低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測方法及壽命評估畢業(yè)

1、.低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測方法及壽命評估 網(wǎng)絡(luò)高等教育本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題 目：低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測方法及壽命評估學(xué)習(xí)中心： 內(nèi)蒙古呼倫貝爾奧鵬學(xué)習(xí)中心層 次： ?？破瘘c本科專 業(yè)： 電氣工程及其自動化年 級： 2013 年 秋 季學(xué) 號： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2015 年 6 月 1 日：20內(nèi)容摘要由于交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣性能好,易于制造和安裝方便,近年得到了迅速的發(fā)展。隨著城網(wǎng)改造和農(nóng)網(wǎng)改造的實施,電力電纜的利用比重也會越來越高,如何維護使用好已有的電力設(shè)備,提高供電可靠性就顯得十分必要,電纜的運行狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行及供電的可靠性。文首先論述了電

2、纜的一般結(jié)構(gòu)，介紹了目前電纜檢測的方法及意義，分析了影響電纜絕緣性能的因數(shù)以及電纜運行的等效電路。著重論述了電纜檢測的三個主要檢測手段，即絕緣電阻、泄露電流和介質(zhì)損耗，對電纜性能檢測的實際意義。關(guān)鍵詞：絕緣電阻；介質(zhì)損耗；電纜壽命目 錄內(nèi)容摘要I1 緒論41.1 課題的背景及意義41.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.2.1 國外低壓電纜絕緣檢測和老化檢測發(fā)展現(xiàn)狀41.2.2 我國低壓電纜絕緣檢測和老化檢測發(fā)展現(xiàn)狀41.3 本文的主要內(nèi)容42 電纜故障類型及絕緣老化的原因52.1 電纜故障的類型52.1.1 接地故障52.1.2 短路故障52.1.3斷線故障52.1.4閃絡(luò)性故障62.2 電纜老化原因6

3、2.2.1 電氣老化62.2.2 熱老化62.2.3 機械老化72.2.4 水老化72.3 電纜研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢73 電纜絕緣狀態(tài)的檢測與壽命分析93.1 絕緣電阻的測量意義93.2 絕緣電阻測量方法與分析93.3 介質(zhì)損耗測量的意義93.4 介質(zhì)損耗的測量與分析93.5 熱老化性能概述103.6 熱老化實驗及數(shù)據(jù)分析104 結(jié) 論12參考文獻13附 錄141 緒論1.1 課題的背景及意義 對電纜進行狀態(tài)診斷及評估，是合理安排電纜更換，保證電力供應(yīng)安全可靠的一個重要技術(shù)手段，也是在智能電網(wǎng)中實現(xiàn)對電纜有效管理的極其重要的部分。隨著我國煤礦開采量的加大，電力電纜的利用比重也會越來越高。對于動力

4、和照明線路來說，采用的橡膠絕緣電纜在使用過程中，由于橡膠的氧化分解作用，使硫化橡膠的電物理和機械性能發(fā)生變化:變硬、變脆，在橡皮上形成裂紋，空氣和水分填充在裂紋中使電纜老化加劇，最終導(dǎo)致絕緣擊穿或短路。此外，電纜使用環(huán)境惡劣加速電纜絕緣層材料的老化。所以對電纜失效尚無合適的標準，以及對電纜壽命缺少有效的研究和估計方法，這種更換帶有很大的盲目性，并且更換電纜工序繁瑣并且是一項價格非常昂貴且繁重的作業(yè)，其結(jié)果必然造成材料的浪費或帶來事故的隱患。所以，對一電纜目前技術(shù)狀態(tài)的確切評價不僅從保證電力設(shè)備工作可靠性的觀點來看是重要的，而且從預(yù)防火災(zāi)的角度來看也是很重要的。當前，絕大多數(shù)低壓電纜用橡膠做絕緣

5、材料，氧化分解能硫化橡膠的電物理和機械性能，使得電纜老化迅速，絕緣擊穿或短路現(xiàn)象會最終發(fā)生。而低壓電纜絕緣狀態(tài)的在線檢測可以精確評估電纜技術(shù)和運行狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷，并采取適當?shù)木S修措施，以確保設(shè)備的安全運行和可靠使用，而且還具有非常重要的防火功能。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外低壓電纜絕緣檢測和老化檢測發(fā)展現(xiàn)狀20世紀60年代起，國外就開始了關(guān)于XLPE (交聯(lián)聚乙烯）電纜絕緣弱點檢測和老化檢測技術(shù)的研究，時至今日，該項研究仍在不斷發(fā)展。日本是較早開展XLPE電纜絕緣老化檢測技術(shù)研究的國家之一，但是研發(fā)的電纜絕緣檢測儀只能發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)生絕緣老化的電纜，無法描述被檢測電纜的絕緣老

