一种用于评估电缆老化及运行状态的非破坏性方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气绝缘领域，特别涉及一种结合绝缘内部陷阱分布特性等相关参数 的评价方法，具体涉及一种用于评估电缆老化及运行状态的非破坏性方法。
【背景技术】
[0002] 电缆绝缘的老化是影响电缆电气性能的重要因素，所以对实际运行电缆的老化状 态及绝缘寿命评估一直是业内关注的焦点。
[0003] 耐压法、介质损耗因素法是目前常用来评价XLPE电缆的实验手段。耐压法是一种 直接判断电缆绝缘性能的方法，能够较为准确地对电缆寿命进行评估，但是这种方法难以 准确区分分布性缺陷与集中性缺陷对电缆寿命的影响，且耐压后如果对电缆芯的放电时间 不够，其残余电荷会影响绝缘电阻的测量。而且在实验过程中，该方法需要不断与新电缆的 参数进行比较，数据处理过程较为繁琐。介质损耗因素法主要依据谐波分析实现介质损耗 角S的测量，由于电力系统的工频信号在各种因素的影响下，其基波频率会有一定波动，并 不总是理想的50Hz，且依据谐波分析法对介质损耗角δ的测试与分析也会由于"频谱泄露" 现象产生较大的误差。这些缺点都限制了这些方法的推广应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于评估电缆老化及运行状态的非破坏性方法，可以 更加准确的从微观角度对实际运行电缆的绝缘性能进行评判，具有更广的适用性及准确 性。
[0005] 为达到以上目的，本发明的技术方案如下：
[0006] -种用于评估电缆老化及运行状态的非破坏性方法，首先，对所有被测电缆试样 进行预处理，并对被测电缆两端进行电磁屏蔽;其次，进行极化处理，一端进行绝缘，另一端 接高压直流电源，然后，将极化后的电缆进行瞬时短路以去除表面的自由电荷;最后，接入 退极化测试系统进行退极化，通过计算机自动测量并记录等温松弛电流，以等温松弛电流I 为纵坐标，时间t为横坐标，得到等温松弛电流随时间的变化特性曲线，根据等温松弛电流 随时间的变化特性曲线计算得到老化因子A，通过比较待测电缆与未老化电缆的老化因子 的差值来进行判断老化程度，完成电缆老化及运行状态的评估。
[0007] 对所有被测电缆试样进行预处理的具体过程为：剥离被测电缆两端的屏蔽层，对 剥离后的部分用无水乙醇进行反复擦拭、除去污垢，然后烘干。
[0008] 所述极化处理的时间设定为1800s，极化场强为240V/mm。
[0009] 退极化的时间设定为1800s。
[0010] 根据等温松弛电流随时间的变化特性曲线计算得到老化因子A的具体过程为:采 用三阶指数函数对等温松弛电流随时间的变化特性曲线进行数值拟合，根据拟合结果提取 陷阱分布特性、极化时间常数，根据陷阱分布特性、极化时间常数计算极化贡献，根据计划 贡献得到老化因子A。
[0011] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果:本发明通过对所有被测电缆试样进行 预处理，并对被测电缆两端进行电磁屏蔽;其次，进行极化处理，一端进行绝缘，另一端接高 压直流电源，然后，将极化后的电缆进行瞬时短路以去除表面的自由电荷;最后，接入退极 化测试系统进行退极化，通过计算机自动测量并记录等温松弛电流，以等温松弛电流I为纵 坐标，时间t为横坐标，得到等温松弛电流随时间的变化特性曲线，根据等温松弛电流随时 间的变化特性曲线计算得到老化因子A，通过比较待测电缆与未老化电缆的老化因子的差 值来进行判断老化程度，完成电缆老化及运行状态的评估。实验测试表明，不同运行年限电 缆试样的等温松弛电流特性明显不同：随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松 弛电流初始值增大，且电流衰减时间变长;经分析发现，运行年限较长的电缆试样，陷阱电 荷密度增加，陷阱能级加深。本发明的这种测量和表征方法可以用于XLPE电缆电气绝缘性 能的评价中。
[0012] 现有的评价电缆绝缘寿命的技术，如电老化，热老化，都涉及到求解活化能的问 题，而求解活化能时，需要进行指数项运算，当数据产生波动之后，将导致计算结果产生较 大误差，最终结果将发生较大偏差，不能进行准确评价。本发明对等温松弛电流进行了多阶 指数拟合，并通过数值计算得到老化因子A，通过老化因子A的范围，准确判断电缆的老化程 度及运行状态。
[0013] 随着电流测量技术的发展，微电流的精确测量得以实现，本发明对等温松弛电流 进行测量，操作方便可行;操作过程中所加电压低，安全性高，可操作性强;对等温松弛电流 进行多阶拟合，对极化过程进行逐级计算求得老化因子A，通过老化因子A对电缆的老化程 度及运行状态进行判断，准确率高;相比于现有的电缆绝缘寿命评价技术，本发明测量周期 短，测量效率高。
