挤包绝缘电缆状态监测技术综述

胡诚成， 洪宁宁， 倪 勇

（上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点实验室，上海 200093）

0 引 言

挤包绝缘电缆（以下简称电缆）担任着电力、数据和信号的传输重任，是国民经济建设中不可或缺的关键元件。 鉴于目前其巨大的市场保有量与未来可期的增量，高可靠性与长寿命的电缆已经成为重大装备与工程的发展目标和紧迫需求，这对传统的故障监测手段提出了严峻的挑战，如何高效地进行电缆状态监测是目前亟待解决的重要问题。

目前，国内电缆的监测及评估技术远落后于制造及应用技术。 国外早在20 世纪中期就开展了关于电缆绝缘薄弱点检测和长期老化在线监测的研究，时至今日研究范围不再局限于陆地电缆，已经扩大到核电、机车和航空航天等领域，监测手段与准确性也趋于成熟。 反观国内，电缆在线状态监测的设备基本依赖于进口，手段也基本参照美国电子电气工程师协会绝缘导体委员会推荐的《运行老化的69 kV和115 kV XLPE 电缆》一文及NB／T 20421—2017《核电厂安全重要电缆状态监测方法》［1］、NB／T 20087—2012《核电厂安全重要仪表和控制电缆老化管理指南》［2］、GB／Z 28820.3—2012《聚合物长期辐射老化第三部分：低压电缆材料在役监测程序》［3］、GB／T 11026—2012《电气绝缘材料》［4］等相关的标准和以国际原子能机构（IAEA）为代表的机构制定的关于核电站电缆系统的老化评估与管理技术文件。 对于不同领域的电缆，监测手段基本相同。电缆状态监测技术发展受限也会制约电缆寿命评估技术及老化管理技术的发展，故监测技术的更新迭代和可靠性验证为重中之重。

电缆故障的主要原因是绝缘性能下降导致电缆被击穿［5-7］，造成绝缘性能降低或丧失的原因较多［8］，根据实际运行经验归纳，主要包括机械损伤、绝缘受潮、化学腐蚀、超常热源或辐射，及长期超负荷运行等情况。 一般而言，电缆故障频发于某些人为因素，大多数情况下可以减少甚至避免，但是电缆长期运行导致本体特别是绝缘的正常老化是不可避免的，所以科学地监测电缆老化状态，并及时更换或维修即将失效的老化电缆也是预判并防止故障发生的关键。

本文对目前已经实现具体应用的电缆状态监测技术进行介绍。

1 电缆状态监测技术

状态监测指为评估电缆的运行状态及可靠性而进行的工作，通常使用一个或者多个参数来评估电缆状态，称为状态指标，用来表征电缆绝缘材料老化或者劣化的程度［9］。 实施有效的状态监测能够识别出电缆在长期运行的过程中没有明显宏观表现出的老化现象，可以为初步的故障排除提供依据与参照，为寿命评估与风险控制打下基础。 目前，电缆状态监测技术的种类非常多，大部分的监测方法在NB／T 20421—2017《核电厂安全重要电缆状态监测方法》、NB／T 20087—2012《核电厂安全重要仪表和控制电缆老化管理指南》与GB／T 11026—2012《电气绝缘材料》中均有详细介绍，按取样方式分为有损、微损和无损的模式；按监测手段分为在线与离线的模式。

1.1 有损状态监测方法

1.1.1 拉伸测试

电缆材料在长期运行过程中会因老化引起材料延展特性逐步丧失，故可通过测量材料的断裂伸长率来评估电缆老化的状态。 断裂伸长率定义为试样拉伸至断裂时，标记距离的增量与标记距离的百分比，它是测量材料的柔韧性与完整机械性能损失的指标，具体测试方法可参照ASTM D638—2014《塑料拉伸性能的标准试验方法》。 但是拉伸测试本身是一个破坏性试验，对于实施留样的电缆系统可以对其取样并通过拉伸测试测量其断裂伸长率。 拉伸测试目前仍然是行业所认可的推断在役电缆老化状态最可靠的方法。 然而对于无留样的在役电缆的老化监测而言，只能在试验室中用其他无损状态监测技术来测量，并将所得结果建立相关性。