6、化程度，而且該檢測儀主要針對的是陸地所使用電纜。20世紀70年代前,世界上廣泛使用電橋法及低壓脈沖反射法進行電力電纜故障測試,兩者對低阻故障很準確,但對高阻故障不適用,故常常結(jié)合燃燒降阻(燒穿)法,即加大電流將故障處燒穿使其絕緣電阻降低以達到可以使用電橋法或低壓脈沖法測量的目的。燒穿方法對電纜主絕緣有不良影響,現(xiàn)已很少使用。近幾年來，歐美發(fā)達國家及日本的學(xué)者為了盡可能地等效工頻電壓并盡可能地減小試驗設(shè)備的體積和重量，適應(yīng)電纜運行現(xiàn)場試驗的需要，先后提出多種離線破壞性試驗方法，如0.1低頻電壓試驗、KHz振蕩波電壓試驗、串聯(lián)諧振或變頻諧振交流電壓試驗;以及離線非破壞性試驗方法，如在0.1超低頻電

7、壓、KHz振蕩波電壓下的電纜局部放電量試驗，并推薦上述試驗方法和手段作為今后電力電纜竣工交接試驗或預(yù)防性試驗方法。1.2.2 我國低壓電纜絕緣檢測和老化檢測發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)天津大學(xué)杜伯學(xué)采用溫差法對XLPE電纜老化進行評估，其研究對象為10KV的陸用電纜；上海交通大學(xué)王雅群采用等溫松馳電流對XLPE電纜壽命評估，但是受到國內(nèi)外電纜制造工藝差異的影響，計算所得老化因子與國外學(xué)者報道的結(jié)果相差普遍較大。其中檢測技術(shù)分為非在線式和在線式：非在線式包括反吸收電流、殘留電壓、電位衰減法、直流泄漏電流、殘留電荷、直流電壓疊加法等在線式包括直流成分、脈動法，直流電壓疊加法等。目前的應(yīng)用絕緣監(jiān)測剩余壽命評估方法都

8、比較偏向于從定性分析的角度切入，在定量分析方面，只能給出一個比較寬泛的范圍。直流耐壓試驗常用于油介質(zhì)電氣設(shè)備的預(yù)防性診斷試驗，20世紀90年代初期之前，國內(nèi)外普遍沿用油紙絕緣電纜的試驗方法，常采取離線直流耐壓破壞性試驗作為絕緣電力電纜竣工交接試驗和周期性預(yù)防性試驗的唯一手段。理論分析計算、試驗研究和長期積累的大量實際運行經(jīng)驗表明:一方面，由于直流耐壓試驗過程是向電纜絕緣介質(zhì)注入大量的空間電荷過程，空間電荷限于介質(zhì)良好的絕緣性能而不能及時泄漏。這些殘留空間電荷積聚形成的局部電場與外施工頻電場迭加，畸變介質(zhì)內(nèi)部電場分布，嚴重損傷電纜絕緣，往往使得試驗合格的電力電纜在投入運行后幾小時或幾十小時內(nèi)就發(fā)

9、生電纜絕緣擊穿故障，甚至發(fā)生多點擊穿故障。另一方面，直流耐壓試驗的電壓取值很高，試驗時間較長，直流電場促使介質(zhì)中的水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)變，周期性的直流耐壓試驗無疑是導(dǎo)致電纜絕緣早期劣化，相對縮短電纜安全運行壽命。1.3 本文的主要內(nèi)容本文研究的是低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測方法及壽命評估。全文共分為四章，內(nèi)容簡介如下：第一章緒論，簡述課題的背景和意義、論題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹論文的主要內(nèi)容；第二章是電纜故障類型及絕緣老化的原因；第三章電纜絕緣狀態(tài)的檢測與壽命分析；第四章最后對全文進行總結(jié)，并指出了研究課題的未來發(fā)展方向。2 電纜故障類型及絕緣老化的原因2.1 電纜故障的類型電纜故障有許多種，大致分為:2

10、.1.1 接地故障電纜一芯或多芯對地故障。其中又可分為低阻接地或高阻接地。一般接地電阻在20一100。以下為低阻故障，以上為高阻故障。因使用的電橋和檢流計靈敏度不同，對低阻與高阻的劃分也往往不一致。原則上接地電阻較低，能直接用低壓電橋進行測量的故障，稱為低阻故障。須要進行燒穿或用高壓電橋進行的故障，稱為高阻接地。2.1.2 短路故障電纜兩芯或三芯短路，或兩芯、三芯短路接地。其中也可分為低阻短路或高阻短路故障，其劃分原則與接地故障相同。2.1.3斷線故障電纜一芯或多芯被故障電流燒斷或受機械外力拉斷，形成完全斷線或不完全斷線，其故障點對地的電阻也可分為高阻或低阻故障，一般以IMQ為分界限，小于1M

