220kV电缆绝缘状态检测分析论文_谢国维

(广东威恒输变电工程有限公司 广东省 528200)

摘要:近25年以来,高压交联聚乙烯(XLPE)电缆越来越多的投入运行。但是早期的XLPE电缆由于制造工艺粗糙,自身防水性能不好,铺设和运行过程中,会在很大程度上受到热老化和电老化的影响,产生一些缺陷。这些微小的缺陷在潮湿环境中发展成水树,在电场作用下,水树进一步生长变成电树,电树则是不可逆的电缆永久性损害,常常使得电缆绝缘击穿,造成停电事故,对电力系统的安全运行面临着巨大的威胁。对于连接电网,作为输电网核心的至关重要的高压220kV电缆,及时了解并分析其绝缘状态,有着重要的现实意义。

关键词:220kV交联聚乙烯电缆;老化;理化;红外光谱;差式扫描量热

1、220kV电缆绝缘状态检测

1.1电导检测

一般情况下,绝缘电缆电导率极低,新电缆在10e-16S/m左右,采用常规的摇表或者泄漏电流,难以准确测量其电导率值,同时过高的电压可能对电缆造成二次损坏。为此,本文采用了精度较高的极化去极化电流检测法(PDC)来计算。本文采用的PDC测试系统如图1所示,先对被测电缆试样进行初始测量,其目的是为了确定在没有施加极化电压情况下的系统偏置,包括周围的干扰信号等。在测试过程中,10%的额定相电压即可。故所施加电压为1kV直流电压。同时,为使测试样本在施加电压下充分极化,设置的极化、去极化时间均为90s,所有的测试过程均在室温条件下进行。

PDC测试方法主要分为极化、去极化两个过程。极化过程,直流电压对电缆样本充电,去极化过程,样本则处于放电状态。两个过程中,电流均通过皮安表采集上传到工控机中,本实验采用Keithley6485,精度可达10fA。极化电流表达式为:

式中:C0为电力电缆的绝缘真空几何电容,U0为检测电压,σ0为样本电导率,ε0是真空介电常数,f(t)为样本介质响应函数。

t=tc(tc为充电时间)时,电缆被试品对地短接,此时流过绝缘层、屏蔽层的电流为去极化(松弛)电流。根据叠加定理可以等效为t=tc时刻起对XLPE绝缘施加电压-Uc,可得去极化电流表达式:

f(t)是一个单调递减的函数,当测试时间大于一定值后,可认为f(t)趋于零。联立公式(1)和(2)即可计算出电缆XLPE绝缘的直流电导率:

通过公式(3),计算获得此电缆的电导率大小为σ=1.74e-14S/m,认为该电缆存在轻微的绝缘老化。

1.2红外光谱分析

1.2.1试验原理

在研究电介质的化学及物理特性时,红外光谱(IIR)扮演了重要的角色。当待测样品处于频率变化的红外光中,样品的分子将会吸收部分频率的红外光,不同成分的分子会吸收不同频率的红外光,从而减弱了相应区域的透射光。此时,记录下红外光的百分透射比与波数的对应值,绘出相应的曲线,即可得到红外光谱。通过分析相应分子式的红外光谱吸收波长,来得到电缆绝缘的性能特性,进一步对电缆的老化状态做出诊断。

1.2.2试验步骤与数据分析

(1)从XLPE绝缘中外、中、内三侧,切出0.5mm、1.0mm厚度样本,用无水乙醇清洗,然后干燥24小时;(2)使用衰减全反射红外光谱仪测试样品的曝光面,进行红外光谱扫描。本次试验中,截取的是220kV运行10年后退运的老化XLPE电缆的切片,分别将绝缘层样本分成外侧、中侧、内侧三组,作对比分析。得到的红外光谱图如图2所示。

