acome电缆的老化分析

acome电缆的老化分析（共3篇）

acome电缆的老化分析 篇1

电缆老化、破损的原因分析： 1)外力损伤

电缆搬运过程以及敷设安装不规范，容易造成机械损伤；在直埋电缆上搞土建施工也极易将运行中的电缆损伤等。如果损伤不严重，要几个月甚至几年才会导致损伤部位彻底击穿形成故障，破坏严重的可能发生短路故障，直接影响用电单位的安全生产。

2)绝缘受潮

一般发生在直埋或排管里的电缆接头处。电缆接头制作不合格和在潮湿的气候条件下做接头，会使接头进水或混入水蒸气，时间久在电场作用下形成水树枝，逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障。

3)化学腐蚀

电缆直接埋在有酸碱作用的地区，往往会造成电缆的铠装、铅皮或外护层被腐蚀，保护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀，致使保护层失效，绝缘降低，也会导致电缆故障。

4)长期过负荷运行

超负荷运行，由于电流的热效应，负载电流通过电缆时必然导致导体发热，同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产乍附加热量，从而使电缆温度升高。长期超负荷运行时，过高的温度会加速绝缘的老化，以至绝缘被击穿。尤其在炎热的夏季，电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿，因此在夏季，电缆的故障也就特别多。

5)电缆接头故障

电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节，由人员直接过失(施工不良)引发的电缆接头故障时常发生。施工人员在制作电缆接头过程中，如果有接头压接不紧、加热不充分等原因，都会导致电缆头绝缘降低，从而引发事故。

6)环境和温度

电缆所处的外界环境和热源也会造成电缆温度过高、绝缘击穿，甚至爆炸起火。

7)电缆本体的正常老化或自然灾害等其他原因。

电线电缆在现代化生产生活中高度普及，任何需要电力驱动的机械都离不开电线电缆的支持。电线电缆的主要构成是金属丝、绝缘套和保护套，这就要求电线电缆的运送和保管必须严格和慎重，避免电线电缆在运输保管中出现损坏。

1）电线电缆在运输过程中应避免从高处坠落的现象，更禁止装卸时从高处扔下电线电缆，特别是在温度较低的条件下（一般为5℃以下），电线电缆的绝缘套、保护套较为脆、硬，高空摔落会导致绝缘套和保护套开裂。2）电线电缆的绝缘套和保护套多为橡胶制品，不能承受阳光的过度照射，因此要尽量避免电线电缆被防止在露天场所，电缆盘也不允许平放。

3）电线电缆在进行包装时，不能出现几个电缆盘同时吊装进行，以避免发生危险事故。电缆盘在运输工具如车辆、船舶上的放置必须合理并加以固定，以防止在运输中因为摇晃等原因致使电缆盘翻到或碰撞，对电线电缆造成损伤。

4）电线电缆一般防腐蚀性很差，严禁和酸、碱、矿物油类物质的接触，如果运输过程中不得已与腐蚀性物质近距离放置，则要进行必要的隔离。电线电缆的存放库房内必须禁止出现破坏电线电缆绝缘保护层的物质及具有腐蚀性的气体的存在。

5）电线电缆的保管时间较长则需要适当对电缆盘进行滚动，滚动的周期为三个月左右，具体时间可以根据情况自行设定。电线电缆在滚动过程中要注意将向下存放的盘边滚动到上方，这样可以避免某个部位的盘边长期位于下方而受潮腐烂。

6）电线电缆也是具有保质期的产品，一般来说电线电缆最好在保质期内使用，如果已过保质期则不宜超过一年半，最长也不能超过保质期时间两年。电线电缆在储存过程中要经常检查电线电缆的封头是否完好无损。

