基于介電響應(yīng)法的礦用電纜絕緣性能評估方法研究

雷志鵬，李蔚，何慶輝，門汝佳，王業(yè)，劉洋，吝伶艷

（1.太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（晉城）技術(shù)中心，山西 晉城 048006；4.國網(wǎng)河北省電力有限公司行唐縣供電分公司，河北 石家莊 050600；5.國網(wǎng)北京市電力公司大興供電公司，北京 102600）

0 引言

受益于電牽引綜合機(jī)械化采煤裝備的國產(chǎn)化和智能化，我國已建成數(shù)十座千萬噸級煤礦，綜采工作面總裝機(jī)功率穩(wěn)步提升，10 kV 供電已在煤礦井下大范圍使用。礦用高壓電纜作為煤礦井下唯一的供電線路，其運(yùn)行可靠性與煤礦安全生產(chǎn)息息相關(guān)。然而，煤礦井下環(huán)境惡劣，潮濕、粉塵、瓦斯、冒頂、積水等因素給電纜的可靠運(yùn)行帶來了很大的安全隱患[1-2]。

與一般工業(yè)用電纜不同，礦用高壓電纜劣化或故障形成原因有其特殊性，主要體現(xiàn)為電纜在拖拽或移動時(shí)遭受多種因素（如電、熱、機(jī)械應(yīng)力等）復(fù)合作用，加速絕緣老化，形成缺陷。絕緣劣化或缺陷一旦引起漏電、短路或放電等故障，將會導(dǎo)致人身觸電、絕緣撕裂、電纜斷線，甚至電纜著火或瓦斯爆炸事故[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煤礦供電事故中，因電纜故障引發(fā)的事故占事故總數(shù)的50%以上，而電纜故障原因中有80%為線路絕緣降低到一定程度時(shí)導(dǎo)致絕緣擊穿，從而引起接地故障。因此，對礦用電纜絕緣性能進(jìn)行分析與評估，以此掌握電纜絕緣狀態(tài)，及時(shí)修復(fù)或更換接近使用壽命期限的電纜，對保障煤礦井下電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

近年來，介電響應(yīng)法[4]已被引入礦用電纜絕緣性能及老化狀態(tài)的分析、評估和診斷中。本文以煤礦井下廣泛應(yīng)用的三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）絕緣移動軟電纜為研究對象，介紹了介電響應(yīng)法中回復(fù)電壓法（Return Voltage Method，RVM）、極化/去極化電流（Polarization and Depolarization Current，PDC）法、頻域介電譜（Frequencydomain Dielectric Spectroscopy，F(xiàn)DS）法的基本原理和基于介電響應(yīng)法得到的特征量，綜述了介電響應(yīng)法在礦用電纜絕緣性能評估中的典型應(yīng)用，并對礦用電纜絕緣性能評估關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和展望。

1 介電響應(yīng)法

介電響應(yīng)法可獲取電纜絕緣的極化過程、電導(dǎo)率、空間電荷等，并能有效表征絕緣的整體性能變化規(guī)律[5]，特別適合于對電纜絕緣整體性能進(jìn)行分析與評估。

介電響應(yīng)法包括時(shí)域和頻域兩大類，均可實(shí)現(xiàn)無損檢測。其中時(shí)域介電響應(yīng)法主要包括RVM 和PDC 法；頻域介電響應(yīng)法主要是FDS 法。

1.1 RVM

在絕緣兩端施加直流高壓時(shí)，絕緣會發(fā)生極化現(xiàn)象。撤去外施電壓并短接絕緣兩端，束縛電荷立即釋放，絕緣內(nèi)部發(fā)生去極化過程。放電一段時(shí)間后，斷開絕緣兩端的短接線，殘余的束縛電荷在絕緣兩端建立一個(gè)電勢差，稱為回復(fù)電壓。

RVM 原理如圖1 所示。閉合開關(guān)S1對電纜試樣進(jìn)行充電，充電時(shí)間為tc；斷開S1，閉合S2，使試樣處于去極化狀態(tài)，記錄放電時(shí)間td；放電一定時(shí)間后，斷開S2，測量試樣上的電壓，即可獲得回復(fù)電壓曲線。根據(jù)回復(fù)電壓曲線可得回復(fù)電壓初始斜率k、回復(fù)電壓最大值Urmax、達(dá)到Urmax時(shí)對應(yīng)的中心時(shí)間常數(shù)tz等與電纜絕緣狀態(tài)密切相關(guān)的特征量[6]。

