低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估

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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题 目：低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估

学习中心： 内蒙古呼伦贝尔奥鹏学习中心

层 次： 专科起点本科

专 业： 电气工程及其自动化

年 级： 2013 年 秋 季

学 号：

学 生：

指导教师：

完成日期： 2015 年 6 月 1 日

内容摘要

由于交联聚乙烯电缆绝缘性能好, 易于制造和安装方便, 近年得到了迅速的发展。随着城网改造和农网改造的实施, 电力电缆的利用比重也会越来越高, 如何维护使用好已有的电力设备, 提高供电可靠性就显得十分必要, 电缆的运行状况直接关系到电力系统的安全运行及供电的可靠性。文首先论述了电缆的一般结构，介绍了目前电缆检测的方法及意义，分析了影响电缆绝缘性能的因数以及电缆运行的等效电路。着重论述了电缆检测的三个主要检测手段，即绝缘电阻、泄露电流和介质损耗，对电缆性能检测的实际意义。

关键词：绝缘电阻；介质损耗；电缆寿命

目 录

内容摘要 ........................................................................................................................... I

1 绪论 ............................................................................................................................ 4

1.1 课题的背景及意义 ........................................................................................ 4

1.2 国内外发展现状 ............................................................................................ 4

1.2.1 国外低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状 ................................ 4

1.2.2 我国低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状 ................................ 5

1.3 本文的主要内容 ............................................................................................ 5

2 电缆故障类型及绝缘老化的原因 ............................................................................ 7

2.1 电缆故障的类型 ............................................................................................ 7

2.1.1 接地故障 .............................................................................................. 7

2.1.2 短路故障 .............................................................................................. 7

2.1.3断线故障 ............................................................................................... 7

2.1.4闪络性故障 ........................................................................................... 7

2.2 电缆老化原因 ................................................................................................ 8

2.2.1 电气老化 .............................................................................................. 8

2.2.2 热老化 .................................................................................................. 8

2.2.3 机械老化 .............................................................................................. 8

2.2.4 水老化 .................................................................................................. 9

2.3 电缆研究现状及发展趋势 ............................................................................ 9

3 电缆绝缘状态的检测与寿命分析 .......................................................................... 11

3.1 绝缘电阻的测量意义 .................................................................................. 11

3.2 绝缘电阻测量方法与分析 .......................................................................... 11

3.3 介质损耗测量的意义 .................................................................................. 13

3.4 介质损耗的测量与分析 .............................................................................. 15

3.5 热老化性能概述 .......................................................................................... 16

3.6 热老化实验及数据分析 .............................................................................. 17

4 结 论 ...................................................................................................................... 19

参考文献 ........................................................................................................................ 20

附 录 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

对电缆进行状态诊断及评估，是合理安排电缆更换，保证电力供应安全可靠的一个重要技术手段，也是在智能电网中实现对电缆有效管理的极其重要的部分。随着我国煤矿开采量的加大，电力电缆的利用比重也会越来越高。

对于动力和照明线路来说，采用的橡胶绝缘电缆在使用过程中，由于橡胶的氧化分解作用，使硫化橡胶的电物理和机械性能发生变化:变硬、变脆，在橡皮上形成裂纹，空气和水分填充在裂纹中使电缆老化加剧，最终导致绝缘击穿或短路。此外，电缆使用环境恶劣加速电缆绝缘层材料的老化。所以对电缆失效尚无合适的标准，以及对电缆寿命缺少有效的研究和估计方法，这种更换带有很大的盲目性，并且更换电缆工序繁琐并且是一项价格非常昂贵且繁重的作业，其结果必然造成材料的浪费或带来事故的隐患。所以，对一电缆目前技术状态的确切评价不仅从保证电力设备工作可靠性的观点来看是重要的，而且从预防火灾的角度来看也是很重要的。当前，绝大多数低压电缆用橡胶做绝缘材料，氧化分解能硫化橡胶的电物理和机械性能，使得电缆老化迅速，绝缘击穿或短路现象会最终发生。而低压电缆绝缘状态的在线检测可以精确评估电缆技术和运行状态，尽早发现电缆绝缘缺陷，并采取适当的维修措施，以确保设备的安全运行和可靠使用，而且还具有非常重要的防火功能。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状

