礦用三元乙丙橡膠高壓電纜絕緣老化機(jī)理及狀態(tài)評估技術(shù)研究進(jìn)展

雷志鵬， 姜宛廷， 門汝佳， 張建花， 李媛媛， 何慶輝， 李蔚

（1. 太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2. 晉能控股裝備制造集團(tuán)技術(shù)中心，山西 晉城 048006；3. 太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

0 引言

我國是世界上發(fā)現(xiàn)、利用煤炭最早的國家，煤炭既是我國的主體能源，又是重要的化工原料。作為社會(huì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)能源，提高煤炭生產(chǎn)力、增大煤炭開采量以適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)健的發(fā)展需求是必然趨勢。在這種需求的推動(dòng)下，目前煤礦井下最高電壓等級已提升至10 kV。而井下環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，這給煤礦井下電氣設(shè)備帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

礦用高壓電氣設(shè)備主要包括防爆電動(dòng)機(jī)、干式變壓器、高壓開關(guān)、電纜等。電氣設(shè)備中的絕緣材料被認(rèn)為是最薄弱的環(huán)節(jié)[1-2]，其老化或破壞也是造成設(shè)備事故的主要原因。礦用高壓防爆異步電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)采用少膠浸漬或多膠模壓，線圈匝間絕緣采用環(huán)氧粉云母少膠（或中膠）帶、聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶、聚酰亞胺薄膜等半疊包或平包而成，耐熱等級為F級或H級[3-4]。礦用干式變壓器匝間絕緣材料以Nomex絕緣紙為主，層間絕緣為聚酰亞胺薄膜，相間絕緣為亞胺改性玻璃布板[5]。礦用高壓電纜絕緣以交聯(lián)聚乙烯或三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomers，EPDM）為主。這些絕緣及其結(jié)構(gòu)受電、熱、力、環(huán)境等因素影響，老化強(qiáng)度存在顯著差異，使得建立絕緣的壽命模型進(jìn)行壽命評估十分困難[6]。特別是在煤礦綜采工作面供電系統(tǒng)中，絕緣受到變頻電壓、熱、機(jī)械力、潮濕等因素的共同影響，其絕緣老化機(jī)理判定與狀態(tài)評估存在很大難度。

本文針對礦用高壓電纜絕緣在多因子下的老化機(jī)理和狀態(tài)評估問題，以煤礦井下用高壓移動(dòng)軟電纜的絕緣——EPDM為對象，重點(diǎn)闡述了EPDM基本性能、老化因子、多因子作用下老化機(jī)理，綜述了礦用高壓電纜絕緣在線監(jiān)測方法，介紹了當(dāng)前礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)評估方法，包括基于改進(jìn)雷達(dá)圖的絕緣老化狀態(tài)評估方法和基于介質(zhì)損耗的絕緣狀態(tài)評估方法。

1 礦用高壓電纜絕緣老化機(jī)理

我國井工煤礦供電系統(tǒng)中，電力電纜是唯一的井下輸電線路。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中煤礦井下各級配電電壓和各種電氣設(shè)備的額定電壓等級規(guī)定，煤礦井下低壓不超過1.14 kV，高壓不超過10 kV。礦用高壓電纜主要包括移動(dòng)類軟電纜和固定敷設(shè)電力電纜兩大類。相較于固定敷設(shè)電力電纜，移動(dòng)類軟電纜的使用環(huán)境更加嚴(yán)酷，其不僅要隨采掘設(shè)備頻繁移動(dòng)，承受各種拉拽和擠壓，運(yùn)行環(huán)境也多是在采掘工作面，還面臨潮濕多水、負(fù)載多變、落煤擠壓等問題。固定敷設(shè)電力電纜則與一般工業(yè)用相同電壓等級電纜所面臨的問題類似。以下重點(diǎn)討論煤礦井下用移動(dòng)軟電纜（特別是3.3～10 kV等級）的絕緣老化機(jī)理。

