技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电缆老化测量技术，特别涉及一种基于去极化电流法检测XLPE电缆老化程度的测量方法。
背景技术
[0002] 由于电缆在长期运行中产生的电树、
水树老化现象，老化程度越高，电缆的绝缘性能越差。随着国民经济的发展用户用电负荷的逐年增加，以及各种原因引起的电缆故障也越来越频繁。除人为因素外，大部分电缆事故由电缆绝缘老化引起。由绝缘老化带来的停电事故可能导致极大的经济损失，严重危害
电网安全，一旦发生故障，将影响设备的安全稳定运行，导致大面积停电。为此需要检测电缆的绝缘状况，以确保电缆安全运行的任务越来越重。现有的检测电缆老化程度的检测方法主要是通过检测电缆绝缘性能的方式来判断电缆的老化程度，检测电缆绝缘性能分为在线检测手段和离线检测手段。
[0003] 在线检测手段主要依靠采集电缆上各类微弱电流的变化来监测电缆绝缘性能的变化。在电网运行的状况下有大量的噪声和谐波存在，在线监测面临着从这些噪声和谐波中将微弱的特征
信号提取并精确还原出来的技术难题。在线监测除了要精确的从噪声中拾取有效特征信号外，还要考虑到如何有效地将测试源
叠加到电网上，并且尽量降低其接地线路在电网故障(例如
短路)时对电网的影响。电缆绝缘的在线诊断主要方法有直流叠加法、
直流分量法、低频叠加法、交流叠加法等方法。
[0004] 离线检测手段在测试时需要停电，因此相较于在线检测手段能够大大减弱测试时的干扰，测试结果更准确。现有的电
力电缆绝缘离线诊断技术主要有介质损耗因素试验、局部放电试验及耐压试验。破坏性试验又称绝缘耐压试验，是指在高于设备工作
电压下进行的试验。它主要有交流耐压和直流耐压两种试验，旨在揭露危险性大的集中性绝缘
缺陷，保证绝缘有一定的裕度。需要指出的是，耐压试验可能会对试品产生某些损坏，从而影响绝缘寿命。绝缘
电阻和介损正切值测试日前是电力系统最常用的检测手段，但这种测试方式测试结果单一，且受制于电缆的电容量，如果电缆的电容量不在预设的容量范围，对电缆的绝缘性能的测量结果不够准确，不能准确反应电缆的老化程度。
[0005] 这些方法都取得了不同程度的成功，但是要想完整地评估电缆的绝缘状况，需要两种类型的方法：一种用于检测大段电缆的总体性能；另一种用于检测局部区域的性能。
发明内容
[0006] 本发明是针对现在电缆老化检测存在的问题，提出了一种基于去极化电流法检测XLPE电缆老化程度的测量方法，去极化电流方法可应用于电缆整体的检测，测试更加快捷简便，灵敏度更高，并且对电缆不会造成任何损伤，同时得到的数据更能够准确地反映出电缆的绝缘性能情况。相对于极化电流，去极化电流并不包含电导电流，完全是由电缆绝缘中特定松弛机制产生的松弛电流复合而形成的。而介质内部的松弛极化现象包含了绝缘材料的大部分状态信息，包括由于老化产生的新物质或新结构的情况。因此，通过对老化电缆去极化电流的测量可以更加直观地反应绝缘材料内部的极化特性。
[0007] 本发明的技术方案为：一种基于去极化电流法检测XLPE电缆老化程度的测量方法，首先对离线电缆放电进行去极化电流的测量：对不同规格的交联聚乙烯绝缘XLPE电缆样本进行充电和短路放电，在充电过程中，试品因被施加电压为U0的阶跃激励而开始极化，持续极化时间为tp，此时流过试品的电流即为极化电流ip，瞬时撤去电压后，试品因短路而产生反方向的放电电流，即为去极化电流id；然后计算老化因子A的大小判断XLPE电缆的老化程度：基于去极化电流计算出电缆的老化因子A，通过老化因子A与绝缘状况关系，对电缆老化程度作出判断。
[0008] 所述对离线电缆放电进行去极化电流的测量具体步骤如下：
[0009] (1)被测样品的准备和预处理：将所有被测电缆两端的绝缘外皮和
铜屏蔽层剥去，剥离的长度在15cm左右即可，以消除沿面电流放电的影响，为了获得含热老化的XLPE电缆样品，对需要老化的电缆部分进行