11、。為低阻。能較準確地測出電纜的電容，用電容量的大小來判斷故障點可稱為高阻斷線故障。2.1.4閃絡(luò)性故障這類故障絕大多數(shù)在預(yù)防性試驗中發(fā)生，并多出現(xiàn)在電纜中間接頭和終端頭。試驗時絕緣被擊穿，形成間隙性放電，當所加電壓達到某一定值時，發(fā)生擊穿，當電壓降至某一值時，絕緣恢復(fù)而不發(fā)生擊穿。有時在特殊條件下，絕緣擊穿后又恢復(fù)正常，即使提高試驗電壓，也不再擊穿，這種故障稱為封閉性故障。以上兩種現(xiàn)象均屬于閃絡(luò)性故障。電纜故障是指電纜在預(yù)防性試驗時發(fā)生絕緣擊穿或在運行中，因絕緣擊穿、導(dǎo)線燒斷等而迫使電纜線路停電的故障常見的故障有接地故障，短路故障，斷線故障，閃絡(luò)性故障和混合型故障等。2.2 電纜老化原因電纜老

12、化原因可分為:2.2.1 電氣老化電氣老化指的是在電場長期作用下，由于電纜制造中的質(zhì)量缺陷，施工中機械與外力作用傷害，絕緣物中的空隙、裂紋等，造成局部電場不均勻，誘發(fā)局部放電，以導(dǎo)體的變異部、空隙、雜質(zhì)為起點，局部破壞，發(fā)展成樹枝化，漸漸地導(dǎo)致絕緣破壞。電老化機理很復(fù)雜，它包含因為絕緣擊穿產(chǎn)生。放電引起的一系列物理和化學(xué)效應(yīng)。固體絕緣材料的絕緣擊穿機理主要有以下兩種理論:1.達到一定電場時，電子數(shù)量急劇增加，使得絕緣材料遭到擊穿破壞，由于擊穿破壞的主要原因是電子，因而稱為“電擊穿”。2.在絕緣體上加上電壓后，有微電流通過，由這一電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致材料擊穿破壞，這被稱為“熱擊穿”。2.2.2

13、熱老化熱老化指的是絕緣介質(zhì)負荷電流變化及短路電流引起的熱伸縮、材料氧化、熱分解等化學(xué)變化以及硬度變化、龜裂等物理變化引起的老化和絕緣材料性能降低。其化學(xué)結(jié)構(gòu)在熱量的作用下發(fā)生變化，使得絕緣性能下降的現(xiàn)象。熱老化的本質(zhì)是絕緣材料在熱量的影響下發(fā)生了化學(xué)變化，所以熱老化也被稱為化學(xué)老化。一般情況下，化學(xué)反應(yīng)的速度隨著環(huán)境溫度的升高而加快。用于絕緣的高分子有機材料會在熱的長期作用下發(fā)生熱降解，主要是氧化反應(yīng)，這種反應(yīng)也被稱為自氧化游離基連鎖反應(yīng)，如聚乙烯的氧化反應(yīng)就是從C一H鍵中H的脫離開始的。熱老化使得絕緣材料的電氣和機械性能同時產(chǎn)生劣化，絕緣壽命減少，但是最顯著的表現(xiàn)還是材料的伸長率、拉伸強度等

14、機械特性的變化。例如，XLPE材料被認為當拉伸率從初始的400%一600%降低到1O0%時壽命終止。2.2.3 機械老化機械老化是電纜系統(tǒng)在生產(chǎn)、安裝、運行過程中受到各種機械應(yīng)力的作用發(fā)生的老化。這種老化主要是絕緣材料在機械應(yīng)力作用下產(chǎn)生微觀的缺陷，這些微小的缺陷隨著時間的流逝和機械應(yīng)力的持續(xù)作用慢慢惡化，形成微小裂縫并逐漸擴大，直至引起局部放電等破壞絕緣的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱為“電一機械擊穿。2.2.4 水老化水浸入電纜后(制造時或施工與運行中接頭浸潮等)，由于電場的疊效果，在電場不均勻及電場力集中點形成水樹枝化。通常有內(nèi)導(dǎo)水樹枝化、蝴蝶水樹枝化和外導(dǎo)水樹枝化陣。橡皮、塑料電纜等浸水后施加電