电缆敷设的错误是导致电缆老化、破损的主要原因之一，应按照标准规范电缆敷设。敷设前应按下列要求进行检查：

一、电缆通道畅通，排水良好。金属部分的防腐层完整。隧道内照明、通风符合要求。

二、电缆型号、电压、规格应符合设计。

三、电缆外观应无损伤、绝缘良好，当对电缆的密封有怀疑时，应进行潮湿判断；直埋电缆与水底电缆应经试验合格。

四、充油电缆的油压不宜低于0.15MPa；供油阀门应在开启位置，动作应灵活；压力表指示应无异常；所有管接头应无渗漏油；油样应试验合格。

五、电缆放线架应放置稳妥，钢轴的强度和长度应与电缆盘重量和宽度相配合。

六、敷设前应按设计和实际路径计算每根电缆的长度，合理安排每盘电缆，减少电缆接头。

七、在带电区域内敷设电缆，应有可靠的安全措施。

参照标准如下：

1、《中华人民共和国国家标准电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范之电缆及附件的运输与贮存保管》

acome电缆的老化分析 篇2

随着电网容量的扩大,用户设备的复杂性增加,尤其是一些大容量和非线性负载的使用,导致电网谐波问题变得突出[1,2,3]。谐波包含众多的高频率成分使设备的绝缘问题变得严重,导致设备出现过早损坏等事故[4,5]。比如在某背靠背直流输电系统运行时,交流侧实际相电压测量结果如图1所示,在基波上有较大的高次谐波电压叠加,可达基波电压40%左右,如此大的高频谐波电压将会对电力设备的绝缘造成影响。

大量的中压电缆终端在电网中不断应用,而电缆绝缘事故大多是由于电缆终端绝缘事故所导致,高频谐波对电缆终端绝缘的影响非常明显[6]。实践证明,一些传统的中压电缆终端在谐波严重的场合其寿命大大缩短,甚至导致事故的发生[7,8],如何评价电缆终端在高频谐波下的可靠性和寿命是值得关注的问题。

电缆所承受的谐波频率范围大约从几百Hz到几kHz之间,电流大约在数百安,用实验设备同时产生高频、高压和大电流变得较困难。对于该种装置的设计,国内的研究主要是关于高频高压发生装置[9],而实际电网的谐波却是工频和高频谐波叠加在一起的波形。因此,对于高频电压上叠加工频电压,同时产生大电流的装置,国内外对此的研究较少,本文研制了频率500Hz～20kHz,高频最大电压15 kV,回路最大电流200 A的高频、高压和大电流实验装置。

2 装置原理

为了实现该装置的功能,需要有三个功能部分:高频高压、工频高压和大电流产生,装置原理如图2所示。首先通过高频信号发生器产生高频电压,通过普通的功率放大器使信号产生较大的输出功率,再通过高频变压器产生几kHz高频高压,同时右侧的工频变压器产生50Hz的工频高压,两部分高电压在电缆终端试样上产生叠加,形成模拟真实电网的谐波电压波形。其中C1为保护电容,防止功率放大器的输出阻抗过小,从而防止功率放大器输出功率过大;同时L1和C3为高频滤波器,阻止高频电压传到工频部分,C2为工频滤波电容,阻止工频电压传到高频变压器。整个电路形成了一个复杂的包括并联和串联的复杂的RLC回路,因此对于高频电压发生部分,需要适当调节电路的RLC参数,并同时找出电路的谐振频率,这样可以减少功率的需要,从而提高输出电压。为了产生大电流,两个试样并联形成一回路,通过对CT二次侧加电压的方法在一次回路中产生大电流。

3 装置设计

3.1 电压产生

首先通过Multisim10仿真软件建立图1的仿真电路原理图,结果如图3(a)所示。为了验证原理,此仿真电路图中忽略了功率放大器部分。图3(a)左边部分是高频高压产生电路,图3(a)右边为工频高压产生电路,中间为样本电容Cp。图3(a)中分别以Vhf表示输出的高频电压,以Vpf表示输出的工频高压,Vs表示实际施加在样本上的叠加电压。根据该仿真电路和预先设置的参数,输出电压波形如图3(b)所示,此处仅显示了1/4个工频周期波形,输出的叠加电压Vs为工频高压Vpf和高频高压Vhf的叠加。

