中壓電纜缺陷原因及其狀態檢測技術現狀

陳茂榮，楊 忠，牛海清

(1.廣東電網公司東莞供電局，廣東 東莞523129;2.華南理工大學，廣東 廣州510641)

0 引言

目前城市配電網中的電纜主要是交聯聚乙烯(XLPE)絕緣三芯電纜。配網電纜數量多、負荷重，且長期受高溫、高電壓、潮濕等的作用，運行環境惡劣，加之目前中間接頭的制作過程中存在較多問題，使得因絕緣損壞引起的電纜故障不斷增加。

本文統計了珠三角地區2009年1月至2011年9月期間10 kV電纜故障及其原因。統計表明，引起電纜故障的第一大原因是外力破壞，約占60%;第二大原因是電纜附件缺陷，占約21%;第三大原因是電纜本體缺陷，占14%。為提高直接面向用戶的中壓電纜供電可靠性，有必要研究其主要缺陷及狀態檢測方法。

除耐壓試驗外，電力電纜的狀態檢測方法包括局部放電監測及檢測、運行溫度監測及檢測、接地電流測量、電纜絕緣水樹的監測、絕緣電阻和泄漏電流檢測、介質損耗檢測等［1］。本文綜述了上述方法的研究及應用現狀，詳細研究了電纜局部放電檢測技術及研究應用現狀，為中壓電纜絕緣狀態監測的研究奠定基礎。

1 電力電纜的主要缺陷

出廠試驗合格的電纜在運輸、現場敷設、電纜終端及中間接頭的安裝與制作過程中，均可能因各種原因而形成缺陷。

1.1 電纜附件的主要絕緣缺陷

電纜附件包括終端頭以及中間接頭。電纜附件不是由制造廠提供完整的產品，而必須在現場將工廠制作的各種組件、部件和材料按照相關的工藝要求安裝到電纜上并與電纜本身結合為一個整體，這才構成電纜的終端或接頭。因而電纜終端和接頭由工廠制作和現場安裝兩個階段完成。相對于高壓電纜，配電電纜的附件生產門檻低，廠家的技術能力和生產水平參差不齊，致使電纜附件制造及安裝質量良莠不齊。電纜附件成為中壓電纜的薄弱環節。

電纜附件缺陷主要包括應力錐本體制造缺陷、電纜附件與本體接連不緊、金屬雜質、絕緣中裂紋等微創、絕緣中潮氣氣泡等雜質以及其他。電纜附件引起的事故統計如表1所示。

表1 電纜附件缺陷原因

由表1可見，除外力破壞，引起配電電纜附件缺陷的兩大主要原因是附件絕緣中潮氣氣泡等雜質和電纜附件與本體接連不緊。

1.2 電纜本體電氣絕緣缺陷

經過幾十年的發展，XLPE電纜制造水平較高，電纜本體制造質量大幅提高。但面臨激烈的市場競爭，部分電纜生產商往往在電纜制造過程中盡可能地取負公差以降低制造成本，其結果是生產過程中稍有不慎或管理疏漏，便會導致電纜本體制造缺陷。

電纜本體缺陷主要有以下幾種情況:本體電氣絕緣缺陷包括絕緣偏心、厚度不均勻等生產質量不良，線芯導體與絕緣分層，絕緣屏蔽表面突起，絕緣中裂紋等微創，絕緣中潮氣氣泡等雜質以及其他。電纜本體缺陷引起故障統計如表2所示。

表2 電纜本體缺陷原因

由表2可見，除外力破壞，引起配電電纜本體缺陷兩大主要原因是電纜絕緣中的微創和絕緣屏蔽表面突起。

2 電纜狀態檢測的方法及現狀

在工作電壓下，上述缺陷的存在可能造成電纜系統出現:局部放電、沿面放電、水分滲入、加速老化、外護層受損、金屬護套老化、多點接地、局部過熱、懸浮電位放電、介質損耗增大、泄漏電流中含諧波分量等現象。這些現象為監測及檢測技術提供了參考。

目前國內外開發了多種XLPE電力電纜的監測及檢測方法，其中有些方法已在運行中得到了應用［2］。除耐壓試驗外，電力電纜的狀態檢測的主要方法包括如下5類。

2.1 局部放電監測及檢測

局部放電作為絕緣故障早期的主要表現形式，既是引起絕緣老化的主要原因，又是表征絕緣狀況的主要參數。局部放電與電纜絕緣狀況密切相關，局放量的變化預示著電纜絕緣中一定存在著可能危及安全運行的缺陷。目前國內外對局部放電展開了很多研究，主要包括局部放電檢測方法的研究、局部放電去噪方法的研究、局部放電源模式識別的研究、局部放電的定位等，取得了不少成果［3－5］。IEC、CIGRE等國際權威機構一致推薦局部放電作為XLPE電纜絕緣狀況評價的最佳方法。

