顧 金，錢 忠，沈 陽，吳建東，尹 毅

（1.國網(wǎng)上海嘉定供電有限公司，上海 201800；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)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(huán)境污穢對導(dǎo)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(jīng)濟效益，架空絕緣線路在實際中的運用愈加廣泛，而國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺則更進一步推動了配電架空線路絕緣化工作的發(fā)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(jié)起來主要有以下幾點：

（1）雷擊斷線率高[1-2]。有時甚至?xí)l(fā)生放電現(xiàn)象，對運行設(shè)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(dǎo)線的腐蝕，使導(dǎo)線機械和絕緣強度降低，出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，甚至發(fā)生斷線，縮短了導(dǎo)線壽命。

（3）導(dǎo)線安裝不當(dāng)。主要是受傳統(tǒng)架空裸線安裝工藝和方法的影響，容易造成進水、導(dǎo)線從線夾中滑出、導(dǎo)線振動疲勞、局部發(fā)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(lián)聚乙?。╇娎|和發(fā)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(nèi)部陷阱的密度和深度，陷阱理論認(rèn)為，聚合物介質(zhì)中陷阱的存在會導(dǎo)致電子和空穴的注入，產(chǎn)生熱電子，從而引起聚合物的降解，導(dǎo)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(zhì)會發(fā)生極化，而固體介質(zhì)極化后移除外電場，介質(zhì)會發(fā)生松弛極化（去極化），通過電子的熱釋放，產(chǎn)生松弛電流[6]。根據(jù)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(zhì)內(nèi)部陷阱有關(guān)。因此，通過對固體介質(zhì)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(nèi)部的缺陷狀況，進而對介質(zhì)絕緣進行老化評估。

一般認(rèn)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(zhì)中水合離子和金屬鹽的極化。因此，可以用三階指數(shù)衰減函數(shù)對等溫松弛電流進行擬合，即：

式中：ai和τi反應(yīng)了電介質(zhì)的固有特性，i=1，2，3，ai反應(yīng)了電介質(zhì)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(shù)τ1對應(yīng)于絕緣介質(zhì)體極化造成的分量，時間常數(shù)τ2對應(yīng)于絕緣介質(zhì)界面極化造成的分量，時間常數(shù)τ3對應(yīng)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(shù)的值。定義絕緣材料的老化因子為：

其中 Q（t）是 i（t）關(guān)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(shù)據(jù)，還可給出定量的判據(jù)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?zāi)Ｐ偷臉?gòu)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(chǔ)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(dǎo)體截面積為120 mm2，絕緣厚度約為3 mm，絕緣材料為交聯(lián)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(shè)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(xù)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(biāo)準(zhǔn)雷擊脈沖100次。

根據(jù)上述模擬運行狀況的設(shè)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(jié)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(fā)的測試系統(tǒng)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(tǒng)見圖2。

圖1 雷電脈沖波形

圖2 IRC測試系統(tǒng)

測試電路如圖3所示，這一測試電路的優(yōu)點是可以實現(xiàn)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(guān)切換不及時造成的測試數(shù)據(jù)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(guī)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(jié)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(zhì)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(jīng)可以較為精確地反映出絕緣內(nèi)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(jié)果和分析

3.1 試驗結(jié)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(shù)ai與τi（i=1，2，3）的值。 根據(jù)所得參數(shù)， 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(jié)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(yīng)力、電應(yīng)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(yīng)，架空線的絕緣會發(fā)生熱老化。為得到更為明顯的試驗結(jié)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(yuǎn)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(yīng)力。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在熱老化后，絕緣的老化因子增大。這是因為熱應(yīng)力的作用下，交聯(lián)聚乙烯的結(jié)晶度下降，產(chǎn)生的極性基團增多，材料的結(jié)構(gòu)層次增多，從而導(dǎo)致絕緣的劣化。

從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，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(yán)重。這一試驗結(jié)果說明，實際工程中，在干燥天氣條件下，熱應(yīng)力對架空絕緣線中部絕緣的破壞更嚴(yán)重，架空絕緣線中部絕緣老化更為嚴(yán)重。但是，由于實際工程中通過架空絕緣線的電流一般要遠(yuǎn)小于試驗電流，因而要經(jīng)更長時間的運行，才能產(chǎn)生較明顯的現(xiàn)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(dǎo)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(fā)生一系列反應(yīng)，架空線絕緣介質(zhì)中電子和空穴之間頻繁發(fā)生復(fù)合、入陷、脫陷反應(yīng)，這些反應(yīng)都會導(dǎo)致大分子發(fā)生降解，XPLE絕緣的結(jié)晶度下降，使交聯(lián)聚乙烯材料發(fā)生老化。而降解產(chǎn)生的極性基團又增加了介質(zhì)內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(jù)上述分析，原因應(yīng)當(dāng)是在之前的熱老化階段，架空絕緣線中部絕緣老化更為嚴(yán)重，因而交聯(lián)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(yīng)力的集中點更多，絕緣介質(zhì)中電子和空穴之間也更容易發(fā)生入陷和脫陷反應(yīng)，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(yán)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(yuǎn)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(yán)重。

3.4 雷雨天氣模擬階段

由圖4中可以發(fā)現(xiàn)，雷雨天氣運行模擬過程中，在標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(xiàn)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(jié)果與實際運行過程中架空絕緣線雷擊斷線事故多發(fā)生在端部的現(xiàn)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(nèi)迅速增大，產(chǎn)生的電應(yīng)力導(dǎo)致絕緣介質(zhì)中發(fā)生局部放電，甚至可能擊穿架空線絕緣，會嚴(yán)重破壞交聯(lián)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(gòu)造與架空裸導(dǎo)線不同，雷擊絕緣導(dǎo)線和雷擊裸導(dǎo)線時的電弧發(fā)展過程明顯不同。雷電脈沖作用于裸導(dǎo)線時，持續(xù)的工頻短路電流電弧在電磁力的作用下沿導(dǎo)線快速移動，并不會造成大的破壞。而當(dāng)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(yán)重?fù)p傷。情況嚴(yán)重時，甚至?xí)龜嗑€路，發(fā)生雷擊斷線事故。

3.5 判據(jù)分析及運行應(yīng)用

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

圖4中架空絕緣線端部、架空絕緣線中部在經(jīng)過加速熱老化、潮氣侵襲、100次標(biāo)準(zhǔn)雷電脈沖后老化因子值分別達到2.75，2.5，接近嚴(yán)重劣化狀態(tài)。一般架空絕緣線的設(shè)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(yīng)在長期運行后才會有所體現(xiàn)。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(yīng)該對其絕緣狀況進行評估檢測，從而為其技術(shù)改造的必要性提供判斷依據(jù)。

4 結(jié)語

在熱應(yīng)力、電應(yīng)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(yīng)力對架空絕緣線中部絕緣的影響更為嚴(yán)重，而雷電脈沖則會嚴(yán)重?fù)p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(dǎo)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(yán)重。當(dāng)架空絕緣線長期運行接近設(shè)計使用壽命時或承受上百次雷電流后應(yīng)評估檢測絕緣劣化程度，以便及時更新改造?？傊?，應(yīng)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?？紤]到這一方法本身的優(yōu)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(zhǔn)確的老化判據(jù)，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。

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