1.1 EPMD的基本性能

我國煤礦移動(dòng)類高壓電纜絕緣以EPDM為主，其基體是乙烯、丙烯和少量的非共軛二烯烴第三單體的共聚物。EPDM由于含有殘余的不飽和側(cè)鏈，所以可以使用硫磺或催化劑進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)后的EPDM具有完全飽和的主鏈，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有不溶解和不熔融特性，既表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化、耐臭氧、耐熱、耐水和耐候特性，又能保留橡膠類材料固有的柔韌性。此外，EPDM還具有優(yōu)異的電絕緣性和耐電暈性，在低溫下也能保證較好的穩(wěn)定性。EPDM基本性能見表1。與交聯(lián)聚乙烯相比，EPDM的長期使用溫度為90 ℃，斷裂伸長率約為390%，應(yīng)急過載溫度可達(dá)140 ℃（在應(yīng)急過載溫度下的運(yùn)行時(shí)間每年不超過100 h，在電纜整個(gè)生命周期中出現(xiàn)持續(xù)100 h的過載情況不應(yīng)超過5次），這也是EPDM成為煤礦采掘工作面高壓電纜絕緣唯一選擇的原因。

表1 EPDM基本性能Table 1 Properties of EPDM

1.2 EPDM老化因子

采煤過程中，采煤機(jī)拖拽電纜運(yùn)行工況最為惡劣，時(shí)常出現(xiàn)故障，且故障發(fā)生隨機(jī)性較大，常造成工作面無計(jì)劃停產(chǎn)。采煤機(jī)拖拽電纜設(shè)計(jì)使用年限一般較短，多數(shù)大功率拖拽電纜僅能保證使用壽命不低于6個(gè)月，造成極大浪費(fèi)。受運(yùn)行工況影響，采煤機(jī)拖拽電纜用EPDM絕緣的老化或故障形成原因有其特殊性。EPDM往往同時(shí)遭受多種應(yīng)力復(fù)合作用，使其加速老化或形成缺陷，引起漏電、短路或放電等故障，將會(huì)導(dǎo)致人身觸電、絕緣撕裂、電纜斷線，甚至電纜著火或瓦斯爆炸事故。

采煤機(jī)拖拽電纜經(jīng)受的老化因子主要包括電因子、熱因子和機(jī)械應(yīng)力。

1） 電因子源于實(shí)際使用過程中的外加電場、缺陷局部放電、電纜終端的電暈放電等。由于拖拽電纜運(yùn)行電壓等級較低、絕緣余量足夠（3.3 kV拖拽電纜絕緣厚度一般不小于3 mm），正常情況下這些電場的作用并非引起采煤機(jī)拖拽電纜故障的主要原因，所以電場單獨(dú)作用時(shí)并不會(huì)引起絕緣的明顯老化。然而，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力后，將導(dǎo)致電纜絕緣局部電場和熱場分布不均勻，加速絕緣局部老化，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿等故障迅速發(fā)生。

2） 熱因子主要來自于大功率設(shè)備配套電動(dòng)機(jī)頻繁重載啟停、缺陷放電、自身介質(zhì)損耗大等產(chǎn)生的熱量。

3） 機(jī)械應(yīng)力來自于采煤機(jī)運(yùn)行過程中受拉拽、磨損、過度彎曲、金屬部件的擠壓、落煤和矸石的沖擊等形成的拉伸力、彎曲應(yīng)力、剪切力或擠壓力等。拉伸力來自拖拽電纜移動(dòng)過程中大塊矸石或煤塊壓住電纜后采煤機(jī)給予的拉力、電纜夾被憋住或卡住時(shí)的拉力，或傾斜工作面拖拽電纜自重形成的向下應(yīng)力造成采煤機(jī)上行時(shí)給予拖拽電纜更大的拉力等。彎曲應(yīng)力主要是電纜往返移動(dòng)時(shí)電纜被折彎形成的應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)電纜會(huì)被折疊為3層，造成絕緣中局部彎曲應(yīng)力集中。剪切力或擠壓力主要來自每一節(jié)電纜槽的擠壓或剮蹭，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將整根電纜直接剪斷，或造成護(hù)套破損。外護(hù)套破損會(huì)顯著影響電纜絕緣性能，這是因?yàn)橐话忝旱V井下潮濕多水，如果機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致電纜護(hù)套破損，水將浸入電纜，加速電纜絕緣老化，形成絕緣損壞。此外，硫化熱補(bǔ)修復(fù)后的拖拽電纜雖然可以再次使用，但被修復(fù)部位直徑大于電纜直徑，且柔韌性顯著下降，彎曲半徑明顯增大。實(shí)際使用中電纜既容易被電纜夾卡住，又容易被過度彎曲，造成局部機(jī)械應(yīng)力集中。