局部放電的檢測方法很多，可分為離線方法和帶電及在線方法［10］。離線式局部放電檢測需要停電數小時，且需打開連接。在目前用電可靠性要求越來越高的情況下，難以實現對中壓電纜一年一檢或者定期巡檢。局部放電帶電檢測或在線監測，無需電網停電，在真實的運行狀態和環境(負載、溫度)中檢測局部放電或監視其變化趨勢，有助于了解電纜絕緣的實際狀況，成為目前的研究熱點和發展趨勢。本文將在下節專門研究電纜局部放電的帶電檢測方法。

2.2 電纜運行溫度監測及檢測

導體溫度是電力電纜運行的一個重要指標，可作為反映電纜運行狀態的參量。運行中的電纜導體溫度在技術上難于實現測量，利用分布式光纖測量電纜護套溫度進而通過計算獲得其導體溫度，是目前的一個研究熱點。澳大利亞、日本、加拿大、西班牙、以色列、阿聯酋等國家和地區的研究機構和電力企業對該方法進行過理論研究和實踐驗證，并已取得了較成熟的運行經驗［6］。國內如國網電科院、北京電力公司、天津電力公司和廣州供電局、華南理工大學等均對這種方法進行過深入研究。目前，北京、上海、天津、廣州等城市的110 kV及以上電壓等級的電纜線路上均不同程度地敷設了分布式光纖測溫系統。

雖然該測溫系統具有測量距離長、測溫精度高等優點，但光纖測溫對因各類缺陷造成的局部溫升不敏感，易受敷設環境溫度、濕度影響，損壞率高等，仍然需要進一步的應用研究。

2.3 電纜絕緣水樹的監測

當XLPE電纜絕緣中存在水樹枝等缺陷時，樹枝尖端與接地電纜屏蔽層有類似于針－板電極的整流效應。在運行電壓下，高壓極(電纜線芯)與低壓電極(電纜金屬護套及屏蔽接地線)之間構成的回路，有納安級的直流分量流過。大量實驗數據表明，電纜水樹枝長度與直流泄漏分量有較好的相關性，水樹枝越長，直流分量也就越大。直流分量法就是以水樹效應引起的納安級的直流電流為老化判據，檢測運行電纜的水樹狀劣化。

這種方法可以很好地發現集中性缺陷，由于測量的電流很小，所以在抗干擾方面要求較高。

2.4 絕緣電阻和泄漏電流檢測

在線監測絕緣電阻和泄漏電流的方法包括直流疊加法、電橋法和低頻疊加法。直流疊加法是在接地的電壓互感器的中性點處加進低壓直流電壓(通常為50V)，使該直流電壓與施加在電纜絕緣上的交流電壓疊加，從而測量通過電纜絕緣層上微弱的納安級直流電流或其絕緣電阻。由于直流疊加法是在交流高壓上再疊以低值的直流電壓，這樣在帶電情況下測得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時測試結果很相近。由于絕緣電阻與很多因素有關，很難根據絕緣電阻值來預測電纜的老化程度。

實驗表明，只有當XLPE電纜中的水樹枝發展到絕緣厚度的80%以上時，才會使絕緣電阻顯著下降到“危險值”，故該法雖然比較易于實現在線監測，但當護層絕緣電阻太低時難以獲得準確讀數。

2.5 介質損耗檢測

電纜絕緣tgδ值的在線檢測方法，與電容型試品的在線檢測方法很相似。介質損耗法目前已經實現了在線檢測，且有大量的離線檢測經驗和數據，只要合理改進在線檢測的精度，即有望成為高壓電纜絕緣在線監測及檢測的一種有效手段［7］。由于tgδ值往往反映的是普遍性的缺陷，個別的較集中的缺陷不會引起整根電纜所測到的tgδ值的顯著變化，對局部缺陷無法反映［8］。

3 中壓電纜局部放電帶電檢測方法

除電纜本體外，與電纜相連接的高壓設備內部也會產生局部放電，通常在對電纜進行局部放電檢測的同時，也需要對與電纜相連的分接箱、開關柜等產生的本地局部放電進行檢測，從而更加準確地診斷電纜局部放電。

帶電或在線局部放電量檢測，適應于高可靠性的要求，成為目前的熱點和發展趨勢。由于篇幅所限，本文僅介紹可用于電纜線路局部放電帶電檢測和在線監測的方法。

3.1 高頻脈沖電流法

脈沖電流法是研究最早、應用最廣泛的一種檢測方法，IEC對此制定了專門的標準。由于該方法測量信號頻帶較低，通常在幾十到幾十萬赫茲范圍內，易受背景干擾的影響，且該方法需要接高壓試驗電源，不便于電纜局部放電在線或帶電檢測。

