矿用高压电缆绝缘故障机理及其寿命评估方法研究

Electric spark caused by faults of mining cables is one of the main reasons to result in extremely large gas explosion accident in coal mine. Moreover, cable degradation is a direct reason for inducing cable faults. In coal mine, the most fundamental factor causing cable degradation is special environmental condition. Therefore, it is of significant social meaning to explore fault mechanism of mining cables and to study cables' residual life estimation methods for preventing coal mine from happening gas explosion accident. Because of particularity of environmental condition in coal mine, there is little study on fault mechanism and residual life estimation methods used in mining cables. Based on an online insulation monitoring system applied in high-voltage mining cables and developed by the applicant, the project aims at building a multi-stress aging test system to simulate the special environmental condition of coal mine, confirming stress factors and aging strategies, and focusing on researching degradation and fault mechanism of high-voltage EPR mining cables under the interaction of electrical stress, thermal stress, mechanical stress and environmental stress. It also searches relationship between cables' physical and chemical change and fault characteristic, presents both characteristic parameters to characterize insulation degradation and methods to estimate residual lifetime of cables, and structures relevant indicator system of residual life estimation. The project will enrich dielectric theory of mining cable and provide the theory basis for online monitoring and fault diagnosis of mining cable insulation.

矿用电缆故障产生的电火花是引起煤矿重特大瓦斯爆炸事故发生的主要原因之一，而电缆老化又是导致电缆故障的直接诱因。引起电缆老化的原因很多，其中矿井特殊环境条件是造成电缆老化的关键因素。因此，探索矿用电缆的故障机理，研究其剩余寿命的评估方法，对防止矿井瓦斯爆炸事故的发生具有重要社会意义。因为矿井环境的特殊性，矿用电缆故障机理及剩余寿命评估方法的研究在国内外一直少有人问津。本项目是在前期开发的矿用高压电缆绝缘在线监测系统基础上，建立能够模拟矿井环境条件的多应力因子老化实验系统，确定应力因子和老化策略，重点研究移动式矿用高压乙丙橡胶绝缘橡套软电缆在电、热、机械和环境等应力联合作用下的老化和故障机理，探索其物理化学变化和故障特征之间的相关性，提出表征绝缘老化的特征量和评估电缆剩余寿命的方法，建立相应的评价指标体系。该项研究可以丰富矿用高压电缆电介质理论，为矿用电缆绝缘的在线监测和故障诊断提供理论基础。

随着矿用高压电缆的大范围使用，因为煤矿井下淋水、潮湿、冒顶等特殊环境的影响，由电缆引起的电气故障也呈逐年增长的趋势，而且成为井下电气故障，甚至电气灾害的主要原因之一。项目以矿用EPR电缆为研究对象，重点研究其在电、热、机械和环境等多应力因子作用下绝缘的老化和故障机理、电气特征、物理特征、化学特征及其相互之间的关联性，研究绝缘故障特征量的提取和处理方法，分析不同煤矿环境条件对矿用乙丙橡胶电缆绝缘特性发展和变化的影响规律。乙丙橡胶介电模量频谱中可以观察到明显的介电弛豫现象，该极化满足DEBYE方程。乙丙橡胶的介电强度与温度相关，下降速率约为33 (V/mm)/°C。对比分析了不同加速热老化试验后乙丙橡胶的介电强度和介电频谱，发现140 °C以下的热老化不会对乙丙橡胶的介电性能产生明显影响。气隙缺陷引起的乙丙橡胶内容局部放电分布、放电量、放电统计特征与气隙尺寸、位置、环境温度以及外施电场强度密切相关。对不同电场情况下的沿面放电过程进行研究，有助于深入认识电场分布情况对起始放电、放电发展过程和电痕形成的影响；IEC电痕试验可以实现乙丙橡胶的耐电痕性能评估；所选故障特征量与模糊神经网络故障诊断相结合的方法，可以对乙丙橡胶绝缘的表面电痕腐蚀与绝缘脏污进行准确的识别分类。从多因子老化后电缆的介电频谱和极化去极化电流中提取了表征老化程度的特征参量，包括低频介电常数实部和介质损耗因数、H-N模型参量、老化指数A、去极化电量。此外，发现三因子联合老化试验对介电频谱和极化去极化电流的影响与双因子老化试验基本一致，不同主要体现在电热双因子老化试验的热老化温度高，前期老化速率大于三因子联合老化，后期由于绝缘层生成的硬壳阻止了氧气的扩散，抑制了热氧老化，使得后期双因子联合老化的速率低于三因子联合老化的速率。所做研究对对理解各种条件下乙丙橡胶的性质，合理利用和改进其电气性能，评估乙丙橡胶电缆寿命提供了理论和实验支持。