矿用三元乙丙橡胶高压电缆绝缘老化机理及状态评估技术研究进展

研究背景

矿用高压电缆作为煤矿供电系统的核心组成部分，承担着将电力从地面输送到井下各个作业点的重要任务。在煤矿的特殊工况下，如潮湿、机械应力、化学腐蚀等，电缆绝缘材料面临着严峻的考验。三元乙丙橡胶（EPDM）作为一种常用的电缆绝缘材料，因其优异的电气绝缘性能和良好的化学稳定性，在矿用高压电缆中得到了广泛应用。

绝缘老化是影响电缆使用寿命和运行安全的主要因素。矿用高压电缆的EPDM绝缘在长时间运行过程中，会受到电、热、机械应力等多种老化因素的影响，导致绝缘性能逐渐下降。绝缘老化不仅会增加电缆故障的风险，还可能引发电力传输中断，对煤矿生产安全构成严重威胁。因此，深入研究矿用三元乙丙橡胶高压电缆的绝缘老化机理，对于提高电缆的运行可靠性和延长使用寿命具有重要意义。

绝缘老化机理的研究有助于开发有效的状态监测和评估技术，实现对电缆绝缘状态的实时监控和预警，从而为煤矿高压电缆的维护和更换提供科学依据。

研究内容

1） 多因子作用下EPDM老化机理

电、热、机械应力作用下EPDM老化机理如下图所示。

电热老化是矿用三元乙丙橡胶（EPDM）高压电缆绝缘老化的主要机理之一。在煤矿特殊工况下，电缆绝缘材料长期受到电场和热应力的共同作用，导致材料性能逐渐劣化。电热老化主要表现在以下几个方面：

• 热氧老化：在高温条件下，EPDM材料会发生热氧反应，产生羰基化合物，导致材料变硬、变脆，电导率增加，击穿强度降低。
• 电导特性变化：随着老化的进行，EPDM的电导率会逐渐增加，这与材料内部结构的变化有关，如分子链断裂和极性基团的增加。
• 物理性能退化：老化过程中，EPDM的断裂伸长率降低，硬度增加，这些物理性能的变化直接影响电缆的机械强度和柔韧性。

实验数据表明，在电热联合作用下，EPDM的老化速率显著加快。通过电热老化试验，发现绝缘材料表面颜色逐渐由白色变为棕色，绝缘层中出现粉末物质和孔洞，这些都是电热老化的直观表现。

机械应力老化是指电缆在煤矿井下移动或固定使用过程中，由于机械力的作用导致绝缘材料性能下降。机械应力老化主要包括以下几个方面：

• 分子链断裂：机械应力会导致EPDM分子链断裂，形成自由基，进而引发链反应，导致材料性能下降。
• 微孔和裂纹形成：长期的机械应力作用会在EPDM材料中形成微孔和裂纹，这些缺陷会加速水分子和氧气的渗透，进一步促进老化过程。
• 力学性能变化：机械应力作用下，EPDM的抗张强度和断裂伸长率会发生变化，影响电缆的机械稳定性和使用寿命。

研究表明，机械应力与电热老化因素相互作用，会加剧EPDM材料的老化程度。通过模拟煤矿井下的实际工况，对电缆进行机械应力老化试验，可以观察到材料性能的明显退化，为电缆的使用寿命预测和状态评估提供了重要依据。

2） 矿用高压电缆绝缘在线监测方法

绝缘电阻监测：通过在电缆绝缘层上施加直流电压，测量其绝缘电阻值，以评估电缆的绝缘性能。这种方法简单易行，但受到环境温度、湿度等因素的影响较大。

局部放电监测：局部放电是指电缆绝缘层中存在的局部缺陷导致的放电现象。通过检测局部放电信号，可以判断电缆绝缘层的状态。这种方法对电缆绝缘层的损伤较小，但需要专门的检测设备和技术。

介质损耗因数监测：介质损耗因数是反映电缆绝缘层损耗程度的指标。通过测量电缆绝缘层的电容和介质损耗因数，可以评估电缆的绝缘性能。这种方法对电缆绝缘层的损伤较小，但受到环境温度、湿度等因素的影响较大。

温度监测：通过监测电缆的温度，可以间接评估电缆的绝缘性能。当电缆温度过高时，可能导致绝缘层老化、损坏等问题。这种方法简单易行，但受到环境温度的影响较大。

基于智能算法的状态评估：利用机器学习、深度学习等智能算法，对电缆绝缘层的监测数据进行分析，实现电缆绝缘状态的在线评估。这种方法具有较高的准确性和实时性，但需要大量的监测数据和计算资源。

我国电气设备绝缘在线监测技术虽发展迅速，但与煤矿以外的领域相比，矿用电气设备绝缘在线监测技术仍相对落后。这不仅是因为煤矿电气设备运行电压低、绝缘裕度高而不被重视，而且矿井环境恶劣，运行工况特殊，有防爆要求，监测难度大，限制了各种监测技术的应用。目前矿用电气设备绝缘仍以人工目视、定期测量绝缘电阻或漏电流、在线监测温度为主，无法满足煤矿装备数智化转型升级的技术要求。

3）矿用高压电缆绝缘状态评估

随着在线监测、故障诊断和寿命评估等技术在矿用电气设备运维中逐渐应用，针对矿用高压电缆绝缘状态的分析方法正在从定期巡检向状态维修和预测性维护转变。矿用高压电缆绝缘状态评估方法多基于局部放电测量数据或相角解析图，并辅以卷积神经网络、粒子群算法、可拓理论、模糊神经网络、稀疏分解、深度森林等智能算法，实现了对电树枝、气隙、划痕、电痕、外力挤压等故障的评估。

除单一的基于局部放电的绝缘状态评估以外，其他方法则是将多个参量进行融合，然后综合评价绝缘的状态。如基于雷达图法的矿用高压电缆安全预警方法，将局部放电量、接地电流、介质损耗、绝缘电阻、负荷水平、空气湿度等作为雷达图指标集，并引入反映优劣程度的参考样本和多源信息互补的均衡度因子，给出4级预警等级。此外，基于介电响应法和绝缘理化性能，给出了基于断裂伸长率、羰基指数、老化因子、界面极化弛豫强度、介质损耗积分饱和值等参量的矿用高压电缆用EPDM老化寿命评价方程，为进一步研究矿用高压电缆绝缘状态评估方法奠定了基础。