3.2 元件分析和选择

首先根据图3(a)中设置元件的基本值,改变参数,分析参数变化对输出叠加电压的影响。对于本电路,合成电压中的高频分量是对试样绝缘影响较大的,如何评价该电路的高频分量在整个电压中的比例是重要的,因此通过系数ef来评价输出电压中高频分量在整个叠加电压中的比例,其表达如式(1)所示。

首先分析信号频率对输出电压中高频分量的影响,改变图3(a)中信号频率V1从200Hz到20kHz,得到的仿真结果如图4所示,该电路在10kHz频率处有个谐振点,其系数ef在10kHz频率点周围输出的高频电压幅值较大。

图 3(a)中 C1 为功率放大器的保护电容,由于受到实际的功率放大器输出功率限制,要求在高频电压下其输出阻抗不能过低,否则功率放大器发热严重而不能工作,假定功率放大器的负载电阻为5欧,则在10kHz频率下,则要求C1不大于1.13μF即可,此处取C1为200pF。

下面分析参数C2和C3对电路输出电压高频成分的影响。将C2从100pF～1μF频段中选取几个点,其仿真结果如图5所示,通过仿真分析可知,随着C2从100pF增大到1nF,Vs上产生的高频电压逐渐减小。保持C2为150pF,同样分析C3参数变化对输出电压的影响,改变C3从200pF到1μF,其参数对输出叠加电压Vs影响不大,其主要影响高频滤波效果,即工频电压Vpf中的高频成分。

C1 用低压可调电容,而 C2 和 C3 需用高压电容,可用额定电压为15kV的聚丙稀电容和环氧树脂电容。电感L1为高压电感,额定电压为15kV,容量15kVA,频率范围从50Hz～20kHz,通常高频变压器的频率范围在500Hz～20kHz以内,在低于1kHz后信号衰减较严重,其容量为15kVA,变比为100/20000 V。

3.3 大电流产生

为了模拟电缆终端实际工作时的电流,将图2中两个试样形成的回路中通过CT对整个实验回路施加一大电流。通过调压器输入220V工频电压,调压器输出端接CT的二次侧,设计CT的输出电流为200A,设计CT的变比为40:1,则原边输入电流为5A,则在最大电压220V下,要求CT的容量应大于1000VA,则CT副边的电压为5V,要求整个试样回路电阻小于0.025欧姆,这对电缆终端的接触电阻提出较高要求:一是要求电缆需用专用接头连接;二是要求接触良好,否则电流可能不能达到要求。由于考虑到大电流下的发热等问题,将电缆终端下半部分浸入变压器油中,并应保持良好的接触。

3.4 输出电压

根据图 2 中原理,并根据该图中仿真电路参数,将整个高压大电流回路搭建后,通过三个Tek的高频高压探头(1000∶1)和示波器对实际电路测量的电压波形Vhf、Vpf和Vs如图6所示,分别为高频高压(最大值4.51kV)、工频高压(有效值13.1kV)和最后形成的叠加高压(最大值33kV),其最后生成的高频叠加工频的电压波形,与图3(b)中的仿真波形符合。整个装置的高频电压输出可达到15kV(有效值),由于电网谐波电压成分所占整个电压比重很难超过50%,因此该装置输出的高频高压对于研究中压电网谐波对绝缘的影响已足够,而叠加电压输出幅度则取决于工频试验变压器。

4 结果分析

为了验证装置的效果,将两种不同类型的冷缩电缆终端(一种是几何型,另一种则是应力梯度型)试样施加8.7kV工频电压同时加上4kV不同频率的高频电压,但回路中没有施加电流,此时通过FLIR热成像仪测量的热图像如图7(a)和7(b)所示,从图中看出,电压频率从1kHz增大到7kH后,应力梯度型试样中出现明显的热点,根据文献[6],该热点的位置正好和电场仿真后的高场强点相对应,而且随着频率进一步增大,该现象愈明显。保持图7(a)中同样的电压条件,但对样本施加150A的工频电流,可观察到整个热图像非常清晰,同时测量到的热点温度也相应增加。