15、壓作長期試驗時，與不加電壓只浸水的情況相比較絕緣介質(zhì)特性要低。這一現(xiàn)象被稱為“浸水課電現(xiàn)象”。對產(chǎn)生“浸水課電現(xiàn)象”的緣材料進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)有和電樹枝相似的樹枝狀結(jié)構(gòu)的存在，因為這種樹枝結(jié)構(gòu)水有關(guān)，并且是在低電場強度、長時間作用下形成的，為與電樹枝區(qū)別，稱之為水樹水樹枝在充滿水的狀態(tài)下看起來是白色的，但是干燥后就不易觀察到。水樹枝多見結(jié)晶性材料如聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯，而在無定型材料的PVC、丁基橡膠等聚合物中少發(fā)現(xiàn)。此外，水樹枝在直流電壓的作用下較難產(chǎn)生，但是在交流電壓作用下較易產(chǎn)生，頻電壓也能促使水樹枝的產(chǎn)生。電纜老化原因可分為:電纜老化的因素一般涉及電、熱、機械與環(huán)境等方面。2.3 電纜研

16、究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電力電纜試驗技術(shù)嚴重滯后于電力電纜制造和應(yīng)用技術(shù)。國家關(guān)于絕緣電力電纜(XLPE)投運后的試驗方法、標準和運行規(guī)程大多在20世紀70年代頒布，比較陳舊落后，有的甚至是沿用油紙絕緣電力電纜的試驗方法。直流耐壓試驗常用于油介質(zhì)電氣設(shè)備的預(yù)防性診斷試驗，20世紀90年代初期之前，國內(nèi)外普遍沿用油紙絕緣電纜的試驗方法，常采取離線直流耐壓破壞性試驗作為絕緣電力電纜竣工交接試驗和周期性預(yù)防性試驗的唯一手段。直流耐壓試驗常用于油介質(zhì)電氣設(shè)備的預(yù)防性診斷試驗，20世紀90年代初期之前，國內(nèi)外普遍沿用油紙絕緣電纜的試驗方法，常采取離線直流耐壓破壞性試驗作為絕緣電力電纜竣工交接試驗和周期性預(yù)防性試

17、驗的唯一手段。理論分析計算、試驗研究和長期積累的大量實際運行經(jīng)驗表明:一方面，由于直流耐壓試驗過程是向電纜絕緣介質(zhì)注入大量的空間電荷過程，空間電荷限于介質(zhì)良好的絕緣性能而不能及時泄漏。這些殘留空間電荷積聚形成的局部電場與外施工頻電場迭加，畸變介質(zhì)內(nèi)部電場分布，嚴重損傷電纜絕緣，往往使得試驗合格的電力電纜在投入運行后幾小時或幾十小時內(nèi)就發(fā)生電纜絕緣擊穿故障，甚至發(fā)生多點擊穿故障。另一方面，直流耐壓試驗的電壓取值很高，試驗時間較長，直流電場促使介質(zhì)中的水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)變，周期性的直流耐壓試驗無疑是導(dǎo)致電纜絕緣早期劣化，相對縮短電纜安全運行壽命。據(jù)統(tǒng)計:在1962-1999年間，直流耐壓試驗合格后投

18、入運行的電纜在短期內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)約占電纜運行故障總次數(shù)的。這一事實再次說明了直流耐壓試驗不僅不能夠及時發(fā)現(xiàn)電纜運行缺陷，反而使電力電纜的絕緣損傷較大，縮短電纜運行壽命。到目前為止，許多國家包括中國在內(nèi)，已不再采用直流耐壓試驗作為交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的預(yù)防性試驗手段。 (1.1)其中，R，S分別為抗力和載荷效應(yīng)的均值。3 電纜絕緣狀態(tài)的檢測與壽命分析3.1 絕緣電阻的測量意義電氣設(shè)備的絕緣電阻，是反映絕緣體在一定直流電壓作用下，通過它的穩(wěn)定傳導(dǎo)電流的大小。在某一電壓下，電流越小，絕緣電阻就越大;電流越大，絕緣電阻就越小，表明了絕緣體在直流電壓作用下的特性。對于良好潔凈的絕緣體，無論絕緣體內(nèi)或

