基于不同频率介损比值的xlpe绝缘老化状态评估方法
【专利摘要】一种基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法，包括如下步骤：准备电缆绝缘内、中、外层切片试样；在相同条件下进行50Hz及0.1H电压下的试样介损测量；获得每个试样在0.1Hz和50Hz下介损的比值，在此基础上，计算得绝缘各层以及绝缘整体的介损比值；根据各层介损比值的大小及变化规律，以及绝缘整体介损比值的大小，评估交流或直流电缆XLPE绝缘的老化状态；按照本发明方法可以消除不同位置老化不均匀的影响，有利于反映绝缘的整体状态，对交、直流电缆XLPE绝缘的老化程度进行准确评估；测试所需的试样量小，对测试仪器的电压及容量要求低；以不同频率下介损测量值的比值作为特征参数，减小了测试仪器系统误差和外界环境的影响；无需与历史数据对比，工程应用方便。
【专利说明】
基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种对XLPE绝缘老化状态进行评估的方法，具体涉及基于聚合物固体 介质在不同频率下的介质损耗角正切的测量及比较，对XLPE绝缘的老化状态进行评估的方 法。
【背景技术】
[0002] 介质损耗角正切(tanS，下文简称"介损"）是描述介质材料及电气设备绝缘状态的 重要性能参数。介损能反映绝缘的整体性缺陷（如全面老化)和严重局部性缺陷（如水树）； 由介损随电压变化的曲线可以判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化程度等;它与击穿电压 之间也存在单调对应关系，介损增大，击穿电压下降;这些都表明介损能够作为绝缘诊断的 有效参数。
[0003] 介损是一个随频率而变化的量，这种变化是由介质中存在的极化所引起的。但是， 测量介损的频谱需要专用的设备，且将整个频谱完整表示并用于工程评估并不方便，也不 直观。为了便于工程应用，我们通常给出介损在某一特定频率下的值，目前普遍应用的两个 特征频率是50Hz和0.1Hz。
[0004] 最初的介损测量都是在工频（即50Hz)下进行的，例如，GB/T3048.11-2007《电线电 缆电性能试验方法第11部分:介质损耗角正切试验》中就详细规定了在工频交流电压下测 量电缆产品的介损值的试验设备、试样制备、试验程序、结果表征等系列要求。
[0005] 随着检测技术的发展，超低频（即0.1Hz)试验方法于1990年代被提出，并应用于固 体聚合物绝缘的状态检测当中，它可以大大降低对设备容量的要求，减小设备体积，有利于 进行现场试验。IEEE分别在2000年、2004年和2013年制定了超低频试验的相关标准 IEEE · Std · 400-2001、IEEE · Std · 400 · 2-2004、IEEE · Std · 400 · 2-2013，并在其中介绍 了针对 成品交流电缆的离线测试方法，以及电缆绝缘不同老化程度的判断依据。但是大量的研究 发现，标准中所列判据并不适用于工程实践，例如，标准规定：当测得的介损大于4ΧΚΓ 3时， 表明电缆已严重老化，必须立即更换。而实际上，大量状态较好的电缆其介损测量值也都大 于4X10- 3 〇
[0006] 在单一频率下测量绝缘介损值，受测试系统精度及外界环境波动的影响较大，有 时并不能真实反映绝缘系统的实际状态。能否选取50Hz和0.1Hz两个特征频率下的介损测 量值之比来判断XLPE绝缘的老化状态，以及其具体的评估技术，目前尚无相关研究。
【发明内容】
[0007] 为了弥补目前利用50Hz或0.1Hz频率下介损测量对XLPE绝缘进行状态评估受测试 系统及外界环境影响严重，测试数据分散性大，不能真实反映系统状态的问题，本发明的目 的在于提供一种基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法，本发明方法为基于 两个特征频率下介损测量值的相对比值对XLPE绝缘老化状态进行有效评估的方法。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1:准备切片试样，从XLPE成品电缆上截取一定长度的电缆样段，取出导体线 芯并剥除绝缘屏蔽以外的所有部分后，沿圆周方向进行环向切削，获得一定厚度的薄膜带 状XLPE绝缘试片，分别在对应于绝缘内、中、外层位置均切取3至5片薄片试样，清洁、压平， 并做恰当预处理后备用；