1.1.2 击穿强度测试

击穿强度通常用来表征电缆绝缘材料的电性能，具体测试方法可参照GB／T 1408—2016 《绝缘材料电气强度试验方法》或GB／T 1695—2005《硫化橡胶工频击穿电压强度和耐电压的测定方法》。通常来说，绝缘材料的击穿强度会随着老化的加剧呈线性下降的趋势，当达到某一临界点时，击穿强度或呈加速下降的状态，以此判断失效临界点。 老化过程中，由于分子链被氧化和降解，晶区结构被破坏，从而大大降低其本征击穿强度。 此外，材料本身的缺陷（如气泡、气隙、分散不均等问题）也会造成击穿。 威布尔统计分布是研究电缆击穿强度的一个重要的手段，通过威布尔分布分析，可以研究绝缘材料击穿强度分布与绝缘老化、材料本身缺陷等相关性，以便为在役电缆的更换和维修周期提供借鉴。但是对于一些低压电缆或部分动力电缆来说并不适用，其本身对材料击穿性能要求不高，故不能通过击穿性能的变化来判断其运行状态。

1.2 微损状态监测方法

1.2.1 密度测试

当聚合物绝缘材料在空气中老化时，氧化反应在老化过程中起主导作用。 氧化反应包含主链断裂和过交联的混合过程，通常初步老化伴随着过交联而导致密度的增加，随着老化的进一步进行，过交联伴随着主链链断的发生而导致密度缓慢增加，直至达到一个平衡状态，密度达到相对峰值，最后链断加速发生而导致密度快速下降。 所以通过对电缆绝缘材料密度的监测可以大致判断电缆的老化状态。 目前直接测量密度的方法一般有阿基米德法和密度梯度法；间接测量密度的方法有声速法。 声波在聚合物的传播速率与材料的密度和弹性模量有关，但是在电缆中，声音的传播速率也与电缆结构密切相关，因此，声速法存在一定的局限性，因为对于复杂的电缆结构声速法并不适用，可靠性低。 目前，电缆行业通常应用的具体测试方法参照GB／T 2951—2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》。

1.2.2 氧化诱导测试

为了延缓电缆热氧老化的进程，保证电缆的设计使用寿命，电缆绝缘材料在生产过程中加入抗氧剂用来延缓绝缘材料氧化周期。 但是在实际运行过程中，随着时间的推移，绝缘材料中的抗氧剂会迁移到表面或者慢慢降解至消失。 抗氧剂的减少会加速绝缘材料的热老化，导致电缆未能达到设计使用寿命。 通常氧化诱导测试分为氧化诱导时间测量和氧化诱导温度测量，用差示扫描量热仪来测定，具体可参照ISO 11357.6—2018《塑料 差示扫描量热法第六部分：氧化诱导时间和氧化诱导温度的测定》或GB／T 2951—2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》中的方法。 其测试原理是将试样在惰性气氛中等速升温至预定的温度后，将惰性气氛转换为氧气直至发生氧化反应。 从切换气氛至发生氧化反应所需要的时间，即为氧化诱导时间。 氧化诱导温度则是判定绝缘材料在等速升温的氧气氛围下直至发生氧化反应时对应的温度，其原理是与氧化诱导时间是一致的，只是经过了时温等效的换算。通常来说，氧化诱导时间越长或氧化诱导温度越高说明绝缘材料热稳定性能越优良，电缆运行可靠性越强。 相对于最常见的拉伸强度测试来说，氧化诱导期测试所需要的试样量非常少，近乎等同于无损测试，因此可直接从在役电缆上取样而不至于影响其正常运行性能。 陈昕［6］对单一热老化条件下的交联聚乙烯（XLPE）绝缘试样进行氧化诱导试验，结果表明：XLPE 氧化诱导时间随着老化程度的增加而明显缩短，在热老化环境中，XLPE 会发生降解并生成大量自由基，而作为催化剂的自由基会进一步引发链式反应，使得分子链交联程度不断降低，从而降低了绝缘材料的抗氧化能力和热稳定性，缩短了氧化诱导期。 但氧化诱导期测试缺点和局限性也非常明显，首先氧化诱导期测试可能会受到材料热历史的影响从而干扰测试曲线；其次不含抗氧剂的材料不存在氧化诱导现象，所以它只能针对含有抗氧剂的绝缘材料，因此，其通用性受到了限制，需要与其他监测手段协同使用。

