高壓電纜缺陷模擬及狀態評估技術評述

江 航，楊 勇，周偉杰，曹俊平，蔣瑜寬

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州電力承裝有限公司，杭州 310004）

高壓電纜缺陷模擬及狀態評估技術評述

江 航1，楊 勇1，周偉杰2，曹俊平1，蔣瑜寬1

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州電力承裝有限公司，杭州 310004）

隨著電力電纜在電網中應用的占比增大，電纜故障越來越頻繁，而國內在電纜缺陷故障的監測與預防方面還存在不少的空缺，現有技術各有優劣。通過列舉電纜的典型缺陷故障，介紹電纜缺陷常用的仿真模型和制作方法；并分別從離線診斷技術、在線監測技術和電纜狀態評估體系3個方面分析電纜狀態評估的現狀，通過比較各技術的優缺點，為電纜狀態量測量和總體狀態評估的進一步研究提供依據。提出了電纜狀態仿真技術的發展趨勢：側重于研究不同工況下的典型缺陷電纜模型的溫度、接地電流、局部放電等狀態量的變化規律；根據變化規律提出電纜狀態綜合診斷及評估方法；合理配置檢測設備參數并優化硬件設施，彌補現有設備的不足之處；聯合多種在線檢測技術對電纜進行綜合診斷，實現電纜運行狀態的準確評估。

電力電纜；缺陷模擬；狀態評估；仿真；典型故障

0 引言

電力電纜具有占地少、電氣性能優越、隱蔽耐用等優點，可減少電網對交通運輸及城市建設的影響，因此在城市電網中得到廣泛應用。但隨電力電纜運行年限的增加，其故障率逐年提升。由于電纜的封閉式結構、鋪設方式以及測試設備的局限性，故障的定位和排除困難重重，若排查不及時，使得故障擴大化，將影響電力系統安全穩定運行。電纜中存在缺陷時會發生發熱、局部放電、接地電流增大等現象，通過狀態檢測試驗手段可以及時有效地發現內部存在的故障缺陷。對電力電纜進行狀態仿真試驗，通過設置不同的缺陷模型可以掌握電力電纜溫度、接地電流、局部放電等狀態量的變化規律，由此來提出電力電纜的綜合診斷及評估方法。因此進行電纜故障狀態仿真研究對于提升電纜運行可靠性意義重大。

國內在電纜故障狀態仿真方面的研究相對滯后，最早關于XLPE電纜的試驗方法是以油絕緣電纜試驗為基礎，其檢測結果不夠準確且操作困難[1]。為了克服電纜運行時受到過電壓的沖擊，開始采用直流電壓試驗法[2]。但該方法存在空間電荷積累難以泄露、水樹枝向電樹枝轉化等缺點，因此在應用中逐步被交流電壓試驗所替代，近年來，國內外研究又提出了超低頻電壓試驗和串、并聯諧振以及振蕩波諧振試驗等方法[3]，旨在減小交流電壓試驗設備的容量，便于攜帶和操作。電纜附件作為電纜最薄弱的環節，其故障占電纜故障近70%，為了有效檢驗這些關鍵部位的絕緣性能，引入了局部放電方法，該方法可分為超聲波檢測法和超高頻檢測法，后者避開了工頻以及較低頻的干擾，能有效判斷電纜運行情況[4-5]。這些檢測方法能夠對電纜老化程度進行分析，但各有優劣，目前還沒有找到一種能全面準確評估電纜狀態的方法。對于電纜的狀態評估仍是簡單地通過對電纜少數幾種電器、理化性能分析來判斷，并沒有對電纜的多種特征量進行綜合分析來判斷電纜的老化狀態。隨著電力電纜狀態檢測方法、不同故障類型下的特征量提取等方面的不斷深入研究，建立一種有效、可靠的電力電纜狀態評估方法是今后的研究熱點與重點。

以下分別從典型缺陷模擬和狀態評估2個方面介紹電纜狀態仿真的現狀，通過比較各類檢測方法優缺點，給予電纜試驗和評估工作一定的指導意義。

1 電纜典型缺陷模擬

絕緣降低是導致電纜故障的根本原因，按絕緣降低原因可將電纜缺陷分為外力損傷、水樹枝老化、熱效應損傷、化學腐蝕、電纜本體老化等。按缺陷位置的不同可分為本體缺陷和附件缺陷，而電纜附件作為電纜最薄弱的環節，其缺陷是電纜故障中最常見的。常見的附件缺陷有中間接頭主絕緣劃傷、主絕緣雜質、尖端缺陷、氣隙缺陷等，以下針對以上電纜典型缺陷進行模擬。