綜上可知，采煤機(jī)拖拽電纜運(yùn)行時(shí)，絕緣將受到電、熱和機(jī)械應(yīng)力等因子的共同作用。

1.3 多因子作用下EPDM老化機(jī)理

針對多因子作用下礦用高壓電纜用EPDM絕緣的老化機(jī)理，國內(nèi)已從理化性能、機(jī)械性能和電性能等方面開展了研究，并初步掌握了EPDM老化機(jī)理。

電、熱、機(jī)械應(yīng)力作用下EPDM老化機(jī)理如圖1所示。當(dāng)熱因子存在時(shí)，EPDM存在熱氧老化，使其發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，造成EPDM的各項(xiàng)性能下降[7-8]。EPDM的熱氧老化反應(yīng)如圖2（a）所示，對于EPDM分子結(jié)構(gòu)，其含有側(cè)甲基的叔碳原子活性較大，故氧化反應(yīng)多發(fā)生在丙烯鏈段。叔碳原子在熱氧作用下會(huì)脫氫形成氫過氧化物（ROOH），導(dǎo)致氫過氧化物逐漸積累。當(dāng)氫過氧化物積累到一定濃度后會(huì)分解形成烷氧自由基（ROO）和羰基（C=O）等，起到自動(dòng)催化效應(yīng)，各種含氧自由基彼此反應(yīng)，形成酯、醛、酮類等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得亞甲基基團(tuán)減少，同時(shí)大分子鏈段之間發(fā)生交聯(lián)。EPDM在120 ℃老化后的傅里葉變換紅外（Fourier Transform Infrared Reflection，F(xiàn)TIR）譜圖與未老化EPDM的對比如圖2（b）所示?？煽闯鯡PDM的FTIR譜圖無明顯變化，沒有明顯的老化特征。然而，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高后，EPDM的FTIR譜圖會(huì)在1 715 cm-1（酮基特征峰）和1 730 cm-1（酯基特征峰）出現(xiàn)明顯的羰基吸收峰，如圖2（c）所示。同時(shí)，溫度越高，出現(xiàn)羰基特征峰的時(shí)間越早，且隨著老化時(shí)間的增加，相應(yīng)的吸收峰強(qiáng)度會(huì)增高，表明羰基產(chǎn)物的含量也將逐漸增加[9-10]。

圖1 電、熱、機(jī)械應(yīng)力作用下EPDM老化機(jī)理Fig. 1 Aging mechanism of EPDM under electrical, thermal, and mechanical stress

圖2 EPDM的熱氧老化Fig. 2 Thermo-oxidative aging of EPDM

各種羰基物質(zhì)的形成不僅會(huì)使EPDM表面粗糙度增加，內(nèi)部產(chǎn)生孔洞和裂紋，表面顏色變紅變黃，亮度增加（圖3（a）），硬度升高（圖3（b）），還會(huì)使其機(jī)械性能劣化，如斷裂伸長率明顯下降（圖3（c））。因此，羰基指數(shù)常被用于評價(jià)EPDM性能。

圖3 EPDM老化后的理化和機(jī)械性能Fig. 3 Physical and mechanical properties of aged EPDM

EPDM在熱和拉力共同作用下老化后的羰基指數(shù)如圖3（d）所示。可看出隨著老化時(shí)間的增加，羰基指數(shù)均呈逐漸升高的趨勢，且熱因子和拉力越高，羰基指數(shù)升高越快。這也進(jìn)一步表明，多因子老化會(huì)加速EPDM的分解，生成羰基類產(chǎn)物，形成缺陷。

機(jī)械應(yīng)力的引入不僅會(huì)影響EPDM的理化和機(jī)械性能，也會(huì)影響電性能。例如：較低的擠壓力作用會(huì)使EPDM中因老化或制造形成的微孔發(fā)生形變，并使EPDM分子間形成相對穩(wěn)定的結(jié)合力，分子排列緊湊、活動(dòng)能力減弱，分子斷裂的能量閾值增加，EPDM的介電強(qiáng)度和閾值場強(qiáng)反而會(huì)有一定程度提升。這也導(dǎo)致熱因子對EPDM的影響減弱。雖然溫度升高，EPDM中的載流子濃度和遷移率均會(huì)升高，但是較低的擠壓力使得分子鏈間的間距減小，自由體積減少，不利于電荷遷移，載流子遷移率急劇下降，且其下降速率遠(yuǎn)大于受溫度影響的載流子濃度的升高速率，電導(dǎo)電流密度降低，電導(dǎo)率降低。當(dāng)擠壓力升高到一定程度后，沿?cái)D壓力垂直方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)拉力，使EPDM沿拉力方向擠出，加上熱因子升高引起的EPDM膨脹，將使EPDM的結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子鏈斷裂加劇，極性分子增多，EPDM中將產(chǎn)生微裂紋，各種缺陷形成，載流子遷移率將迅速升高，電導(dǎo)率升高，如圖4所示。

