计志恒 范洵 陈璐 孙一帆
国网镇江供电公司 江苏省镇江市 212000
摘要：随着经济和科技水平的提高，电缆和光缆行业是我国的基础产业，应用范围十分广泛，被称为国民经济的“动脉”与“神经”，是未来电气化、信息化社会中必要的基础产品。电缆和光缆如在运行中发生问题，将严重影响国家电网和信息网络的安全生产与发展，不仅会造成较大的经济损失，有时还会造成人身危害。因此，保证光电线缆从原材料购买、生产过程到用户使用的全链条质量稳定是非常重要的。要保持线缆产品的质量稳定，对材料质量进行全链条有效监控成为了线缆生产企业、用户和市场监管机构普遍面临的难题。要保持电缆和光缆质量稳定，最主要的是要使用稳定一致的绝缘和护套材料。绝缘和护套材料是线缆的重要组成部分，对线缆产品的质量起着至关重要的作用，这些绝缘和护套材料主要为不同种类的塑料或橡胶材料，并且绝大部分是混合料。从而鉴定目标材料是否满足最初设定的稳定性能，即目标材料与最初设定的材料是否是一致的，这就需要对材料进行一致性鉴定分析。
关键词：电力电缆；交接试验；绝缘电阻；体积电阻率
引言
直流电缆在运行过程中，由于绝缘层中温度梯度的存在和绝缘料电阻率负温度系数特性会造成绝缘层中电场分布反转，从而增加直流电缆绝缘结构设计的困难。基于100kV直流电缆结构参数并结合理论推导，采用仿真模拟分析了绝缘层温差、绝缘料电阻率温度系数和电场强度系数对直流电缆电场分布的影响。提出了基于纳米复合技术的直流电缆绝缘料电阻率温度系数调控方法。
1电缆绝缘电阻的概念
绝缘电阻是衡量一个部件或系统绝缘水平的指标，是判断绝缘状况的基本参数，与多种因素有关，包括材料(体积电阻率)、结构形状等，与温度、湿度等环境条件也有一定关系。绝缘电阻的单位是Ω。其中材料的影响主要是体积电阻率，它是绝缘材料的一个基本参数。国家标准GB/T31838.2规定了不同固体材料体积电阻率的测量方法，体积电阻率的单位是Ω·m。通常PVC绝缘材料在20℃的体积电阻率大于1011Ω·m，而交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料在20℃的体积电阻率要大于1014Ω·m。绝缘电阻与材料的体积电阻率成正比，与长度成反比。电缆材料的体积电阻率越高，绝缘电阻越大。对于材料和结构相同的电缆，长度越长，则绝缘电阻越小，理论上当长度无限长时，电缆的绝缘电阻就趋近于零。举例来说，一根电缆30m时测得绝缘电阻为1000MΩ，那么同样电缆300m时绝缘电阻只有100MΩ，长度达到3000m时，绝缘电阻就只有10MΩ。因此对于不定长度的电缆线路来说，单独绝缘电阻的测试结果受样品长度影响，通常不能直接作为考核参数。
2交接试验中的绝缘电阻规定分析
2.1电阻率电场强度系数对电场分布的影响
随着电阻率电场强度系数的增加，直流电缆绝缘层中的电场强度分布趋于均匀，内侧电场增加，而外侧电场减小，这也与理论分析结果相一致。随着电阻率电场强度系数的增加，也就是电阻率随电场强度变化更加明显，从而部分抵消了由于温度梯度造成的电阻率空间分布不均。电阻率电场强度系数的增加，使得绝缘层内侧低电场处的电阻率降低幅度较小，而绝缘层外侧高电场处的电阻率降低幅度较大，从而在一定程度上缓解了绝缘层中电阻率的空间分布不均。但需要注意的是，聚合物绝缘的电阻率电场强度系数一般都比较小，因此电阻率电场强度系数的影响远小于温度系数的影响，即电场强度系数增加所带来的抵消作用非常有限。
2.2试验方法的选择
