电力电缆老化分析及绝缘检测

1、电力电缆老化分析及绝缘检测摘要：电线电缆尤其是低压电缆是在工程中广泛应用，也是出现绝缘故障的概 率最高的设备。据不完全统计，电气绝缘不良引起的事故中有近一半与电线电缆 有关。电缆的运行状况直接关系到电力系统的安全运行及供电的可靠性。本文首 先从物理老化与化学老化两方面分析了电缆老化的机理，在此基础上，介绍了电 缆不同的绝缘检测方法及特点，为分析电缆的绝缘特性与使用寿命提供了理论依 据。关键词：电力电缆；电缆老化；绝缘检测引言由于交联聚乙烯电缆绝缘性能好，易于制造和安装方便，在各类工程中得到 了广泛的应用。电缆的运行状况直接关系到电力系统的安全运行及供电的可靠性， 早期我国广泛使用的预防性试验是

2、采用定期停电进行试验的方法，属于离线检测。 然而，随着电力供应的发展，这种停电试验的传统方法已愈来愈不能适应电力生 产和供应的实际需要。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的意义。1电缆电缆老化表现形式及成因工程实际中电力电缆有不同外绝缘材质及类型，一般电压等级较高的电力电 缆常采用挤出成型的交联聚乙烯（XLPE）、聚氯乙烯（PVC）、乙丙橡胶、聚烯 烃类等固态绝缘材料，新型低烟无毒绝缘材料也在不断的推出中，另外有少量的 电缆采用油浸纸作为绝缘介质。电压等级较低的电线电缆一般以聚氯乙烯、天然 丁苯橡胶、乙烯一乙酸乙烯酯橡胶等作为绝缘

3、介质。电缆老化主要表现形式及成 因有以下几种。1.1电缆电树枝劣化在固体绝缘材料的高压击穿试验后，可以观察到类似树枝或者树根一样的击 穿痕迹。在高电压工程学上，这种树枝的绝缘击穿部分黍为树枝”，其发生，发 展的现象叫做树枝形成”。这种树枝是由电场作用导致击穿所致，所以又被称为 “电树枝”。电树枝产生的原因和电老化的原因一样有多种理论，但是尚无定论。其中有 本征破坏说、离子碰撞说、龟裂发生说以及机械破坏说等等，现在实验室制造电 树枝的方法是通过在插放红外绝缘材料内部的细针施加高压，这在一定程度上说 明电树枝的形成和绝缘材料不均匀引起的电极效应有关。电树枝形成后会不断的 发展，直至形成直径数微米到

4、数百微米的细小中空管，这是引起绝缘局部放电的 原因。1.2电缆水树枝劣化水树枝劣化也是一种常见的老化方式。水树枝多见于结晶性材料如聚乙烯和 交联聚乙烯，而在无定型材料的pvc.T基橡胶等聚合物中有发现。此外，水树 枝在直流电压的作用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生，高频电压也 能促使水树枝的产生。研究和实践发现，水树枝的产生和生长是XLPE电缆绝缘老化、劣化最直接的 因素，并在某些情况下可能造成局部击穿。实践也证明，大部分的电缆的绝缘击 穿事故都是由水树枝引起的。1.3电缆化学树枝劣化在电缆绝缘介质中发现的树枝状结构还有一种为化学树枝。化学树枝主要是 由于硫化物从电缆外围穿透绝缘层并与

5、铜导体发生反应形成硫化铜，硫化铜渗透 到聚乙烯电缆的缺陷部位，形成树枝的结晶，化学树枝呈现为黑色或都红褐色的 连续结构，在无电场的作用下也会发生。总之，树枝结构是绝缘老化、劣化后最 常观察到的现象，它们的产生和生长是引起绝缘老化、劣化的最基本、直接的因 素。2低压电缆绝缘状态检测方法分析低压电缆绝缘状态检测大体可以分为带电检测与不带电检测两种方法，其检 测原理与方法各有应用场景与技术特征。2.1电缆绝缘状态的不带电检测测量绝缘电阻是最常用的不带电检测法。测量绝缘电阻的仪表被称为兆欧表， 传统的有靠手摇动产生的电压的摇表，随着数安技术的发展，出现了各种性能优 良数字兆欧表。对于采用多层绝缘的电力

