彭琳琳 李博 趙琳琳 徐禮強(qiáng) 朱峰

【摘要】高壓電纜絕緣老化是電力系統(tǒng)中常見的問題，會(huì)導(dǎo)致電纜性能下降甚至故障。本文通過對(duì)高壓電纜絕緣老化機(jī)理和影響因素的研究，提出了預(yù)防措施和檢測技術(shù)。通過選擇高質(zhì)量的絕緣材料、提高電纜運(yùn)行環(huán)境、加強(qiáng)維護(hù)和檢測工作，以及采用先進(jìn)技術(shù)延緩絕緣老化等措施，可以有效預(yù)防高壓電纜絕緣老化問題。此外，本文還通過案例分析，介紹了實(shí)際案例，并對(duì)老化原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施建議。這些研究成果對(duì)于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和延長設(shè)備的使用壽命具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】高壓電纜；絕緣老化；預(yù)防措施；檢測技術(shù)；案例分析

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.023

Research on the Mechanism and Preventive Measures of Insulation Aging in High-voltage Cables

PENG Linlin， LI Bo， ZHAO Linlin， XU Liqiang， ZHU Feng

（Liaoning Institute of Product Quality Inspection， Shenyang 110036， China）

Abstract： The insulation aging of high-voltage cables is a common problem in power systems， which can lead to a decline in cable performance or even failure. This article presents research on the mechanism and influencing factors of insulation aging in high-voltage cables， and proposes preventive measures and detection techniques. By selecting high-quality insulation materials， improving the cable operating environment， strengthening maintenance and inspection work， and employing advanced technologies to delay insulation aging， it is possible to effectively prevent the insulation aging of high-voltage cables. In addition， this article presents case studies， analyzes the causes of aging， and provides corresponding prevention measures and recommendations. These research findings are of great significance for ensuring the stable operation of power systems and extending the service life of equipment.

Keywords： high-voltage cable； insulation aging； preventive measures； detection techniques； case analysis

0引言

高壓電纜作為電力系統(tǒng)中重要的輸電工具，其絕緣老化問題一直是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的難題。絕緣老化會(huì)導(dǎo)致電纜的絕緣性能下降，增加電纜故障的風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。因此，研究高壓電纜絕緣老化機(jī)理及預(yù)防措施，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1高壓電纜絕緣老化機(jī)理研究

1.1高壓電纜絕緣老化的原因

高壓電纜絕緣老化的原因有很多，主要與電纜絕緣材料本身的老化、電纜工作環(huán)境的影響以及設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量等因素有關(guān)。首先，電纜絕緣材料本身的老化是主要原因之一。在長期經(jīng)受電壓、電流和環(huán)境等因素的作用下，絕緣材料會(huì)發(fā)生物理、化學(xué)和電學(xué)老化。具體表現(xiàn)為絕緣材料中的分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂和交聯(lián)，導(dǎo)致絕緣材料的物理性能下降。此外，如果電纜絕緣材料本身存在質(zhì)量問題，如材料的不均勻性、氣泡、缺陷等，也會(huì)對(duì)絕緣性能產(chǎn)生負(fù)面影響。其次，電纜的工作環(huán)境對(duì)絕緣老化過程有很大影響。例如，高溫、濕度以及化學(xué)物質(zhì)的侵蝕等因素都會(huì)加速絕緣材料的老化。這些因素會(huì)直接導(dǎo)致絕緣材料性能下降，從而影響電纜的運(yùn)行壽命和安全性。最后，電纜的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量不合理也是絕緣老化的重要原因。例如，如果電纜發(fā)生過載、過熱、電壓不穩(wěn)定等問題，都會(huì)加劇絕緣老化的發(fā)生。不合理的設(shè)計(jì)和施工會(huì)導(dǎo)致電纜運(yùn)行條件惡劣，從而加速絕緣老化的過程。