19、是表面的離子數(shù)都很少，電導(dǎo)電流很小，絕緣電阻值很大。如果絕緣存在貫通的集中性缺陷，例如開裂、臟污，特別是受潮以后，絕緣體的導(dǎo)電離子數(shù)要急劇增加，電導(dǎo)電流明顯上升，絕緣電阻大大下降。實踐證明，絕緣電阻大小常能靈敏地反映絕緣情況，有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備普遍受潮、局部嚴重受潮和貫穿性缺陷。因此，測定絕緣電阻也是研究絕緣材料的品質(zhì)和特性，研究絕緣結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)品在各種運行條件下的使用性能等方面的重要手段。對于己經(jīng)投入運行的電纜，絕緣電阻是判斷電纜品質(zhì)變化的重要依據(jù)。3.2 絕緣電阻測量方法與分析測量絕緣電阻的方法較多:有通過試驗變壓器來操作的，這種方法電壓較高，設(shè)備價格也貴，接線復(fù)雜;也有用兆歐表來操作的，這種

20、方法價格便宜，接線簡單，使用方便，容易操作。目前現(xiàn)場普遍是用兆歐表來進行測量的。由于把兆歐表的測量作為對設(shè)備的一種前期測試，是對設(shè)備絕緣情況的一種初步的檢查，再結(jié)合一些其他的試驗，就可以對電氣設(shè)備進行綜合的判斷，所以使用兆歐表測量絕緣電阻是非常重要的，缺之不可。本實驗用兆歐表的方式來對電纜進行測量，儀器采用數(shù)字式絕緣測試器和數(shù)字高阻計。(1)數(shù)字兆歐表與傳統(tǒng)搖表的比較絕緣電阻是我國計量法規(guī)定的電氣安全檢測項目中的強檢項目。兆歐表是測量絕緣電阻的專用儀表，所以應(yīng)用非常廣泛。傳統(tǒng)的兆歐表主要是指手搖指針式兆歐表。它的主要不足之處有以下幾點:1.測量時必須用手搖動發(fā)電機并保證有120轉(zhuǎn)/分的速度才能

21、維持正常的輸出電壓。2.同一臺搖表的電壓等級少，量程范圍小。3.由表針指示讀數(shù)，刻度為非線形，測量誤差和讀數(shù)誤差都較大。4因為無法輸出比較穩(wěn)定的電壓，所以在鋇(量試品的吸收比和極化系數(shù)時會存在較大誤差，并且操作復(fù)雜。5.指針式搖表在關(guān)機時反向沖擊電流大，不小心會損壞指針。6.需要人工抄表，沒有數(shù)據(jù)保存功能，不符合試驗數(shù)據(jù)信息化的要求。7.體積重量大，不便攜帶，給使用帶來不便?，F(xiàn)在市場上還出現(xiàn)了一種利用電機取代手搖的搖表，其輸出電壓較手搖式的搖表準確，但是仍然擺脫不了機械式儀表固有的缺點。數(shù)字兆歐表的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)搖表的種種缺陷，使得停電時絕緣電阻測量的測量精度、自動化程度和信息化程度等都有了一

22、個很大的進步。數(shù)字式兆歐表較傳統(tǒng)搖表的優(yōu)越性主要表現(xiàn)為以下幾點:1.依靠儀表自身具有的直流電源可以產(chǎn)生精確的直流高壓，而且針對不同的被檢測對象可以方便選擇不同的電壓等級。2.量程范圍大，可以根據(jù)實際測量數(shù)值進行自動實現(xiàn)量程切換。3.采用高精度AD，使得測量精度較傳統(tǒng)搖表有數(shù)量級上的提高，而且采用液晶顯示屏直接顯示讀數(shù)，避免了指針式儀表的讀數(shù)誤差。4.可以方便、準確的測量試品的吸收比和極化系數(shù)。5.有完備的歷史數(shù)據(jù)記錄保存的功能，便于歷史數(shù)據(jù)的回溯。同時還具有同微機的接口，可以進行數(shù)據(jù)上傳以及儀器參數(shù)的下載。6.體積小、重量輕，便于攜帶，提高了測量的效率。當然，取得數(shù)字式兆歐表的這些優(yōu)越性是要付

23、出某些代價的。比如，它需要額外的電源、制造成本較傳統(tǒng)搖表要高、存放的環(huán)境要求較高等。綜合考慮測量的準確性和實用性，本實驗采用數(shù)字兆歐表來對電纜進行測量。(2)絕緣電阻測量的方法數(shù)絕緣測試器的測量方法大致相同，現(xiàn)以KEW 3023(數(shù)字式絕緣測試器)為例把測試方法簡述如下:1.測量前的準備測量前必須切斷被測量各設(shè)備的電源，并接地短路放電決不允許用兆歐表測量帶電設(shè)備的絕緣電阻。以防發(fā)生人身和設(shè)備事故。有可能感出高電壓的設(shè)備，在可能性沒有消除，不可進行測量。被測物的表面應(yīng)擦干凈。測定電力設(shè)備的絕緣電阻。目的是在于了解電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣性能，而要避免表面絕緣隨各種外界的影響。2.兆歐表的擺放位置表應(yīng)放在