[0011]步骤2:50Hz电压下的试样介损测量，在确定的环境条件及试验条件下，逐一测量 各试样在50Hz工频电压下的介损值，记为tan5(50);
[0012] 步骤3:0.1Hz电压下的试样介损测量，在和步骤2相同的环境条件及试验条件下， 仅将电压频率调整为0.1Hz，逐一测量各试样在0.1Hz超低频电压下的介损值，记为taM (0.1);
[0013] 步骤4:数据处理，对每个被测试样，求取其0.1Hz和50Hz电压下介损的比值，记为 λ，λ = ?αηδ(〇. 1 )/tan5(50);对各层的λ测量值求平均，作为该层的最终结果，记为λ内、λ中、 再对内、中、外层测量值求取平均值，作为绝缘整体特征参数的最终结果，记为 [0014] 步骤5:绝缘老化状态评估，根据所得特征参数的大小，判断所测XLPE电缆绝缘 的老化状态，￥越大，绝缘的老化程度越严重。
[0015] 对预处理后的试样两面用离子溅射仪进行喷金处理以减小测量误差。
[0016] 按照本发明所提出的基于两个特征频率下介损测量值的相对比值对XLPE绝缘老 化状态进行有效评估的方法，可以对交流和直流电缆)(LPE绝缘的老化状态进行准确评估， 有效判断XLPE电缆的实时状态，为交、直流输、配电线路的安全运行提供保障。本发明以绝 缘切片为测试试样，所需试样量小，对测试仪器的电压及容量要求低;本发明以内、中、外层 试样测量值的平均值作为最终的测量结果，消除了不同位置老化不均匀的影响，有利于反 映绝缘的整体性能;本发明以不同频率下介损测量值的比值作为XLPE绝缘的特征参数，减 小了测试仪器系统误差和外界环境的影响；本发明以相同条件下50Hz及0.1Hz介损测量值 的比值作为绝缘状态的判断依据，无需与电缆的历史数据进行对比分析，工程应用方便。
【附图说明】
[0017] 图1为XLPE电缆绝缘的环切取样示意图。
[0018] 图2为本发明实施例中XLPE电缆绝缘环切后的样品实物图。
[0019] 图3为本发明实施例中喷上金电极后的试样实物图。
[0020] 图4为本发明实施例中的介电频谱测试电极实物图。
[0021] 图5为本发明实施例中的介电频谱测试电极结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合【具体实施方式】对本发明作更详细的说明。
[0023]本发明所提出的基于两个特征频率下介损测量值的相对比值对XLPE绝缘老化状 态进行有效评估的方法，包括如下步骤：
[0024]步骤1:准备切片试样；
[0025] 以新的、现场运行16年和24年的110kV交流XLPE电缆为对象，分别取长约100mm的 电缆段，去除导体线芯并剥除绝缘屏蔽以外的所有部分，沿电缆圆周方向进行环向切削（如 削水果皮），将绝缘层环切成厚约(〇.2±0.02)mm的切片试样，沿径向将绝缘均分为三部分， 分别称为内层、中层和外层，如图1所示，对每种电缆，分别在对应于绝缘内、中、外层位置切 取3片试样，裁成边长约为100mm的矩形，使用酒精擦拭后，将所有试样放置于50°C恒温烘箱 中，抽真空干燥6h，之后将试样从烘箱内取出并压平备用；绝缘切片厚度不应过小，否则会 出现明显的卷曲和不平整。图2为本发明实施例中XLPE电缆绝缘环切后的样品实物图。 [0026]为了减小测量误差，改善试样与测量仪器所带电极之间的接触，可以对试样两面 用离子溅射仪进行喷金处理，加上金电极后的试样如图3所示。
[0027]步骤2:50Hz电压下的试样介损测量；
[0028]步骤3:0.1Hz电压下的试样介损测量；
[0029] 作为优选实例，选用德国Novocontrol Concept 80宽频介电谱仪，可一次完成同 一被测试样在50Hz及0.1Hz电压下的介损测量；宽频介电谱仪的测试电极实物及其结构示 意，分别如图4和图5所示，将试样恰当安装后，设置试验温度为25°C，测试频段为0.05Hz~ 1kHz，在真空条件下开始测试，测试完成后记录0.1Hz及50Hz频率下试样的介损值;一次测 量一个试样，之后更换试样，直至所有试样全部测量完成；