20世纪60年代起，国外就开始了关于XLPE (交联聚乙烯）电缆绝缘弱点检测和老化检测技术的研究，时至今日，该项研究仍在不断发展。日本是较早开展XLPE 电缆绝缘老化检测技术研究的国家之一，但是研发的电缆绝缘检测仪只能发现已经发生绝缘老化的电缆，无法描述被检测电缆的绝缘老化程度，而且该检测仪主要针对的是陆地所使用电缆。

20世纪70年代前, 世界上广泛使用电桥法及低压脉冲反射法进行电力电缆故障测试, 两者对低阻故障很准确, 但对高阻故障不适用, 故常常结合燃烧降阻(烧穿) 法, 即加大电流将故障处烧穿使其绝缘电阻降低以达到可以使用电桥法或低压脉冲法测量的目的。烧穿方法对电缆主绝缘有不良影响, 现已很少使用。

近几年来，欧美发达国家及日本的学者为了尽可能地等效工频电压并尽可能

地减小试验设备的体积和重量，适应电缆运行现场试验的需要，先后提出多种离线破坏性试验方法，如0.1低频电压试验、KHz 振荡波电压试验、串联谐振或变频谐振交流电压试验; 以及离线非破坏性试验方法，如在0.1超低频电压、KHz 振荡波电压下的电缆局部放电量试验，并推荐上述试验方法和手段作为今后电力电缆竣工交接试验或预防性试验方法。

1.2.2 我国低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状

国内天津大学杜伯学采用温差法对XLPE 电缆老化进行评估，其研究对象为10KV 的陆用电缆；上海交通大学王雅群采用等温松驰电流对XLPE 电缆寿命评估，但是受到国内外电缆制造工艺差异的影响，计算所得老化因子与国外学者报道的结果相差普遍较大。其中检测技术分为非在线式和在线式：非在线式包括反吸收电流、残留电压、电位衰减法、直流泄漏电流、残留电荷、直流电压叠加法等在线式包括直流成分、脉动法，直流电压叠加法等。目前的应用绝缘监测剩余寿命评估方法都比较偏向于从定性分析的角度切入，在定量分析方面，只能给出一个比较宽泛的范围。

直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性诊断试验，20世纪90年代初期之前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线直流耐压破坏性试验作为绝缘电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。理论分析计算、试验研究和长期积累的大量实际运行经验表明:一方面，由于直流耐压试验过程是向电缆绝缘介质注入大量的空间电荷过程，空间电荷限于介质良好的绝缘性能而不能及时泄漏。这些残留空间电荷积聚形成的局部电场与外施工频电场迭加，畸变介质内部电场分布，严重损伤电缆绝缘，往往使得试验合格的电力电缆在投入运行后几小时或几十小时内就发生电缆绝缘击穿故障，甚至发生多点击穿故障。另一方面，直流耐压试验的电压取值很高，试验时间较长，直流电场促使介质中的水树枝向电树枝转变，周期性的直流耐压试验无疑是导致电缆绝缘早期劣化，相对缩短电缆安全运行寿命。

1.3 本文的主要内容

本文研究的是低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估。

全文共分为四章，内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章是电缆故障类型及绝缘老化的原因；

第三章电缆绝缘状态的检测与寿命分析；

第四章最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2 电缆故障类型及绝缘老化的原因

2.1 电缆故障的类型

电缆故障有许多种，大致分为:

2.1.1 接地故障

电缆一芯或多芯对地故障。其中又可分为低阻接地或高阻接地。一般接地电阻在20一100。以下为低阻故障，以上为高阻故障。因使用的电桥和检流计灵敏度不同，对低阻与高阻的划分也往往不一致。原则上接地电阻较低，能直接用低压电桥进行测量的故障，称为低阻故障。须要进行烧穿或用高压电桥进行的故障，称为高阻接地。