圖1 RVM 原理Fig.1 Return voltage method(RVM) principle

1.2 PDC 法

PDC 法與等溫松弛電流（即恒定溫度下的去極化電流）密切相關(guān)[7]。PDC 法原理如圖2 所示。測量極化電流時(shí)，閉合開關(guān)S1和S3，斷開S2，對電纜施加直流電壓；約5 s 后（避免過大的充電電流），保持S1閉合，斷開S3，開始測量極化電流；極化電流測量完畢后閉合S3，切斷直流電源，斷開S1；保持約5 s后，閉合S2，斷開S3，測量去極化電流。

圖2 PDC 法原理Fig.2 Polarization and depolarization current(PDC)method principle

通過測量極化電流和去極化電流可提取多種表征絕緣宏觀性能和老化程度的特征量，如極化電流穩(wěn)態(tài)值和初始變化率，去極化電流初值、穩(wěn)態(tài)值和變化率，極化/去極化電荷總量，15，60，600 s 絕緣電阻、直流電導(dǎo)率、非線性系數(shù)等[6]。

1.3 FDS 法

FDS 法是在電纜試樣兩端施加一個(gè)交流電壓，獲得電流和電位差，然后計(jì)算復(fù)介電常數(shù)、復(fù)電容、低頻介質(zhì)損耗角正切值、復(fù)介電模量等介電參數(shù)[3]，如圖3 所示。

圖3 FDS 法原理Fig.3 Frequency-domain dielectric spectroscopy(FDS)method principle

1.4 不同介電響應(yīng)法比較

3 種介電響應(yīng)法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。RVM、PDC法、FDS 法均可通過控制測量時(shí)施加的電壓幅值實(shí)現(xiàn)無損測量。RVM 易受絕緣中積聚的電荷影響，且測量時(shí)間較長。PDC 法易受電流采樣率的影響，可能導(dǎo)致初始電流測量數(shù)據(jù)不足，使高頻信息損失嚴(yán)重，且現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)易受外部干擾，導(dǎo)致電流波動較大。FDS 法在測量頻率小于1 Hz 時(shí)，頻率越低，則測量時(shí)間越長，且頻率太低或太高時(shí)均易受外部干擾影響，導(dǎo)致測量誤差增大，只適用于1 Hz～1 MHz 頻率范圍的測量。

表1 介電響應(yīng)法優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of dielectric response methods

2 基于介電響應(yīng)模型的電纜絕緣特征量

除上述由介電響應(yīng)法直接提取的基本特征量可用于評估礦用電纜絕緣狀態(tài)外，基于介電響應(yīng)模型提取的特征量也逐漸成為目前的研究熱點(diǎn)，主要包括由擴(kuò)展Debye 模型提取的老化因子、修正介電馳豫模型提取的弛豫特征量、介質(zhì)損耗積分譜等。

2.1 老化因子

電纜絕緣介質(zhì)可用n（一般取3）個(gè)電阻和電容支路擴(kuò)展Debye 模型進(jìn)行等效，如圖4 所示。C0為幾何電容；R0為絕緣電阻；R1，C1為表征絕緣電介質(zhì)體極化的支路參數(shù)；R2，C2為表征非晶體與晶體界面極化的支路參數(shù)；R3，C3為表征絕緣劣化后缺陷處界面極化的支路參數(shù)。

圖4 擴(kuò)展Debye 模型Fig.4 Extend Debye model

基于擴(kuò)展Debye 模型，極化電流ip和去極化電流idp可表示為

式中：I0為沒有絕緣時(shí)的充電電流；αj為常系數(shù)；t為時(shí)間；τj為時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)式（1）和式（2），結(jié)合基于等溫松弛理論對電纜絕緣內(nèi)部電荷量變化及陷阱能級的分析，可進(jìn)一步得出表征電纜絕緣老化程度的老化因子A：為由電纜絕緣內(nèi)晶體與非晶體的界面極化決定的量；

根據(jù)式（3）得到的老化因子已應(yīng)用于35 kV 及以下中低壓配電電纜絕緣性能評估中。將老化因子與電纜殘余擊穿電壓比較，可得基于老化因子的電纜絕緣性能評估標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。用于35 kV 及以下中低壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣狀態(tài)評估的典型老化因子見表2[10]。老化因子越大，表明絕緣劣化越嚴(yán)重。因此，只要測量得到電纜絕緣的老化因子，即可在現(xiàn)場判斷絕緣狀態(tài)。

