热老化进程中配电电缆试验分析

摘" 要：在实验室条件下，通过加速热老化试验完成老化电缆试样的制备，并在不同老化阶段分别开展介电性质以及接地电流测试，分析研究各测试量随热老化加深的变化规律。结果表明，电缆电容及介质损耗在热老化进程中呈加快趋势增长；热老化使电缆接地电流幅值增大，同时引起以3、9和13次谐波为主的谐波畸变。

关键词：配电电缆；热老化；介电特性；接地电流；谐波

中图分类号：TM247" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）06-0069-04

Abstract： Under laboratory conditions， the preparation of aged cable samples was completed through accelerated thermal aging tests， and the dielectric properties and ground current tests were carried out at different aging stages， and the change laws of each test quantity with the deepening of thermal aging were analyzed and studied. The results show that the cable capacitance and dielectric loss increase rapidly during the thermal aging process; thermal aging increases the amplitude of the cable ground current and causes harmonic distortion mainly of the 3rd， 9th and 13th harmonics.

Keywords： distribution cable; thermal aging; dielectric characteristics; ground current; harmonics

热老化是配电电缆劣化的常见形式，也是导致电缆绝缘性能退化、使用寿命缩短的主要因素之一[1-2]。深入剖析绝缘热老化机理，尽早掌握电缆热老化状态有利于电缆线路的安全与稳定运行。胡丽斌等[3]进行了红外光谱、频域介电响应及氧化诱导时间测试，对比研究了老化前后绝缘材料的理化及电气特性；Kemari等[4]使用离散小波变换和标准差多分辨率分析来确定热老化后的XLPE和PVC/B两种电缆材料的降解水平。本文对热老化进程中的配电电缆进行试验分析，从而总结电缆热老化的介电特性和接地电流特征。

1" 试验试样与试验方法

1.1" 试样制备

选择型号为YJLV 8.7/15 kV-1×70 mm2的配电电缆作为试验对象。考虑到热老化箱尺寸的限制，试样长度截取为400 mm。试验试样如图1所示。剥除电缆外护套及铜屏蔽层以保证试样绝缘层受热均匀。为避免放电现象发生、保障足够绝缘间距，样品两端各去除绝缘屏蔽层60 mm。试样中间段缠绕铜箔作为测试电极。XLPE电缆的最高允许运行温度为90 ℃，因此选择90 ℃作为试样加速热老化试验温度。分别在老化3、6、12、24、36和48 d时取出进行后续测试。

1.2" 介电特性测试

电容量与介质损耗因数是评价电介质的2个重要参数。电容量代表介质容纳电荷的能力，介质损耗因数则反映电介质的能量损耗特性。采用HY1110型自动抗干扰精密介质损耗测量仪测量电缆试样的电容及介质损耗，如图2所示。仪器高压端经高压屏蔽线与电缆线芯连接，样品输入端通过芯线与试样铜箔测量极相连。保证测量仪可靠接地，测试电压为3 kV。测试结果通过仪器显示屏显示。

1.3" 接地电流测试

图3为接地电流测试原理图。220 V交流电通过调压器和试验变压器升压产生0～50 kV高压。施加在电缆试样上的电压有效值为8.7 kV，电压波形通过示波器显示。保护电阻为1 MΩ，防止测试过程中可能造成的过电流影响。从保护电阻引出的高压端子与电缆试样铝线芯相连，电缆试样测试极与采样电阻相连。采样电阻阻值为10 kΩ，放置于电磁屏蔽盒内，以减少干扰，采样电阻实现电流信号到电压信号的转换，阻抗转换电路用于采集卡的阻抗匹配，采集卡采样频率设置为20 kHz。

2" 试验结果及分析

2.1" 电容及介质损耗

采用电容变化率ΔC（%）和介质损耗变化率Δtan？啄（%）描述电容和介质损耗的变化，如式（1）和式（2）所示。

式中：Ｃ０、tan０分别表示电缆试样在制作缺陷前的电容和介质损耗值；C和tan？啄分别表示缺陷制作完成后电缆试样的电容与介质损耗值。

进一步分析微观机理，热老化过程中，XLPE分子在热作用下与氧气发生热氧化反应，导致网状结构的XLPE分子链断裂并生成含有酮基、酯基、醛基和羧酸等极性基团的分子链[5-6]，导致XLPE在工频下的介电常数和电容增大。在工频电场作用下，分子链发生转向，产生极化，同时由于受到很大的阻碍摩擦力，产生较大的偶极子转向损耗，所以介质损耗在老化后会增大。