2.1.2 短路故障

电缆两芯或三芯短路，或两芯、三芯短路接地。其中也可分为低阻短路或高阻短路故障，其划分原则与接地故障相同。

2.1.3断线故障

电缆一芯或多芯被故障电流烧断或受机械外力拉断，形成完全断线或不完全断线，其故障点对地的电阻也可分为高阻或低阻故障，一般以IMQ 为分界限，小于1M 。为低阻。能较准确地测出电缆的电容，用电容量的大小来判断故障点可称为高阻断线故障。

2.1.4闪络性故障

这类故障绝大多数在预防性试验中发生，并多出现在电缆中间接头和终端头。试验时绝缘被击穿，形成间隙性放电，当所加电压达到某一定值时，发生击穿，当电压降至某一值时，绝缘恢复而不发生击穿。有时在特殊条件下，绝缘击穿后又恢复正常，即使提高试验电压，也不再击穿，这种故障称为封闭性故障。以上两种现象均属于闪络性故障。

电缆故障是指电缆在预防性试验时发生绝缘击穿或在运行中，因绝缘击穿、导线烧断等而迫使电缆线路停电的故障常见的故障有接地故障，短路故障，断线故

障，闪络性故障和混合型故障等。

2.2 电缆老化原因

电缆老化原因可分为:

2.2.1 电气老化

电气老化指的是在电场长期作用下，由于电缆制造中的质量缺陷，施工中机械与外力作用伤害，绝缘物中的空隙、裂纹等，造成局部电场不均匀，诱发局部放电，以导体的变异部、空隙、杂质为起点，局部破坏，发展成树枝化，渐渐地导致绝缘破坏。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生。放电引起的一系列物理和化学效应。

固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论:

1. 达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”。

2. 在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏，这被称为“热击穿”。

2.2.2 热老化

热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、热分解等化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降低。其化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从C 一H 键中H 的脱离开始的。

热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，XLPE 材料被认为当拉伸率从初始的400%一600%降低到1O0%时寿命终止。

2.2.3 机械老化

机械老化是电缆系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微

小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电一机械击穿’。

2.2.4 水老化

水浸入电缆后(制造时或施工与运行中接头浸潮等) ，由于电场的叠效果，在电场不均匀及电场力集中点形成水树枝化。通常有内导水树枝化、蝴蝶水树枝化和外导水树枝化阵。

橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相比较绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课电现象”的缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这种树枝结构水有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区别，称之为水树水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥后就不易观察到。水树枝多见结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材料的PVC 、丁基橡胶等聚合物中少发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生，频电压也能促使水树枝的产生。

电缆老化原因可分为:电缆老化的因素一般涉及电、热、机械与环境等方面。

2.3 电缆研究现状及发展趋势

电力电缆试验技术严重滞后于电力电缆制造和应用技术。国家关于绝缘电力电缆(XLPE)投运后的试验方法、标准和运行规程大多在20世纪70年代颁布，比较陈旧落后，有的甚至是沿用油纸绝缘电力电缆的试验方法。直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性诊断试验，20世纪90年代初期之前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线直流耐压破坏性试验作为绝缘电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。

直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性诊断试验，20世纪90年代初期之前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线直流耐压破坏性试验作为绝缘电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。理论分析计算、试验研究和长期积累的大量实际运行经验表明:一方面，由于直流耐压试验过程是向电缆绝缘介质注入大量的空间电荷过程，空间电荷限于介质良好的绝缘性能而不能及时泄漏。这些残留空间电荷积聚形成的局部电场与外施工频电场迭加，畸变介质内部电场分布，严重损伤电缆绝缘，往往使得试验合格的电力电缆在投入运行后几小时或几十小时内就发生电缆绝缘击穿故障，甚至发生多点击穿故障。

