热老化对配电电缆绝缘等温松弛电流及阈值电场的影响.pdf
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1、绝缘材料 2023,56(8)何宁辉等:热老化对配电电缆绝缘等温松弛电流及阈值电场的影响热老化对配电电缆绝缘等温松弛电流及阈值电场的影响何宁辉1,马波1,沙伟燕1,李秀广1,张鹏程2,田天1(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏 银川 750002;2.国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司,宁夏 石嘴山 753099)摘要:针对等温松弛电流法在配电电缆绝缘状态评估中的问题及难题,本文采用国产未老化的10 kV配电电缆新样作为检测对象,通过检测140下加速热老化288 h过程中电缆段的等温松弛电流和绝缘切片的高场电导,分析了热老化过程中表征绝缘状态的电流松弛分量、老化因子(A)和阈值电场(
2、Et)变化趋势及范围。结果表明:等温松弛电流中存在3个明显的极化松弛峰,时间常数1、2和3分别在712 s、3139 s和210536 s范围;热老化过程中等温松弛电流峰2和峰3对应的材料陷阱改变较大,其中峰3的改变最为明显;基于等温松弛电流的老化因子A在1.723.17范围,随老化时间的增加老化因子A先降后升,而对应的电导阈值电场Et呈先升后降的趋势,这表明阈值电场(Et)和老化因子(A)存在明显的关联,均是绝缘材料内部分子结构的宏观外在表象;国产电缆未老化时的老化因子A为1.91,已近德国标准DIN VDE 0276的“老年”状态,而热老化48 h时的老化因子(A)降至1.72,达到德国标
3、准的“较好”状态,表明国产电缆老化因子A的偏高可能与电缆交联副产物量的残留相关,应完善国产电缆生产中的脱气工艺。关键词:配电电缆;热老化;等温松弛电流;高场电导;老化因子;阈值电场中图分类号:TM215;TM247 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.08.008Effect of thermal ageing on isothermal relaxation current and threshold electric field of distribution cable insulationHE Ninghui1,MA Bo1,SHA Weiyan1,LI
4、 Xiuguang1,ZHANG Pengcheng2,TIAN Tian1(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co.,Ltd.,Yinchuan 750002,China;2.Shizuishan Power Supply Company of State Grid Ningxia Electric Power Co.,Ltd.,Shizuishan 753099,China)Abstract:In view of the problem and difficulty of isothermal r
5、elaxation current method in evaluating the insulation state of distribution cables,a new sample of domestic unaged 10 kV distribution cable was used as the test object in this paper,and the isothermal relaxation current of the cable section and the high-field conductance current of the insulation sl
6、ice during the 288 hours of accelerated thermal ageing process at 140 were detected.The variation trend and range of current relaxation component,ageing factor A,and threshold electric field Et during thermal ageing were analyzed.The results show that there are three obvious polarization relaxation
7、peaks in the isothermal relaxation current,and the time constants 1,2,and 3 are in the range of 7 12 s,31 39 s,and 210 536 s,respectively.During the thermal ageing process,the material traps corresponding to isothermal relaxation current Peak2 and Peak3 change greatly,and the change of Peak3 is the
8、most obvious.The ageing factor A based on the isothermal relaxation current is in the range of 1.723.17.The A decreases at first and then increases with the increase of ageing time,and the corresponding conductance threshold electric field Et shows the opposite trend of rising at first and then decr