1.1 中間接頭主絕緣劃傷

正常運行的電纜電場可忽略復雜的邊緣效應，近似看成圓柱形電場[6]，電場與半徑的關系如圖1所示。

圖1 電場與半徑的關系

在制作電纜中間接頭時，由于操作人員施工不當會造成主絕緣劃傷，將導致該處電場發生改變，如圖2所示，其中虛線為正常運行時的電纜電場。電場畸變使得電荷在缺陷處聚集，長期作用下會產生放電現象，導致接頭故障。

圖2 半導電層場強與半徑關系曲線

缺陷模擬可分別采用有限元分析模擬和實驗室模擬2種方法。有限元分析即采用仿真模擬建立缺陷的三維電場仿真，在半導電層處設置空氣間隙來模擬主絕緣劃傷，仿真結果顯示空氣隙附近區域的電場普遍增大，超過了規定的要求[7]。實驗室模擬即實物模擬，即在制作中間接頭時，人為制造主絕緣劃傷，設定缺陷尺寸，通過局部放電在線監測等方法觀察缺陷造成的影響。

1.2 主絕緣雜質

現場中間接頭的安裝對工藝要求極高，若處理不當，將導致主絕緣上砂石雜質的殘留。沙石附件會產生懸浮電位，使得周圍的局部電場增大，此時半導電層場強與半徑的關系類似于主絕緣劃傷缺陷。模擬方法采用有限元分析法，在主絕緣表面增加一定面積的雜質顆粒，如圖3所示[8]。仿真結果表明，雜質殘留處場強集中，易導致周邊介質碳化，引發局部放電。實驗室模擬制作電纜接頭時，在主絕緣上涂一定面積的導電雜質，通過局部放電在線監測等方法觀察缺陷造成的影響。

圖3 主絕緣雜質時電場分布

1.3 主絕緣尖端缺陷

現場壓接時雖然會對毛刺進行打磨，但殘留毛刺的情況仍較多。毛刺主要是通過尖端放電的形式導致絕緣損傷。利用有限元分析法搭建主絕緣尖端缺陷的有限元模型，如圖4所示[9]。對該模型進行網格劃分，通過分析加載后的電場分布情況，發現電纜缺陷處存在電場畸變，尤其是尖端處最為集中，引起絕緣老化最嚴重。從另一個角度可以說明電場的集中程度與尖端的曲率有關，曲率越小電場畸變越集中。實驗室模擬一般采用在電纜中放入細針的方法來表示尖端放電。

圖4 電纜終端尖端缺陷的有限元模型

1.4 氣隙缺陷

當電纜制作不規范，例如應力錐安裝錯位或外半導電層斷口處臺階處理不當時，將形成氣隙缺陷，使得電場在電纜外半導電層與銅屏蔽層之間出現最大畸變，長期的局部集中作用將導致電纜絕緣的老化，影響電網的安全穩定。實驗室模擬電纜氣隙缺陷一般采用尖狀物體插入絕緣層制造氣隙。有限元分析法模擬需要兼顧空氣的影響，建模時同時考慮空氣模型[10]，依據實驗室模擬法搭建有限元模型如圖5所示。仿真結果表明，電場畸變集中于氣隙處，尤其是在銅屏蔽層與外半導電層接觸處、連接管氣隙處的場強均大于空氣耐受場強值，而且畸變的電場會隨著電壓的增大而增加。因此以上2處發生局部放電、絕緣擊穿的概率高于周圍部分。

綜上所述，電纜附件缺陷是電纜缺陷中占比最大的部分，一旦發生將對電纜絕緣造成無法逆轉的破壞，影響電網的運行安全。因此要求電纜附件在制作和鋪設時一定要規范，同時對電力電纜這些關鍵部位故障的監測和預防技術也應作為電纜評估領域的研究重點。

2 電纜狀態評估

進行電纜狀態評估時，為了還原電纜運行時的真實狀態，需要獲取能表征電纜特性的狀態量。如何準確有效地獲取電纜狀態量成為急需解決的問題。根據現階段的研究成果，電纜狀態評估技術可分為離線診斷技術和在線監測技術，其中典型離線診斷技術有直流耐壓試驗、交流耐壓試驗、等溫松弛電流法等，常用的在線監測技術包括直流疊加法、直流分量法、介質損耗因數法、局部放電法、低頻疊加法、接地線電流法、電纜溫度監測等。