另一方面，直流耐压试验的电压取值很高，试验时间较长，直流电场促使介质中的水树枝向电树枝转变，周期性的直流耐压试验无疑是导致电缆绝缘早期劣化，相对缩短电缆安全运行寿命。据统计:在1962-1999年间，直流耐压试验合格后投入运行的电缆在短期内发生故障的次数约占电缆运行故障总次数的。这一事实再次说明了直流耐压试验不仅不能够及时发现电缆运行缺陷，反而使电力电缆的绝缘损伤较大，缩短电缆运行寿命。到目前为止，许多国家包括中国在内，已不再采用直流耐压试验作为交联聚乙烯绝缘电力电缆的预防性试验手段。

2

L R I =1/+⎛ μR ⎫⎛2 μ⎪ δ⎫

⎝s ⎪ R ⎪ ⎭⎝δS ⎪ ⎭

其中，μR ，μS 分别为抗力和载荷效应的均值。

(1.1)

3 电缆绝缘状态的检测与寿命分析

3.1 绝缘电阻的测量意义

电气设备的绝缘电阻，是反映绝缘体在一定直流电压作用下，通过它的稳定传导电流的大小。在某一电压下，电流越小，绝缘电阻就越大; 电流越大，绝缘电阻就越小，表明了绝缘体在直流电压作用下的特性。

对于良好洁净的绝缘体，无论绝缘体内或是表面的离子数都很少，电导电流很小，绝缘电阻值很大。如果绝缘存在贯通的集中性缺陷，例如开裂、脏污，特别是受潮以后，绝缘体的导电离子数要急剧增加，电导电流明显上升，绝缘电阻大大下降。实践证明，绝缘电阻大小常能灵敏地反映绝缘情况，有效地发现设备普遍受潮、局部严重受潮和贯穿性缺陷。因此，测定绝缘电阻也是研究绝缘材料的品质和特性，研究绝缘结构，以及产品在各种运行条件下的使用性能等方面的重要手段。对于己经投入运行的电缆，绝缘电阻是判断电缆品质变化的重要依据。

3.2 绝缘电阻测量方法与分析

测量绝缘电阻的方法较多:有通过试验变压器来操作的，这种方法电压较高，设备价格也贵，接线复杂; 也有用兆欧表来操作的，这种方法价格便宜，接线简单，使用方便，容易操作。目前现场普遍是用兆欧表来进行测量的。由于把兆欧表的测量作为对设备的一种前期测试，是对设备绝缘情况的一种初步的检查，再结合一些其他的试验，就可以对电气设备进行综合的判断，所以使用兆欧表测量绝缘电阻是非常重要的，缺之不可。本实验用兆欧表的方式来对电缆进行测量，仪器采用数字式绝缘测试器和数字高阻计。

(1)数字兆欧表与传统摇表的比较

绝缘电阻是我国计量法规定的电气安全检测项目中的强检项目。兆欧表是测量绝缘电阻的专用仪表，所以应用非常广泛。传统的兆欧表主要是指手摇指针式兆欧表。它的主要不足之处有以下几点:

1. 测量时必须用手摇动发电机并保证有120转/分的速度才能维持正常的输出电压。

2. 同一台摇表的电压等级少，量程范围小。

3. 由表针指示读数，刻度为非线形，测量误差和读数误差都较大。

4因为无法输出比较稳定的电压，所以在钡(量试品的吸收比和极化系数时会存在较大误差，并且操作复杂。

5. 指针式摇表在关机时反向冲击电流大，不小心会损坏指针。

6. 需要人工抄表，没有数据保存功能，不符合试验数据信息化的要求。

7. 体积重量大，不便携带，给使用带来不便。

现在市场上还出现了一种利用电机取代手摇的摇表，其输出电压较手摇式的摇表准确，但是仍然摆脱不了机械式仪表固有的缺点。数字兆欧表的出现克服了传统摇表的种种缺陷，使得停电时绝缘电阻测量的测量精度、自动化程度和信息化程度等都有了一个很大的进步。