圖4 EPDM的電導(dǎo)特性Fig. 4 Conduction properties of EPDM

另一種會(huì)引起EPDM老化的機(jī)械應(yīng)力是拉伸力。當(dāng)作用于EPDM的外部拉伸力較小時(shí)，EPDM處于彈性形變，拉伸形變不會(huì)破壞EPDM分子鏈的結(jié)構(gòu)，反而因?yàn)槔熘蠓肿渔湉尿榭s狀態(tài)變?yōu)檠乩旆较虻纳煺範(fàn)顟B(tài)，分子鏈取向趨于有序化，分子鏈間距增大，單位體積內(nèi)陷阱數(shù)量減少，電子和空穴的遷移受限，導(dǎo)致極性基團(tuán)活性和電導(dǎo)電流下降。從宏觀上直接表現(xiàn)為EPDM的極化/去極化電流隨拉伸比的增加而降低，極化強(qiáng)度減弱。如圖5所示，拉伸力較高時(shí)，EPDM的形變將超出其可承受的彈性范圍，EPDM內(nèi)部弱鍵部位分子鏈發(fā)生斷裂，極性分子增多，且分子鏈相互之間受到的束縛減小，分子的轉(zhuǎn)向極化在電場的作用下會(huì)變得更容易，極化過程更容易建立，極化強(qiáng)度增大，更多的陷阱出現(xiàn)，可以促進(jìn)電子的跳躍，極化/去極化電流升高，電導(dǎo)率也升高[11]。

圖5 EPDM分子鏈網(wǎng)絡(luò)拉伸Fig. 5 EPDM molecular chain network stretching

當(dāng)熱因子和拉伸力同時(shí)存在，且溫度在硫化溫度以下時(shí)，老化初期EPDM處于交聯(lián)反應(yīng)和斷鏈反應(yīng)相互競爭的狀態(tài)，但交聯(lián)反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)。EPDM出現(xiàn)“再脫氣”過程，發(fā)生硫化反應(yīng)，使得分子鏈間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步完善，橡膠主分子鏈增加，表現(xiàn)為硬度快速上升，各官能團(tuán)數(shù)量下降速率較慢，這一階段EPDM自身分子結(jié)構(gòu)還未發(fā)生降解，而其內(nèi)部的添加劑、硫化副產(chǎn)物及雜質(zhì)等受熱的作用進(jìn)一步揮發(fā)、解離，形成的載流子在電場作用下發(fā)生碰撞、復(fù)合，誘發(fā)了較深的陷阱。隨著老化時(shí)間的增加，拉伸力的作用突顯，這是因?yàn)槔炝σ环矫嬉种屏私宦?lián)反應(yīng)，促進(jìn)了斷鏈反應(yīng)，另一方面拉伸力的作用使空隙增大，促進(jìn)了氧化反應(yīng)，加速了熱氧老化的進(jìn)程。宏觀上表現(xiàn)為EPDM的硬度、羰基指數(shù)、直流電導(dǎo)率均增大，且活化能降低。當(dāng)溫度超過硫化溫度以后，EPDM會(huì)發(fā)生熱裂解反應(yīng)，加之拉伸力的共同作用，導(dǎo)致分子鏈快速斷裂，羰基產(chǎn)物增多，EPDM性能快速劣化，缺陷增多，變脆變硬，損耗升高，導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生變化，在較低的電場強(qiáng)度下即會(huì)發(fā)生擊穿[12]。