5 结论

本文研制了模拟电网高频谐波电压和工频大电流的电缆终端老化装置。其原理主要采用高频高压和工频高压相叠加的办法。首先,通过信号发生器、功率放大器和高频变压器获得高频高压;同时通过工频变压器产生工频高电压,将工频高压和高频高压同时施加到样本上,形成叠加,同时分别在两侧加以高压RLC元件形成滤波器阻止高频和工频高压串入到低压系统;通过穿心CT(电流互感器)施加150 A左右的大电流模拟实际工况。通过实测波形和热成像分析,该装置对于研究高频谐波电压下的电缆终端绝缘具有一定的价值。

参考文献

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有限元法电缆水树老化机理研究 篇3

XLPE绝缘中的水树老化缺陷是导致电缆绝缘老化和使用寿命缩短的主要形式, 也是绝缘本体引发电树和击穿的主要诱因[1,2,3]。目前国内外对水树已经开展了大量的研究, 认为水树是水分、电场和集中性微观缺陷同时作用下产生的一种形态为充满水的各种树枝状细微通道和微孔。水树生长一般分为三个过程[4]:水分渗入阶段—在电场作用下水分渗透到绝缘中, 并聚集形成较大的水珠;水树起始阶段—随着水分的增多, 水珠数量和体积变大, 并相互靠近;树枝生长阶段—随着水珠的增多、变大, 水珠相互聚集形成微米级的椭圆充水微孔, 微孔间开始出现相互连接的细丝状通道, 水树枝出现。

目前, 关于水树的形成机理还没有统一的说法, 但是, 水树的生长一定与电场有关, 电场是水树起始和生长的决定性因素, 因此, 对电场分布的正确分析和理解是解释水树生长机理和击穿的关键。本文将通过有限元仿真计算, 分析研究水树在起始初期的电场和Maxwell应力分布, 研究水树老化机理, 并就预防水树危害提出一些建议。

1 有限元分析模型

水树产生必须有电场和水分共同作用, 绝缘中的集中性缺陷、杂质、裂纹以及绝缘内外表面的不均匀会导致局部电场的畸变, 这些高电场区域往往为水树枝发展的起点。

为了研究绝缘中的微观缺陷对于水树起始的影响, 构建了如图1所示的有限元仿真模型, 其中, XLPE厚度为4 mm, 内外半导电层厚度为0.8 mm, 在XLPE层内构建了一个长轴为aμm, 短轴为bμm的椭圆作为缺陷。

模型中各部分参数如表1所示:

假设所考虑的区域不含有任何空间电荷和表面电荷, 并且不同区域间是各向同性和均匀的。设定缆芯电位为单项线路的最大正弦电压8.1k V, 频率为50 Hz, 划分20 000到30 000个网格单元, 利用多物理场耦合软件COMSOL在每个节点处求解如下方程组[5]:

其中, 式 (1) 为单元格内的泊松方程, 式 (2) 为电场强度和电位的负梯度关系。σ是电导率;ε0是真空中的介电常数;εr是相对介电常数;J为电流密度;Q为电荷量。

2 分析结果与讨论

图2为椭圆形缺陷在a=10μm, b=5μm时缺陷周围的电场分布情况, 椭圆周围区域电场线最密集, 尤其是椭圆两尖端是电场畸变最严重区域, 电场达到了8.3 k V/mm, XLPE其他区域电场不到2 k V/mm。

XLPE绝缘内有大量的无定形区, 这些区域内分子链排列疏松、杂乱, 外界的水分很容易通过扩散的方式进入到该区域并汇合形成水珠。由于这些水分含有杂质, 属于极性分子, 在电场的作用下会受到电场力的作用, 并向场强集中区域移动。图3为水珠向椭圆集中区域聚集示意图, 椭圆尖端是电场畸变点, 极性水分子在电场作用下可近似看做一个电偶极子, 在电场作用下沿着电场线方向形成椭圆形水珠, 靠近电场畸变点处的一端电场强度更高, 即E1>E2, 则水分子受到与电场力方向相反的合力F (F1>F2) , F驱使水分子向场强集中的方向移动。因此, 椭圆缺陷两端电场畸变区域就会逐渐积累大量的水珠, 水分的聚集为水树的起始和发展提供了先决条件。