表2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣狀態(tài)評估用典型老化因子Table 2 Typical aging factors for estimating insulation performance of XLPE cable

2.2 弛豫特征量

大多數(shù)絕緣不可能僅具有單一的弛豫時(shí)間，為了更加準(zhǔn)確地描述電纜絕緣的弛豫過程，對Debye模型進(jìn)行修正，得到Havriliak-Negami 模型：

當(dāng)β，γ均為1 時(shí)，式（6）為Debye 模型，其在復(fù)平面上為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的半圓；當(dāng)γ為1 時(shí)，式（6）為Cole-Cole 模型，其具有多弛豫時(shí)間分布，在復(fù)平面上為一段劣弧；當(dāng)β為1 時(shí)，式（6）為Cole-Davidson模型，介電弛豫偏移導(dǎo)致其為一段不對稱的曲線。

若考慮因電極極化和Maxwell-Wagner 界面極化引起的離子載流子影響，式（6）可修訂為

利用式（7）對介電譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到直流電導(dǎo)率、弛豫強(qiáng)度、弛豫時(shí)間常數(shù)等反映絕緣導(dǎo)電、極化和損耗性能的特征量，從而實(shí)現(xiàn)電纜絕緣性能評估。

2.3 介質(zhì)損耗積分譜

基于FDS 法測量數(shù)據(jù)，將介質(zhì)損耗和頻率都考慮在內(nèi)，對介質(zhì)損耗因數(shù)頻譜圖進(jìn)行積分處理，得到與絕緣老化程度具有較好相關(guān)性的介質(zhì)損耗積分值。介質(zhì)損耗積分值的具體計(jì)算方法是選擇一個(gè)頻率點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別對測量的頻率點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的介質(zhì)損耗進(jìn)行積分，即計(jì)算不同頻率段的面積，從而得到介質(zhì)損耗積分值隨頻率的變化，稱為頻域介質(zhì)損耗積分譜。

頻域介質(zhì)損耗積分譜可反映某一頻率范圍內(nèi)的的介質(zhì)損耗累計(jì)值，包含介質(zhì)損耗和頻率，攜帶更多的絕緣老化狀態(tài)信息，且曲線具有飽和特性，可作為反映絕緣老化狀態(tài)的特征量。

3 基于介電響應(yīng)法的礦用電纜絕緣性能評估

3.1 基于RVM 和PDC 法的電痕腐蝕程度判別

電痕腐蝕是常發(fā)生在礦用高壓電纜接頭和接線盒處的絕緣劣化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致接頭或接線盒爆炸[11]，如圖5 所示。

圖5 因電痕腐蝕引發(fā)故障的礦用電纜接頭Fig.5 Mine-used cable's joint with failure caused by electrical tracking corrosion

針對礦用10 kV EPDM 絕緣電纜接頭電痕腐蝕問題，文獻(xiàn)[12]模擬電纜運(yùn)行環(huán)境，研究了不同電痕腐蝕程度的EPDM 絕緣特性，基于RVM 和PDC 法提取了絕緣電阻等表征表面電痕腐蝕程度的特征量。礦用10 kV 電纜絕緣用EPDM 在不同電痕腐蝕程度下的去極化電流如圖6 所示，其中EPMD0 無電痕腐蝕，EPMD1 最大電痕長度、寬度分別為32.4，3.9 mm，EPMD2 最大電痕長度、寬度分別為39.2，6.8 mm，EPMD3 最大電痕長度、寬度分別為46.2，7.3 mm。可看出隨著電痕腐蝕程度增加，EPDM 的去極化電流逐漸增大[13]。

（5）保證 KFT（2%～3%）、SMP-1（2%～3%）等抗高溫處理劑的加量，維持鉆井液高溫條件下的穩(wěn)定性能［2］。

圖6 不同電痕腐蝕程度的電纜絕緣用EPDM 去極化電流Fig.6 Depolarization current of ethylene propylene diene monomer（EPDM）for cable insulation with different corrosion degree of electrical tracking

