基于等溫松弛電流法的架空絕緣導線老化狀況評估

顧 金，錢 忠，沈 陽，吳建東，尹 毅

（1.國網上海嘉定供電有限公司，上海 201800；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

隨著城市架空線絕緣化率的提高，配電線路的供電可靠性不斷提高，線路的故障率下降，有效解決了城市綠化中的樹線矛盾，提高了線路通道的利用率，防止了環境污穢對導線的直接影響。正因為架空絕緣線具有良好的社會效益和經濟效益，架空絕緣線路在實際中的運用愈加廣泛，而國家標準和行業標準的出臺則更進一步推動了配電架空線路絕緣化工作的發展。另一方面，架空絕緣線的普及也帶來了一些新的問題，總結起來主要有以下幾點：

（1）雷擊斷線率高[1-2]。有時甚至會發生放電現象，對運行設備和周圍人身造成極大的危害。

（2）進水氧化。氧化物在電場的作用下會加速對導線的腐蝕，使導線機械和絕緣強度降低，出現鼓肚現象，甚至發生斷線，縮短了導線壽命。

（3）導線安裝不當。主要是受傳統架空裸線安裝工藝和方法的影響，容易造成進水、導線從線夾中滑出、導線振動疲勞、局部發熱等情況，影響絕緣線的安全運行，縮短絕緣線使用壽命。

IRC（等溫松弛電流法）作為一種非破壞性測試方法，在XLPE（交聯聚乙稀）電纜和發電機定子線圈的絕緣特性檢測中已取得成效[3-5]。通過模擬架空絕緣線的運行狀況，利用等溫松弛電流法評估出線路絕緣的老化特性，以此探索架空絕緣線運行過程中電氣性能的變化。

1 理論背景

聚合物的絕緣缺陷取決于聚合物內部陷阱的密度和深度，陷阱理論認為，聚合物介質中陷阱的存在會導致電子和空穴的注入，產生熱電子，從而引起聚合物的降解，導致聚合物絕緣的劣化。

等溫松弛電流法是基于等溫松弛理論建立的方法，最早的研究主要由Simmons和Tam進行：在外電場的作用下，固體介質會發生極化，而固體介質極化后移除外電場，介質會發生松弛極化（去極化），通過電子的熱釋放，產生松弛電流[6]。根據Simmons和Tam的理論[7]，在保持溫度恒定的情況下，松弛電流將隨時間衰減，而松弛電流與固體介質內部陷阱有關。因此，通過對固體介質去極化過程中的等溫松弛電流進行測量和分析，即可判斷出絕緣內部的缺陷狀況，進而對介質絕緣進行老化評估。

一般認為，所測得的等溫松弛電流是由3種極化過程的共同作用決定的。這3種極化過程分別是絕緣的體極化、無定形與晶體之間的界面極化、以及老化造成的介質中水合離子和金屬鹽的極化。因此，可以用三階指數衰減函數對等溫松弛電流進行擬合，即：

式中：ai和τi反應了電介質的固有特性，i=1，2，3，ai反應了電介質材料中陷阱的密度，τi反映的則是陷阱的深度。

在擬合過程中， 可以令 τ1<τ2<τ3， 因此，時間常數τ1對應于絕緣介質體極化造成的分量，時間常數τ2對應于絕緣介質界面極化造成的分量，時間常數τ3對應于絕緣老化造成的分量。

通過計算機軟件可以擬合得出公式（2）中各項待定系數的值。定義絕緣材料的老化因子為：

其中 Q（t）是 i（t）關于時間的積分， 即：

對于特定的試驗樣本，Q（τ2）基本保持不變，而隨著老化的進行，Q（τ3）逐漸增大，因此通過上述老化因子的計算和比較即可定性分析出聚合物絕緣特性的變化[8]。而若擁有大量的試驗測試數據，還可給出定量的判據對絕緣進行老化評估。

2 試驗方法

2.1 架空絕緣線老化試驗

在試驗模型的構建中，采用等比例縮小法，等比例的縮短架空絕緣線的長度和降低塔桿的高度，但保留緊固件、貫通夾具和絕緣子等配件，以保證在不遺漏有效因素分析的基礎上，減少試驗的工作量，降低研究成本。試驗所使用的架空絕緣線樣本導體截面積為120 mm2，絕緣厚度約為3 mm，絕緣材料為交聯聚乙烯。