[0014] 本方法是以电介质理论为基础发展起来的非破坏性的检测方法。本方法对两种极 化后的XLPE电缆试样以及不同运行年限下电缆试样去极化过程的等温松弛电流特性进行 分析，得到陷阱分布特性等相关参数，为聚合物的绝缘状态分析提供了理论支持。本方法可 以给出电缆绝缘的老化状况，并且无需参考敷设电缆的运行历史就可以获得它的残余寿 命。本发明是一种非破坏性的测量，不仅可以用于评价电缆绝缘性能的优劣，还可以得到其 内部空间电荷及陷阱分布的特性，对电缆绝缘性能的评价具有一定指导意义。
[0015] 进一步的，通过对对所有被测电缆试样进行预处理，能有减小电缆在测量时的泄 漏电流。
【附图说明】
[0016] 图1为极化与去极化电流原理曲线图。
[0017] 图2为等温松弛电流测试实验图。
[0018] 图3为不同老化方式及老化条件的K型电缆等温松弛电流曲线。
[0019] 图4为不同老化方式及老化条件的K型电缆(I*t~logt)拟合曲线。
[0020]图5为K型电缆松弛过程2界面极化贡献(Q2)。
[0021] 图6为K型电缆松弛过程3由于老化而引起的极化贡献(Q3)。
[0022] 图7为不同老化方式及老化条件下P型电缆等温松弛电流曲线。
[0023]图8为不同老化方式及老化条件下P型电缆(I*t~logt)拟合曲线。
[0024] 图9为P型电缆松弛过程2界面极化贡献(Q2)。
[0025] 图10为P型电缆松弛过程3由于老化而引起的极化贡献(Q3)。
[0026] 图11为不同运行年限电缆等温松弛电流曲线。
[0027]图12为不同运行年限电缆（I*t~logt)拟合曲线。
[0028]图中，1为导体，2为内半导电层，3为绝缘层，4为外半导电层，5为铜屏蔽层，6为直 流电压源，7为计算机。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
[0030]本发明是通过对极化后的10kV新型抗水树XLPE电缆（下文统一称为K型电缆）和 10kV XLPE电缆(下文统一称为P型电缆)去极化过程的松弛电流特性的分析，采用三阶指数 函数对等温松弛电流曲线进行数值拟合分析，提取陷阱分布特性、极化时间常数等绝缘内 部的相关信息，计算得到不同松弛过程的极化贡献及老化因子A，基于老化因子A对电缆的 剩余寿命进行判断。
[0031 ]选择以下参数对运行电缆状态进行表征，这些参数包括:等温松弛电流、极化贡献 和老化因子。
[0032] 通过测得数据以等温松弛电流I为纵坐标，时间t为横坐标，得到不同老化程度的 抗水树XLPE与普通XLPE电缆、以及不同运行年限电缆的等温松弛电流随时间的变化特性， 可以看出：随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松弛电流初始值增大;且电流衰 减时间变长。
[0033] 通过采用三阶指数衰减函数对松弛电流曲线进行拟合，以等温松弛电流与时间的 乘积(I*t)为纵坐标，时间的对数（logt)为横坐标，得到拟合曲线（I*t~logt)，通过观察曲 线的峰值以及峰值的移动情况来分析试样的老化程度以及内部陷阱的分布情况。
[0034] 通过测得数据计算不同松弛过程的极化贡献，并绘制柱状图，通过极化贡献的变 化趋势并结合试样的老化程度进行分析，得到相应的规律。
[0035] 通过计算界面极化贡献(Q2)与老化引起的极化贡献(Q3)的比值得到老化因子A， 可以看出：随着电缆运行年限的增加，老化因子的数值随之增大，即电缆的老化程度加深。
[0036] 对表征电缆老化及运行电缆状态的不同参数进行比较，随着电缆老化程度的加深 及运行年限的增大，松弛电流初始值增大，衰减时间增长，陷阱深度变深，陷阱电荷密度变 大，极化贡献以及老化因子也随之增大。
[0037]具体的实验过程如下：
[0038] 1)电缆测量前期工作:取出被测样品，剥离电缆两端的屏蔽层，对剥离后的部分用 无水乙醇进行反复擦拭、除去污垢，接着将试样放入烘箱中烘干，温度设定为60°C，时间为6 小时，这一步的工作主要是为了减小电缆在测量时的泄漏电流；
[0039] 2)对测试电缆进行电磁屏蔽，由于退极化电流在PA极，且退极化电流非常小，容易 受到外界因素影响，主要是电磁干扰，因此，需要对电缆两端进行可靠电磁屏蔽，现场采用 可伸缩铝箱波纹管进行屏蔽处理；
[0040] 3)极化过程:对被测样品屏蔽端接地进行可靠绝缘，另一端接极化高压直流电源， 极化时间设定为180〇8，极化场强为240￥/1111]1;
[0041] 4)瞬时短路:测量等温松弛电流前，将极化后的电缆经电阻短路5s，以除去表面的 自由电荷，减少其对测试结果的影响；
[0042] 5)测量等温松弛电流:接入退极化测试系统进行退极化，采用计算机控制，用电流 表Keith 1 ey 6517B记录松弛电流，对应退极化时间设定为1800s;
[0043] 如图1所示，为极化与去极化电流原理曲线图。当在电缆两端加上一个极化电压 UC，电缆内部将产生一个极化电流Ipol，随着加压时间的增长，极化电流逐渐变小趋于稳 定。当撤去极化电压UC后，电缆内部产生一个去极化电流Idep，随着去极化时间增大衰减至 零。
[0044]如图2所示，为等温松弛法测试系统