2.1 離線診斷技術

2.1.1 直流耐壓試驗

直流耐壓試驗是電纜狀態評估中最基本的試驗方法，其所需的試驗容量小，設備體積小，方便攜帶，多用于油紙絕緣電纜的試驗。但對于高壓XLPE電纜而言，該方法尚存在諸多缺點：XLPE電纜會存儲直流電壓作用下的單極性殘余電荷，再次投運后可能造成絕緣擊穿[11]；該方法會在缺陷處形成空間電荷聚集現象，造成電場畸變，增加缺陷查找難度；當外部發生塵閃絡或電纜附件擊穿時，空間電荷聚集處的電壓會突變為異極性，電場驟增，造成絕緣破壞；在直流電壓作用下，水樹枝極易轉化為電樹枝，加速絕緣劣化；不能有效檢驗出電纜附件的機械損傷、應力錐錯位等缺陷。出于以上原因，直流耐壓試驗逐步被替代。

2.1.2 交流耐壓試驗

交流耐壓試驗是指采用交流高壓進行試驗，規定相應的電壓等級和耐壓時間，考察式樣電纜的狀態。常用的交流耐壓試驗有：工頻電壓試驗、超低頻電壓試驗、高頻振蕩波試驗、串聯諧振試驗以及變頻諧振試驗。

（1）工頻電壓試驗可通過局部放電測試準確地發現電纜缺陷，然而在實際運用中，由于XLPE電纜電容量很大，要求試驗設備的功率要很大，從而會增大試驗電源的質量和體積，當電纜較長時，無法完成局部放電測試。因此該方法不適用于長電纜。

（2）超低頻電壓試驗采用頻率為0.1 Hz的交流電壓進行試驗，試驗設備容量小、便于攜帶，其原理如圖6所示。該方法兼具直流耐壓和工頻電壓試驗的優點，能夠較好地發現氣隙缺陷。但由于試驗頻率低，容易漏查電纜絕緣受潮、水樹枝等絕緣損耗的情況。

（3）高頻振蕩波試驗原理如圖7所示。先用直流電源對電容器C1進行充電，達到預設值后，LC回路經球隙放電產生一系列衰減的電壓周期[12]。該方法具有試驗時間短、便于攜帶和操作、試驗不會對設備造成損害等特點。但有國外最新研究表明，該方法對針板型故障診斷效果不佳，試驗方法仍待改進。

（4）諧振耐壓試驗包括工頻串聯諧振試驗和變頻諧振試驗。工頻串聯諧振法原理如圖8所示，該方法既可有效地找到絕緣缺陷，又可防止短路電流燒傷試品的故障發生，當電壓閃絡時應立即脫諧，保證人身安全。其缺點是噪聲大、機械結構復雜、設備笨重和搬運困難。變頻諧振試驗原理如圖9所示，該方法具有效性好、效率高、設備輕便的優點，因而宜在現場試驗中使用。國外研究比較了諧振耐壓試驗與工頻耐壓試驗對于不同電纜缺陷的擊穿電壓，發現這2種方法的擊穿電壓相差不大，等效性較好。

圖8 工頻串聯諧振法原理

圖9 變頻諧振試驗原理

2.1.3 等溫松弛電流法

等溫松弛電流法是一種非破壞性檢測方法，通過儀器測得等溫松弛電流，計算得到高壓電纜的老化因子，借此評估電纜的絕緣損害程度。另外，該方法不用考慮電纜的運行時間和歷史狀態就能直接求得其剩余壽命[13]。但由于受材料和工藝的限制，國內得到的老化因子比國外計算結果普遍偏高[14-15]。因此對與電纜老化因子相關的條件仍需進一步研究，如制作工藝、鋪設條件等。

2.2 在線監測技術

2.2.1 直流疊加法

直流疊加法是在交流電纜絕緣上疊加一個直流電壓（常用50 V），通過測量絕緣部分的直流漏電流或絕緣電阻來判定絕緣是否損壞，其原理如圖10所示。該方法存在如下缺點：絕緣電阻對電纜壽命的影響較小，當護層絕緣電阻太低時，所得的絕緣狀況準確性較低；直流電流長時間通過電壓互感器，將引起互感器磁路飽和產生零序電壓，導致繼電器誤動作；當地中干擾電流變化過大時，測量誤差較大。對于干擾電流問題，現采取的措施是利用電容阻斷干擾電流或采用補償電動勢法來消除干擾電流。

