輸電電纜的狀態評估

摘要：本文主要著力于實際運行的輸電電纜（50kV-150kV）狀態評估的應用以及先進的狀態評估手段的使用。本文所給出的經驗是從一個建立充油電纜及充氣高壓電纜線路狀態評估知識規則的荷蘭項目中所得到的。尤其是利用若干電纜線路上現場檢測和診斷及實驗室對絕緣缺陷和老化樣品評估的結果提出了狀態評估和建立資產管理知識規則的技術。

關鍵詞：輸電電纜，現場檢測，診斷，局部放電，老化，損耗因數測量，狀態評估，資產管理。

目前電力輸電網絡的平均壽命是30年[1]。而現在世界上大約32%的高壓電纜線路采用油浸紙絕緣電纜[2]。然而，充油電纜相對比較老舊。一方面，該類型的電纜因老化過程而引起的故障率僅為12%，另一方面，對充油電纜的故障預計將保持在穩定的低水平或將呈現線性增長[2]。

為了評估充油電纜的實際狀況和（或）避免充油電纜意外故障，人們進行了不同類型的診斷與耐壓試驗。對于新安裝的電纜線路，在IEC或IEEE[1-3，16]標準里規定了許多條款，這些條款給出了試驗類型和試驗電壓水平。。然而，對于已經服役老化、改造或者修理過的電纜線路，現場診斷測試經驗仍然是有限的。國際規程支持了幾次維修活動，并提出評估充油電纜實際狀態的不同方法[5-7]。如今，幾乎所有的供電部門對電纜狀態評估技術的開發是必不可少的，尤其是了解其老化過程，這一點在資產管理問題上變得越來越重要。

對于充油電纜的現場診斷，當前絕緣狀況的相關信息可以通過測量損耗因數tanδ得到[8]。需要強調的是在U0或更高電壓下測量運行狀態下的電纜損耗因數已經成為油浸絕緣的一個很重要的診斷手段[4，5，9]，因為它是非破壞性的診斷方法，不會對絕緣帶來附加的應力。因此，在現場診斷中，重要的是如何解釋測量結果以及確定各參數可接受的范圍。

電力電纜絕緣

同配電電纜相比，關于輸電電纜絕緣缺

陷的研究還進行的較少。參考文獻[6-14]給出了不同類型電力電纜的大部分典型類型缺陷的評估方法，在此基礎上，圖2給出了局部放電和損耗因數測量在診斷中的適用性。

考慮到電纜絕緣中發生的典型缺陷以及由此導致的絕緣惡化，下面的因素值得關注：運行應力，環境應力以及人為影響。后者所強調的主要涉及在電纜的現場裝配中，人為影響電纜及附件的初始壽命。運行和環境的影響主要發生在運行過程中。上面提到的這些的影響是不可避免的。

由于高壓電纜絕緣及附件中的電場強度極高，因此高壓電纜中的局部放電缺陷劣化過程比中壓電纜中更快。然而，針對某一類型的絕緣，例如浸漬絕緣電纜或者高壓電纜附件，運行壽命期間會發生局部放電。但是通常高壓電纜被認為在運行期間，局部放電是不會發生的[9]。因此，為了檢測運行中的高壓電纜絕緣放電缺陷的存在，現場檢測的電壓必須比U0高（過電壓）。結合局部放電檢測，我們可以了解到關于局部放電發生的信息：局放起始電壓、局放熄滅電壓、局放水平。如圖3。

作為地下傳輸線的一部分，不同類型的紙絕緣電纜被廣泛應用，但需要考慮的是特定類型的油紙絕緣電纜系統的平均壽命已經超過40年。比如，在荷蘭，超過45%的高壓充油電纜是在1970年以前開始運行的。對于額定負載電流，絕大部分荷蘭在運高壓電纜并沒有處于滿負載狀態（約處于滿負載的40%）。荷蘭電力輸電系統出現故障較少，正是由于較少的故障，關于電纜的實際運行及老化狀況的了解還是很有限的。

眾所周知，熱劣化和機械劣化是油紙絕緣的主要劣化機制，而局部放電會加速這一過程。電應力，比如操作或雷電過電壓會導致油紙結構的物理損傷。劣化的影響會使紙絕緣的氣隙＼水分以及溶解性氣體增多，這會導致絕緣紙的電導增加。