数字式兆欧表较传统摇表的优越性主要表现为以下几点:

1. 依靠仪表自身具有的直流电源可以产生精确的直流高压，而且针对不同的被检测对象可以方便选择不同的电压等级。

2. 量程范围大，可以根据实际测量数值进行自动实现量程切换。

3. 采用高精度AD ，使得测量精度较传统摇表有数量级上的提高，而且采用液晶显示屏直接显示读数，避免了指针式仪表的读数误差。

4. 可以方便、准确的测量试品的吸收比和极化系数。

5. 有完备的历史数据记录保存的功能，便于历史数据的回溯。同时还具有同微机的接口，可以进行数据上传以及仪器参数的下载。

6. 体积小、重量轻，便于携带，提高了测量的效率。

当然，取得数字式兆欧表的这些优越性是要付出某些代价的。比如，它需要额外的电源、制造成本较传统摇表要高、存放的环境要求较高等。综合考虑测量的准确性和实用性，本实验采用数字兆欧表来对电缆进行测量。

(2)绝缘电阻测量的方法

数绝缘测试器的测量方法大致相同，现以KEW 3023(数字式绝缘测试器) 为例把测试方法简述如下:

1. 测量前的准备

①测量前必须切断被测量各设备的电源，并接地短路放电决不允许用兆欧表测量带电设备的绝缘电阻。以防发生人身和设备事故。

②有可能感出高电压的设备，在可能性没有消除，不可进行测量。

③被测物的表面应擦干净。测定电力设备的绝缘电阻。目的是在于了解电气设备内部绝缘性能，而要避免表面绝缘随各种外界的影响。

2. 兆欧表的摆放位置

①表应放在平稳位置上，以免发生度数偏差。

②放置点注意远离大电流的导体和有外磁场的场合。

③测量前应对本身检查一次，即开路时是否是oo ，短路是否是为零(“线路”, “接地”短接) 。

3.3 介质损耗测量的意义

绝缘介质损耗是作为绝缘材料的电介质在较高电压电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失。介质损耗角正切(tanδ) 值表示。Tan δ值能够较全面的反映在交流电场中绝缘的品质，例如:绝缘材料的分子结构与组成; 绝缘中含气、受潮，或微粒杂质存在的程度; 工艺处理的完善程度(干燥是否充分，浸渍是否均匀和充分); 结构设计是否合理(如外屏蔽层与绝缘接触是否良好，导线表面有否均匀电场的屏蔽层) ，以及运行中的产品绝缘是否老化等。因此tan δ的测试对控制用于交流系统的电力电缆是十分重要的。

绝缘介质在电场作用下，除了会出现电老化、水树枝、击穿等老化现象外，还呈现出极化、电导、损耗等其它重要特性。

1极化

任何不同的绝缘材料，都可以认为是置于电极之间的电介质，并呈现电介质的特性，极化现象就是其一。极化是指置于电场中的电介质，沿着电场方向产生偶极矩、在电介质表面产生束缚电荷的现象。根据形成极化机理的不同，介质极化可以分为以下四种:

1) 电子和离子的位移极化

分子中的电子在电场的作用下，电子轨道发生弹性位移，从而使得原本呈电中性的分子变成呈现正负极的偶极子。由离子组成的分子结构也会出现类似的情况，正负离子在电场作用下偏离原来的位置，形成偶极子。

位移极化程度随电场强度增大而增大，而且形成的速度极快，外电场一旦消失，极化随即也消失。这种极化过程中没有能量损耗，故称为无损极化或弹性极化。

2) 热离子位移极化

介质中少量与周围分子联系较弱的带电离子(一般为杂质) 在外电场的作用

下，其热运动趋向于顺电场方向在有限范围内位移，造成这些离子在介质中分布不均，形成偶极化。

这种极化受到分子热运动的限制，温度越高，热运动越活跃，极化越困难。因此，这种极化建立速度较缓慢，电场消失后，复原也较缓慢。

3) 偶极子极化

在介质中存在一种特殊的分子，即使没有电场的作用，它本身也呈现为一个偶极子。没有外电场时，它们随着热运动随机排列，因此整体对外不显电极性。但在电场作用下，偶极子会随着电场力发生偏转，如图4. 1所示。这种极化在偶极子转向时需要克服分子间的吸引力，因而要消耗能量。