2.2" 接地电流

2.2.1" 幅值分析

未老化时，接地电流接近正弦波，呈现周期性变化，峰值约为690 μA。结合电缆试样电容和介质损耗变化情况，图5选取12、24和48 d老化时长下热老化电缆试样的接地电流。热老化引起电缆接地电流波形发生了畸变，但整体上仍呈现周期性；热老化试样接地电流幅值增大，如在90 ℃下老化12 d的电缆试样接地电流峰值为745.63 μA，相比于无缺陷电缆试样增大了8.40%；在同一老化温度下，热老化时间越长，接地电流幅值越大，90 ℃下老化12、24和48 d的电缆试样接地电流峰值分别为745.63、769.39和827.86 μA。

进一步分析微观机理，在高温作用下XLPE的大分子链断裂，网状结构遭到破坏，绝缘性能下降，导致接地电流幅值增大。同时，热老化使得电缆试样电容产生了非线性变化，在工频电压作用下，接地电流波形发生了畸变。

2.2.2" 谐波分析

采用变分模态分解（Variational Mode decomposition，VMD）将接地电流分解为一系列IMF分量[7-8]。VMD时域及频谱分解结果如图6所示，以热老化48 d为例。从时域图可以发现电缆试样接地电流经VMD后都得到了9个正弦波IMF分量，IMF1—IMF9从高频到低频依次排列；频谱图进一步表明了这些分量是工频基波和奇次谐波，奇次谐波频率为150、250、350、450、550、650、750和950 Hz。

分解后得到基波分量及各次谐波分量的幅值见表1。工频基波分量幅值随着老化天数的增加而增大，谐波分量中3次谐波也呈现出相同的变化规律，但是其他次谐波幅值未出现明显变化规律。

通过谐波电流含有率以及谐波电流畸变率2项指标分析热老化进程中的接地电流谐波特征。谐波电流含有率（Harmonic Ratio of Current，HRI）定义为周期性交流电流中含有的第h次谐波电流分量有效值与基波电流分量有效值之比，通常以百分数表示，反映各阶谐波的含量，如式（3）所示。

式中：Ih为h阶谐波电流有效值；I1为基波电流有效值。

图7展示了热老化不同时长电缆试样接地电流的谐波电流含有率。谐波含量和老化程度之间并非简单的正相关或者负相关关系，随着老化天数的增加，5次谐波在90 ℃老化温度下含量增大。热老化电缆试样接地电流中含量相对较高为3、9和13次谐波。

谐波电流总畸变率（Total Harmonic Current Distortion，THDi）描述电流波形的畸变程度，定义为总谐波电流有效值IH与基波电流有效值I1之比，常以百分数表示，如式（4）所示。

热老化引起的电流波形畸变较为严重，接地电流谐波电流总畸变率随着老化程度加剧而逐渐增大，90 ℃下试样老化12、24及48 d的接地电流畸变率分别为28.87%、30.64%和31.05%。随着老化的加深，谐波畸变程度逐渐增大。

3" 结论

本文针对热老化进程中的配电电缆进行了试验研究，测试了热老化不同阶段电缆的电容、介质损耗以及接地电流。研究发现，热老化导致电缆电容及介质损耗变大，并且随着老化的进程，电容和介质损耗的增大趋势越发明显；此外，热老化使得电缆接地电流幅值增大并引起谐波畸变，以3、9和13次谐波为主，畸变程度随着老化的加深而增大。研究内容有利于进一步评估配电电缆状态、保障电缆安全稳定运行。

参考文献：

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[2] 周韫捷，李红雷，王琦梦，等．加速热老化对XLPE电缆绝缘力学性能和介电性能的影响研究[J]．华东电力，2014，42（8）：1606-1610．

[3] 胡丽斌，陈杰，李陈莹，等.XLPE电缆绝缘加速热老化特性[J].绝缘材料，2020，53（2）：59-63.

[4] KEMARI Y， MEKHALDI A，TEGUAR M. Experimental investigation and signal processing techniques for degradation assessment of XLPE and PVC/B materials under thermal aging[J]. IEEE Transactions on Dielectrics Electrical Insulation. 2017，24（4）：2559-2569.

[5] KEMARI Y， MEKHALDI A， TEYSS？魬DRE G， et al. Correlations between structural changes and dielectric behavior of thermally aged XLPE[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2019，26（6）：1859-1866．

[6] 李亚丰．热老化对纳米SiO2改性高压直流电缆XLPE绝缘材料性能的影响[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2018．

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[8] DRAGOMIRETSKIY K， ZOSSO D. Variational mode decomposition[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2013，62（3）：531-544．

第一作者简介：辛忠良（1970-），男，硕士，正高级工程师。研究方向为电气工程及其自动化。