考慮到在實際運行過程中，架空絕緣線存在3種主要運行條件：干燥天氣條件、雨水天氣條件、雷雨天氣條件，因此在實際設計試驗時，考慮通過以下步驟模擬實際的架空絕緣線的運行：

（1）架空絕緣線正常運行模擬。對架空絕緣線進行加速老化，老化時間為240 h，老化溫度為120℃。

（2）潮氣侵襲運行線路模擬。對架空絕緣施加10 kV的運行電壓，同時對線路進行噴淋，持續200 h。

（3）雷雨天氣運行模擬。在施加10 kV運行電壓和不斷噴淋的同時，對絕緣線路施加如圖1所示的標準雷擊脈沖100次。

根據上述模擬運行狀況的設計，可以確定對架空絕緣線樣本的等溫松弛電流測試時間節點，分別為樣本未老化時以及每種天氣模擬運行之后。

2.2 等溫松弛電流測試

等溫松弛電流的測量可分為2個步驟：加壓階段（極化過程）和測量階段（去極化過程）。試驗采用基于Labview開發的測試系統操作平臺，極化過程中所使用的直流高壓源以及去極化過程中的電流表均為Keithley表自帶，測試系統見圖2。

圖1 雷電脈沖波形

圖2 IRC測試系統

測試電路如圖3所示，這一測試電路的優點是可以實現測試過程的自動化，從而避免由于極化和去極化階段之間的開關切換不及時造成的測試數據不完整。另一方面，由于在實際運行過程中，架空絕緣線端部絕緣和線路中間段絕緣的變化規律可能并不相同，尤其雷電對架空線端部和中部絕緣的破壞程度并不相同。因此，為了盡可能完整地了解架空絕緣線的絕緣狀況，測試節點分別位于圖3所示等比模型線路絕緣子附近的端部以及絕緣線中部。

圖3 等溫松弛電流測試電路

極化場強為240 V/mm（即極化電壓為720 V），極化時間為30 min。上述極化條件既可以使絕緣介質充分極化，也避免IRC測試過程對架空線絕緣造成破壞。同時，試驗研究表明，30 min的去極化電流曲線已經可以較為精確地反映出絕緣內部的缺陷狀況，因此去極化電流的測量時間也選為30 min。

3 試驗結果和分析

3.1 試驗結果

在記錄下松弛電流隨時間變化的值之后，利用基于Labview平臺搭建的專用分析軟件可以對松弛電流進行擬合分峰，即可得到參數ai與τi（i=1，2，3）的值。 根據所得參數， 由公式（2）所示的老化因子計算公式即可計算出老化因子A的值，試驗測試結果如圖4所示。

圖4 老化因子變化示意

由圖4可知，隨著試驗的進行，不同運行條件的架空絕緣線中部絕緣和端部絕緣的老化因子都有不同程度的增加。反映了在熱應力、電應力、潮氣以及雷電脈沖的作用下，絕緣逐漸劣化。

3.2 熱老化階段

熱老化階段，利用串心變壓器，可以在施加較低電壓的情況下，有大電流流過架空絕緣線。由于電流的熱效應，架空線的絕緣會發生熱老化。為得到更為明顯的試驗結果，試驗為加速老化。試驗過程中，保持架空絕緣線溫度為120℃，這一溫度要遠高于架空絕緣線正常運行時的線路溫度。此時影響絕緣特性的主要是熱應力。由圖4可以發現，在熱老化后，絕緣的老化因子增大。這是因為熱應力的作用下，交聯聚乙烯的結晶度下降，產生的極性基團增多，材料的結構層次增多，從而導致絕緣的劣化。

從圖4中還可以發現，在相同的熱老化條件下，架空絕緣線中部絕緣比端部絕緣老化因子上升更明顯，說明架空絕緣線中部絕緣比端部絕緣劣化的更為嚴重。這一試驗結果說明，實際工程中，在干燥天氣條件下，熱應力對架空絕緣線中部絕緣的破壞更嚴重，架空絕緣線中部絕緣老化更為嚴重。但是，由于實際工程中通過架空絕緣線的電流一般要遠小于試驗電流，因而要經更長時間的運行，才能產生較明顯的現象[9-10]。