4) 夹层极化

绝缘介质中的自由离子和电子在外电场的作用下沿着电场方向迁移，改变分布状况，在迁移过程中被介质中的电极或缺陷捕获，不能及时放电或复合，于是在某一空间产生宏观感应电偶极矩，形成空间电荷极化。

当绝缘介质由多层不同材料组成时，这些带电粒子将停留在组合材料的交界面上，最终形成各层上的电荷积累。这种电荷移动和积聚，称为夹层极化过程。这种极化属于松弛极化，需要消耗能量，而且建立和复原的时间最长，达数秒，甚至数日之久。

在施加低频交变电场时，松弛极化和弹性极化都会发生。而施加高频电场时，由于空间电荷来不及移动，将不存在松弛极化。松弛极化需要消耗能量，弹性极化不消耗能量。松弛极化受到分子热运动限制，因此极化强度与温度成反比。此外，水分有增塑作用，介质受潮后，松弛极化时间缩短，同样时间长度内建立的极化强度将增大。

2电导

对于理想绝缘介质而言，不含任何自由的带电粒子，电导率。等于0，介质是不导电的。但是实际上，a 总会呈现一个很小的值，就是说，介质中有少量自由的带电粒子存在。带电粒子在电场的作用下会定向运动，形成微弱的电流，这就是平时所说绝缘漏电流。介质中的载流子一般是自由离子，它们来源于介质本身，也有的来自外部杂质。外部温度越高，分子热运动就越剧烈，对自由离子的约束也越小，形成的电导电流越大，这一点和金属的导电特性是完全相反的。此外，介质在外加高压电场的作用下，会形成一定程度的电离，使得载流子数目增多，。下降。当然，介质受潮后6也会下降。

3损耗

绝缘介质在电场的作用下会产生电能的损耗，这些损耗主要来自以下三个方面：

1) 电导损耗

如前文所述，绝缘介质存在一定的值，于是电流在介质中运动时会产生焦耳热现象电能转化为热量散发。

2) 极化损耗

电场对介质中运动的电荷做功，产生绝缘介质因松弛极化而引起的热损耗，这就是极化损耗。随着交变电场频率的增加，电荷往复运动更加频繁，极化损耗也越大。

3) 游离损耗

游离损耗是绝缘介质内部由于气泡、油隙、凸起电极等电场集中处电场强度高于某一数值时产生游离放电引起的。游离损耗只有当电压超过一定数值时才会发生，并且随着电压的升高而急剧增加。

经过上述分析，绝缘介质在直流电场作用下，由于介质没有周期性的极化过程，介质中的损耗仅由电导引起。在交流电压下，除电导损耗外，还存在由于周期性的极化而引起的能量损耗。为表征某种绝缘材料或结构的介质损耗，使用介质损耗功率P 表示绝缘介质的品质好坏是不方便的，因为P 值与试验电压、介质尺寸等因素有关，不同设备间难以进行比较，而是用绝缘介质中流过的电流的有功分量和无功分量的比值来表示，即tans 。它的好处是只与绝缘材料的性质有关，而与它的结构、形状、几何尺寸等无关，这样便于不同设备之间进行比较。

3.4 介质损耗的测量与分析

目前测试介质损耗的仪器有很多，可以用工DA20O 来对电缆进行测量研究，IDAZOO 采用频率响应原理，测试介质损耗、电容等绝缘参数。频率范围从0.0001Hz-1KHz 。根据介质损耗、电容值的频谱响应，从而诊断判定各种绝缘介质的老化程度，区分影响绝缘的因素。如水分、温度、氧化等。适用于对变压器、套管、电缆(交链聚乙烯电缆XLPE 及油浸纸电缆) 、CTPT 互感器、发电机、电动机及断路器的绝缘测试。