加速热老化处理；
[0010] (2)电缆极化：将被测电缆接入
电路中，电缆导体通过
开关控制系统开关、限流电阻接直流高压电源，另一端铜屏蔽层可靠接地，皮安表应接于开关控制系统与XLPE电缆之间，XLPE电缆、皮安表与开关控制系统需位于Faraday
法拉第笼中，以屏蔽外部工频信号干扰源，实验环境空气
相对湿度Hr<90％，上位机采集程序中应包含相应的滤波程序，先对被测电缆进行初始测量，然后通过恒压电源对电缆进行充电，直至到达稳态电流，即测得极化电流ip；
[0011] (3)去极化电流测量：对电缆充电即电缆极化后瞬间短路，即通过开关控制系统开关切换，断开电源，电缆两端接
串联的限流电阻和皮安表，通过计算机控制皮安表，测量去极化电流，过程包括:皮安表复位、去极化电流采集和传输数据。
[0012] 所述计算老化因子A的大小判断XLPE电缆的老化程度具体步骤如下：
[0013] A、曲线拟合：根据极化/去极化物理过程的时间与实际结果进行比较，将去极化电流数据拟合得到一条光滑的曲线，获得3个极化类型时间常数的值，其拟合表达式如下式所示：
[0014]
[0015] 式中：i代表三种极化类型，i＝1代表绝缘材料的中体极化，i＝2代表晶态与非晶态之间的界面极化，i＝3代表老化后各类离子、基团之间的界面极化；Id为去极化电流；αi为3种极化类型的拟合系数；t为时间；τi为3种极化的拟合时间常数；
[0016] B、老化因子A的判断：
[0017] 材料的去极化电流Id随时间的变化如下式所示：
[0018]
[0019] 式中：k为Boltzmann常数；L为绝缘的厚度；t为衰减时间；T为
热力学温度；e为
电子电荷量；f0(W)为电子陷阱初始
密度；N0(WH)为陷阱能级的密度；
[0020] 老化因子A如下式所示：
[0021]
[0022] 根据Birkner P研究结果给出了XLPE电缆的老化因子A值与绝缘状况的关系，将所得老化因子A带入对照，对电缆老化程度作出判断。
[0023] 本发明的有益效果在于：本发明基于去极化电流法检测XLPE电缆老化程度的测量方法，相对于现有测试手段，基于去极化电流PDC的电缆老化判定方法能够克服现有分布式缺陷诊断信息量不足、有破坏性等缺点；由于所测电流值较小(pA级)，所以测量结果较易受外界干扰。因此PDC方法检测过程中需采用以下抗干扰措施。若不采用上述抗干扰措施，则采集的数据有很多毛刺，大部分淹没于外界噪声中，且新老电缆电流曲线相互干扰，很难反映出其绝缘特性，而采用上述抗干扰措施后可以得到较平滑的电流曲线，且分界较为明显，更接近真实值；对实验数据进行线性拟合，可以更直观的反应电缆绝缘老化去极化电流的特性，利于观察曲线走向，反映电缆老化后去极化电流的变化；基于陷阱理论和极化理论给出的老化因子A可以定量描述XLPE(交联聚乙烯绝缘)电缆的老化程度。通过计算发现，A值与XLPE电缆的老化程度成正相关的关系，可满足实际需求。
附图说明
[0024] 图1为本发明方法所用测量装置结构示意图；
[0025] 图2为本发明基于去极化电流法检测XLPE电缆老化程度的测量方法
流程图。
具体实施方式
[0026] 测量过程主要可分为两个步骤:即对离线电缆放电进行去极化电流的测量和计算老化因子A的大小判断XLPE电缆的老化程度。首先对不同规格的XLPE电缆样本进行充电和短路放电，在充电过程中，试品因被施加电压为U0的阶跃激励而开始极化，持续极化时间为tp，此时流过试品的电流即为极化电流ip。瞬时撤去电压后，试品因短路而产生反方向的放电电流，即为去极化电流id。再基于去极化电流计算出电缆的老化因子A，通过老化因子A与绝缘状况关系，对电缆老化程度作出判断。
[0027] PDC(去极化电流)测量的实验装置如图1所示，实验装置可以检测到极化以及去极化电流，通过RS232