根據(jù)去極化電流可得絕緣電阻：

式中U0為施加的直流電壓幅值。

根據(jù)式（8）計(jì)算得到的絕緣電阻見表3，其中R為使用絕緣電阻表測量的相同直流電壓下的絕緣電阻。可看出R′與R變化趨勢一致，即隨著電痕腐蝕程度增加，絕緣電阻呈逐漸減小趨勢。此外，可進(jìn)一步得到直流電導(dǎo)率、非線性系數(shù)等特征量，并結(jié)合RVM 提取的特征量實(shí)現(xiàn)對電纜絕緣電痕腐蝕程度的表征。

表3 電纜絕緣電阻Table 3 Insulation resistances of cable

不同電痕腐蝕程度的電纜絕緣用EPDM 典型回復(fù)電壓曲線如圖7 所示。可看出隨著電痕腐蝕程度增加，回復(fù)電壓曲線抬高，回復(fù)電壓最大值Urmax增大，相應(yīng)的中心時(shí)間常數(shù)tz逐漸減小。主要原因是電痕腐蝕導(dǎo)致EPDM 絕緣表面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，其介質(zhì)響應(yīng)過程與雙層電介質(zhì)絕緣類似[14-15]，腐蝕程度越嚴(yán)重，則2 種介質(zhì)之間的接觸越多，使得界面上發(fā)生極化的概率和強(qiáng)度呈增大趨勢，加快介電弛豫速度。也就是說，tz越小，極化強(qiáng)度越大，在電痕腐蝕區(qū)域積聚的電荷數(shù)量越多。電痕腐蝕區(qū)域出現(xiàn)的雙層結(jié)構(gòu)不利于電荷消散，使得在相同去極化時(shí)間內(nèi)回復(fù)電壓升高。因此，回復(fù)電壓最大值Urmax和相應(yīng)的中心時(shí)間常數(shù)tz均可作為表征電痕腐蝕程度的特征量，即Urmax越大，相應(yīng)的tz越小，則EPDM 絕緣表面電痕腐蝕程度越嚴(yán)重。

圖7 不同電痕腐蝕程度的電纜絕緣用EPDM 回復(fù)電壓Fig.7 Return voltage of EPDM for cable insulation with different corrosion degree of electrical tracking

3.2 多應(yīng)力老化狀態(tài)評估

除電纜接頭和接線盒處易出現(xiàn)的絕緣電痕腐蝕外，礦用電纜本體在實(shí)際運(yùn)行工況中常遭受電、熱、機(jī)械應(yīng)力、潮濕等多種因素共同作用，導(dǎo)致EPDM 絕緣老化速度加快。因此，研究多因素作用下礦用電纜絕緣老化狀態(tài)評估方法，對于掌握電纜絕緣狀態(tài)、保障供電可靠性尤為重要。本文以電、熱、擠壓力3 種因素為例，綜述礦用電纜EPDM 絕緣老化狀態(tài)評估方法。

3.2.1 基于PDC 法和等溫松弛電流的老化狀態(tài)評估

經(jīng)電、熱、擠壓力多因素作用老化的EPDM 極化電流和去極化電流如圖8 所示（極化電流測量電壓為300 V，去極化電流取絕對值）。可看出極化電流穩(wěn)定值隨老化時(shí)間增加而增大，老化60 h 的極化電流穩(wěn)定值約為4.56 pA，約為未老化試樣極化電流穩(wěn)定值（2.31 pA）的2 倍。多因素作用老化引起的EPDM 極化電流和去極化電流變化與氧化、降解、交聯(lián)反應(yīng)引起的EPDM 微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。熱氧老化過程包括鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止3 個(gè)階段。在鏈引發(fā)階段，熱應(yīng)力使得EPDM 分子形成大分子自由基R 與氫過氧化物ROOH；在鏈增長階段，當(dāng)ROOH 積累到一定程度時(shí)，會分解產(chǎn)生大量自由基，起到自動催化效應(yīng)，氧化物和載流子的增加使得去極化電流越來越大；在鏈終止階段，各種含氧自由基彼此碰撞，形成酯醛酮類等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在熱交聯(lián)反應(yīng)方面，EPDM 分子會生成橫鍵，形成三度結(jié)構(gòu)，或在1 個(gè)分子內(nèi)產(chǎn)生環(huán)狀結(jié)構(gòu)。上述反應(yīng)會影響EPDM 內(nèi)部載流子濃度、陷阱能級等，使得極化電流和去極化電流發(fā)生變化。

圖8 多因素作用老化的EPDM 極化電流和去極化電流Fig.8 Polarization and depolarization currents of EPDM aged under multi factors