24、平穩(wěn)位置上，以免發(fā)生度數(shù)偏差。放置點注意遠離大電流的導(dǎo)體和有外磁場的場合。測量前應(yīng)對本身檢查一次，即開路時是否是oo，短路是否是為零(“線路”,“接地”短接)。3.3 介質(zhì)損耗測量的意義絕緣介質(zhì)損耗是作為絕緣材料的電介質(zhì)在較高電壓電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質(zhì)損失。介質(zhì)損耗角正切(tan)值表示。Tan值能夠較全面的反映在交流電場中絕緣的品質(zhì)，例如:絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)與組成;絕緣中含氣、受潮，或微粒雜質(zhì)存在的程度;工藝處理的完善程度(干燥是否充分，浸漬是否均勻和充分);結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理(如外屏蔽層與絕緣接觸是否良好，導(dǎo)線表面有否均勻電場的屏蔽層)

25、，以及運行中的產(chǎn)品絕緣是否老化等。因此tan的測試對控制用于交流系統(tǒng)的電力電纜是十分重要的。絕緣介質(zhì)在電場作用下，除了會出現(xiàn)電老化、水樹枝、擊穿等老化現(xiàn)象外，還呈現(xiàn)出極化、電導(dǎo)、損耗等其它重要特性。1極化任何不同的絕緣材料，都可以認為是置于電極之間的電介質(zhì)，并呈現(xiàn)電介質(zhì)的特性，極化現(xiàn)象就是其一。極化是指置于電場中的電介質(zhì)，沿著電場方向產(chǎn)生偶極矩、在電介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。根據(jù)形成極化機理的不同，介質(zhì)極化可以分為以下四種:1)電子和離子的位移極化分子中的電子在電場的作用下，電子軌道發(fā)生彈性位移，從而使得原本呈電中性的分子變成呈現(xiàn)正負極的偶極子。由離子組成的分子結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)類似的情況，正負離

26、子在電場作用下偏離原來的位置，形成偶極子。位移極化程度隨電場強度增大而增大，而且形成的速度極快，外電場一旦消失，極化隨即也消失。這種極化過程中沒有能量損耗，故稱為無損極化或彈性極化。2)熱離子位移極化介質(zhì)中少量與周圍分子聯(lián)系較弱的帶電離子(一般為雜質(zhì))在外電場的作用下，其熱運動趨向于順電場方向在有限范圍內(nèi)位移，造成這些離子在介質(zhì)中分布不均，形成偶極化。這種極化受到分子熱運動的限制，溫度越高，熱運動越活躍，極化越困難。因此，這種極化建立速度較緩慢，電場消失后，復(fù)原也較緩慢。3)偶極子極化在介質(zhì)中存在一種特殊的分子，即使沒有電場的作用，它本身也呈現(xiàn)為一個偶極子。沒有外電場時，它們隨著熱運動隨機排列

27、，因此整體對外不顯電極性。但在電場作用下，偶極子會隨著電場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖4. 1所示。這種極化在偶極子轉(zhuǎn)向時需要克服分子間的吸引力，因而要消耗能量。4)夾層極化絕緣介質(zhì)中的自由離子和電子在外電場的作用下沿著電場方向遷移，改變分布狀況，在遷移過程中被介質(zhì)中的電極或缺陷捕獲，不能及時放電或復(fù)合，于是在某一空間產(chǎn)生宏觀感應(yīng)電偶極矩，形成空間電荷極化。當絕緣介質(zhì)由多層不同材料組成時，這些帶電粒子將停留在組合材料的交界面上，最終形成各層上的電荷積累。這種電荷移動和積聚，稱為夾層極化過程。這種極化屬于松弛極化，需要消耗能量，而且建立和復(fù)原的時間最長，達數(shù)秒，甚至數(shù)日之久。在施加低頻交變電場時，松弛極化和

28、彈性極化都會發(fā)生。而施加高頻電場時，由于空間電荷來不及移動，將不存在松弛極化。松弛極化需要消耗能量，彈性極化不消耗能量。松弛極化受到分子熱運動限制，因此極化強度與溫度成反比。此外，水分有增塑作用，介質(zhì)受潮后，松弛極化時間縮短，同樣時間長度內(nèi)建立的極化強度將增大。2電導(dǎo)對于理想絕緣介質(zhì)而言，不含任何自由的帶電粒子，電導(dǎo)率。等于0，介質(zhì)是不導(dǎo)電的。但是實際上，a總會呈現(xiàn)一個很小的值，就是說，介質(zhì)中有少量自由的帶電粒子存在。帶電粒子在電場的作用下會定向運動，形成微弱的電流，這就是平時所說絕緣漏電流。介質(zhì)中的載流子一般是自由離子，它們來源于介質(zhì)本身，也有的來自外部雜質(zhì)。外部溫度越高，分子熱運動就越劇烈