[0030]步骤4:数据处理；
[0031] 对每个被测试样，求取其0.1Hz和50Hz电压下介损的比值λ，如表1中所示，每种电 缆在每一层选取了 3个试样;之后，对各层的3个测量值求平均值，获得每种电缆XLPE绝缘的 λ内、λ中、最后，对内、中、外层测量结果再次求平均值，获得绝缘整体的特征参数，即蟢，如 表1所示。
[0032] 表 1
[0033]
[0034]步骤5:绝缘老化状态评估；
[0035]从表1数据中可以看出，单个试样的介损测量值存在较大的分散性，难以用于绝缘 评估，而采用在同一位置取三个试样求平均值的方式可以减小这种分散性；同时，采用对 内、中、外层再次求平均值的方式有利于反映绝缘的整体状态。随着XLPE电缆运行年限的增 加，介损比值￥是单调增加的，从新电缆的1.76,到运行16年电缆的3.37,再到运行24年电 缆的5.39，表明￥可以有效表征XLPE绝缘的整体老化状态。分析还发现，新电缆的介损受加 工挤出过程导致的绝缘形态差异影响，各层的介损比值没有明显规律;而对于运行16年和 24年的电缆，从内层到外层，介损比值呈现逐渐减小的趋势，这与交流电缆绝缘中的电场及 热场分布从内到外逐渐减弱的实际情况相吻合。
[0036]为了验证该方法对直流电缆XLPE绝缘进行老化评估的效果，在表2中列出了对新 的及预鉴定试验后的直流电缆XLPE绝缘的介损测量结果。可以看出，首先，在经过预鉴定试 验后，XLPE绝缘的整体介损比值￥有了明显的增大，由1.06增加为2.51;其次，新电缆的内、 中、外层介损比值没有明显规律，而在预鉴定试验后，试样的介损比值呈现从内层到外层逐 渐增大的趋势，这与交流电缆经过现场运行后XLPE绝缘的介损比值由内向外逐渐减小的结 果完全相反，显示直流电缆绝缘在高压、高负荷下完全不同的场强分布特性。
[0037]表 2
[0039]以上测量获得的两个特征频率(0.1Hz和50Hz)下的介损比值在内、中、外层的分布 与交、直流电缆实际带电压、带负荷状态对绝缘的电热老化作用完全一致，而评估参数￥的 大小与)(LPE绝缘在实际运行或长期试验后发生老化的程度呈现单调对应关系，由此可以验 证，本发明所提出的基于两个特征频率下介损测量值的相对比值对XLPE绝缘老化状态进行 评估的方法简单易行，准确可靠。
【主权项】
1. 一种基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法，其特征在于:包括如下 步骤： 步骤1:准备切片试样，从XLPE成品电缆上截取一定长度的电缆样段，取出导体线芯并 剥除绝缘屏蔽以外的所有部分后，沿圆周方向进行环向切削，获得一定厚度的薄膜带状 XLPE绝缘试片，分别在对应于绝缘内、中、外层位置均切取3至5片薄片试样，清洁、压平，并 做预处理后备用； 步骤2:50Hz电压下的试样介损测量，在确定的环境条件及试验条件下，逐一测量各试 样在50Hz工频电压下的介损值，记为tan5(50); 步骤3:0.1Hz电压下的试样介损测量，在和步骤2相同的环境条件及试验条件下，仅将 电压频率调整为0.1Hz，逐一测量各试样在0.1Hz超低频电压下的介损值，记为taM(O.l); 步骤4:数据处理，对每个被测试样，求取其0.1Hz和50Hz电压下介损的比值，记为λ，λ = tan5(〇. l)/tan5(50);对各层的λ测量值求平均，作为该层的最终结果，记为λ内、λ中、4卜;再对 内、中、外层测量值求取平均值，作为绝缘整体特征参数的最终结果，记为 步骤5:绝缘老化状态评估，根据所得特征参数的大小，判断所测XLPE电缆绝缘的老 化状态，￥越大，绝缘的老化程度越严重。2. 根据权利要求1所述的基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法，其特 征在于:对预处理后的试样两面用离子溅射仪进行喷金处理以减小测量误差。
【文档编号】G01R31/12GK105866647SQ201610404171
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】刘 英, 王林杰, 肖阳, 苏宇, 廖帆, 廖一帆, 张福增, 王国利
【申请人】西安交通大学, 南方电网科学研究院有限责任公司