1.2.3 起始降解温度测试

电缆绝缘材料的老化不可避免，其材料的起始降解温度会随着老化的加剧而降低。 采用热重分析法（TG）测试绝缘材料的起始降解温度，按GB／T 14837.1—2014《橡胶和橡胶制品 热重分析法测定硫化胶和未硫化胶的成分第一部分：丁二烯橡胶、乙烯-丙烯二元和三元共聚物、异丁烯-异戊二烯橡胶、异戊二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶》来进行，在恒定升温速率的空气或氧气条件下，对比不同老化阶段的绝缘材料起始降解温度来监测其老化状态。 TG可以突破热分析法（DSC）中对是否含有抗氧剂的局限，此外也无热历史对曲线干扰的影响。 但TG也有其本身的缺陷，无法适用于含有大量增塑剂的绝缘材料，如聚氯乙烯（PVC）材料。 因为增塑剂的挥发通常先于聚合物的降解，增塑剂挥发的温度区间与聚合物的起始降解温度区间重叠而无法区分。虽然目前针对此类状况可以用减小升温速率来降低影响，但是低升温速率会造成测试的重复性减弱，不确定性增加。 因此，TG 在实际使用中可以和DSC形成互补参照。

1.2.4 热降解活化能测试

电缆高分子材料的热降解通常是外部或导体热源和有氧环境共同作用的结果。 热源能量激发高分子材料越过其自身的化学键能垒，以实现后续有氧反应。 而热降解活化能是高分子材料吸收热能后越过化学键能垒，实现热降解的难易程度的表征［10］。一般来说，电缆材料的热降解活化能随着老化的进程而逐渐减小，因为老化过程会伴随着抗氧剂的挥发及材料本身抗氧能力的衰弱，从而表现为材料在吸收外在热源后更易越过化学键能垒而降解。 目前，热降解活化能的测试一般参照ISO 11358-2—2014《塑料 高聚物的热重分析法（TG） 第2 部分：活化能测定》来进行，使用热失重测试不同升温速率下在同一失重率时的绝对温度，再基于Arrhenius公式得出表征材料性能老化程度与温度、活化能之间的关系为

式中，K 为反应速率常数，s-1；R 为摩尔气体常数，J·mol-1·K-1；Ea为活化能，kJ·mol-1；T 为热力学温度，K。 建立材料的不同老化程度与降解活化能之间的关系，可监测电缆老化状态。 此方法同样使用TG 测试，故与起始降解温度测试法有同样的局限性，对含有大量增塑剂的绝缘材料无法适用，比如PVC 材料。

1.2.5 凝胶含量测试

高分子绝缘材料在制备过程中的交联，显著提高了材料的力学性能、耐腐蚀性能和电性能，对材料的耐热性也有明显提高。 以XLPE 为例，交联过程使得XLPE 的长期使用的耐热温度由70 ℃升至90 ℃。 通过研究绝缘材料在热老化过程中，交联度和交联点之间链段相对分子质量的变化，可以得到交联度和热老化的相关性。 通常使用平衡溶胀法测凝胶含量，从而表征交联度。 具体测试方法参照ASTM D2765—2011《交联乙烯塑料凝胶含量和膨胀率测定的标准试验方法》。

通过大量研究发现，XLPE 的热老化分为3 个阶段：①在XLPE 老化前期温度升高破坏了交联网络，生成了较多的分子链段，交联点之间链段相对分子质量增加，凝胶含量降低；②由于热氧老化持续作用，XLPE 同时发生裂解和交联两种反应，且形成竞争机制，裂解作用产生短分子链段和大量自由基，自由基通过链转移反应可形成新的交联点，交联点之间链段相对分子质量有所降低，凝胶含量略微增加；③随着热效应大量累积，XLPE 交联结构破坏严重，完全老化，交联点之间链段相对分子质量进一步降低，凝胶含量持续增加。