進(jìn)一步結(jié)合等溫松弛理論，基于去極化電流可得多因素作用老化后不同老化階段的EPDM 老化因子，見表4。正常情況下，未老化EPDM 的老化因子約為2，表明絕緣性能良好。當(dāng)應(yīng)力作用時(shí)間或老化時(shí)間較短時(shí)，老化因子變化不大。老化15 h 后，老化因子增幅約為9%，EPDM 處于受損初期。隨著老化時(shí)間增加，老化因子增速逐漸增大。老化45 h 后，老化因子接近3，增幅約為45%，表明絕緣已出現(xiàn)損壞，但絕緣性能并未完全喪失。老化60 h 后，老化因子超過6，增幅超過200%，表明EPDM劣化嚴(yán)重，隨時(shí)可能喪失絕緣性能，引起絕緣擊穿。從前45 h 的老化情況可看出，多因素作用下EPDM 老化過程并非為線性，而是呈現(xiàn)指數(shù)變化。老化因子與老化時(shí)間滿足下式：

表4 不同老化時(shí)間下EPDM 老化因子Table 4 Ageing factors of EPDM under different ageing time

式中t′為老化時(shí)間。

對比表2 和表4 可看出，礦用電纜絕緣用EPDM的老化因子明顯大于交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣，且變化范圍較大。因此，在實(shí)際使用礦用電纜時(shí)，可先測定新電纜的老化因子作為參考值。在電纜使用過程中定期測量老化因子，若老化因子出現(xiàn)明顯增大情況，則應(yīng)密切關(guān)注，特別是老化因子增大40%后，如有條件應(yīng)更換電纜進(jìn)行檢修，或縮短老化因子測量周期；若老化因子增幅超過200%，則應(yīng)立即更換電纜，避免絕緣故障，造成供電事故。使用老化因子評估礦用電纜絕緣用EPDM 老化狀態(tài)時(shí)，不僅要關(guān)注實(shí)際數(shù)值，還要綜合分析老化因子增幅，避免因老化因子初始值過大而造成誤判。

3.2.2 基于介電馳豫模型的老化狀態(tài)評估

文獻(xiàn)[16]采用PDC 法和FDS 法對不同老化狀態(tài)的EPDM 絕緣性能進(jìn)行了分析。在FDS 法基礎(chǔ)上，采用Havriliak-Negami 模型參數(shù)解釋了EPDM 的介電弛豫過程[17]，采用牛頓法與通用全局優(yōu)化方法相結(jié)合的數(shù)值擬合方法得到特征量，見表5。可看出隨著老化時(shí)間增加，電極化強(qiáng)度 χs、直流電導(dǎo)率σ0和跳躍電導(dǎo)率σH均增大。

表5 EPDM 的Havriliak-Negami 模型特征量Table 5 Characteristic parameters of Havriliak-Negami model of EPDM

文獻(xiàn)[18]在Cole-Cole 模型基礎(chǔ)上，采用雙弛豫Cole-Cole 模型，綜合考慮界面極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和直流電導(dǎo)率，對電、熱和擠壓力多因素作用下老化的EPDM FDS 曲線進(jìn)行分析，得到弛豫強(qiáng)度、弛豫時(shí)間常數(shù)、直流電導(dǎo)率等特征量，如圖9 所示。

圖9 EPDM 的雙弛豫Cole-Cole 模型特征量Fig.9 Characteristic parameters of double relaxation Cole-Cole model of EPDM

從圖9 可看出，隨著老化時(shí)間增加，界面極化弛豫強(qiáng)度逐漸減小，界面極化時(shí)間常數(shù)、偶極子轉(zhuǎn)向極化弛豫強(qiáng)度、直流電導(dǎo)率逐漸增大，偶極子轉(zhuǎn)向極化時(shí)間常數(shù)整體呈下降趨勢。特別是界面極化弛豫強(qiáng)度和界面極化時(shí)間常數(shù)可較好地反映絕緣老化趨勢。從特征量變化規(guī)律分析，雙弛豫Cole-Cole 模型較Havriliak-Negami 模型更適用于對EPDM 在多因素作用老化后的FDS 進(jìn)行分析。

界面極化弛豫強(qiáng)度Δεd和界面極化時(shí)間常數(shù)τd與老化時(shí)間t′滿足下式：

將式（9）代入式（10），即可得出老化因子與弛豫強(qiáng)度或馳豫時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，為分析老化因子發(fā)生變化的原因提供依據(jù)。