3.3 潮氣侵襲運行線路模擬階段

在潮氣的侵襲下，XPLE絕緣的電老化是導致絕緣劣化的重要因素。其具體過程是：在交流電場的作用下，潮氣中的水以及金屬鹽離子會和架空線絕緣發生一系列反應，架空線絕緣介質中電子和空穴之間頻繁發生復合、入陷、脫陷反應，這些反應都會導致大分子發生降解，XPLE絕緣的結晶度下降，使交聯聚乙烯材料發生老化。而降解產生的極性基團又增加了介質內電荷積聚，進一步地加劇聚合物的降解[11-12]。

通過對圖4中架空絕緣線絕緣端部和中部絕緣老化因子的變化以及不同試驗階段老化因子的變化進行對比，還可以發現以下特點：

（1）和端部絕緣老化因子的變化相比，架空絕緣線中部絕緣劣化得更為明顯。根據上述分析，原因應當是在之前的熱老化階段，架空絕緣線中部絕緣老化更為嚴重，因而交聯聚乙烯材料的缺陷更多，在潮氣和交流電場的共同作用下，電應力的集中點更多，絕緣介質中電子和空穴之間也更容易發生入陷和脫陷反應，因而在潮氣侵襲運行線路模擬階段，中部絕緣的老化也更為嚴重。

（2）和另外2個試驗階段相比，雨水天氣運行模擬階段架空絕緣線的絕緣變化最小。這是因為熱老化階段對架空絕緣線進行的是加速老化，絕緣的劣化速度要遠大于正常運行時。同時，也說明了雷電脈沖對架空絕緣線絕緣的損傷比正常工頻電場對架空絕緣線絕緣的影響更為嚴重。

3.4 雷雨天氣模擬階段

由圖4中可以發現，雷雨天氣運行模擬過程中，在標準雷電脈沖的作用下，架空絕緣線端部的老化因子明顯上升，說明雷電脈沖對絕緣的損傷比工頻電場的正常影響要更嚴重。而架空絕緣線中部絕緣的劣化速度相較于模擬雨水天氣運行階段并沒有明顯增加，這一現象說明了由于雷電脈沖對架空絕緣線端部附近絕緣的破壞比中部更明顯。這一試驗結果與實際運行過程中架空絕緣線雷擊斷線事故多發生在端部的現象相一致，分析其原因有以下2點[13-16]：

（1）由于絕緣子和桿架的存在，架空絕緣線端部附近的電場本身就存在畸變，集中在端部與絕緣子接觸的部分。而雷電脈沖會加劇架空絕緣線端部的電場畸變，在架空線端部某一點的電場在極短的時間內迅速增大，產生的電應力導致絕緣介質中發生局部放電，甚至可能擊穿架空線絕緣，會嚴重破壞交聯聚乙烯的絕緣特性，使架空絕緣線端部附近絕緣的缺陷增多，絕緣狀況明顯劣化。

（2）由于架空絕緣線的構造與架空裸導線不同，雷擊絕緣導線和雷擊裸導線時的電弧發展過程明顯不同。雷電脈沖作用于裸導線時，持續的工頻短路電流電弧在電磁力的作用下沿導線快速移動，并不會造成大的破壞。而當雷電脈沖作用于架空絕緣線時，由于線路絕緣的存在，雷電波會集中作用與架空絕緣線端部絕緣，從而使雷電脈沖對架空絕緣線端部絕緣造成嚴重損傷。情況嚴重時，甚至會燒斷線路，發生雷擊斷線事故。

3.5 判據分析及運行應用

國內外學者基于等溫松弛電流法普遍的研究對象為交聯聚乙烯電纜，而對架空絕緣導線的絕緣狀況研究較少。鑒于此處所研究的架空絕緣導線的絕緣材料類型為交聯聚乙烯，故可參考相關研究判據。國產交聯聚乙烯絕緣的老化因子嚴重劣化值與韓國和澳大利亞給出的結果相近[17]，韓國老化因子值達到3以上即認為絕緣嚴重劣化，澳大利亞老化因子值達到2.5～3.0即認為絕緣嚴重劣化，一般國內老化因子值達到2.8即認為絕緣嚴重劣化。

圖4中架空絕緣線端部、架空絕緣線中部在經過加速熱老化、潮氣侵襲、100次標準雷電脈沖后老化因子值分別達到2.75，2.5，接近嚴重劣化狀態。一般架空絕緣線的設計使用壽命為20～30年，熱老化對架空絕緣線絕緣老化因子的影響應在長期運行后才會有所體現。因此，架空絕緣線運行時間達到20年或累計遭受百次雷電侵襲后則應該對其絕緣狀況進行評估檢測，從而為其技術改造的必要性提供判斷依據。