1.2高壓電纜絕緣老化過程

高壓電纜絕緣老化的過程是一個(gè)漸進(jìn)的、復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程。絕緣材料在電場和電壓作用下，其內(nèi)部極化逐步加劇。隨著時(shí)間的推進(jìn)，絕緣材料中的極化效應(yīng)更為嚴(yán)重，從而產(chǎn)生一定的電導(dǎo)率，使得絕緣材料逐漸喪失其絕緣性能。在此過程中，分子鏈發(fā)生斷裂與交聯(lián)，導(dǎo)致絕緣材料物理性能衰退，絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性等指標(biāo)隨之逐步下降。這一階段是絕緣老化的主要因素，對(duì)電纜運(yùn)行安全和使用壽命產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。絕緣材料中的氧化、水分或化學(xué)物質(zhì)侵蝕等因素，共同加速絕緣老化過程。這些因素相互影響，使絕緣材料的絕緣性能逐步喪失，進(jìn)而增加電纜故障和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3高壓電纜絕緣老化影響因素

高壓電纜絕緣老化的影響因素涉及多個(gè)方面，具體包括：1）工作環(huán)境因素：高壓電纜所處的工作環(huán)境對(duì)其絕緣老化過程具有重要影響。例如，高溫、濕度、化學(xué)物質(zhì)侵蝕等外部因素都會(huì)加速絕緣材料的老化。高溫會(huì)導(dǎo)致絕緣材料分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，從而加速老化。濕度則會(huì)使絕緣材料吸濕，降低其絕緣性能?；瘜W(xué)物質(zhì)侵蝕會(huì)破壞絕緣材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加速老化。2）工作負(fù)荷因素：電纜的工作負(fù)荷也會(huì)對(duì)絕緣老化產(chǎn)生影響。例如，過載、過熱、電壓不穩(wěn)定等問題都可能加劇絕緣老化的發(fā)生。過載會(huì)導(dǎo)致電纜工作溫度升高，進(jìn)而加速絕緣材料的老化。電壓不穩(wěn)定會(huì)使電場強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致絕緣材料的老化加劇。3）絕緣材料質(zhì)量因素：絕緣材料的質(zhì)量問題也是影響絕緣老化的重要因素。如材料的不均勻性、氣泡、缺陷等問題都會(huì)影響絕緣的性能。使用不合格的絕緣材料會(huì)大大縮短電纜的使用壽命，增加故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。4）設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量因素：電纜的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量對(duì)絕緣老化也有很大影響。例如，設(shè)計(jì)中未充分考慮各種影響因素，施工過程中操作不當(dāng)，都可能導(dǎo)致電纜的過載、過熱、電壓不穩(wěn)定等問題，從而加劇絕緣老化的發(fā)生。

2延緩高壓電纜絕緣老化的措施

2.1選擇高質(zhì)量絕緣材料

在選擇絕緣材料時(shí)，首先要考慮其絕緣強(qiáng)度、耐熱性和耐候性。這些特性能夠有效抵抗電壓應(yīng)力和外界環(huán)境的影響。其次，絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性也是重要因素。電纜在運(yùn)行過程中可能會(huì)受到高溫和機(jī)械應(yīng)力的影響，因而絕緣材料必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性，以保證其長期穩(wěn)定的絕緣性能。最后，絕緣材料的耐候性也是一個(gè)重要考慮因素。電纜通常需要在室外環(huán)境中運(yùn)行，因而絕緣材料必須能夠抵抗紫外線、濕度和氧化等外界環(huán)境因素的侵蝕，以延長電纜的使用壽命。通過選擇高質(zhì)量的絕緣材料，可以提高電纜的絕緣性能和使用壽命，有效預(yù)防絕緣老化的發(fā)生。