9、easing,which indicates that there is a clear correlation between the threshold electric field Et and the ageing factor A,they are both the macroscopic appearances of internal molecular structure of the insulating material.The ageing factor A of the domestic cable before ageing is 1.91,which is close
10、 to the aged state of the German standard DIN VDE 0276,and the A drops to 1.72 after ageing for 48 h,which reaches the better state of the German standard.The high A of the domestic cable may be related to the residues of cross-linking by-products of cables,so the degassing process should be improve
11、d in the production of domestic cables.Key words:distribution cable;thermal ageing;isothermal relaxation current;high field conductivity;ageing factor threshold electric field0引 言配电电缆是配电系统网络中的核心部件之一,随着国民经济的快速发展,电力需求量大幅上升,其铺设量逐年扩大1。目前配电电缆网建设过程常采用地下密集敷设的方式,在运行过程中普遍存在散热不良和局部过热的问题。在地下水气渗透后,电缆绝缘层材料在热和电应力
12、的联合作用下,易发基金项目:国网宁夏电力有限公司科技项目(5229DK20005L)51绝缘材料 2023,56(8)何宁辉等:热老化对配电电缆绝缘等温松弛电流及阈值电场的影响生不可逆转的电、热和化学等复杂老化过程2-3,如电缆绝缘在交流电场电荷反复注入抽出和电化学反应作用下,材料分子结构会局部劣化和局部击穿。局部击穿造成的局部放电使材料内部形成微小通道,引发水树枝和电树枝老化,导致电缆绝缘快速击穿4-5;在持续的热应力作用下,电缆绝缘材料可能发生降解,导致电缆绝缘的电导率和介质损耗升高,影响绝缘状态并最终缩短其使用寿命6。为保障配电系统的稳定运行,必须对配电电缆的绝缘状态进行准确评估。目前国
13、内外针对配电电缆绝缘状态的评估采用电力设备中常用的检测技术如介质损耗、局部放电、耐压等测试进行7-9。但实际应用过程中,上述方法并不能有效发现配电电缆存在的潜在问题。近年来,等温松弛电流法(isothermal relaxation current,IRC)的提出为现场配电电缆的绝缘状态评估提供了新思路。IRC法是利用低直流电场下电缆绝缘的松弛电流趋势对现场在役电缆的整体老化程度作出定量评估10-13。A O ADENIYI等14通过对比IRC电流和介质损耗、回复电压等参数,发现该方法确定的老化因子(A)对电缆绝缘中水树枝的生长较为敏感;钱恺羽等15通过IRC法分析了由电缆绝缘松弛系数计算出的
14、老化因子(A)和绝缘内部缺陷的相关性,对高危故障点的诊断与排查较为有效;孙路等16通过对光纤护套材料在油中热老化过程中的松弛电流检测,发现老化因子随着老化时间的增加明显上升。电导阈值电场是电气设备绝缘新材料研发和绝缘老化评估的重要参数之一,吴建东等17通过检测填充纳米SiO2的LDPE/SiO2复合电介质的电导电流,发现高浓度填充可有效提高电介质的阈值电场;石逸雯等18将配电XLPE电缆绝缘切片在135下进行60 h的加速热老化,通过老化前后的电导检测,发现老化后的电导率呈现增大趋势,且欧姆区与非欧姆区的阈值电场明显减小。上述等温松弛电流法和电导阈值电场评估方法都是基于绝缘材料直流极化的松弛电
15、流检测,前者侧重于加压极化过程中松弛电流的变化趋势,后者侧重于极化一段时间后的稳定电流。但目前为止,国内外缺乏绝缘材料在老化过程中这两者的变化趋势和关联性研究。针对上述问题,采用国产未老化的10 kV配电电缆新样为检测对象,通过检测加速热老化过程中电缆绝缘的等温松弛电流和高场电导电流,分析热老化过程中配电电缆绝缘松弛电流中松弛分量和老化因子的变化趋势及范围,并探讨老化因子和阈值电场的关联,为现场配电电缆绝缘状态的评估提供依据。1实验方法1.1试样制备电缆试样采用10 kV配电网常用的新电缆,其额定电压 U0/U(Um)为 8.7/10(12)kV,其绝缘结构为:导体截面积为300 mm2,绝缘
16、层为XLPE,厚度实测约为4 mm,导体屏蔽厚度为0.7 mm,绝缘屏蔽为可剥离型,厚度为0.8 mm。为实现电缆的加速热老化,将新电缆按400 mm长制备两根电缆段,在鼓风烘箱中140下连续加速热老化288 h,以48 h为间隔提取老化电缆段进行等温松弛和高场电导检测。为减小后续检测数据的分散性,将一根电缆段用于不同热老化状态的等温松弛电流检测,热老化过程中将电缆线芯和铜带屏蔽短接,以消除前序测试的残留电荷;另一根电缆段每隔48 h截取50 mm的小段,用于制备高场电导测试用绝缘片。1.2电缆段等温松弛电流检测电缆段处理如图1所示,先去除电缆段整体外扩套后,中间位置留出200 mm的绝缘屏蔽
