李 陈，雷 勇，周 凯，颜嘉俊，黄 昊

(四川大学电气信息学院，四川 成都610065)

极化去极化电流技术用于诊断XLPE电缆绝缘老化状态

李 陈，雷 勇，周 凯，颜嘉俊，黄 昊

(四川大学电气信息学院，四川 成都610065)

研究了一种非破坏性的极化去极化电流(PDC)测量方法用于诊断交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘老化状态。在阐述了该方法的基本原理后，通过在实验室搭建平台，对进行了加速水树老化试验的电缆和在现场运行的老化电缆分别进行PDC试验。并利用最小二乘法，对测得的去极化电流曲线的低频部分进行线性拟合处理，通过比较拟合直线斜率比值，来分析各电缆绝缘去极化电流的变化规律，反映了去极化过程的差异。试验结果表明，通过对XLPE电缆进行PDC试验及对去极化电流测量曲线的分析，可以对电缆的绝缘老化状态进行合理地诊断。

极化去极化电流;XLPE电缆;老化状态;诊断;最小二乘法

0 引言

电力电缆是电力输变电中非常重要的设备，它能否可靠运行对电力负荷安全、稳定传输有着制约作用。XLPE电缆因其具有极佳的电气性能且极易敷设的特点，在国内外早已得到广泛应用。但电缆投入运行后，随着时间的推移，由于在水分和电场的共同作用下电缆内部会发生物理化学变化，形成水树枝，水树枝可进一步发展成为电树枝，使电缆绝缘性能下降，引发放电事故［1，2］。所以评估这些电缆的残余寿命，如何及时地修复和更换接近使用寿命期限的电缆，对于保障电力系统安全稳定运行有着重要的意义。

任何电介质在外加电场的作用下，都会表现出一种基本电特性——极化特性。极化现象存在于所有电气绝缘设备中，不同的电介质具有不同的极化能力，故极化现象的差异能够直接反映出电介质的极化特性［3，4］。基于介电响应原理的极化去极化电流(PDC)测量方法，是一种快速简单、非破坏性的电气测量诊断新方法。目前，在国外已经被引入到电缆绝缘老化状态诊断中，且有了实际应用经验，而国内此技术的研究还主要集中在对变压器的老化状态评估［5］。

本文在实验室分别对进行了加速水树老化试验的电缆和在现场运行的老化电缆进行PDC试验，对老化电缆的去极化电流测量结果进行分析讨论。研究结果为使用去极化测量曲线进行电缆老化状态的评估奠定了基础。

1 理论分析

结晶性材料中常会出现水树枝老化，对于XLPE电缆，由于受到电场、机械应力和热等众多综合因素的作用影响，绝缘层中的水分会膨胀、拉伸、不规律地运动，经过较长的一段时间，会在附近区域产生细小微孔和微裂纹，这些一系列的微孔和微裂纹聚集在一起就形成了类似于树枝状的水树老化。在直流高压场的作用下，水树枝尖端的微裂纹容易被注入XLPE电缆绝缘缺陷的陷阱空间电荷，此类电荷复原时间长，即使在电极短接情况下也不会瞬间消除，且电缆绝缘水树老化程度决定了电荷的注入程度。由于水树区和非水树区不同的电导率引起的界面极化现象必然存在，这给研究诊断XLPE绝缘老化电缆的水树老化状态提供了依据［6-8］。

伴随着老化的发生，混合物内部的电介质特性的数值在频域或时域范围内会发生改变，而这种特性的改变可以通过与介质响应有关的测量来进行分析。极化去极化电流测量原理如图1所示，试验过程可分为两个步骤:对测试样品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。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［9，10］。

图1 极化去极化电流测量原理图Fig．1 Principle of PDC measurements

在极化去极化电流法中，XLPE电缆的去极化电流特性，即完整的去极化电流指数形状取决于时间过程，那么试验时间是尤为重要的。而试验时间是由电缆中水树老化区与非水树区间的界面极化过程所决定，老化电缆的电介质反映，随着电压施加时间的增加而越明显，因为界面极化更充分了。