2 礦用高壓電纜絕緣在線監(jiān)測方法

我國電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)雖發(fā)展迅速，但與煤礦以外的領(lǐng)域相比，礦用電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)仍相對落后。這不僅是因?yàn)槊旱V電氣設(shè)備運(yùn)行電壓低、絕緣裕度高而不被重視，而且礦井環(huán)境惡劣，運(yùn)行工況特殊，有防爆要求，監(jiān)測難度大，限制了各種監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。目前礦用電氣設(shè)備絕緣仍以人工目視、定期測量絕緣電阻或漏電流、在線監(jiān)測溫度為主，無法滿足煤礦裝備數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)要求[13-14]。

2.1 絕緣電阻監(jiān)測方法

絕緣電阻是衡量電纜對地絕緣水平高低的關(guān)鍵參數(shù)，它與電導(dǎo)率、泄漏電流相同，其大小可以直接反映電纜絕緣的好壞。絕緣電阻在線監(jiān)測方法有直流疊加法、交流疊加法[15-16]、電橋法[17]、接地線電流法、阻抗法等。直流疊加法在線監(jiān)測絕緣電阻的原理如圖6所示。該方法通過電抗器GPT將10～50 V的直流電壓疊加到電纜的交流工作電壓上，然后測量流經(jīng)電纜地線的直流電流，即可計(jì)算出電纜三相的絕緣電阻之和。

圖6 絕緣電阻監(jiān)測原理Fig. 6 Principle of insulation resistance monitoring

我國煤礦已有使用+48 V電壓的直流疊加法測量絕緣電阻的經(jīng)驗(yàn)。在使用直流疊加法測量絕緣電阻時(shí)，所測直流可能達(dá)到nA級別，為滿足數(shù)字化要求，不僅需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而且需要利用電子放大技術(shù)才能完成測量，此時(shí)應(yīng)保證放大器的輸入阻抗至少大于所要測量絕緣電阻的100倍，且電纜絕緣外護(hù)套的電阻也應(yīng)遠(yuǎn)大于所測絕緣電阻。絕緣電阻測量過程的時(shí)間常數(shù)較大，需要數(shù)分鐘才能完成1次測量。整個(gè)測量過程還極易受外界干擾和雜散電流的影響，此時(shí)可以改變所疊加直流電壓極性，測量2次，消除流經(jīng)地線的干擾和雜散電流。

交流疊加法和電橋法原理與直流疊加法類似。交流疊加法一般是疊加幅值較低的低頻電壓（不高于10 Hz），測量電纜地線中的低頻電流后，分離出與所施加電壓同相位的阻性電流分量，求出絕緣電阻值。電橋法則是在直流疊加法的基礎(chǔ)上，將電纜絕緣作為高壓橋臂，電抗器與交流接地器和電阻（與電纜絕緣電阻值相近）連接，構(gòu)成與絕緣并聯(lián)的橋臂實(shí)現(xiàn)測量。

接地線電流法是使用pA或nA級電流表直接測量流經(jīng)電纜地線的電流。該方法與交流疊加法存在類似的問題，因所測交流電流很小，對電流表的最小測量范圍有很高的要求。目前可用的電磁式微電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)μA級電流測量[18]。

阻抗法則是測量流經(jīng)電纜首端和末端的電壓和電流波形，然后根據(jù)電纜分布式參數(shù)等值電路模型，計(jì)算出絕緣對地電阻。

2.2 局部放電監(jiān)測方法

局部放電是監(jiān)測電纜絕緣整體情況和局部缺陷（如絕緣中的電樹枝、雜質(zhì)、氣隙等）的最常用方法。礦用高壓電纜可以使用的局部放電在線監(jiān)測方法較多，包括耦合電容法、脈沖電流法、電磁波法和聲波法等，其中基于高頻電流互感器（High Frequency Current Transformer，HFCT）的脈沖電流法在礦用高壓電纜局部放電在線監(jiān)測中已有應(yīng)用。HFCT的檢測原理：當(dāng)電纜內(nèi)部有局部放電發(fā)生時(shí)，會(huì)在與之相連的回路中產(chǎn)生脈沖電流，因此在電纜導(dǎo)線和接地線中都可以檢測到局部放電信號[19]。基于脈沖電流法的局部放電監(jiān)測如圖7（a）所示。礦用高壓電纜各相的金屬屏蔽層相互連接，為區(qū)分每一相的局部放電，可以將HFCT直接安裝在電纜線芯絕緣上，但此時(shí)應(yīng)注意避免負(fù)載電流過高引起HFCT飽和。