1.3 无损状态监测方法

1.3.1 压痕模量测试

长期运行的电缆随着时间的推移会丧失延展性，其材料随着老化效应的积累而变硬也是长期在役电缆的宏观表现之一。 压痕模量是探头对材料施加压缩应力与材料自身产生的应变之比，反映了电缆绝缘材料或护套材料硬度的一种机械特性，因此可以用该指标来监测电缆材料，特别是护套材料的老化状态。 对于低压电缆和部分动力电缆来说，其本身欧姆发热量少，电缆承受的老化主要来自外部环境，护套老化会先于绝缘老化，因此压痕模量测试技术能有效监测这类电缆的老化状态。 具体测试方法参照NB／T 20421.2—2017《核电厂安全重要电缆状态监测方法 第二部分：压痕模量》。 刘韬等［11］开发了基于压痕模量且适用于核电厂低压电缆老化状态评估的监测系统，该系统采用AM3517 作为主控芯片进行系统控制和数据处理，利用伺服电机和传感器作为运动及控制手段，配合线性拟合计算法得到被测电缆护套的压痕模量。 经验证明，压痕模量测试是一种可对在役电缆进行的无损监测技术，但不适用于经辐照老化的PVC 护套材料的电缆。

1.3.2 红外光谱法

聚合物在老化的过程中，其特征官能团羰基、羟基和羧基等均会发生变化，所以红外光谱法测试也常用于老化状态监测中对于材料官能团变化的监测，具体测试方法参照GB／T 6040—2019《红外光谱分析方法通则》。 经验表明，电缆绝缘材料XLPE在热老化过程中会产生羰基， 羰基指数（将1740 cm-1附近的羰基吸光度与不随电缆老化而变化的2010 cm-1处的吸光度的比值）的增量是表征电缆绝缘老化程度的指标。 虽然红外光谱法为无损检测且操作简便，但是局限性也较大，比如不适用有炭黑填充的材料，及老化后其羰基指数变化不敏感的材料。 因此，采用红外光谱法对电缆绝缘老化监测的意义定性多于定量。

1.3.3 绝缘电阻测量

绝缘电阻表征绝缘材料的一种电绝缘特性，反映在一定直流电压下稳定传导电流的大小。 在恒定直流电压下，电流强度与绝缘电阻呈反向相关性。绝缘电阻是监测电缆绝缘特性的一个重要指标，可以清晰地了解电缆的运行状态，发现故障并及时处理隐患。 主流测量绝缘电阻的方法有两种：高阻计法和兆欧表法。 具体测试方法可参照GB／T 3048—2007《电线电缆电性能试验方法》。 通常情况下，考虑便捷与成本，现场普遍采用兆欧表进行测试，此法一般作为一种前期监测手段，是对局部电缆绝缘性能的检测，可以用于定性的判别，较难与缓慢的老化过程建立直接的相关性。

1.3.4 工频介电常数与介电损耗

工频介电常数与介电损耗为工业用参数。 一般常见的高分子绝缘材料的介电常数在2 ～4 之间，随着老化过程的持续会生成比较多的极性基团，材料的介电常数会逐渐增加。 介电损耗则是表征在稳定频率的外部交流电场作用下，引起的一种滞后的介电性能［12］，这种滞后的现象通常被称为介电松弛，用损耗角正切tan δ 表示。 具体测试方法参照GB／T 1409—2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介电损耗因数的推荐方法》。 介电损耗随着老化时间的增加逐渐增大，因此可以研究高分子绝缘材料的介电常数与阶段损耗是否与老化过程存在线性相关性，以此作为针对不同材料老化程度的判别指标。 但此方法也有局限性，并不适用于高介电常数的半导电材料和某些电缆附件使用的应力管的老化监测。