2 实验设计

PDC测量的实验装置如图2所示，整个实验装置的关键是用皮安表来捕获极化和去极化过程中的低频电流，通过RS-232接口与计算机相连接，这样可以在计算机上编写LabVIEW程序来控制Keithley 6485皮安表，传输速度可以达到1Mbit/s，足于满足实验需求。在试验过程中，由于所施加的电压会达到1kV，为了保证充放电电流在安全范围内，需串接高压限流电阻，且应注意足够的沿面放电距离。

图2 XLPE电缆PDC测量系统示意图Fig．2 Schematic diagram of PDC measurements for XLPE cable

以下是对交联聚乙烯电缆进行PDC试验的具体实验步骤:

(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。

(2)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。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。

(3)去极化电流测量。先将开关打到左端，对电缆充电后瞬间短路，通过计算机控制皮安表，测量去极化电流，电流采样率为3Sa/s。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。

3 实验结果及分析

3.1 经老化处理的电缆测试

图3为在同一实验室中，对三种XLPE电缆进行PDC试验所测量得到的去极化电流曲线。其中两根电缆是从一根新电缆上截取下来的，且为等长的两段(10m)。将一根电缆进行老化处理，为方便分析将它编号为Ac10;另一根电缆则不做处理，其编号为Nc10，而编号为Rc10的电缆去极化电流曲线是对老化电缆实施绝缘修复后所测得的结果。

图3 三种XLPE电缆去极化电流测量曲线Fig．3 Depolarization current for three kinds of XLPE cable

由于去极化电流具有衰减幅度大，衰减速度快的特点，这样在线性坐标系下，较难分辨出电流曲线的变化特征，不适合分析整个去极化过程，故将图中的去极化电流曲线经对数映射来表示。

从图3中可以看出，老化电缆Ac10的去极化电流衰减较快，经过短短20多秒后便稳定在几个nA的范围内，而新电缆Nc10和修复后的电缆Rc10经过大约350s后才逐渐稳定，且最终的稳定电流只有几十个pA。

这是因为老化电缆的水树枝周围固体绝缘界面存在一些由水树生长产生的亲水性极性基端，这些极性基端是因XLPE分子链在机械应力、氧化降解等综合作用下发生断裂和化学反应而产生。由于极性基端在极化过程出现剩余电荷，这部分电荷在短接情况下不会消除，并且会在水树中残留很长一段时间，从而导致老化电缆的去极化电流差异明显。从被修复的电缆Rc10去极化电流曲线变化特征来看，其与新电缆Nc10有类似的规律，这说明绝缘老化电缆修复状态良好。

3.2 现场电缆测试

为了进一步研究老化XLPE电缆对于去极化过程的真实反应，对一根在现场运行超过10年的XLPE电缆进行了PDC试验。其长度为70m，编号为Ac70，此电缆发生了较为严重的水树老化。而编号为Nc70的电缆是为了作对比，从电缆厂获取的一根70m新电缆，不存在老化现象，试验结果如图4所示。

图4 70m长的XLPE电缆去极化电流曲线Fig．4 Depolarization current for length of 70m of XLPE cable

从图4可以明显看出，电缆长度增加后，去极化电流幅值变大，到达稳态过程需要更长的时间。通过与图3中曲线对比可发现，在现场运行的电缆去极化电流与Ac10电缆的去极化电流曲线有相似的变化规律，稳定电流仍然存在几个nA的直流成分。反映了该电缆存在水树老化状况。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。

同时，上述试验结果也说明了电缆长度并不影响对电缆老化状态的诊断。因此，通过对敷设电缆进行PDC试验，可以直接与未老化电缆的去极化电流曲线进行比较，即可判断出电缆的老化状态。