服役多年的高壓系統的絕緣會被多種應力因素影響，而這些影響會使預期的壽命受到不利影響。這些應力源于正常的運行環境或者高壓電纜與附件老化帶來的異常的運行環境。尤其是電應力和熱應力可能會造成絕緣性能永久的劣化，這會導致絕緣壽命的下降。熱應力和電應力影響的重要性進一步表現如下：

a油浸絕緣的劣化速率取決于其服役的年限和運行歷史（如可能，主要和次要的故障記錄）；

b耐受電壓水平的下降取決于絕緣性能的劣化水平；

c過大的熱應力和電應力是液體填充絕緣最主要的老化機制；

d以往和以后的熱應力是決定絕緣預期壽命的決定性因素；

e損耗因數的增加是劣化的一個征兆；

f當溫度升高時，熱穩定性取決于損耗因數。

眾所周知，當溫度較高時，熱老化會使化學反應速率加快。電老化和熱老化是電纜絕緣老化最主要因素。油絕緣劣化的速率符合阿雷尼烏斯公式：

其中，k為反應速率系數；A為常數（最大反應速度）；Ea為活化能（發生反應所需的最低能量）；R.T為在某一溫度下的分子平均能量；R為分子氣體常數（8.314472J/K.mol）；T為絕對溫度[9，17]。

根據此公式，可以計算絕緣壽命，而絕緣壽命和線芯溫度密切相關。假設15℃時電纜的壽命為100年，而60℃時壽命以不足10年。所以，使用阿雷尼烏斯公式可以了解不同負載下的電纜絕緣的劣化速度，如圖4a。對于溫度——預期壽命邊界條件，可以給出電纜的預期壽命和電纜負載間的關系，例如，當電纜負載為最大載流量的30%時，預期壽命為100年，如圖4b。

（a）油紙絕緣熱劣化速率同負載的關系；（b）油紙絕緣的預期壽命同負載的關系

當負載由30%提高到60%時，使絕緣劣化成倍增加，預期壽命變成原來的一半。負載再增加，壽命減少更多。當負載為100%時，壽命變成30%負載時壽命的十分之一。

根據經驗，我們可以得出結論，關于絕緣的完整性，幾個問題需要考慮。絕緣的電壓耐受水平下降和以下幾個方面有關：

（1）由溫度過高引發的熱老化（土壤干透，電流過載，油泄漏）；

（2）局部絕緣缺陷（絕緣或表面部分）；

（3）絕緣材料的劣化或崩潰是由于長期的老化作用和擊穿引起的；

（4）浸漬劑的劣化（管道填充介質中的雜質）；

（5）內絕緣液體的污染（防水層劣化或機械故障）；

（6）內部絕緣油從終端泄漏。

根據劣化類型的不同，這些問題可能發生在電纜絕緣或電纜附件中。

采用阻尼振蕩波電壓的現場測試和診斷

在交流過電壓下通電并測試大電容部件如長電纜，需要無功功率大約為幾個兆伏安。而阻尼交流系統只需要較少的功率便能給大電容負載充電，同時還具有體積小重量輕的優點。表1所示為230kV電纜線路現場測試時的一些參數。

阻尼振蕩波電壓是采用一個充電電流，使得容性試件和空氣電感產生諧振，由于沒有無功功率補償，便會產生一個衰減的正弦電壓，如圖5。交流阻尼試驗可以和局部放電測量或者損耗因數測量的診斷結合起來。測量損耗因數時是采用一個交流阻尼正弦電壓，測量頻率為電纜電容和空氣電感諧振的頻率fr，然后分析阻尼電壓波形的衰減特征[9]。

高壓電纜損耗因數的測量-現場數據

充油電力電纜無損檢測和診斷的發展與應用已成為一個熱點問題。人們尤其關注此類電纜的實際劣化狀況，以便確定他們未來的表現，例如允許的負荷和預期的壽命。總所周知，在高壓電纜上施加額定電壓或者諸由如閃電、開關操作等產生的非正常電壓時，絕緣有可能失效。當施加在絕緣上的場強超過他們的介電強度時，失效總是會發生的。更重要的是，由于長期的分解，絕緣會發生局部或整體劣化。當考慮測量充油電纜的損耗因數時，需要指出的是，與耐壓試驗相反，tanδ可作為評判高壓油浸絕緣電纜的質量指標。通過這種方法，可以直接表征出絕緣的質量。對所獲得的絕緣劣化信息的考慮作為未來檢測的趨勢尤其重要。對于充油電纜，tanδ就是劣化指標，即，隨著劣化的進行，tanδ升高。因此，搞清楚tanδ和老化過程之間的關系對于評估絕緣狀態非常有幫助。tanδ的值不僅和電場強度有關還和溫度有關。另一個重要的信息就是電纜的長期負荷。當對絕緣施加電壓時所產生的不同的現象都會引起絕緣損耗，最重要，最常見的原因是[8]：