图3.1 IDA200的测试原理图

此仪器测量介损的同时，也能得到试品的电容量。如果多个电容屏中的一个

或几个发生短路、断路，电容量就有明显的变化，因此被测电缆的电容量能反映出电缆绝缘材料的性能变化。测量时仪器对试品施加相同幅值不同频率的交流电压，自动计算被测试品的有功功率和无功功率，最后给出不同频率下被测试品的介质损耗角正切值。

1. 实验室内测试流程

除产品标准中另有规定者外，试样有效长度应不小于3m ，试样两端绝缘外的覆盖物应小心地剥除，注意不得损伤绝缘表面。试样应在试验环境中放置足够长的时间，使试样温度与试验温度平衡，并保持稳定。浸入水中试验时，试样两个端头露出水面的长度不小于250mm ，绝缘部分露出的长度应不小于150mm 。在空气中试验时，试样端部绝缘部分露出护套的长度应不小于10011>m。露出的绝缘表面应保持干燥和洁净。

金属护套电缆、屏蔽型电缆或恺装电缆试样，单芯者，应测量整个电缆的介质损耗(从0. 01Hz到); 多芯者，应分别就电缆每个线芯对其余线芯与绝缘层的介质损耗进行测量。

非金属护套电缆，非屏蔽电缆或无恺装的电缆试样，应浸入水中，单芯者测量整个电缆的介质损耗(从0. 01Hz到); 多芯者，应分别就电缆每个线芯对其余线芯与绝缘层的介质损耗进行测量。

3.5 热老化性能概述

电线电缆产品在正常使用条件下，性能缓慢地变坏直至丧失其工作性能得过程称为“老化”。

对于电气装备用电线电缆所采用得橡皮、塑料等高分子材料，促使老化得因素有:氧气得存在; 在受热条件下工作; 受日光辐射; 臭氧的作用; 以及低温下弯曲移动、磨耗; 材料的裂解或聚合。材料组分的迁移和挥发; 受油或溶剂的侵蚀等等。在这些因素中热与氧是材料老化的主要因素，热氧老化将普遍发生于各种使用环境中，尤其是在大气中，因此研究和考核产品的热氧老化是极为重要的。

橡皮、塑料等高分子材料能够吸收外界的氧气，并在本体内扩散，氧原子可以与橡胶、树脂起化学反应(氧化) 而引起交联以至使材料丧失优良的弹性、柔软性并使机械性能逐步变坏，最后也引起电气性能的丧失。橡塑材料中的部分配合剂(如增塑剂) 被氧化，氧化生成物有的可挥发，有的有可促进老化过程，产品在热状态下工作，因为温度愈高，材料的分子热运动将大大增加，同时由于热的作用，材料的裂解，组分的迁移或挥发也必然加剧，这些现象统称为“热老化”。

因此产品所采用的橡塑材料的热老化与材料的品质、配方工艺有很大的关系、如橡皮的热老化除了与橡胶品种有关外，还取决于防老体系和硫化体系。加入防老剂能够使氧化生成的中间产物钝化而延迟氧化，但防老剂本身在一定温度下也会挥发、消耗以致失去作用。聚氯乙稀塑料的热老化性能主要与稳定体系有关。

3.6 热老化实验及数据分析

热老化试验主要采用烘箱法。

热寿命评定试验的目的就是要通过一系列的试验研究得出产品的寿命与使用温度之间的关系曲线(称为寿命曲线) ，这样就可以得出在各个使用温度下相应的工作寿命，从而根据使用的要求合理的选择产品的工作温度。使产品在可靠而又经济的条件下工作。因此热寿命评定试验可以确定产品的耐温等级。