圖7 局部放電監(jiān)測方法原理Fig. 7 Principle of partial discharge monitoring method

此外，基于電磁波法的特高頻（Ultra High Frequency，UHF）局部放電檢測技術(shù)（數(shù)百兆赫茲）和瞬態(tài)地電壓（Transient Earth Voltage，TEV）局部放電檢測技術(shù)（數(shù)千赫茲到數(shù)十兆赫茲）在我國也已快速發(fā)展。這2種方法均是根據(jù)發(fā)生局部放電時(shí)，每一個(gè)放電脈沖都會(huì)向四周輻射電磁波的特性，直接測量周圍環(huán)境中的電磁波或電磁波在金屬殼體上產(chǎn)生的瞬態(tài)地電壓，從而實(shí)現(xiàn)局部放電監(jiān)測，如圖7（b）所示。然而這2種測量方法僅適合于電纜接頭或終端處的局部放電測量。

2.3 介質(zhì)損耗因數(shù)監(jiān)測方法

介質(zhì)損耗因數(shù)可描述絕緣極化和局部放電等現(xiàn)象引起的損耗，反映電纜絕緣整體劣化程度[20]。介質(zhì)損耗因數(shù)監(jiān)測原理如圖8所示[21]。通過電壓互感器PT獲取施加于電纜的電壓信號，電流互感器CT測量流過絕緣的工頻電流信號，然后經(jīng)硬件電路分相處理或經(jīng)傅里葉變換，即可得到介質(zhì)損耗因數(shù)。受限于礦用高壓電纜絕緣屏蔽層連通，以及電流互感器CT的最小可測量范圍，目前還未有介質(zhì)損耗因數(shù)測量法在礦用高壓電纜在線監(jiān)測中的現(xiàn)場應(yīng)用。

圖8 介質(zhì)損耗因數(shù)監(jiān)測原理Fig. 8 Principle of dielectric loss factor monitoring

2.4 溫度監(jiān)測方法

溫度監(jiān)測不僅可以監(jiān)視絕緣運(yùn)行溫度，而且可以確定電纜的載流量是否安全，因此應(yīng)用廣泛。電纜線芯溫度測量包括點(diǎn)測[22]和分布式測量[23]2類。礦用高壓電纜線芯溫度在線監(jiān)測多使用點(diǎn)測法，即熱電阻貼于接線腔內(nèi)的絕緣外表面，然后根據(jù)環(huán)境溫度計(jì)算出電纜線芯溫度。

式中：Tc為電纜線芯溫度；Ts為絕緣層外表面溫度；Wi為絕緣的介質(zhì)損耗；k為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；r1和r2分別為絕緣層內(nèi)、外半徑；qs為絕緣層外表面的傳熱速率。

2.5 其他監(jiān)測方法

分布式光纖監(jiān)測方法已經(jīng)成熟，可以實(shí)現(xiàn)對電纜溫度和應(yīng)力的分布式監(jiān)測，但是這種方法受限于光纖較差的柔韌性，并未在采掘工作面高壓移動(dòng)軟電纜領(lǐng)域應(yīng)用，因此本文未展開介紹。

另一種較成熟的電纜線芯溫度監(jiān)測方法是無源無線溫度測量傳感器，其采用電磁線圈從電纜取電，驅(qū)動(dòng)CC1310無線低功耗MCU，采集NTC（Negative Temperature Coefficient，負(fù)溫度系數(shù)）傳感器的信號，實(shí)現(xiàn)溫度的無源無線監(jiān)測，如圖9所示。

圖9 無源無線溫度監(jiān)測原理Fig. 9 Principle of passive wireless temperature monitoring

此外，頻域反射法（阻抗譜法）也被用于電纜絕緣缺陷檢測，其本質(zhì)是利用電纜分布式傳輸模型，對電纜注入頻率在數(shù)千赫茲到數(shù)百兆赫茲的電壓，得到阻抗相位、診斷函數(shù)、信號能量等參數(shù)沿電纜的變化情況，從而得出電纜的老化、受潮、屏蔽層腐蝕等缺陷。但該方法目前仍未有在線監(jiān)測的方案，且易受各種反射信號的干擾，有待進(jìn)一步研究[24-26]。