缺陷及其两尖端大量聚集的椭圆水珠在电场的作用下, 会对周围的绝缘产生Maxwell应力的作用, 其大小为[6]:

其中, ε0为真空的介电常数, εr为电介质相对介电常数, E为电场强度。在图1缺陷模型尖端区域设置了一群长轴为4μm, 短轴为2μm的椭圆作为水珠, 进行电场和应力场耦合分析, 得到的应力场分布, 缺陷及椭圆水珠两尖端为应力集中区域, 其中缺陷尖端应力最大, 达到600 Pa。这些应力远低于XLPE的屈服强度 (使材料产生直接断裂的最小应力) , 但是, 由于在交变电场的作用下, 应力随电场周期性的变化, 就会导致受力点处的XLPE分子链反复疲劳, 尤其是无定形区内排列疏松和杂乱的分子链在反复疲劳作用下容易发生断裂, 随着分子链的累积疲劳断裂, 就逐渐出现宏观上的裂纹和微孔。

在缺陷长度a一定的情况下, 分析了b取不同值时的缺陷尖端区域最大电场和应力情况, 如图4所示。随着b的减小, 缺陷变细长, 尖端电场和应力都呈现增加的趋势。可以推断, 水珠越细长, 其尖端电场和应力也越大, 因此, 产生疲劳断裂就越容易。

随着交变应力作用下的疲劳断裂的反复发生, 受力区域内的裂纹和微孔数量增加, 一方面导致水珠的体积扩大和增多, 变成体积更大的充水微孔, 另一方面这些微孔又通过裂纹相互连接起来。随着该过程的持续发展以及水分的积累, 充水微孔和充水细枝数量不断增多, 开始出现树枝状的形态, 水树起始并发展。

在工况下, XLPE绝缘中的微孔、杂质, 内外半导电层中的局部突出和毛刺, 都会成为局部电场和应力集中区, 随着水分的积累以及交变电场的反复作用, 逐渐产生疲劳断裂并发展成水树。图5 (a) 为电缆绝缘中观察到的微孔, 当水分和杂质进入微孔后, 就会成为电场畸变区域, 成为水树的起点。图5 (b) 为沿XLPE内缺陷生长的领结状水树, 水树起始点与图5 (a) 中的缺陷相类似, 水树沿电场方向以缺陷两端近似对称生长。

为了分析水树生成后, 水树尖端的电场分布情况, 构建了如图6所示的水树模型。其中, 水树主体用一个半椭圆来模拟, 并在水树尖端构建了一根长50μm、宽4μm的水树枝, 水树枝尖端是一个长轴为8μm、短轴为3μm的椭圆, 代表水树微孔。半椭圆的短轴固定不变, 根据仿真需要调节长轴长度, 研究不同长度下的水树尖端电场分布。

图7为不同长度水树枝尖端区域的电场分布图, 通过仿真分析可以看到, 水树尖端是电场集中区, 也是应力集中区, 并且, 水树枝越长, 电场和应力畸变越厉害。因此, 随着水树的生长, 水树尖端区域发生疲劳断裂就越容易, 反过来就加速水树的生长。

随着水树区域面积的扩宽, 水树区电导率上升, 就会引起电缆绝缘性能的明显变化, 包括介质损耗因数和泄漏电流的上升等。随着水树的继续发展变长, 水树尖端电场进一步畸变。从图9中可以看出, 当水树发展到离外半导电层接近1mm的地方, 水树枝尖端电场超过了100 k V/mm。在固体介质中, 根据陷阱理论与刘付德等人提出的介质击穿理[7], 当固体介质中电场强度E>100k V/mm, 电极向中注入的电子会被陷阱俘获, 高能电子则会使介质产生新的陷阱, 同时有碰撞电离产生, 陷阱密度增加到一定程度, 陷进产生连通, 最终导致该区域介质的击穿下降, 即产生局部电老化, 从而引发电树枝。