（1）體電阻和漏電流引起的電導損耗；

（2）偶極子和絕緣材料間的摩擦（極化損耗）；

（3）滲透性不同的材料界面處的電場升高；

（4）局部放電發生時也會增加損耗因數

新的未老化的浸油絕緣在50Hz交流電壓下的損耗通常是很低的，最大值應該不超過20×10-4（0.2%）。而且，施加電壓的大小與損耗值的變化（△tanδ）之間并無密切聯系。例如，當電壓從0.5U0升高到2.0 U0時，△tanδ不超過10×10-4。當熱老化的發生，且tanδ上升到50×10-4（0.5%）時，熱擊穿變的可能[12，17]，如圖6。

圖6 用交流阻尼電壓對已服役的8.7km的87kV/150kV充氣高壓電力電纜進行現場測試所得到的損耗因數的數據：C=2.2uF，fDAC=40Hz

圖7所示為采用交流阻尼法測試兩根充油電纜的結果。第一根電纜為150kV，運行49年（a，b）；第二跟為230kV，運行33年（c，d）。根據此圖可以得出結論，運行電壓等級的不同，tanδ有著很大的差別。如何基于現場tanδ測量對充油電纜進行狀態評估非常重要。

圖7 通過兩種不同充油電纜所得到的損耗因數的結果：a）-b）150kv電力電纜，長度為850m，服役49年；c）-d）230kv電力電纜，長度13314m，服役33年。

實驗研究

為了支撐對現場損耗因數測量結果的解釋和分類，一個類似于現場測試的研究在實驗室進行。研究的主要的目的是為了弄清楚現場tanδ測試結果的規律。

而且將實驗室研究得到的規律應用于現場的測試。圖8所示為實驗室實驗的思路與方法。研究的主要目的是為探討tanδ診斷應用而制定決策支持模型。△tanδ與電場強度關系（在現場診斷時可能施加的電壓）和△tanδ與溫度關系（與電纜運行負荷變化相關），兩者都是絕緣診斷的指標。實驗室研究在測試時施加在樣品上的電場強度的范圍為0.7kV/mm—6.1 kV/mm。對油浸絕緣熱老化樣品，△tanδ與電場強度關系的研究在恒定溫度下進行，試驗電壓換算成每單位標稱電壓分別為0.09U0和0.84 U0，顯而易見tanδ與△tanδ都是與電纜運行壽命息息相關的指數。將這兩個值進行線性畫圖，在這里引入tanδ相對值，使用tanδ相對值的優勢在于它能描述與運行壽命的線性關系，并使計算簡化，引入tanδ相對值的另外一個理由是因為在實驗室研究所獲得的絕對值與具體樣品特性和實驗條件有關，而相對值的變化反映的是給定老化條件下的材料變化。實驗室獲得的相對值與現場診斷獲得的值具有可比性。tanδ相對值的計算公式為：

狀態評估

狀態評估的最后結果應被用于支持資產管的決策過程。特別是取決于對資產管理目標信息的分析來描述電纜系統的實際情況，以便業主將其作為維修決策的數據輸入[6，13]。對于已經服役并老化的電力電纜，損耗因數和測量電壓間的關系是電纜線路（充油電纜）的熱穩定性非常有用的信息，如圖8-9所示。下列的范圍可以被考慮：

（1）電纜系統損耗可以被接受的水平是：在額定電壓U0下，tanδ小于0.25%，△tanδ小于0.1%

（2）電纜系統損耗略增的水平是：在額定電壓U0下，tanδ大于0.25%，但小于0.5%；△tanδ小于0.1%

（3）電纜系統損耗較高的水平是：在額定電壓U0下，tanδ大于0.5%，但小于0.8%；△tanδ小于0.3%

（4）電纜系統損耗處于危險的水平是：在額定電壓U0下，tanδ大于0.8%；△tanδ大于0.3%。

對于服役并老化的充油電纜線路，熱老化是老化過程中最主要的過程[11，13]。老化的速度主要和溫度有關。而溫度依賴于電纜的負載，因此了解歷史負載的信息對于了解老化狀況非常重要。所以，如何讓電纜運行而又不引起加速老化是很重要的一點，換句話說，掌握電纜絕緣的真實狀況和運行歷史（歷史負荷），讓電纜在某一時間段內服役保持無故障是很重要的一點。

