基于超低频介损的直流电缆挤出绝缘老化状态评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对挤出绝缘直流电缆的绝缘老化状态进行评估的方法，具体涉及 基于固体介质的超低频介质损耗角正切的切片测量及数据分析，对采用挤出型绝缘的直流 电力电缆的绝缘老化状态进行评估的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，直流电缆由于在远距离、高电压、大容量、特别是跨越大面积水域应用中 的优势而得到全世界的广泛关注。目前，应用最广泛的挤出型直流电缆主要由内部结构稳 定、性能可靠的交联聚乙烯(XLPE)作为绝缘介质。直流电缆在加工制造过程中会不可避免 的存在绝缘内部不均匀，而电缆敷设过程也易于在绝缘中产生缺陷。投入实际运行后的直 流电缆，在电压、温度、机械力以及环境的综合作用下，其XLPE绝缘材料会发生老化，逐渐丧 失应有的绝缘功能，导致电缆寿命终结。因此，为了保障直流输电线路或配电系统的运行安 全，必须实时了解直流电缆的状态，而这取决于对挤出绝缘老化状态的有效评估。
[0003] 挤出绝缘直流电缆的研发及应用处于高速发展当中，但是针对直流电缆挤出绝缘 的测试方法还不成熟，目前应用的方法主要有:直流耐压法、交流耐压法、局部放电法等。直 流耐压法是CIGRE TB 496中对挤出绝缘直流电缆现场安装后推荐进行的试验项目之一，需 要施加额定电压1.45倍的负极性直流电压，并持续1小时。这个试验因为施加的直流电压较 高，可能会激发电缆本身的一些潜在缺陷，而造成绝缘损伤；另外，试验时需对直流电缆充 电，试验完成后还需对电缆系统充分放电，因此，试验过程比较麻烦且费时，对设备容量的 要求也比较高。鉴于此，ABB公司的J.Karlstrand对于XLPE及其他类型长距离电缆的检测建 议是:无论高压交流或直流电缆，均使用交流耐压试验而非直流耐压试验。但是，直流电缆 应用交流耐压试验进行绝缘检测的有效性还未获得公认;而且，交流耐压试验时由于长电 缆的电容量较大，将产生很大的充电电流，对仪器容量要求高。直流电压下固体绝缘中的局 部放电次数少、信号弱，因此直流局部放电法对测试技术的要求十分苛刻，易受现场噪声影 响，对抗干扰技术和后期数据处理技术要求很高，目前仍在研究当中。
[0004] 在针对交流电缆挤出绝缘的检测技术当中，介质损耗角正切(tanS，下文简称"介 损"）测量是一种较为有效的绝缘老化状态评估技术，不仅可以反映电缆绝缘的整体老化程 度，而且有利于分析绝缘状态随时间的发展趋势。最初的介损测量都是在工频（即50Hz)下 进行的，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 XLPE电缆的绝缘检测当中，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。
[0005] M. Kusche 1等人对聚乙稀、交联聚乙稀、乙丙橡胶等挤出绝缘中压电缆的绝缘介损 值进行〇. 1Hz~50Hz的频谱分析，结果发现，0.1Hz电压下的tan5值明显大于50Hz电压下的 tanS值，并且随绝缘状态的不同，tanS值差异增大，即在0.1Hz电压下测量tanS更易于评估 挤出绝缘的老化水平。同时，S Hvidsten等人发现，随着电缆绝缘的0.1Hz介损值增大，绝缘 的击穿场强减小，即〇. 1Hz介损能够有效反映绝缘状态。此外，测量0.1Hz电压下的tanS不易 受外界噪声干扰，而且受空间电荷注入与抽出的影响小，测量容易进行，结果较为准确。
[0006] 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tanS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taM测量值均大于 4 X 10-3，并且，tanS的测量值本身就受测试系统及外界环境影响较大。
[0007] 对于挤出绝缘直流电缆，能否利用0.1Hz介损测量值判断绝缘的老化状态，以及具 体的评估技术，目前尚无相关研究。
【发明内容】
[0008] 为了弥补现有直流电缆挤出绝缘测试方法的不足，完善挤出绝缘直流电缆的状态 检测技术，本发明的目的在于提供一种基于超低频介损的直流电缆挤出绝缘老化状态评估 方法，按照本发明方法可以对直流电缆挤出绝缘的老化程度进行准确评估，有效判断挤出 型直流电缆的实时状态;测试所需的试样量小，对测试仪器的电压及容量要求低;减小了测 试仪器系统误差的影响，降低了对测试设备精确度的要求;无需与历史数据对比，适用于原 始数据缺失的电缆状态评估。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0010] -种基于超低频介损的直流电缆挤出绝缘老化状态评估方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤1:准备切片试样，从成品电缆上截取一定长度的电缆样段，取出线芯并剥除 绝缘屏蔽以外的所有部分后，沿电缆圆周方向进行环向切削（如削水果皮），获得一定厚度 的薄膜带状试片，分别在对应于绝缘内、中、外层位置切取3至5片薄片试样，清洁并压平备 用；
[0012] 步骤2:确定测量电压，根据电缆的额定运行电压及尺寸参数，确定试验电压基准 Uo,施加的测量电压幅值按照Uo的倍数增加，选取不发生明显闪络的最高电压作为测量电压 的上限；
[0013] 步骤3:0.1Hz电压下试样介损测量，完成必要的线路连接及设备调试后，在确定的 0.1Hz外加测量电压下，测量各切片试样的介质损耗角正切值tanS;
[0014] 步骤4:数据处理及作图，对同一位置多个试样的taM测量数据求平均，以平均值 作为该位置层绝缘的tanS测量结果；以中层介质损耗角正切值tanS Q为基准，将内、外层介 损值相对于基准值进行归一化处理；以归一化介损即tan5/tan5〇值为纵坐标，归一化测试 电压即U/Uo为横坐标，制作介损-电压曲线图；
[0015] 步骤5:绝缘老化状态评估，根据介损-电压曲线图上内、外层介损值大小及其随外 加电压的变化趋势，判断直流电缆挤出绝缘的老化状态，在归一化坐标图中，未老化绝缘的 内、外层介损在数值上接近1.0,而且几乎不随外加电压而变化;而明显老化的绝缘其内、外 层介损将大于1.5,并且随外加电压的升高显著增大。
[0016] 按照本发明所提出的基于超低频介损对直流电缆挤出绝缘老化状态进行评估的 方法，可以对直流电缆挤出绝缘的老化程度进行准确评估，有效判断挤出型直流电缆的实 时状态，为直流输、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，所需的 试样量小，对测试仪器的电压及容量要求低;本发明对测试结果进行归一化处理，以归一化 数据作为绝缘老化状态的判断依据，减小了测试仪器系统误差的影响，降低了对测试设备 精确度的要求;本发明以直流电缆挤出绝缘不同位置切片试样的超低频介损测量值作为绝 缘老化状态的判据，无需与新电缆绝缘的原始测量数据进行对比分析，对于原始数据缺失 的电缆尤其适用。
【附图说明】
[0017] 图1为直流电缆挤出绝缘的环切取样示意图。