对于一般长度的水树枝, 当水树尖端遭受过电压或者雷电冲击作用时, 也会引起电场的进一步畸变。为了研究雷电冲击作用对水树尖端电场畸变的影响, 在图6模型中, 在水树枝离外半导电层还有2 mm距离的情况下, 在缆芯电位上叠加了一个幅值为15 k V, 波前时间和半波时间为1.2/50μs的标准雷电冲击波, 波形如图8所示。

图9为水树尖端的电场分布图, 在没有雷电波作用的情况下, 水树尖端电场为55 k V/mm, 叠加了雷电冲击波后, 电场超过了110 k V/mm, 在这种情况下水树尖端也能够发展形成电树。水树的危害之一就在于当遭受过电压或者雷电冲击的情况下, 其尖端会发展形成电树, 对于运行年限较久的电缆, 在夏季雷雨季节, 电缆绝缘本体最容易发生击穿事故, 这与水树老化有直接的关系。

3 电缆绝缘水树老化的抑制和处理

针对电缆绝缘水树老化问题, 首要问题是研究开发具有抑制水树的电缆。通过利用添加剂、改变聚合物分子结构、聚合物结构形态, 或者采用不同聚合物材料共混等处理手段, 目前, 新研制的抗水树老化电缆 (TR-XLPE) 得到广泛使用, 能够明显抑制水树的生长。但是, 在有杂质、微观缺陷、水分等的情况下, TR-XLPE电缆仍然会产生水树。因此, 要加强电缆的生产质量, 降低缺陷、杂质等的产生, 同时加强运行维护管理, 降低外护套破损、局部应力集中等, 减少水分向绝缘中的扩散。另外, 根据国外维护经验, 应该降低雷电波和过电压对电缆的入侵, 加强雷雨季节的排查维护等。

在新型绝缘材料的研究方面, 目前通过将纳米级无机金属氧化物, 如纳米级Ti O2、A12O3、Mg O、蒙脱土等, 与XLPE材料按一定比例混合, 能够有效提升绝缘材料的性能, 包括抑制空间电荷、均匀电场、减少局部放电, 提升击穿场强[8], 同时对水树生长的也能够起到有效抑制作用, 文献[9]观察到了纳米Mg O和LDPE (低密度聚乙烯) 复合后对水树生长起到明显的抑制作用。此外, 上海交通大学江平开教授等人也通过表面处理后的纳米Si O2添加到LLDPE (线性低密度聚乙烯) 后, 观察到了对水树生长的抑制作用[10]。这方面的研究有望为新型抗水树老化电缆绝缘的生产提供新的方向。

针对大量运行中的水树老化电缆, 目前国内还没有有效的处理方法。国外开发了一种有机硅修复方法, 通过一种有机硅修复液, 从缆芯扩散到绝缘内部水树区域消耗水分, 同时生成的高分子有机物填充水树区, 根据其运行数据此项技术能有效延长电缆寿命达20年以上[11]。该技术有望进行工业推广应用, 为我国目前存在的大规模电缆“老龄化”问题提供一种经济有效的处理手段。

4 结束语

通过有限元法分析, 在水树起始阶段, 在XLPE绝缘内的局部缺陷造成了电场畸变, 水分容易在缺陷周围聚集并形成水珠, 在电场作用下对周围绝缘产生交变的Maxwell应力, 导致绝缘材料疲劳断裂。随着疲劳断裂的发展及水分的积累, 逐步出现充水通道和微孔, 并最终发展形成水树。随着水树的发展, 水树尖端电场畸变加强, 进一步促进水树生长, 当水树生长到一定程度或受到过电压作用下, 水树尖端会发展形成电树, 并导致绝缘击穿。文章最后对XLPE绝缘内水树老化的预防和处理进行了简要分析总结。

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