬合計(jì)算斜率比來解決。

在同一時(shí)間內(nèi)，利用最小二乘法，對(duì)編號(hào)為Nc10、Ac10、Rc10、Nc70和 Ac70這五種電纜通過PDC試驗(yàn)所測(cè)得的去極化電流的低頻部分進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，縱坐標(biāo)是電流值的對(duì)數(shù)log(I)。并將擬合計(jì)算得到的各電纜的直線斜率列于表1。

圖5 五種電纜線性擬合結(jié)果Fig．5 Linear fitting for five kinds of cable

表1 試驗(yàn)所測(cè)各電纜的擬合直線斜率Tab．1 Slope of fitting line for test cables

從圖5和表1中可以看出，編號(hào)為 Ac10和Ac70電纜的擬合直線斜率分別比Nc10和Nc70的要大很多，隨著電纜老化程度越高，擬合直線斜率也將越大，更加接近于0，與對(duì)應(yīng)的新電纜相比較，比值減小。其中修復(fù)電纜斜率略大于新電纜，這與PDC試驗(yàn)所得結(jié)論一致，此計(jì)算結(jié)果可以在一定程度上反映電纜的絕緣老化狀況。

在被測(cè)電纜的去極化電流中，針對(duì)某些老化較為嚴(yán)重的電纜，由于電纜老化所引起的去極化電流變化較明顯，可以直接與相同新電纜的去極化電流曲線來比較，這樣不經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，便可較快地診斷它們的絕緣老化狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文通過利用基于介電響應(yīng)原理的極化去極化電流(PDC)測(cè)量方法，分別對(duì)進(jìn)行了加速水樹老化試驗(yàn)的電纜和在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的老化電纜進(jìn)行了 PDC試驗(yàn)，并對(duì)去極化電流的低頻部分進(jìn)行了線性擬合和計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一時(shí)間內(nèi)，老化的電纜與新電纜的去極化電流衰減快慢差異明顯，主要體現(xiàn)在去極化電流的低頻段，老化電纜則得到了增強(qiáng)，曲線變化規(guī)律在對(duì)數(shù)時(shí)間序列上具有明顯的表現(xiàn)。通過PDC試驗(yàn)對(duì)去極化電流的測(cè)量分析可以有效地對(duì)電纜老化狀態(tài)進(jìn)行合理的評(píng)估。

需要指出的是，對(duì)于較長(zhǎng)的電纜，去極化電流需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行PDC測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，去極化過程的持續(xù)時(shí)間不易過短，這樣才能更準(zhǔn)確地評(píng)估電纜老化狀態(tài)。

本次實(shí)驗(yàn)采用的是XLPE電纜多為發(fā)生的水樹老化，而實(shí)際電纜中老化過程非常復(fù)雜，還包括過熱和機(jī)械等諸多因素，如何通過極化去極化方法得到一個(gè)非常完善準(zhǔn)確的老化診斷測(cè)量結(jié)果，還需要對(duì)大量的老化電纜進(jìn)行試驗(yàn)和更加深入詳細(xì)地研究。

［1］陳向榮，徐陽，徐杰，等 (Chen Xiangrong，Xu Yang，Xu Jie，et al．)．工頻電壓下110kV級(jí)XLPE電纜絕緣中電樹枝生長(zhǎng)階段特性 (Propagation stage characteristics of electrical tree in 110kV XLPE cable insulation at 50Hz power frequency voltage) ［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2010，29(3):39-43．

［2］陸國(guó)俊，熊俊，王勇，等(Lu Guojun，Xiong Jun，Wang Yong，et al．)．振蕩波電壓法檢測(cè)10kV電纜局部放電試驗(yàn) (10kV XLPE cable partial discharge detection based on oscillating waves)［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備 (E-lectric Power Automation Equipment)，2010，30(11): 137-140．

［3］Dakin T W．Conduction and polarization mechanisms and trends in dielectrics［J］．IEEE Electrical Insulation Magazine，2006，22(5):11-20．

［4］Bhumiwat S A．On-site non-destructive diagnosis of inservice power cables by polarization/depolarization current analysis［A］．IEEE International Symposium on E-lectrical Insulation［C］．San Diego，USA，2010.1-5．

［5］王世強(qiáng)，張冠軍，魏建林，等 (Wang Shiqiang，Zhang Guanjun，Wei Jianlin，et al．)．紙板的老化狀態(tài)對(duì)其PDC特性影響的實(shí)驗(yàn)研究 (Experimental study of the aged states effects on pressboard PDC characteristics) ［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) (Proceedings of the CSEE)，2011，31(34):177-183．

［6］歐陽本紅，康毅，趙健康，等 (Ouyang Benhong，Kang Yi，Zhao Jiankang，et al．)．加速水樹老化對(duì) XLPE電力電纜絕緣性能的影響 (Influence of accelerated water tree aging on insulation of XLPE cables)［J］．高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering)，2010，36(8):1942-1949．

［7］Oyegoke B．New techniques for determining condition of XLPE cable insulation from polarization and depolarization current measurements［A］．IEEE International Conference on Solid Dielectrics［C］．Winchester，UK，2007. 150-153．

(，cont．on p.66)(，cont．from p.35)

［8］Dakka M A，Bulinski A，Bamji S S．On-site diagnostics of medium-voltage underground cross-linked polyethylene cables［J］．IEEE Electrical Insulation Magazine，2011，27(4):34-44．

［9］殷之文，方俊鑫(Yin Zhiwen，F(xiàn)ang Junxin)．電介質(zhì)物理學(xué)(Dielectrics physics)［M］．北京:科學(xué)出版社(Beijing:Science Press)，1989.112-120．

［10］魏建林，王 世 強(qiáng)，許 昊，等 (WeiJianlin，Wang Shiqiang，Xu Hao，et al．)．LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)油紙絕緣評(píng)估的極化去極化電流測(cè)試(Achievement of polarization and depolarization current tests for condition estimation of oil-paper insulation using LabVIEW)［J］．高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2010，36(11):2645-2650．

Diagnosis of XLPE cable insulation using polarization and depolarization current measurements

LI Chen，LEI Yong，ZHOU Kai，YAN Jia-jun，HUANG Hao
(Institute of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

A non-destructive polarization and depolarization current(PDC)measurements is studied for the diagnosis of crosslinked polyethylene cable insulation aging state．According to the basic principle of the method the polarization and depolarization current measurements were performed on aged cables in the laboratory and field-aged cables which were removed from service by building a test platform in the laboratory．The low-frequency part of the depolarization current is linearly fitted with the least-square method．Comparison of the size of the fitting line slope was made，which reflects the differences in depolarization process to analyze the variation of each cable insulation depolarizing current．The results show that this new method can effectively evaluate the aging status of cables through PDC test for XLPE cable and analysis of depolarization current measurement curve．

polarization and depolarization current;XLPE cable;aging state;diagnosis;least-square method

TM 855

A

1003-3076(2014)04-0032-04

2012-12-05

李 陳(1988-)，男，江蘇籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化;雷 勇(1966-)，男，四川籍，教授，博士，主要從事電工電子及自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)方面的研究。