29、，對自由離子的約束也越小，形成的電導(dǎo)電流越大，這一點和金屬的導(dǎo)電特性是完全相反的。此外，介質(zhì)在外加高壓電場的作用下，會形成一定程度的電離，使得載流子數(shù)目增多，。下降。當然，介質(zhì)受潮后6也會下降。3損耗絕緣介質(zhì)在電場的作用下會產(chǎn)生電能的損耗，這些損耗主要來自以下三個方面：1)電導(dǎo)損耗如前文所述，絕緣介質(zhì)存在一定的值，于是電流在介質(zhì)中運動時會產(chǎn)生焦耳熱現(xiàn)象電能轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)。2)極化損耗電場對介質(zhì)中運動的電荷做功，產(chǎn)生絕緣介質(zhì)因松弛極化而引起的熱損耗，這就是極化損耗。隨著交變電場頻率的增加，電荷往復(fù)運動更加頻繁，極化損耗也越大。3)游離損耗游離損耗是絕緣介質(zhì)內(nèi)部由于氣泡、油隙、凸起電極等電場集中處

30、電場強度高于某一數(shù)值時產(chǎn)生游離放電引起的。游離損耗只有當電壓超過一定數(shù)值時才會發(fā)生，并且隨著電壓的升高而急劇增加。經(jīng)過上述分析，絕緣介質(zhì)在直流電場作用下，由于介質(zhì)沒有周期性的極化過程，介質(zhì)中的損耗僅由電導(dǎo)引起。在交流電壓下，除電導(dǎo)損耗外，還存在由于周期性的極化而引起的能量損耗。為表征某種絕緣材料或結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗，使用介質(zhì)損耗功率P表示絕緣介質(zhì)的品質(zhì)好壞是不方便的，因為P值與試驗電壓、介質(zhì)尺寸等因素有關(guān)，不同設(shè)備間難以進行比較，而是用絕緣介質(zhì)中流過的電流的有功分量和無功分量的比值來表示，即tans。它的好處是只與絕緣材料的性質(zhì)有關(guān)，而與它的結(jié)構(gòu)、形狀、幾何尺寸等無關(guān)，這樣便于不同設(shè)備之間進行比較

31、。3.4 介質(zhì)損耗的測量與分析目前測試介質(zhì)損耗的儀器有很多，可以用工DA20O來對電纜進行測量研究，IDAZOO采用頻率響應(yīng)原理，測試介質(zhì)損耗、電容等絕緣參數(shù)。頻率范圍從0.0001Hz-1KHz。根據(jù)介質(zhì)損耗、電容值的頻譜響應(yīng)，從而診斷判定各種絕緣介質(zhì)的老化程度，區(qū)分影響絕緣的因素。如水分、溫度、氧化等。適用于對變壓器、套管、電纜(交鏈聚乙烯電纜XLPE及油浸紙電纜)、CTPT互感器、發(fā)電機、電動機及斷路器的絕緣測試。圖3.1 IDA200的測試原理圖此儀器測量介損的同時，也能得到試品的電容量。如果多個電容屏中的一個或幾個發(fā)生短路、斷路，電容量就有明顯的變化，因此被測電纜的電容量能反映出電纜

32、絕緣材料的性能變化。測量時儀器對試品施加相同幅值不同頻率的交流電壓，自動計算被測試品的有功功率和無功功率，最后給出不同頻率下被測試品的介質(zhì)損耗角正切值。1.實驗室內(nèi)測試流程除產(chǎn)品標準中另有規(guī)定者外，試樣有效長度應(yīng)不小于3m，試樣兩端絕緣外的覆蓋物應(yīng)小心地剝除，注意不得損傷絕緣表面。試樣應(yīng)在試驗環(huán)境中放置足夠長的時間，使試樣溫度與試驗溫度平衡，并保持穩(wěn)定。浸入水中試驗時，試樣兩個端頭露出水面的長度不小于250mm，絕緣部分露出的長度應(yīng)不小于150mm。在空氣中試驗時，試樣端部絕緣部分露出護套的長度應(yīng)不小于10011>m。露出的絕緣表面應(yīng)保持干燥和潔凈。金屬護套電纜、屏蔽型電纜或愷裝電纜試樣