电缆和光缆用绝缘和护套材料主要为不同种类的塑料或橡胶，因此对电缆及光缆用绝缘及护套材料的一致性判定，主要是对这些不同种类的塑料或橡胶的一致性判定。塑料和橡胶大多数是由高聚物基料添加特定性能的添加剂(如填料、颜料、稳定剂、增塑剂等)制备而成，其本身具有一些固有的特性，要判定材料是否是一致的，就要判定出这些固有特性是否是一致的。以下是塑料和橡胶的一些固有特性:(1)不同的塑料或橡胶有不同的红外指纹区图谱;(2)具有不同的玻璃化转变温度、熔融温度和分解温度;(3)填料与基料配比的改变会反映在材料的热失重变化中，并在最后残留的灰分中体现;(4)挥发性物质如水分、增塑剂和其他添加剂含量也会反映在材料的热失重变化中;(5)高聚物基料的改变或添加剂的改变一般会导致材料的密度和熔体流动速率的变化;(6)对于含卤素的材料或生产过程中引入了卤素元素的原料，卤酸气体含量可以反映出材料的卤素变化。
2.3功能模块
软件可以对原始数据进行分析和处理并生成ＰＲＰＤ谱图、ＴＦ谱图等各类谱图，进而结合特征指纹库来确定被检测设备中所存在的缺陷类型，也可以通过安装双端高频电流传感器实现缺陷位置的确定。系统数据库包括各类型缺陷放电的典型图谱，通过对局部放电信号的测量、特征提取、分类和特征指纹库比对分析等，判断所测信号是否为真实的放电信号并给出放电类型。
2.4关于电缆绝缘电阻
由于在实践中对电缆绝缘电阻在耐压试验前后是否有明显变化存在争议，因此标准GB50150的条文解释中应该增加判定明显变化的适当规定或者在数据充分情况下规定一个合适的最低要求。标准GB50150—2016对直流电机绕组的绝缘电阻值规定为不低于0.5MΩ，悬式和支柱绝缘子的绝缘电阻值规定为不低于500MΩ。实际上由于电缆实际绝缘电阻绝对数值往往很大，建议可以对电缆交接试验的绝缘电阻明显变化解释为没有超过1个数量级的改变。
2.5纳米复合的绝缘材料电阻率调控方法
纳米电介质的研究已经成为电介质和电气绝缘领域研究的重点和热点，通过在聚合物基体中引入不同类型的纳米颗粒可以有效改善基体材料的电特性、热特性和机械特性，从而开发出具有特定功能的电介质材料(如高热导率、高击穿场强、高介电常数等。研究表明，纳米颗粒的引入会改变聚合物原有的陷阱特性，从而改变其载流子输运过程，最终引起材料电阻率的变化。根据前期对添加不同种类纳米颗粒的聚丙烯纳米复合电介质电气性能的研究，纳米氧化镁颗粒能够明显提高聚丙烯的直流击穿强度和体积电阻率，并且能够抑制空间电荷积聚。因此文中在新型环保型直流电缆绝缘材料聚丙烯(PP)中通过熔融共混法加入了3wt%质量分数的经硅烷偶联剂表面处理的纳米氧化镁颗粒制备了纳米氧化镁/聚丙烯(MgO/PP)纳米复合材料，并测试了其在不同温度和电场强度下的体积电阻率以及电荷陷阱特性。深陷阱的引入能够捕获载流子，降低载流子迁移率，抑制高温下的电阻率降低，从而使得MgO/PP的电阻率随温度变化不明显，即降低了材料的电阻率温度系数。
结语
纳米复合的聚合物电阻率温度系数调控方法，并对调控结果进行了仿真验证。由于聚合物绝缘材料的负电阻率温度系数，直流电缆电场分布与绝缘层内外温差有重要关系。并给出了如下建议：(1)对电缆线路交接试验中电缆外护套以及内衬层(隔离套)的性能要求规定，建议修改为电力电缆外护套以及内衬层的绝缘电阻不应低于0.5MΩ·km；(2)对电缆线路绝缘耐压试验前后的绝缘电阻测量结果明显变化，建议再增加条文解释。
参考文献：
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