3.2.3 基于介質(zhì)損耗積分值的老化狀態(tài)評估

經(jīng)電、熱和擠壓力多因素作用老化的EPDM 介質(zhì)損耗積分值如圖10 所示。可看出介質(zhì)損耗積分值存在明顯的飽和特性，在頻率小于約10 kHz 時(shí)出現(xiàn)飽和，即介質(zhì)損耗積分值不隨頻率減小而變化。分析不同老化程度的EPDM 介質(zhì)損耗積分值得出，隨著老化時(shí)間增加，介質(zhì)損耗積分值曲線形狀不發(fā)生變化，但整體向上偏移。介質(zhì)損耗積分飽和值隨老化時(shí)間增加而增大，且在老化中段變化最明顯。介質(zhì)損耗積分飽和值為

圖10 不同老化時(shí)間下EPDM 介質(zhì)損耗積分值Fig.10 Dielectric loss integral value of EPDM under different aging time

因此，可利用介質(zhì)損耗積分飽和值作為老化因子的補(bǔ)充，彌補(bǔ)當(dāng)老化因子變化不大時(shí)，因現(xiàn)場測量誤差導(dǎo)致的老化因子分析誤差。

4 礦用電纜絕緣性能評估關(guān)鍵技術(shù)

隨著在線監(jiān)測、故障診斷、壽命評估等技術(shù)逐漸應(yīng)用于礦用電氣設(shè)備運(yùn)維，礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)分析方法正從定期巡檢向狀態(tài)維修和預(yù)測性維護(hù)轉(zhuǎn)變。基于介電響應(yīng)法的電纜絕緣性能評估方法雖能為礦用電纜狀態(tài)維修和預(yù)測性維護(hù)提供依據(jù)，但也面臨在線監(jiān)測技術(shù)無法適應(yīng)煤礦工況、評估用數(shù)據(jù)不足、絕緣劣化程度與特征量關(guān)系未知等問題，特別是針對礦用電纜的絕緣性能評估技術(shù)缺少狀態(tài)感知技術(shù)的支撐，嚴(yán)重影響了煤礦電氣設(shè)備智能化發(fā)展。因此，應(yīng)重點(diǎn)解決電纜絕緣狀態(tài)感知、絕緣劣化程度與特征量關(guān)系構(gòu)建這2 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 絕緣狀態(tài)感知技術(shù)

目前適用于礦用高壓電纜的絕緣狀態(tài)感知技術(shù)包括在線監(jiān)測和離線檢測兩類。在線監(jiān)測技術(shù)以局部放電[19-20]、泄漏電流[21-22]、局部溫度[23]監(jiān)測為主，其中以局部放電監(jiān)測最為普及，但該方法易受來自變壓器和電動機(jī)的局部放電及現(xiàn)場干擾影響，導(dǎo)致電纜局部放電被淹沒，無法有效診斷絕緣故障[24-26]。為實(shí)現(xiàn)礦用高壓電纜局部放電在線監(jiān)測，需根據(jù)其運(yùn)行工況，選擇軟硬件相結(jié)合的抗干擾措施，分離各種干擾，提取電纜缺陷或故障放電頻帶的局部放電信號和放電譜圖。

泄漏電流監(jiān)測主要是測量反映絕緣電阻的直流電導(dǎo)電流。該方法需要在電纜導(dǎo)體上附加1 個(gè)較低的直流電壓，測量經(jīng)絕緣流入接地線的直流電流。受《煤礦安全規(guī)程》等制約，施加的直流電壓較低（如48 V），導(dǎo)致可測量的電流幅值低，測量誤差較大，未得到推廣應(yīng)用[27-29]。一種可行的方法是直接測量流過電纜絕緣的交流電流，結(jié)合電壓和相位差，采用介電響應(yīng)法計(jì)算直流電導(dǎo)率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)絕緣狀態(tài)評估。該方法目前以離線檢測為主，在線測量技術(shù)還需進(jìn)一步研究。