3 礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)評估

隨著在線監(jiān)測、故障診斷和壽命評估等技術(shù)在礦用電氣設(shè)備運(yùn)維中逐漸應(yīng)用，針對礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)的分析方法正在從定期巡檢向狀態(tài)維修和預(yù)測性維護(hù)轉(zhuǎn)變[20]。礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)評估方法多基于局部放電測量數(shù)據(jù)或相角解析圖[27]，并輔以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[28]、粒子群算法[29]、可拓理論[30]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[31]、稀疏分解[32]、深度森林[33]等智能算法，實(shí)現(xiàn)了對電樹枝、氣隙、劃痕、電痕、外力擠壓等故障的評估。

除單一的基于局部放電的絕緣狀態(tài)評估以外，其他方法則是將多個(gè)參量進(jìn)行融合，然后綜合評價(jià)絕緣的狀態(tài)。如基于雷達(dá)圖法的礦用高壓電纜安全預(yù)警方法，將局部放電量、接地電流、介質(zhì)損耗、絕緣電阻、負(fù)荷水平、空氣濕度等作為雷達(dá)圖指標(biāo)集，并引入反映優(yōu)劣程度的參考樣本和多源信息互補(bǔ)的均衡度因子，給出4級預(yù)警等級[34]。此外，基于介電響應(yīng)法和絕緣理化性能，給出了基于斷裂伸長率、羰基指數(shù)、老化因子、界面極化弛豫強(qiáng)度、介質(zhì)損耗積分飽和值等參量的礦用高壓電纜用EPDM老化壽命評價(jià)方程[20，35-38]，為進(jìn)一步研究礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)評估方法奠定了基礎(chǔ)。下面以改進(jìn)雷達(dá)圖和介質(zhì)損耗2種方法以例，介紹當(dāng)前煤礦井下用移動(dòng)軟電纜絕緣狀態(tài)評估方法。

3.1 基于改進(jìn)雷達(dá)圖的老化狀態(tài)評估

雷達(dá)圖法是典型的圖形評價(jià)方法，其最大的特點(diǎn)是形象、直觀。針對煤礦井下用移動(dòng)軟電纜絕緣老化狀態(tài)，可以選擇硬度H、介質(zhì)損耗因數(shù)最大值tanδmax、羰基指數(shù)ICI、去極化電荷量特征值A(chǔ)3τ3（A3為晶態(tài)與非晶態(tài)之間界面極化的擬合系數(shù)，τ3為晶態(tài)與非晶態(tài)之間界面極化的擬合時(shí)間常數(shù)）、極化指數(shù)IPI等與絕緣老化密切相關(guān)的參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)[39-40]。然后使用層次分析法得到主觀權(quán)重、客觀權(quán)重和綜合權(quán)重，并將綜合權(quán)重映射為雷達(dá)圖的各項(xiàng)指標(biāo)角度，從而得到改進(jìn)的雷達(dá)圖，如圖10所示?？煽闯霾煌匣潭葧r(shí)改進(jìn)雷達(dá)圖的面積有明顯區(qū)別，因此可以提取改進(jìn)雷達(dá)圖的面積來定量EPDM絕緣的老化程度。此時(shí)可選用斷裂伸長率作為基準(zhǔn)，得到改進(jìn)雷達(dá)圖的面積達(dá)到整個(gè)圖的61.8%時(shí)，EPDM的絕緣性能失效。

圖10 老化前后EPDM的改進(jìn)雷達(dá)圖Fig. 10 Improved radar map of EPDM and aged EPDM

3.2 基于介質(zhì)損耗的狀態(tài)評估

假設(shè)EPDM的介電響應(yīng)函數(shù)服從Curie-von Schwidler模型，則可利用傅里葉變換對極化/去極化電流進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，由此得到絕緣在頻率為0.1 Hz時(shí)的極化總損耗因數(shù)tanδp和去極化總損耗因數(shù)tanδdp，以及低頻介質(zhì)損耗因數(shù)不對稱系數(shù)K。

然后，基于不同老化程度下得到的極化總損耗因數(shù)和去極化總損耗因數(shù)繪制基于損耗因數(shù)不對稱系數(shù)的EPDM絕緣狀態(tài)評價(jià)圖。典型的電、熱、擠壓力老化后得到的EPDM絕緣狀態(tài)評價(jià)結(jié)果如圖11所示。根據(jù)GB/T 12972.1—2008《礦用橡套軟電纜第1部分：一般規(guī)定》，3.6/6 kV及以上礦用橡套軟電纜經(jīng)受試驗(yàn)電壓后介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ應(yīng)不大于0.035。如以此為閾值對EPDM絕緣狀態(tài)評價(jià)圖進(jìn)行區(qū)域劃分：tanδ＜0.035時(shí)認(rèn)為絕緣相對良好；0.035＜tanδ＜0.1時(shí)認(rèn)為絕緣輕微老化；tanδ＞0.1時(shí)認(rèn)為絕緣嚴(yán)重老化[37，41]。