接口与计算机相连接可监控整个系统运行，这样可以在计算机上编写LabVIEW程序来控制Keithley 6485皮安表。在试验过程中，串接高压限流电阻作用是为了保证充放电电流在安全范围内，并且在测试过程中应保证足够的沿面放电距离。
[0028] 如图2所示基于去极化电流法检测XLPE电缆老化程度的测量方法流程图，方法具体包括如下步骤：
[0029] (1)被测样品的准备和预处理：将所有被测电缆两端的绝缘外皮和铜屏蔽层剥去，剥离的长度在15cm左右即可，以消除沿面电流放电的影响。为了获得含热老化的XLPE电缆样品，对需要老化的电缆部分进行加速热老化处理。
[0030] (2)抗干扰处理：由于所测电流值较小(pA级)，所以测量结果较易受外界干扰。因此PDC方法检测过程中需采用以下抗干扰措施。1)皮安表应接于开关控制系统与XLPE电缆之间。如果接入电缆与大地之间，就会引入地中不稳定电荷所带来的干扰。2)XLPE电缆、皮安表与开关控制系统需位于Faraday(法拉第)笼中，以屏蔽外部工频信号等干扰源。3)实验中发现，在雨天测试的数据较不稳定，因此应避免空气相对湿度Hr>90％的环境。4)上位机采集程序中应包含相应的滤波程序，以滤除不可避免的干扰。
[0031] (3)电缆极化：将被测电缆接入电路中，电缆导体通过开关控制系统开关、限流电阻接直流高压电源，另一端铜屏蔽层可靠接地。先对被测电缆进行初始测量，初始测量的目的是为了确定电缆在没有充电电压情况下的初始条件，包括周围环境
干扰信号的大小，此时测量电流的振幅通常只有几个pA。初始测量后通过恒压电源给电缆充电，通过足够长时间的充电后会到达稳态电流，即极化电流。
[0032] (4)去极化电流测量：先对电缆充电即电缆极化后瞬间短路，即通过开关控制系统开关切换，断开电源，电缆两端接串联的限流电阻和皮安表，通过计算机控制皮安表，测量去极化电流。为确保极化过程中不会因极化
电场过高而导致绝缘受损，极化时间取1500s，为了减少表面电荷对测试结果的影响，短路时间取5s以去除表面自由电荷；去极化时间取1500s。此过程主要包括:皮安表复位、去极化电流采集和传输数据等几个部分。
[0033] (5)曲线拟合。对老化后的电缆样品进行PDC测试时，由于测量的电流量级很小，很容易受到外在因素干扰而产生
波动，因此记录下的实际数据并不利于直接观察曲线走向，需要对记录的PDC数据进行处理。根据极化/去极化物理过程的时间与实际结果进行比较，可以将去极化电流数据拟合得到一条光滑的曲线，即三阶指数衰减函数，其拟合表达式如式(1)所示
[0034]
[0035] 式中：i代表三种极化类型，i＝1代表绝缘材料的中体极化，i＝2代表晶态与非晶态之间的界面极化，i＝3代表老化后各类离子、基团之间的界面极化；Id为去极化电流；αi为3种极化类型的拟合系数；t为时间；τi为3种极化的拟合时间常数。
[0036] (6)老化因子A的判断
[0037] 不同的去极化曲线形状可以初步判断出电缆的老化程度，但不够直观。为了定量地描述电缆老化程度，采用了能够反映
电介质内部陷阱的参数老化因子A。
[0038] 电缆绝缘含有杂质和缺陷，会形成不同的陷阱能级。根据Simmons和Tam的理论，
聚合物中的陷阱能级是离散地分布在整个能级范围内的。在费米能级以上的电子陷阱能级中主要包含电子，在费米能级以下的空穴陷阱能级中主要包含空穴，电子费米分布函数与空穴费米分布函数关于费米能级对称，因此只需分析处于费米能级以上被电子占据的区域，就能表征聚合物中陷阱能级密度的分布情况。极化过程中填充到缺陷中的电荷将会发生跃迁，热电子会逸出介质，因此只需要考虑费米能级以上的陷阱区域。电子陷阱
能量WT和时间t的关系可表示为：
[0039] WT(t)＝WC-WH＝kTIn(vt) (3)
[0040] 式中：WH为峰值所对应的电子陷阱能级；WC为导带底能级；v为电子临界逃脱
频率；k为Boltzmann常数；T为热力学温度。因此材料的去极化电流Id随时间的变化如式(4)所示。
[0041]