33、，單芯者，應(yīng)測量整個電纜的介質(zhì)損耗(從0. 01Hz到);多芯者，應(yīng)分別就電纜每個線芯對其余線芯與絕緣層的介質(zhì)損耗進行測量。非金屬護套電纜，非屏蔽電纜或無愷裝的電纜試樣，應(yīng)浸入水中，單芯者測量整個電纜的介質(zhì)損耗(從0. 01Hz到);多芯者，應(yīng)分別就電纜每個線芯對其余線芯與絕緣層的介質(zhì)損耗進行測量。3.5 熱老化性能概述電線電纜產(chǎn)品在正常使用條件下，性能緩慢地變壞直至喪失其工作性能得過程稱為“老化”。對于電氣裝備用電線電纜所采用得橡皮、塑料等高分子材料，促使老化得因素有:氧氣得存在;在受熱條件下工作;受日光輻射;臭氧的作用;以及低溫下彎曲移動、磨耗;材料的裂解或聚合。材料組分的遷移和揮發(fā);受油

34、或溶劑的侵蝕等等。在這些因素中熱與氧是材料老化的主要因素，熱氧老化將普遍發(fā)生于各種使用環(huán)境中，尤其是在大氣中，因此研究和考核產(chǎn)品的熱氧老化是極為重要的。橡皮、塑料等高分子材料能夠吸收外界的氧氣，并在本體內(nèi)擴散，氧原子可以與橡膠、樹脂起化學(xué)反應(yīng)(氧化)而引起交聯(lián)以至使材料喪失優(yōu)良的彈性、柔軟性并使機械性能逐步變壞，最后也引起電氣性能的喪失。橡塑材料中的部分配合劑(如增塑劑)被氧化，氧化生成物有的可揮發(fā)，有的有可促進老化過程，產(chǎn)品在熱狀態(tài)下工作，因為溫度愈高，材料的分子熱運動將大大增加，同時由于熱的作用，材料的裂解，組分的遷移或揮發(fā)也必然加劇，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為“熱老化”。因此產(chǎn)品所采用的橡塑材料的熱

35、老化與材料的品質(zhì)、配方工藝有很大的關(guān)系、如橡皮的熱老化除了與橡膠品種有關(guān)外，還取決于防老體系和硫化體系。加入防老劑能夠使氧化生成的中間產(chǎn)物鈍化而延遲氧化，但防老劑本身在一定溫度下也會揮發(fā)、消耗以致失去作用。聚氯乙稀塑料的熱老化性能主要與穩(wěn)定體系有關(guān)。3.6 熱老化實驗及數(shù)據(jù)分析熱老化試驗主要采用烘箱法。熱壽命評定試驗的目的就是要通過一系列的試驗研究得出產(chǎn)品的壽命與使用溫度之間的關(guān)系曲線(稱為壽命曲線)，這樣就可以得出在各個使用溫度下相應(yīng)的工作壽命，從而根據(jù)使用的要求合理的選擇產(chǎn)品的工作溫度。使產(chǎn)品在可靠而又經(jīng)濟的條件下工作。因此熱壽命評定試驗可以確定產(chǎn)品的耐溫等級。1)試驗溫度在一定溫度范圍內(nèi)

36、，材料吸收氧氣并在內(nèi)部擴散，以每部分較均勻地緩慢氧化，溫度增加，氧化速度上升，因此提高試驗溫度可縮短試驗周期。但試驗溫度高過某一臨界溫度時，吸氧與擴散的過程就會不平衡，以造成試品表面加速強力老化，生成一種硬膜，阻止氧往里滲入，使老化不均勻，影響試驗的效果。試驗溫度應(yīng)選擇低于這個臨界溫度。臨界溫度與材料品種有關(guān)，與試樣厚度也有明顯關(guān)系。試樣厚，臨界溫度低，臨界溫度應(yīng)通過大量的試驗決定。2)試驗時間長期的試驗表明，96h的熱老化試驗已能反映出材料機械性能的明顯變化，也反映了橡皮護套中游離硫?qū)^緣橡皮遷移的影響，因此一般選96h。對于耐熱橡皮等特殊材料則適當延長。3)指標的選擇大多數(shù)材料采用抗拉強度和伸長率的變化作為指標。加速熱老化試驗的指標須根據(jù)長期積累的經(jīng)驗，結(jié)合自然老化的結(jié)果和相應(yīng)的試驗溫度、實驗時間綜合考慮予以選定。4)試驗中要求自然通風以保證氧的濃度。試樣間保持一定距離。產(chǎn)品的絕緣老