高頻電流法采用高頻電容傳感器(HFCT)，將HFCT傳感器卡在運行電纜接地線上采集局部放電信號［3］。HFCT安裝方便，信號帶寬可根據檢測需要調整，可用于電纜局部放電的在線監測，北京電力公司在奧運保供電的應用中取得一些成果。但HFCT僅適用于電纜外屏蔽層有接地線的情況，對于有完全屏蔽的電纜，HFCT套在電纜本體外，難以檢測到局部放電信號。與傳統的脈沖電流法相比，HFCT測量局部放電的頻帶響應范圍寬，在高壓電纜和測量回路間沒有直接的電氣連接，能較好地抑制噪聲，適用于電纜敷設后的交接評審試驗和運行中局部放電的帶電測試和在線監測。

3.2 地電波方法

發生開關柜等高壓設備的局部放電會輻射出電磁波。根據電磁感應原理，電磁波在空間傳播遇到金屬的柜體時，在柜體內表面會感應出幅值大小、頻率等參數與局部放電電磁波相關的脈沖電流。由于實際的柜體不是完全密封的，柜體屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現縫隙，柜體內表面感應的脈沖電流會從縫隙處傳出，然后沿著金屬柜體外表面傳到大地，這樣就形成了一個個暫態對地電壓。若在設備的金屬外箱殼上放置一個電容性探測器，即可實現局部放電的檢測。

3.3 超聲波和聲發射檢測方法

局部放電的發生伴隨著噪聲的產生，超聲檢測法用固定在電氣設備金屬外殼上的超聲傳感器(通常采用壓電傳感器)接收到設備內部局部放電產生的超聲波，由此來檢測局部放電的大小及位置。

局部放電的聲學檢測方法受電氣干擾小，主要用于定性地判斷局部放電信號的有無，以及結合電脈沖信號或直接利用超聲信號對局部放電源進行物理定位。由于目前還不能確定超聲信號的強弱與絕緣劣化的定量關系，因而超聲檢測法在設備局部放電的帶電檢測和在線監測中，只是輔助測量手段。

3.4 無線電檢測法和超高頻(UHF)法

試驗結果表明:局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強度有關。無線電檢測法常采用無線電電壓干擾儀來檢測，使用2個或2個以上的UHF傳感器，能夠較好地對局部放電源進行定位，適用于在線檢測［9］。由于XLPE電力電纜多層屏蔽結構和顯著的低通濾波效應，造成UHF信號沿電纜傳播時衰減很快，該方法應用于電纜還處于研究階段。

3.5 其它方法

除上述方法外，差分法、方向耦合法、電容耦合法是在電纜本體進行局部的切割并植入相應的傳感器進行電纜局部放電的監測。這些方法目前還處于研究階段，其使用并不影響電纜的主絕緣，適合于電纜的局部放電在線監測。然而這些方法需要在電纜本體進行操作，破壞了電纜的外護層和金屬護套，水分等會滲入電纜絕緣中，長期運行后可能會引起絕緣中水樹枝的生長，不利于電纜的長期可靠運行。但若在電纜生產過程中就將這些傳感器植入，這些方法還是具有較好的研究價值的。

4 結束語

在電纜狀態檢測的上述方法中，局部放電監測、溫度監測獲取的絕緣信息豐富，易于實現，有豐富的運行經驗;而對電纜的絕緣電阻、泄漏電流或者介質損耗的測量，不能反映絕緣的局部缺陷。實際上，XLPE電纜的許多故障是由局部放電引起的，XLPE電纜發生局部放電時，其絕緣電阻、泄漏電流和介質損耗往往不會發生改變。

在電纜局部放電帶電檢測方法中，高頻電流法和電磁耦合法(Rogowski線圈)的傳感器與測量回路間沒有直接的電氣連接，適用于電纜局部放電的在線監測。超聲方法和聲發射方法，可對電纜局部放電進行定位，但聲信號與局部放電信號間定量的關系有待進一步研究，因而聲測法作為一種輔助手段，用于電纜終端局部放電的帶電檢查和在線監測。超高頻方法應用于電力電纜局部放電的監測，適合尺寸較小的電纜附件絕緣缺陷。振蕩波方法產生的電源與交流電源等效性好，操作方便、易于攜帶，不會對電纜造成傷害，但試驗時被測電纜需退出運行，因而該方法是一種離線的局部放電的檢測方法。

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