4 結語

在熱應力、電應力、潮氣以及雷電脈沖的作用下，架空絕緣線的絕緣缺陷會逐漸增多，老化因子隨之增大。其中，熱應力對架空絕緣線中部絕緣的影響更為嚴重，而雷電脈沖則會嚴重損傷架空絕緣線端部附近的絕緣狀況。另外，在潮氣的侵襲下，工頻電場的作用也會導致絕緣的劣化。而與工頻電場的正常作用相比，雷電脈沖對架空絕緣線端部絕緣的破壞要更嚴重。當架空絕緣線長期運行接近設計使用壽命時或承受上百次雷電流后應評估檢測絕緣劣化程度，以便及時更新改造。總之，應用等溫松弛電流法對架空絕緣線進行老化評估，不僅能得出絕緣整體的變化情況，還能判斷出線路某一部分絕緣的老化狀況。考慮到這一方法本身的優點，可以對架空絕緣線絕緣進行進一步的試驗研究以期能夠獲得更為準確的老化判據，從而更直觀地對架空絕緣線的絕緣特性和剩余壽命做出較為合理的評估。

[1]邵學儉，周浩.10 kV架空絕緣導線防雷擊技術研究[J].浙江電力，2006，25（4）∶22-25.

[2]仇群輝，徐建強，周垠，等.一起20 kV線路故障的分析與對策[J].浙江電力，2015，34（4）∶66-68.

[3]王雅群，尹毅，李旭光，等.等溫松弛電流用于 10 kV XLPE電纜壽命評估的方法[J].電工技術學報，2009，24（9）∶33-37.

[4]HOFF G，KRANZ H G.On-site dielectric diagnostics of power cables using the isothermal relaxation current measurements[C]//Power Engineering Society Winter Meeting.2000∶1593-1598.

[5]紀哲強，劉松，王立軍，等.基于等溫松弛方法的發電機定子線棒絕緣檢測方法研究[J].大電機技術，2012（3）∶28-32.

[6]尹毅，屠德民，李明，等.用等溫電流法研究自由基清除劑的作用機理——聚合物電老化陷阱理論的實驗驗證[J].中國電機工程學報，2000（3）∶14-16.

[7]SIMMONS J G，TAM M C.Theory of isothermal currents and the direct determination of trap parameters in semiconductors and insulators containing arbitrary trap distributions[J].Physical review B，1973（7）∶3706-3712.

[8]OYEGOKE B S，FOOTTIT F，BIRTWHISTLE D，et al.Condition assessment of XPLE insulated cables using isothermal relaxation current technique[C]//Power Engineering Society General Meeting.2006∶18-22.

[9]金天雄，黃興溢，江平開，等.熱老化對交聯聚乙烯電纜絕緣中水樹的影響研究[J].絕緣材料，2007（5）∶45-48.

[10]劉平原，賀景亮，邰淑彩.交聯聚乙烯絕緣老化的試驗與建模研究[J].絕緣材料，2002（1）∶21-23.

[11]歐陽本紅，康毅，趙健康，等.加速水樹老化對XLPE電力電纜絕緣性能的影響[J].高電壓技術，2010，36（8）∶1942-1949.

[12]歐陽本紅，趙健康，陳錚錚，等.老化方式對交流交聯聚乙烯電纜空間電荷分布的影響[J].高電壓技術，2012，38（8）∶2123-2128.

[13]韓晉平，王曉豐，馬心良，等.10 kV架空絕緣導線雷電過電壓與防雷綜合措施研究[J].高電壓技術，2008，34（11）∶2395-2399.

[14]張啟春，阮江軍，喻劍輝.高壓架空線下空間場強的數學模型[J].高電壓技術，2000，26（1）∶19-21.

[15]曹宏裕，王凱睿，羅彥，等.架空絕緣導線雷擊斷線和雷擊跳閘的防治[J].高電壓技術，2004（S1）∶37-38.

[16]林智敏，萬幸倍.上海城市架空絕緣配電線路防雷的技術措施[J].高電壓技術，2004，30（9）∶73-74.

[17]高樹國，朱永華，吳長順，等.基于等溫松弛電流法的XLPE絕緣電力電纜老化評估判據研究[J].電線電纜，2014（1）∶34-37.