[0042] 式中：L为绝缘的厚度；t为衰减时间；e为电子电荷量；f0(W)为电子陷阱初始密度；N0(WH)为陷阱能级的密度。从式(4)可以看出，在将t乘到式(4)的左边后，左边即为时间和电流的乘积，这一乘积与反映WH能级的陷阱密度分布情况的函数成比例。因此Id(t)t可间接地体现这些能级的陷阱密度。如式(1)所示，电缆的去极化电流在理论上存在有3项的累加,分别代表三个极化过程。将实验获得的去极化电流用式(1)拟合之后,可以获得3个极化类型时间常数的值。不同极化类型的时间常数主要由该极化类型的介质厚度、相对
介电常数和电导率来决定，电缆老化后会有所变化，因此可以用Id(τ3)τ3和Id(τ2)τ2的比值即老化因子A来表征XLPE的老化程度，其定义式如式(5)所示
[0043]
[0044] 随着老化时间变长，老化程度加重，老化因子A值变大，说明了其深陷阱的数量不断增加。A值越大说明能级较深的陷阱越多，故XLPE电缆老化越严重。
[0045] 根据Birkner P研究结果给出了XLPE电缆的老化因子A值与绝缘状况的关系，如表1所示老化因子A判定标准。可通过实验数据计算出老化因子来判断电缆的老化程度。
[0046] 表1
[0047]老化因子A <1.75 1.75～1.90 1.90～2.10 >2.10
绝缘状况 良好 中度老化 重度老化 应退役
[0048] 为了进一步研究老化XLPE电缆对于去极化过程的真实反应，从现场获取已经运行一段时间的电缆样本，分别测量电缆样本的去极化电流进行对比。选取的相同电压等级、横截面积及长度约20m的交联聚乙烯电缆3根,对3个样本在电热老化前后分别进行实验，实验过程中采用计算机控制，记录等温条件下各电缆中去极化电流，将去极化电流进行拟合计算。得不同样品老化因子值，如表2所示，A表示未经老化的电缆，B表示经过老化的样本。
[0049] 首先进行被测样品的预处理，将所有被测电缆两端的绝缘外皮和铜屏蔽层剥去，剥离的长度在15cm左右即可，以消除沿面电流放电的影响。为了获得含水树老化的XLPE电缆样品，对电缆部分进行加速水树老化处理。
[0050] 接着进行初始测量。将被测电缆接入电路中，电缆导体接直流高压电源，另一端铜屏蔽层可靠接地。然后抗干扰处理，皮安表应接于开关控制系统与XLPE电缆之间，XLPE电缆、皮安表与开关控制系统需位于Faraday笼中，以屏蔽外部工频信号等干扰源，还要避免空气相对湿度Hr>90％的环境，然后进行滤波处理。
[0051] 通过计算机控制皮安表，测量去极化电流。测量时，去极化电流在初始阶段有较大的抖动，为保证结果的准确性，极化时间取1500s，为了减少表面电荷对测试结果的影响，短路时间取5s以去除表面自由电荷；去极化时间取1500s。
[0052] 使用计算机测量并记录各个电缆的去极化电流，通过曲线拟合表达式对实现数据拟合成一条时间t和去极化电流的光滑的曲线，可以通过分析曲线得出电缆明显老化的特性，得到各样品时间常数τ1、τ2和τ3及老化因子A。如下表2所示电缆老化因子A及3个时间常数比较：
[0053] 表2
[0054]电缆样品 τ1 τ2 τ3 老化因子A
LA-1 5.01 13.81 69.81 1.67
LB-1 8.78 42.30 228.21 1.95
LA-2 2.79 15.84 156.51 1.82
LB-2 1.28 10.80 134.85 2.27
LA-3 7.97 55.44 358.43 2.23
LB-3 10.31 74.29 407.78 2.72
[0055] 试验结果验证了去极化电流进行XLPE电缆绝缘诊断的可靠性和准确性。因此，通过对敷设电缆进行PDC试验，即可判断出电缆的老化状态。未经老化的长电缆样品部分处于老化状态，部分状态良好,经老化的电缆老化因子值比未经老化的电缆老化因子值平均值大，老化因子A值越大说明能级较深的陷阱越多，故XLPE电缆老化越严重。根据老化因子A的大小对XLPE电缆的老化程度进行判断。