1) 试验温度

在一定温度范围内，材料吸收氧气并在内部扩散，以每部分较均匀地缓慢氧化，温度增加，氧化速度上升，因此提高试验温度可缩短试验周期。但试验温度高过某一临界温度时，吸氧与扩散的过程就会不平衡，以造成试品表面加速强力老化，生成一种硬膜，阻止氧往里渗入，使老化不均匀，影响试验的效果。试验温度应选择低于这个临界温度。

临界温度与材料品种有关，与试样厚度也有明显关系。试样厚，临界温度低，临界温度应通过大量的试验决定。

2) 试验时间

长期的试验表明，96h 的热老化试验已能反映出材料机械性能的明显变化，也反映了橡皮护套中游离硫对绝缘橡皮迁移的影响，因此一般选96h 。对于耐热橡皮等特殊材料则适当延长。

3) 指标的选择

大多数材料采用抗拉强度和伸长率的变化作为指标。加速热老化试验的指标须根据长期积累的经验，结合自然老化的结果和相应的试验温度、实验时间综合考虑予以选定。

4) 试验中要求自然通风以保证氧的浓度。试样间保持一定距离。产品的绝缘老化时应带导体进行，以保证导体对材料老化的影响因素和绝缘内表面空气流通的程度与实际相接近。

5) 所有试样机械性能测试温度为23℃士5℃

烘箱法加速热老化试验装置

1) 试验装置

a) 热老化烘箱:要求自动控制箱内温度(士2℃) ，箱内全部空气更换次数每小时8}-20次，不采用旋转式风扇或鼓风机。

b)250kg (2.45kN)拉力试验机，夹具空载时移动速度为250mm/min士50mm/min。

2) 试样准备

a) 从成圈或成盘产品中切取试样，橡皮或塑料绝缘的产品至少切取10个试样，带有塑料或橡皮护套的产品再切取10个护套试样，分别进行绝缘和护套的试验。每个试样长度为100mmo

b) 剥去外面的有关结构部分，试样应不偏心、无气孔、砂眼、杂质，且无机械损伤。

c) 根据表4. 6规定制备样品。如因试样太小不能采用标距为20mm 哑铃试片时，则采用较小的10mm 哑铃试片。

d) 试样标距为20或lOmm ，试片有效部分应磨平。

3) 试验过程

a) 取一组未老化的试样，在23℃士5℃的温度下进行拉力试验，并计算得出每一试样的抗拉强度(MPa)和伸长率(%)。然后求出试验结果的中间值作为老化前的数据。

b) 将准备进行老化试验的试样，放在热老化试验的烘箱中，按产品规定的温度与时间进行加速热老化。试样自由悬挂在烘箱内，令不得转动。试样间的距离应为15~20mm，其与烘箱之间的距离应不小于50mm 。不同硫化体系和有相互影响的试样不应放在同一烘箱内。

c) 按规定时间热老化后，取出试样，在23℃士5℃下至少放置3h ，但不能超过96h, 进行试样的拉力试验。同样以试验结果的中间值得出热老化后的抗拉强度和伸长率(截面按老化前已测好的尺寸计算) ，并可求出老化系数K1, K2。

4 结 论

本文是结合低压电缆电性能参数测试和机械性能参数测试，首先积累数据，给出正在使用中低压电缆运行状态的评估结果; 然后进行数据分析，获取电缆的寿命曲线和寿命方程，由定性至定量地给出当前主干电缆绝缘状态及工作寿命，并对运行条件、绝缘状态监测方法进行研究。主要研究了以下几方面内容:

(1)在阅读和分析大量文献资料后，对现有低压电缆状态检测技术进行了归纳和比较。分析了电力电缆各种故障的成因，依据电缆组成材料、测量方法和结构特性等不同对电缆故障进行了分类。并选出合适的研究方法和仪器来对电缆进行系统的研究。

(2)针对当前的研究手段对低压电缆进行绝缘电阻、泄露电流、介质损耗和其他一些辅助研究方法对电缆进行电参数和机械参数的测量并进行研究。

低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估

参考文献

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