圖10所示為兩條分別服役35年和40年的電纜損耗因數診斷的分析。如果在服役一段時間后，負載增加，絕緣劣化會加劇，壽命會縮短。而增加負載后可用的服役時間是非常有用的信息。顯而易見，基于對具有類似運行歷史的兩條電纜的損耗因數的分析，不同運行壽命的電纜在未來不同負荷曲線下將產生不同的效果。

圖10 預期壽命同以往和未來負載的關系：a）服役35年，以往的平均負載為35%，tanδ約為0.5%，△tanδ約為0.3%；b） 服役40年，以往的平均負載為35%，tanδ約為0.2%，△tanδ約為0.1%。

結論

（1）絕大多數高壓電纜的絕緣是充油絕緣，這類電力電纜可以由熱老化帶來的壽命消耗來表征。

（2）老化帶來絕緣熱性能和電性能的下降，這些性能的下降會影響熱穩定性。如在未來不斷變化的負荷曲線情況下。

（3）評估油浸絕緣老化狀態的需求不斷增長，以獲得可接受的未來的負荷分布決策支持模型的開發。

（4）損耗因數隨溫度的升高而升高表明熱不穩定性的開始。

（5）對于已運行的線路，現場在高壓下測量運行電纜的損耗可以采用交流阻尼電壓。

（6）損耗因數隨電場強度（現場診斷可測量的）的增加而增加表明電導率的增加和擊穿場強的下降。

（7）現場測試和實驗室實驗相結合對于研究tanδ與負載的關系以及低溫下的tanδ的變化值非常有效。

（8）由7所得到的信息可以被用來根據以往負載和老化情況來確定未來的負載狀況。

參考文獻

[1] E.Peschke， R.von Olshauen， “Cable Systems for High Extra-High Voltage” ISBN 3-89578-118-5， Publicis MCD Verlag， Erlangen and Munich 1999

[2] Cigre W.G. B1.09 ”Remaining Life Management of exiting AC Underground Lines” October 2008

[3] IEC 62067 “Standard Power Cables with Extruded Insulation and Their Accessories for Rated Voltages above 150 kV （Um=170 kV） up to 500 kV （Um=550 kV） Test Methods and Requirements”

[4] IEEE 400 “Guide for Field Testing and Evaluation of the insulation of Shielded Power Cable Systems.

[5] IEC 60141 “Test on oil-filled gas pressure cables and their accessories”

[6] Cigre Working Group B1.104， Brochure 279

[7] IEEE 1425：Guide for the evaluation of the Remaining Life of Impregnated Paper Insulated Transmission Cable Systems

[8] P.Cichecki， E. Gulski， J.J. Smit， P. van Nes， A.G. Ejigu， F. de Vries –Dielectric losses diagnosis of service aged oil impregnated paper insulation of HV power cable. IEEE Electrical Insulation Conference， Montreal 2009， 216-219

[9] Gulski， E， Cichecki， P. Wester， FJ， Smit， JJ， Bodenga， R， Hermans， TJWH， Seitz， PP， Quak， B， Vries， F de （2008） On-site testing and PD diagnosis of high voltage power cables. IEEE Transactions on dielectrics and electrical insulation 15（6）， 1691-1700

[10] E. Gulski et al， Condition Assessment of Service Aged HV Power Cables， Cigre 2008 Conference， Paris， Paper D1-206

[11]J. Densley， “Ageing Mechanism and Diagnostics for Power Cables – An Overview” IEEE Electrical Insulation Maganzine， Vol. 17 Nr.1 pp 14-21， Jan/Feb 2001

[12] F.H.Kreuger –Industrial high voltage. Delft University Press， Delft 1992

[13] Cigre Working Group D1.11 “Service Aged Insulation Materials” （Task Force D1.11.01）

[14] L.Chmura， P.Cichecki， E.Gulski， J.J. Smit， F.de Vries. ”Life Time Estimation of Serviced Aged Oil-Paper Insulated HV Power Cable Based on the Dielectric Loss Measuements （tanδ）.

[15] Gulski， E， Smit， JJ， Petzold， F，Seitz， PP， Quak， B Vries， F de （2007）. Advanced Solution for On-site Diagnosis of Distribution Power Cables. In Lucien Deschamps （Ed.）， Proceedings of 7th International Conference on Insulated Power Cables （Jicable’07） （pp.814-817）. Paris： SEE

[16] IEC 60840 “Power Cable with Extruded Insulation and Their Accessories for Rated Voltages above 30 kV （Um=36 kV） up to 150 kV （Um=170 kV） Test Methods and Requirements.

[17] E.Gulski et al， “Dielectric Loss Diagnosis of Serviced Aged HV Power Cables”-Cigre SC D1 –Colloquium in Hungary Budapest 2009.