2.2改善電纜運(yùn)行環(huán)境

為了預(yù)防高壓電纜絕緣老化，改善電纜的運(yùn)行環(huán)境是重要的一項(xiàng)措施。惡劣的運(yùn)行環(huán)境會(huì)加速絕緣老化的發(fā)展，因此必須采取措施改善電纜的運(yùn)行環(huán)境。具體措施如下：首先，需要保持電纜周圍的溫濕度在適宜的范圍內(nèi)。過高的溫度和濕度會(huì)對(duì)絕緣材料造成損害，加速絕緣老化的發(fā)展。因此，應(yīng)采取措施來控制電纜周圍的溫濕度，確保其在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。其次，要避免電纜長時(shí)間處于過載狀態(tài)。過載會(huì)導(dǎo)致電壓應(yīng)力增加，對(duì)絕緣材料造成損害，加速絕緣老化的發(fā)展。因此，需要合理設(shè)計(jì)電纜的負(fù)載，防止過載情況的發(fā)生。最后，還需注意防止電纜受到機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)物質(zhì)的損害。電纜在安裝和運(yùn)行過程中可能會(huì)受到擠壓、拉伸、腐蝕等因素的影響，因此應(yīng)采取措施保護(hù)電纜，避免其受到損害。

2.3加強(qiáng)電纜維護(hù)和檢測

定期進(jìn)行電纜的維護(hù)保養(yǎng)，包括清潔、防護(hù)和絕緣層的修復(fù)，可以有效延緩絕緣老化的發(fā)展。清潔電纜表面可以去除污垢和灰塵，避免其對(duì)絕緣材料的侵蝕。防護(hù)措施包括使用防護(hù)套管或防護(hù)蓋板，保護(hù)電纜免受外界環(huán)境的影響。修復(fù)絕緣層可采用涂覆絕緣漆或絕緣膠帶修復(fù)絕緣材料的損壞部分。介質(zhì)損耗角正切檢測可以評(píng)估絕緣材料的損耗特性，判斷絕緣材料的老化程度。電纜局部放電檢測可以檢測絕緣材料中的局部放電現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣老化的跡象。

2.4采用先進(jìn)技術(shù)延緩絕緣老化

隨著科技的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新的技術(shù)和材料，可以有效延緩絕緣老化的發(fā)生和發(fā)展。其中，采用納米材料是一種先進(jìn)的技術(shù)。納米材料具有較大的比表面積和較高的化學(xué)活性，可以提高絕緣材料的絕緣強(qiáng)度和耐熱性。納米材料的加入可以增加絕緣材料的絕緣層厚度，增強(qiáng)電纜的絕緣性能。另外采用注塑成型和擠出成型等常用的絕緣材料加工技術(shù)，可以提高絕緣材料的均勻性和致密性，增強(qiáng)電纜的絕緣性能。紅外熱像儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜的溫度分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣老化問題。超聲波檢測可以檢測電纜內(nèi)部的故障和損傷，及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)。通過采用先進(jìn)技術(shù)，可以有效延緩高壓電纜絕緣老化的發(fā)展，提高電纜的可靠性和使用壽命。

3高壓電纜絕緣老化檢測技術(shù)研究

3.1檢測技術(shù)原理

高壓電纜絕緣老化的檢測技術(shù)主要包括局部放電檢測、介電損耗角正切檢測、紅外熱像檢測等。局部放電檢測是通過檢測電纜絕緣中的局部放電信號(hào)來評(píng)估絕緣老化程度。介電損耗角正切檢測則是通過測量電纜絕緣材料的介電損耗和介電常數(shù)來判斷絕緣老化情況。紅外熱像檢測則是利用紅外熱像儀檢測電纜表面的溫度分布，從而判斷絕緣老化的程度。這些檢測技術(shù)都是基于電纜絕緣老化的特征特性進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用的。

3.2檢測方法比較

不同的檢測方法在高壓電纜絕緣老化檢測中具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。局部放電檢測方法具有高靈敏度和準(zhǔn)確性，可以提供較為準(zhǔn)確的絕緣老化評(píng)估結(jié)果。介電損耗角正切檢測方法可以直接測量絕緣材料的介電性能，能夠提供絕緣老化的定量分析。紅外熱像檢測方法則可以快速地檢測電纜表面的溫度分布，能夠提供絕緣老化的直觀圖像。綜合考慮，可以根據(jù)實(shí)際需求和條件選擇合適的檢測方法。