从图2可以看出:光谱2917cm-1和2848cm-1的位置出现较强的吸收峰,该部分为主链-(CH2)n-的键不对称伸缩振动峰、对称伸缩振动峰,XLPE层中侧的吸收峰略大于外侧和内侧的吸收峰,这一现象可能与电缆XLPE层不同位置的老化程度不同有关。外侧易受到外界运行环境的影响,内侧与缆芯距离较近,受到电场和发热因素影响较多,这两个位置的老化程度相对于中侧的老化程度较高。而随着老化程度的加剧,主链和侧链上的-CH2-键会发生断裂,导致–CH2–键的含量减少。XLPE层中侧的-CH2–键吸收峰大于外侧和内侧,说明退运电缆的XLPE层外侧和内侧相对于中侧均发生了老化断键。图中,1470cm-1和719cm-1附近的吸收峰比较明显,分别为-(CH2)n-键的不对称弯曲振动峰、面内摇摆弯曲振动峰。而在1366cm-1处也会产生一个峰值略低的吸收峰,为-(CH2)n-键的对称弯曲振动峰。XLPE层内侧在1470cm-1处的吸收峰要高于中侧和外侧,说明内侧的-CH2–键断裂程度高于中侧和外侧。1370cm-1处的吸收峰通常可以用来表征孤立的甲基-CH3在分子中的数目,甲基的数目越多,峰值越强,这里的峰值三者相差不大。在970cm-1附近,外侧的光谱吸收峰要明显高于内侧和中侧,该试验现象有待进一步研究。719cm-1处亚甲基链-(CH2)n-(n>4)平面摇摆弯曲振动峰,内侧要高于外侧和中侧,说明内侧老化后,XLPE层发生了断链降解。

1.3差示扫描量热分析

绝缘材料的聚集态结构对其力学性能、击穿性能等有重要影响。为了进一步了解退运电缆在聚集态结构上发生的变化,取XLPE层外、中、内侧切片进行DSC实验,分析其熔点、结晶度、晶片厚度、结晶速率在老化过程中的变化情况。

1.3.1测试原理

差示扫描量热分析(DSC)通过测量样本在不同温度下,由于发生量变或质变所引起的热变化,即吸热或放热,以此来推断材料可能发生的结构变化。发生吸热的反应过程有:晶体熔化、蒸发、升华、化学吸附等;发生放热的反应过程有:气体吸附、氧化降解、结晶等。而结晶形态的转变、化学分解、氧化还原反应等过程则可能是吸热,也可能是放热。DSC曲线的横坐标为温度T或时间t,纵坐标为样品吸热或放热速率。本文使用的是美国TA公司生产的调制型差示扫描量热仪,型号为Q2000,扫描温度范围为-80~550°C,灵敏度为0.2μw,扫描速率为0.01~200°C/min,最大可称量100mg。本研究中主要使用该设备测量待测样本的熔点、结晶度、片晶厚度、结晶速率等变化情况。

1.3.2电缆测试样本制作

本文中进行差示扫描量热测试时,需要将所有的电缆样本切片制为厚约1~2mm,长和宽不超过5mm,质量为5~8mg的薄片。退运电缆XLPE层内中外侧的熔融和结晶过程不完全相同,虽然曲线的形状没有发生变化,但是在相同温度下热流的数值不同,且峰值的大小不同。说明在运行10年的过程中,结缘材料的聚集形态发生了改变。本文主要考察电缆绝缘样本的结晶度,结晶度计算公式如下:

式中,Hm为材料的熔融热焓,ΔH0为XLPE完全结晶时的熔融热焓,一般取287.3J/g。内侧样本的结晶度与外侧相比有所降低,已有研究表明,在电热老化的作用下,材料的内部片晶会逐渐变薄,进而使得结晶度有所下降。也就是说,退运电缆XLPE层内侧所受电热老化的程度比外侧高一些。

2、结语

随着用户对于用电质量要求的不断提高,电缆作为重要的电能输送载体,更好地保证其健康状况有着积极的意义,通过对其绝缘状况的检测分析,准确地评估其使用寿命,对于及时、合理地进行电缆维护、更换能起到重要的指导作用。本文只是简单地对几种绝缘检测方法进行了了解。

参考文献:

[1]金尚儿.长期运行的110kVXLPE电缆的绝缘状态评估[D].广州:华南理工大学,2016.

[2]杜岩,姜红,李晓白,等.傅里叶变换红外光谱法检验塑料吸管的研究[J].上海塑料,2014.

论文作者:谢国维

论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期

论文发表时间:2018/10/1

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