1.3.5 介电频谱测试

介电响应技术始于20 世纪90 年代，作为一种无损的绝缘状态诊断方法，其主要特点是可获取的信息量大且抗干扰能力强［13］。 利用该技术可以对电缆绝缘性能进行在线检测，并获取绝缘老化程度及绝缘中含水量等重要信息，因此，介电响应技术作为诊断电缆绝缘性能的工具是非常适合的。 介电频谱法是一种在频域内且基于介电响应技术的检测方法［14］。 介电频谱法利用电介质在交流电压作用下会极化的特性，通过对待测电缆系统施加正弦交流电压，测量电流与电压的相位差，获取介质损耗角正切和相对介电常数等与频率有关的极化参数，并观测其数值的变化情况，同时温度也会对绝缘材料的介电性能产生较大影响，因此介电频谱被用来分析绝缘材料介电性能与频率、老化时间和老化温度之间的关系，借此判断电缆的老化状态。 周长亮［15］进行了基于介电频谱特性的低压电缆橡胶绝缘老化程度评估方法的研究，并在加速老化试验的基础上，对介电频谱低频区间进行积分，得到老化状态方程的特征值。 确定基准温度后，推导出不同老化温度下的时间折算因数，通过拟合与折算的方法得出绝缘材料老化方程。 理论分析结合实际测量，其结果表明所测量的介电频谱低频区间积分值准确度高、检测效果好，验证了采用介电频谱法分析电缆绝缘材料老化状态的可行性。

1.3.6 核磁共振法

电缆绝缘材料XLPE 在持续热效应的作用下会发生老化降解，使得相对分子量降低、C—H 键减少并伴随着氢原子化学环境的改变。 核磁共振技术就是通过氢原子核磁共振的特性，研究XLPE 中含氢量及氢原子状态变化，从而研究XLPE 的热老化行为。 杨帆等［16］基于微损的核磁共振法方法申请了《一种基于核磁共振的交联聚乙烯电缆老化程度评估方法》的发明专利，专利号为CN102998323A，文献［17］在此专利基础上，从材料学的角度出发，采用核磁共振法分析了XLPE 的热老化行为，发现了能表征XLPE 老化规律的特征量-纵向弛豫时间和波峰面积［17］。 试验结果表明，波峰面积随着老化程度的增加而减小，在恒定的老化温度下，波峰面积与老化时间呈线性关系，此外纵向弛豫时间也随着老化程度增加而下降。 研究表明核磁共振法为监测电缆老化状态提供了科学依据。

1.3.7 X 射线衍射法

X 射线衍射法是目前尝试的有区别于传统监测的一种方法。 电缆绝缘材料XLPE 在老化过程中，除了宏观表象发生改变外，微观结构也发生了变化。分子链断裂、自由基再交联、分子链间内应力释放等一系列复杂的过程，会引起相对分子质量、结晶度和晶粒尺寸的变化。 研究表明：随着XLPE 老化进程的推移，电缆绝缘材料XLPE 的相对分子质量微减，但仍旧保持在同一个数量级，可见相对分子质量对不同老化程度并不敏感。 但随着老化的进行，材料晶粒尺寸会变小，老化树枝的生长率会变慢，因此可以通过X 射线衍射法测得各晶面的衍射峰。 以XLPE 为例，XLPE 在老化过程中，其相对分子质量、结晶度和晶粒尺寸均不能和老化过程呈相关关系，张圣博等［18］研究发现XLPE（200）晶面衍射峰强度随着老化状态的不同发生明显的变化，可以此来评估绝缘材料的老化状态［19］。

2 结束语

电缆状态监测技术非常繁多且各有优劣，其中对电缆材料断裂伸长率的监测仍然是目前行业公认最可靠的方法。 随着行业的发展和手段的开发，在传统监测方法的基础上，新型手段也日趋广泛应用，如X 射线衍射法、核磁共振法等。 目前行业主流更加倾向于无损在线监测技术与实验室取样分析技术相结合的综合技术，可以达到互补的目的。 在线监测主要目的是为了排除故障并对老化严重的电缆进行及时的维修更换，而实验室取样分析主要是为了检测并收集电缆绝缘老化过程中相关性能特征值的大数据，为后期建立寿命评估模型提供数据支持。 但是目前因大数据的缺失与试验方法无法达成共识，造成电缆状态监测还没有形成一个公认的、通用的方法标准，所以未来还有3 个难题需要进一步探讨：

（1）针对不同的电缆绝缘老化影响因素，选择与绝缘电缆料、电缆结构，及运行工况等相匹配的监测手段。

（2）老化树枝结构发生时，绝缘电阻、介质损耗、局部放电等电性能参数和氧化诱导温度（时间）、起始降解温度等热性能参数的变化对老化树枝结构引发与生长的影响。

（3）其他监测手段与断裂伸长率测试的相关性、换算可行性和可靠性。