圖11 EPDM絕緣狀態(tài)評估Fig. 11 Evaluation of EPDM insulation condition

將實(shí)際測得的tanδ代入圖11，如tanδ＜0.035且K≈1，則優(yōu)先推斷EPDM絕緣良好，否則，認(rèn)為絕緣老化程度值得重視和后續(xù)測試。當(dāng)tanδ＞0.035時(shí)，不對稱系數(shù)對絕緣性能變化趨勢的靈敏度有所下降，可忽略不對稱系數(shù)，認(rèn)為0.035＜tanδ＜0.1時(shí)絕緣輕微老化，tanδ＞0.1時(shí)絕緣老化較為嚴(yán)重。

為應(yīng)對煤礦智能化發(fā)展，礦用電氣設(shè)備智能化不僅需要在智能感知、智能控制方面開展研究，更需要實(shí)現(xiàn)智能分析和智能決策，以上這些方法為礦用EPDM高壓電纜絕緣狀態(tài)智能分析提供了一定的借鑒。然而，現(xiàn)有方法評價(jià)的準(zhǔn)確率很大程度上依賴于特征量的提取和處理，特征量越多，需要的矩陣運(yùn)算量越大，加之對于一些偶發(fā)的異常信號要求有快速的響應(yīng)速度，即能夠?qū)崟r(shí)處理數(shù)據(jù)，因此從準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性來說，未來分析和決策應(yīng)能在設(shè)備旁就地實(shí)現(xiàn)，以彌補(bǔ)海量數(shù)據(jù)向云端傳輸時(shí)帶來的信道堵塞和算力消耗。輕量化模型和算法的本質(zhì)是在較少的特征參數(shù)下，通過占用較低的計(jì)算量分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評估。目前已有輕量級故障診斷方法在電氣設(shè)備診斷方面的初步研究[42]。輕量化模型和算法一般基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如一種基于深度-廣度聯(lián)合剪枝的局部放電輕量化診斷方法，在保證高識(shí)別能力的基礎(chǔ)上，使用較少的參數(shù)量，消耗0.9 MiB的存儲(chǔ)和12.89 MiB的內(nèi)存，即可將推理速度最大提高9.3倍[43]。因此，輕量化模型和算法為設(shè)備旁智能終端上實(shí)現(xiàn)分析和決策提供了可能。降低計(jì)算復(fù)雜性、參數(shù)量和分析耗時(shí)，是實(shí)現(xiàn)煤礦電氣設(shè)備智能化需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

4 結(jié)論

1） 在電、熱、機(jī)械應(yīng)力作用下，礦用高壓電纜用EPDM的絕緣性能會(huì)加速劣化。熱因子引起熱氧反應(yīng)，機(jī)械應(yīng)力引發(fā)分子斷裂，使EPDM中出現(xiàn)羰基產(chǎn)物和微小的孔洞、裂紋等缺陷，導(dǎo)致EPDM發(fā)黃、變硬、變脆，電導(dǎo)率升高，擊穿場強(qiáng)降低。因此，可將羰基指數(shù)、硬度、斷裂伸長率、電導(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)、局部放電等特征量作為評價(jià)EPDM老化的指標(biāo)。

2） 電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)雖已日趨成熟，但是在煤礦井下仍未得到廣泛推廣或應(yīng)用，未來絕緣電阻、介質(zhì)損耗、局部放電和溫度等在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)與煤礦特殊工況和絕緣老化機(jī)理緊密結(jié)合，探索適用于煤礦的電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測和狀態(tài)感知技術(shù)。

3） 隨著煤礦物聯(lián)網(wǎng)和智能化的發(fā)展，智能分析或評價(jià)作為煤礦裝備智能化轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵一環(huán)，除需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣的故障診斷和壽命預(yù)測以外，還需要研究輕量化模型或算法，使單一電氣設(shè)備評價(jià)參數(shù)量不斷減少的同時(shí)，兼具高準(zhǔn)確性和易實(shí)施性。