6、电缆而言，是测量线芯导体与屏蔽层之 间的绝缘电阻，测量电压在1000V以上，对于一般低压配电网各种电线而言，可 以采取测量两相间或相线对地之间的绝缘电阻的方法，测量电压为200V或者 1000V。对于电力电缆，如XLPE电缆等有时要求测量介质损耗正切值，正切值的增大 一定程度上反映了绝缘老化状况，如水树枝的发生数量和程度、屏蔽层铜带被腐 蚀程度等状况的加剧。正切值的停电测量的方法有多种，关键问题是如何从噪音 中将很小的无功电流分量准确地提取出来，主要的测量方法是通过在电缆导体和 屏蔽层之间放加一个理想交流电源，测量电压电流相位差来计算正切值，或者采 用西林电桥进行测量。逆吸收电流法也可以对电缆

7、进行绝缘。该方法在对电缆施加直流电压后，检 测导体对屏蔽短路时的电流。这种电流也是吸收现象影响了电流的衰减，所示被 称为逆吸收电流。逆吸收电流的衰减情况和吸收电流一样，也反映了绝缘介质局 部缺陷、发生水树枝等老化现象的程度。因为短路放电电流，所以和充电电流方 法相反，电缆充电和放电电流曲线如图1.1所示：图1.1电缆充电和放电电流示意图2.2电缆绝缘状态的带电检测直流叠加法是从停电测试方法中直流漏电流的测试发展而来的，最早于上世 纪70年代年开始应用。测试时从变电所接地变压器的中性点处接入50V直流测 试电源，检测电缆的屏蔽层以地的微弱电流，并换算成相应的绝缘电阻。直流叠 加法对于因电缆中水树

8、枝引起绝缘电阻下降比较敏感，是一种原理直接且比较容 易实施的方法。低频叠加法是在电缆导体上施加一个低频电压（7.5HZ，20V），从接地端检 测出的低频电流中分离出与电压同相位的有功电流分量，从而求得绝缘电阻，试 验证明这种方法对未贯穿的水树枝造成的绝缘性能下降也是可以检测的。该方法 之所以要采用7.5HZ的低频带交流电，其原因和测量tan6时降低测试电压频率一 样，即电源频率W减小，电容性电流分量Ic=U。WC也随之减小，而电阻性电流 大小没有变化，从而使得从总电流分离有功电流分量更加容易，测量结果的相对 误差也会较小。同时，采用20V的电压幅值也是在保证足够的电流响应值的基础 上尽量不对电

9、网和负载造成太大影响。交流法是将频率为工频时2倍+1HZ的50V交流电压叠加到电缆的屏蔽层，以 得到1HZ的劣化特征电流信息，从而判断电缆绝缘老化状况。交流叠加的优点在 于因迭加电压检测的是已知劣化信号，即1HZ信号，故检测精度高，抗干扰能力 强。此外，这种检测方法不接角电缆高压部分，因而测量简便，并且可以做成便 携式检测设备2.3其他方法除上述提及的方法经外，电缆绝缘在线检测方法有很多，如针对水树枝老化 的接地电流法，从交流叠加法发展而来的脉动检测法，针对高频电流成分的损耗 电流法等等，此外，还有多种镇对局部放电的在线检测技术，同时，新的检测方 法还在不断的研究当中，总之在线绝缘检测以其不可

10、取代的优越性能将越来越受 到人们的重视，应用也将越来越普及。结束语电力电缆和其他电气设备一样在运行过程中会由于各种的原因而发生一些突 发性故障，为电力系统的安全运行带来影响。但是，电力电缆故障不是瞬间发展 起来的，而是长期绝缘老化的结果最终导致绝缘击穿。绝缘损坏的原因是复杂多 样的。电力设备在制造、运输、安装和运行过程中都有可能会产生绝缘损坏和劣 化，这些损坏和劣化主要是各方面因素综合作用产生的。本文分析了电力电缆各 种老化类型，对电缆故障检测进行了分类分析，在实践中可以根据实际情况选取 合适的检测手段。参考文献：史志侠.电力电缆的现场试验与诊断.电线电缆，2001.98王春江.电线电缆手册：第1 册M.北京