17、层和铜带屏蔽层,对应包覆的绝缘层为等温松弛电流的检测区。为防止直流极化过程中电缆端部发生沿面放电,电缆段左右两侧剥去绝缘屏蔽层,各留出长度为75 mm的安全距离,并用无水乙醇擦拭表面,以提高沿面电阻。电缆端部各露出长度为 25 mm的电缆线芯,以便检测回路接线。等温松弛电流测试在室温环境下进行,检测过程中,电缆段用绝缘支柱与地面隔离,电缆线芯接通高压开关用于在极化和短路过程中分别连接直流高压源的高压端和电流表的输入端,铜带屏蔽层与直流源和电流表接地端连接,形成共地回路。直图1电缆段样品和检测电路示意图Fig.1Schematic diagram of a cable segment sampl
18、e and detection circuit52绝缘材料 2023,56(8)何宁辉等:热老化对配电电缆绝缘等温松弛电流及阈值电场的影响流极化时输出1 kV直流电压,通过保护电抗R1连接电缆线芯,极化时间为1 800 s。等温松弛电流(即短路去极化电流)采用Keithley 6517A型静电计电流表记录,去极化时间为1 800 s,采样间隔为1 s。1.3电缆绝缘切片高场电导检测配电电缆尺寸结构小,绝缘层横向切片宽度一般在20 mm以内,沿面安全距离不足,不能直接检测直流高场电导。本文采用图2所示的电缆绝缘层轴向旋转切片方式,从同一电缆绝缘层径向区域制备出45 mm 45 mm的绝缘片,以保
19、证分析的一致性,厚度约为0.21 mm。高场电导检测在室温下进行,采用三电极系统,以抑制试样表面泄漏电流对极化电流的干扰,直流电场Edc从1 kV逐步升高至45 kV,极化电流采用Keithley 6517A型静电计电流表测量,取极化时间为 600 s后的准稳态值作为计算值。2实验结果2.1不同热老化时间电缆段的等温松弛电流图3为配电电缆段在老化0288 h过程中的等温松弛电流变化趋势。从图3可以看出,相对于未老化电缆的等温松弛电流,老化48 h时的电缆松弛电流出现了明显的下降趋势,之后随着老化时间的增加,松弛电流开始逐步上升,其中去极化100 s内的增幅比例相对较小,而去极化100 s之后的
20、增幅比例较为明显。另外,在去极化100 s后等温松弛电流的下降速度相对10100 s的下降速度明显放缓,表明老化过程中10100 s窗口对应的松弛分量发生了显著变化。2.2不同热老化时间电缆绝缘切片的高场电导图 4为电缆段绝缘层旋转切片在电场(E)为 145 kV/mm范围内的电流密度(J)变化趋势。从图4可以看出,热老化前后的J-E曲线有2个明显不同的增长区,且各区均呈现线性增长,高电场区的斜率明显大于低电场区的斜率。在热老化刚开始的48 h内,高、低电场下的电流密度随老化时间的增加均呈现明显的下降趋势,48 h之后随老化时间的增加电流密度逐步上升。另外,电流密度(J)的阈值电场(Et)(即
21、不同线性增长区的转折电场)随着老化时间的增加呈现出先增大后减小的趋势。3分析与讨论3.1热老化对电缆绝缘材料陷阱分布的影响由上述等温松弛电流和高场电导随热老化时间的变化趋势可知,配电电缆绝缘在140下连续加速热老化 288 h 过程发生了明显的微观结构变化,形成了很多微观缺陷。根据J G SIMMONS等19的等温松弛理论可知,这些微观缺陷在直流极化电场下会以陷阱形式俘获一定量的电荷。在短路去极化过程中,这些在陷阱中的电荷从陷阱中逐步脱陷释放(即去极化松弛过程),在外部检测回路中形成等温松弛电流。由于绝缘内部缺陷形式复杂,一般含有较多不同能级的陷阱分布,而电缆绝缘的等温松弛电流由其内部不同深、
22、浅陷阱中脱陷电荷释放后复合叠加而成,因此通过等温松弛电流随去极化时间的变化趋势可有效分析绝缘内部的缺陷(即陷阱)变化。通过对图3中不同热老化阶段的电缆段等温松弛电流拟合,发现采用式(1)的三阶指数模型拟合图3不同老化时间的电缆段等温松弛电流Fig.3Isothermal relaxation current of cable segments under different ageing time图4不同老化时间的电缆绝缘切片J-E特性Fig.4J-E characteristics of cable insulation sections under different ageing tim
23、e图2电缆绝缘片旋转切片示意图Fig.2Rotating section schematic of cable insulation sheet5353绝缘材料 2023,56(8)何宁辉等:热老化对配电电缆绝缘等温松弛电流及阈值电场的影响时,拟合的相关系数(R2)可达0.98,表明电缆绝缘松弛电流主要由三个松弛分量组成,分别表征绝缘中的三类主要缺陷,这与国内外研究的结果一致20-21。I(t)=I0+i=13ai e-ti(1)式(1)中:I0为稳态电流分量;1、2和3为三类界面极化的时间常数,分别为半导电屏蔽层与XLPE形成的界面极化、XLPE中晶区与无定形区之间的界面极化和老化过程中XL
24、PE与水树枝等引起的水合盐之间的界面极化;a1、a2和a3则对应3种界面极化的极化强度。表1为加速热老化过程中电缆段等温松弛电流的松弛分量参数。由表 1可知,绝缘内部缺陷的 3个时间常数1、2和3分别在712 s、3139 s和210536 s范围。随着热老化时间的增加,时间常数和极化强度a在初始48 h略微下降,之后逐步快速上升。为进一步直观分析热老化过程中绝缘的陷阱分布变化,结合上述松弛分量参数,图5给出了去极化电流(I)和去极化时间(t)的乘积It为纵轴,去极化时间(t)对数lgt为横轴的It-lgt曲线。根据等温松弛理论可知,该曲线的峰值和面积分别与陷阱能级深度和密度成正比,因此可通过
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