3.3檢測設(shè)備開發(fā)

隨著高壓電纜絕緣老化檢測的需求增加，相關(guān)的檢測設(shè)備也得到了不斷的發(fā)展和改進(jìn)。目前，市場上已經(jīng)有多種針對(duì)高壓電纜絕緣老化檢測的設(shè)備和儀器。這些設(shè)備包括局部放電檢測儀、介電損耗角正切測試儀、紅外熱像儀等。這些設(shè)備在檢測原理、測量范圍、靈敏度等方面都有所差異，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的設(shè)備。此外，還有一些新型的檢測設(shè)備正在不斷研發(fā)和推出，如基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電纜絕緣老化監(jiān)測系統(tǒng)等，這些設(shè)備的出現(xiàn)將進(jìn)一步提高電纜絕緣老化檢測的精度和便捷性。

4高壓電纜絕緣老化案例分析

4.1實(shí)際案例介紹

某電力系統(tǒng)中的一條高壓電纜出現(xiàn)了絕緣老化問題。經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)該電纜的局部放電量明顯增加，介電損耗角正切值超過了正常范圍。同時(shí)，紅外熱像檢測也顯示出電纜絕緣部分存在異常的熱點(diǎn)。經(jīng)過進(jìn)一步分析，確定該電纜的絕緣老化問題嚴(yán)重，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或更換。

4.2老化原因分析

綜合分析發(fā)現(xiàn)，該電纜的絕緣老化主要是由于長期受到過高的電壓應(yīng)力和環(huán)境因素的影響。首先，電纜所處的環(huán)境濕度較高，加速了絕緣材料的老化。其次，電纜長期處于過載狀態(tài)，電壓應(yīng)力超過了絕緣材料的承受能力，導(dǎo)致絕緣老化加劇。最后，電纜的維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，也加速了絕緣老化的發(fā)展。

4.3預(yù)防措施建議

針對(duì)該電纜的絕緣老化問題，建議采取以下預(yù)防措施。首先，應(yīng)加強(qiáng)電纜的維護(hù)保養(yǎng)，定期清潔絕緣材料，修復(fù)損壞的絕緣層。其次，應(yīng)改善電纜所處的環(huán)境條件，控制濕度，避免過高的溫度。最后，根據(jù)實(shí)際情況，可以考慮采用先進(jìn)的絕緣材料和技術(shù)，延緩絕緣老化的發(fā)展。通過這些預(yù)防措施，可以有效提高電纜的絕緣性能和使用壽命，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5結(jié)束語

通過對(duì)高壓電纜絕緣老化機(jī)理和影響因素的研究，本文提出了一系列預(yù)防措施和檢測技術(shù)，可以有效延緩絕緣老化的發(fā)生和發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇高質(zhì)量的絕緣材料，提高電纜運(yùn)行環(huán)境，加強(qiáng)維護(hù)和檢測工作，并采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行絕緣老化的監(jiān)測和評(píng)估。此外，通過案例分析，可以更好地了解絕緣老化的具體問題，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施和建議。這些研究成果將為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和設(shè)備的壽命延長提供重要的參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王昊月，孫茂倫，趙凱杰，等.電纜絕緣老化的高壓頻域介電譜診斷評(píng)估方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（9）：3630-3642.

[2]鄭元浩.高壓直流電纜主絕緣老化特性及電-熱耦合仿真研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2023.

[3]馬驍，孫榮，余華興，等.基于極化損耗因數(shù)變化率的交聯(lián)聚乙烯高壓電纜絕緣老化診斷[J].云南電力技術(shù)，2020，48（5）：51-55.

[4]姚廣元.高壓電纜絕緣老化評(píng)估系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2022.

【作者簡介】

彭琳琳，女，1982年出生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋€電纜檢驗(yàn)檢測及高電壓技術(shù)。

（編輯：李鈺雙）