局部溫度監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)對礦用高壓電纜接頭和接線盒處絕緣溫度的在線監(jiān)測[30]，但無法測量電纜本體絕緣的溫度分布[31]。目前已有分布式光纖測溫方法用于非礦用電纜，但該方法受光纖無法頻繁彎曲的影響，不適用于礦用移動類高壓軟電纜溫度測量，如采煤機(jī)拖拽電纜。未來紅外熱像儀和分布式低功耗傳感器可用于礦用移動類高壓軟電纜本體溫度監(jiān)測，如：采用網(wǎng)絡(luò)化紅外熱像儀，將其安裝在采煤機(jī)機(jī)身，定時(shí)拍攝電纜的紅外熱像圖，結(jié)合環(huán)境溫度和運(yùn)行電流，計(jì)算或仿真出絕緣內(nèi)層和外層的溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)異常溫升點(diǎn)監(jiān)測；采用分布式低功耗傳感器技術(shù)開發(fā)的微型無線溫度傳感器可沿電纜分布式安裝，實(shí)現(xiàn)對電纜本體溫度的分布式測量。但上述方法均為間接測量絕緣溫度，如何在不同工況下準(zhǔn)確快速地測量或計(jì)算出絕緣溫度還需深入研究。

4.2 絕緣劣化程度與特征量關(guān)系構(gòu)建

礦用高壓電纜特別是運(yùn)行于綜采工作面和掘進(jìn)工作面的移動類軟電纜，不僅運(yùn)行環(huán)境濕度大，而且易受電、熱、機(jī)械應(yīng)力等多種因素的共同作用。如采煤機(jī)拖拽電纜正常運(yùn)行電流約為400 A，啟動電流可達(dá)2 000 A。這使得電纜絕緣既要承受缺陷放電、自身介質(zhì)損耗大產(chǎn)生的熱量，還要承受電動機(jī)頻繁重載啟停引起的溫升。此外，采煤機(jī)拖拽電纜跟隨采煤機(jī)沿工作面在狹窄空間內(nèi)來回連續(xù)移動，使得絕緣要承受拉拽、彎曲、擠壓等機(jī)械應(yīng)力作用。多因素共同作用導(dǎo)致電纜絕緣劣化速度加快，電纜壽命縮短。為實(shí)現(xiàn)礦用高壓電纜絕緣性能評估，需明確絕緣劣化程度與特征量的關(guān)系。這就需要模擬電纜運(yùn)行工況條件，對絕緣進(jìn)行多因素老化，測量處于不同老化階段的絕緣性能，提取用于表征絕緣性能的特征量。

早期研究人員更多地關(guān)注電和熱因素共同作用下的絕緣劣化問題[32-33]。近年來，較多的學(xué)者開始研究機(jī)械應(yīng)力與電、熱因素共同作用下的絕緣性能變化規(guī)律，針對礦用電纜開展了擠壓力或拉伸力與電、熱因素共同作用下EPDM 絕緣性能評估方法的研究[34-35]，對于理解EPDM 劣化程度與典型絕緣特征量的關(guān)系起到了積極作用。但仍有部分特征量與絕緣劣化程度缺乏明顯的函數(shù)關(guān)系，且存在不同機(jī)械應(yīng)力下特征量變化規(guī)律不一致問題。基于多源數(shù)據(jù)的人工智能算法或數(shù)字孿生技術(shù)為解決該問題提供了新的思路[36-37]。人工智能算法可從數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律分析，挖掘出對礦用高壓電纜絕緣性能評估和壽命預(yù)測等有價(jià)值的信息。數(shù)字孿生技術(shù)則可通過實(shí)驗(yàn)建立模擬電纜絕緣處于不同狀態(tài)時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式或模型，將在線監(jiān)測、離線檢測等運(yùn)維數(shù)據(jù)代入多物理場仿真模型中，通過仿真鑒別數(shù)據(jù)質(zhì)量，反演出電纜絕緣性能變化趨勢，從而實(shí)現(xiàn)絕緣性能評估。

5 結(jié)論

（1）介電響應(yīng)法作為一種無損測量方法，可實(shí)現(xiàn)對礦用EPDM 電纜絕緣性能的評估，但不同特征量與絕緣劣化程度的相關(guān)性存在區(qū)別。老化因子、極化強(qiáng)度、介質(zhì)損耗積分飽和值等與絕緣劣化程度具有較好的相關(guān)性，可用于評估礦用電纜絕緣狀態(tài)。

（2）為實(shí)現(xiàn)礦用高壓電纜絕緣性能評估，未來應(yīng)重點(diǎn)研究絕緣狀態(tài)感知、絕緣劣化程度與特征量關(guān)系構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)。