3.3 分析计算

以上老化电缆与新电缆的差异主要体现在低频段，水树枝的形成增强了夹层界面极化的强度，这些界面极化引起去极化电流增大，且去极化电流的低频段不同与老化相关的慢极化有关，故观察低频段的去极化电流可以诊断电缆的绝缘老化状态。

由于绝缘老化放电过程中，皮安表较为灵敏，易受干扰。这样就造成去极化电流低频段稍显不太规律，而这种电流曲线的尾部较难分析的问题可以通过拟合计算斜率比来解决。

在同一时间内，利用最小二乘法，对编号为Nc10、Ac10、Rc10、Nc70和 Ac70这五种电缆通过PDC试验所测得的去极化电流的低频部分进行拟合，拟合结果如图5所示，纵坐标是电流值的对数log(I)。并将拟合计算得到的各电缆的直线斜率列于表1。

图5 五种电缆线性拟合结果Fig．5 Linear fitting for five kinds of cable

表1 试验所测各电缆的拟合直线斜率Tab．1 Slope of fitting line for test cables

从图5和表1中可以看出，编号为 Ac10和Ac70电缆的拟合直线斜率分别比Nc10和Nc70的要大很多，随着电缆老化程度越高，拟合直线斜率也将越大，更加接近于0，与对应的新电缆相比较，比值减小。其中修复电缆斜率略大于新电缆，这与PDC试验所得结论一致，此计算结果可以在一定程度上反映电缆的绝缘老化状况。

在被测电缆的去极化电流中，针对某些老化较为严重的电缆，由于电缆老化所引起的去极化电流变化较明显，可以直接与相同新电缆的去极化电流曲线来比较，这样不经过数据处理，便可较快地诊断它们的绝缘老化状态。

4 结论

本文通过利用基于介电响应原理的极化去极化电流(PDC)测量方法，分别对进行了加速水树老化试验的电缆和在现场运行的老化电缆进行了 PDC试验，并对去极化电流的低频部分进行了线性拟合和计算。试验结果表明，在同一时间内，老化的电缆与新电缆的去极化电流衰减快慢差异明显，主要体现在去极化电流的低频段，老化电缆则得到了增强，曲线变化规律在对数时间序列上具有明显的表现。通过PDC试验对去极化电流的测量分析可以有效地对电缆老化状态进行合理的评估。

需要指出的是，对于较长的电缆，去极化电流需要相当长的时间才能达到稳定，对其进行PDC测量试验时，去极化过程的持续时间不易过短，这样才能更准确地评估电缆老化状态。

本次实验采用的是XLPE电缆多为发生的水树老化，而实际电缆中老化过程非常复杂，还包括过热和机械等诸多因素，如何通过极化去极化方法得到一个非常完善准确的老化诊断测量结果，还需要对大量的老化电缆进行试验和更加深入详细地研究。

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(，cont．on p.66)(，cont．from p.35)

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Diagnosis of XLPE cable insulation using polarization and depolarization current measurements

LI Chen，LEI Yong，ZHOU Kai，YAN Jia-jun，HUANG Hao
(Institute of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

A non-destructive polarization and depolarization current(PDC)measurements is studied for the diagnosis of crosslinked polyethylene cable insulation aging state．According to the basic principle of the method the polarization and depolarization current measurements were performed on aged cables in the laboratory and field-aged cables which were removed from service by building a test platform in the laboratory．The low-frequency part of the depolarization current is linearly fitted with the least-square method．Comparison of the size of the fitting line slope was made，which reflects the differences in depolarization process to analyze the variation of each cable insulation depolarizing current．The results show that this new method can effectively evaluate the aging status of cables through PDC test for XLPE cable and analysis of depolarization current measurement curve．

polarization and depolarization current;XLPE cable;aging state;diagnosis;least-square method

TM 855

A

1003-3076(2014)04-0032-04

2012-12-05

李 陈(1988-)，男，江苏籍，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化;雷 勇(1966-)，男，四川籍，教授，博士，主要从事电工电子及自动化检测技术方面的研究。