| 礦用高壓電纜作為煤礦供電系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)著將電力從地面輸送到井下各個作業(yè)點的重要任務(wù)。在煤礦的特殊工況下，如潮濕、機械應(yīng)力、化學(xué)腐蝕等，電纜絕緣材料面臨著嚴(yán)峻的考驗。三元乙丙橡膠（EPDM）作為一種常用的電纜絕緣材料，因其優(yōu)異的電氣絕緣性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在礦用高壓電纜中得到了廣泛應(yīng)用。絕緣老化是影響電纜使用壽命和運行安全的主要因素。礦用高壓電纜的EPDM絕緣在長時間運行過程中，會受到電、熱、機械應(yīng)力等多種老化因素的影響，導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降。絕緣老化不僅會增加電纜故障的風(fēng)險，還可能引發(fā)電力傳輸中斷，對煤礦生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，深入研究礦用三元乙丙橡膠高壓電纜的絕緣老化機理，對于提高電纜的運行可靠性和延長使用壽命具有重要意義。絕緣老化機理的研究有助于開發(fā)有效的狀態(tài)監(jiān)測和評估技術(shù)，實現(xiàn)對電纜絕緣狀態(tài)的實時監(jiān)控和預(yù)警，從而為煤礦高壓電纜的維護和更換提供科學(xué)依據(jù)。
電熱老化是礦用三元乙丙橡膠（EPDM）高壓電纜絕緣老化的主要機理之一。在煤礦特殊工況下，電纜絕緣材料長期受到電場和熱應(yīng)力的共同作用，導(dǎo)致材料性能逐漸劣化。電熱老化主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
熱氧老化：在高溫條件下，EPDM材料會發(fā)生熱氧反應(yīng)，產(chǎn)生羰基化合物，導(dǎo)致材料變硬、變脆，電導(dǎo)率增加，擊穿強度降低。
電導(dǎo)特性變化：隨著老化的進行，EPDM的電導(dǎo)率會逐漸增加，這與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，如分子鏈斷裂和極性基團的增加。
物理性能退化：老化過程中，EPDM的斷裂伸長率降低，硬度增加，這些物理性能的變化直接影響電纜的機械強度和柔韌性。
實驗數(shù)據(jù)表明，在電熱聯(lián)合作用下，EPDM的老化速率顯著加快。通過電熱老化試驗，發(fā)現(xiàn)絕緣材料表面顏色逐漸由白色變?yōu)樽厣^緣層中出現(xiàn)粉末物質(zhì)和孔洞，這些都是電熱老化的直觀表現(xiàn)。
機械應(yīng)力老化是指電纜在煤礦井下移動或固定使用過程中，由于機械力的作用導(dǎo)致絕緣材料性能下降。機械應(yīng)力老化主要包括以下幾個方面：
分子鏈斷裂：機械應(yīng)力會導(dǎo)致EPDM分子鏈斷裂，形成自由基，進而引發(fā)鏈反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能下降。
微孔和裂紋形成：長期的機械應(yīng)力作用會在EPDM材料中形成微孔和裂紋，這些缺陷會加速水分子和氧氣的滲透，進一步促進老化過程。
力學(xué)性能變化：機械應(yīng)力作用下，EPDM的抗張強度和斷裂伸長率會發(fā)生變化，影響電纜的機械穩(wěn)定性和使用壽命。
研究表明，機械應(yīng)力與電熱老化因素相互作用，會加劇EPDM材料的老化程度。通過模擬煤礦井下的實際工況，對電纜進行機械應(yīng)力老化試驗，可以觀察到材料性能的明顯退化，為電纜的使用壽命預(yù)測和狀態(tài)評估提供了重要依據(jù)。
絕緣電阻監(jiān)測：通過在電纜絕緣層上施加直流電壓，測量其絕緣電阻值，以評估電纜的絕緣性能。這種方法簡單易行，但受到環(huán)境溫度、濕度等因素的影響較大。局部放電監(jiān)測：局部放電是指電纜絕緣層中存在的局部缺陷導(dǎo)致的放電現(xiàn)象。通過檢測局部放電信號，可以判斷電纜絕緣層的狀態(tài)。這種方法對電纜絕緣層的損傷較小，但需要專門的檢測設(shè)備和技術(shù)。介質(zhì)損耗因數(shù)監(jiān)測：介質(zhì)損耗因數(shù)是反映電纜絕緣層損耗程度的指標(biāo)。通過測量電纜絕緣層的電容和介質(zhì)損耗因數(shù)，可以評估電纜的絕緣性能。這種方法對電纜絕緣層的損傷較小，但受到環(huán)境溫度、濕度等因素的影響較大。溫度監(jiān)測：通過監(jiān)測電纜的溫度，可以間接評估電纜的絕緣性能。當(dāng)電纜溫度過高時，可能導(dǎo)致絕緣層老化、損壞等問題。這種方法簡單易行，但受到環(huán)境溫度的影響較大。基于智能算法的狀態(tài)評估：利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，對電纜絕緣層的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的在線評估。這種方法具有較高的準(zhǔn)確性和實時性，但需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算資源。我國電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)雖發(fā)展迅速，但與煤礦以外的領(lǐng)域相比，礦用電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)仍相對落后。這不僅是因為煤礦電氣設(shè)備運行電壓低、絕緣裕度高而不被重視，而且礦井環(huán)境惡劣，運行工況特殊，有防爆要求，監(jiān)測難度大，限制了各種監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。目前礦用電氣設(shè)備絕緣仍以人工目視、定期測量絕緣電阻或漏電流、在線監(jiān)測溫度為主，無法滿足煤礦裝備數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)要求。
隨著在線監(jiān)測、故障診斷和壽命評估等技術(shù)在礦用電氣設(shè)備運維中逐漸應(yīng)用，針對礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)的分析方法正在從定期巡檢向狀態(tài)維修和預(yù)測性維護轉(zhuǎn)變。礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)評估方法多基于局部放電測量數(shù)據(jù)或相角解析圖，并輔以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法、可拓理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、稀疏分解、深度森林等智能算法，實現(xiàn)了對電樹枝、氣隙、劃痕、電痕、外力擠壓等故障的評估。
除單一的基于局部放電的絕緣狀態(tài)評估以外，其他方法則是將多個參量進行融合，然后綜合評價絕緣的狀態(tài)。如基于雷達圖法的礦用高壓電纜安全預(yù)警方法，將局部放電量、接地電流、介質(zhì)損耗、絕緣電阻、負荷水平、空氣濕度等作為雷達圖指標(biāo)集，并引入反映優(yōu)劣程度的參考樣本和多源信息互補的均衡度因子，給出4級預(yù)警等級。此外，基于介電響應(yīng)法和絕緣理化性能，給出了基于斷裂伸長率、羰基指數(shù)、老化因子、界面極化弛豫強度、介質(zhì)損耗積分飽和值等參量的礦用高壓電纜用EPDM老化壽命評價方程，為進一步研究礦用高壓電纜絕緣狀態(tài)評估方法奠定了基礎(chǔ)。 |
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