圖10 直流疊加法原理

2.2.2 直流分量法

研究發現若電纜絕緣層中產生了水樹枝，可通過測量流過絕緣層中的直流分量來判斷電纜的老化程度[16]，其原理如圖11所示。該方法不需要外加電源，裝置輕便，測量安全。但直流分量法易受外界因素干擾，測量誤差較大。因此需要將測量所得的干擾因素與直流分量電流分離，目前采用電容阻隔干擾通路法消除干擾電流，但當電纜護套絕緣電阻較小且屏蔽接地化學電動勢較大時，該方法測量誤差大。

2.2.3 介質損耗因素法

通過測量電纜的電壓和電流信號，比較得到電纜絕緣的介質損耗因數，從而判斷絕緣損耗程度，其原理如圖12所示。對多路線纜進行試驗時，可通過測量每路電流和母線電壓信號，實現對所有線路的在線監測。該方法主要用于發現電纜的整體缺陷，個別集中缺陷不會引起介質損耗因數的明顯變化，不易被發現；當屏蔽層對地電阻太小時，電纜的介質損耗因數難以測準，試驗精度有待提高。

圖11 直流分量法原理

圖12 介質損耗因素法原理

2.2.4 局部放電法

局部放電法是目前公認的檢驗XLPE電纜絕緣狀態最好的方法。電纜在局部放電時，除了產生電能損耗外，同時還伴隨脈沖電流、電磁波等物理量的變化，由此產生了脈沖電流法、超聲檢測法、特高頻檢測法、光測法、紅外檢測法等局放檢測方法。經過國內外研究對比發現，超聲與特高頻檢測法具有以下不足：兩者都為非電接觸式，無法得到局放脈沖的電壓相位；超聲測量的探頭直接置于電纜外殼處，容易受外界環境振動的影響；特高頻檢測用天線對局放信號的收集，電磁脈沖在空氣中存在衰減問題，且天線開口方向對檢測結果影響很大[17]。而脈沖電流法具有更高的靈敏度，能準確測量局放信號，傳輸穩定，不易受干擾的影響，因此在電網中的應用越來越普遍。

目前電纜的局放檢測尚缺乏對局放脈沖信號波形、頻率的判別技術，無法有效排除外界強電磁場的干擾。因此，局部放電法還有待更進一步的研究。

2.2.5 低頻疊加法

低頻疊加法是在電纜絕緣層疊加低頻電壓，由于電纜可近似為RC電路，流過電纜的容性電流明顯減小，而阻性電流無變化，因此可通過測量電纜接地線上的低頻電流計算絕緣電阻值，以此判斷電纜絕緣狀態。該方法準確性高，可檢測存在水樹枝情況下的絕緣劣化問題，適用于220 kV以上的電纜狀態評估。但是當電纜端部裝設應力環時，不能單憑交流損失電流來判定絕緣狀態。

2.2.6 接地線電流法

由于單芯電纜會在保護套上產生較高的感應電壓，因此需要對這類電纜采取接地措施，并對接地電流進行實時觀測，以保證運行安全。接地電流法通過測量接地電流來判斷電纜保護套的絕緣狀態，是電纜在線監測中的重要參數之一。

2.2.7 電纜溫度監測

電纜在運行過程中會因流通大電流而發熱，溫度過高會引起絕緣損耗，引發安全事故，因此電纜溫度在線監測技術也是電纜狀態評估的關鍵技術之一。目前應用最為廣泛的是分布式光纖測溫，該方法能夠快速、準確地獲得溫度和空間定位信息，但是光纖易受鋪設環境溫度和濕度影響，對局部溫升測量不夠準確。為了減少環境溫度的影響，近幾年的研究集中于內置溫度傳感器測溫技術。內置溫度傳感器分單總線數字型和無線測溫傳感器[18]，前者適用于1 km左右的電纜溝道、電纜中間接頭或終端頭等部位的檢測，后者可通過特定頻段傳播數據，減少了布設線路的工作量，但由于無線電傳播特性和傳感器鋰電池供電的影響，不能布置于電纜溝道中。

2.3 電纜狀態評估體系

近年來，國內外的研究逐步轉向電纜狀態評估體系的建立，將各種試驗方法測得的電纜狀態量經過體系的評估，綜合判斷電纜的健康狀況和殘余壽命。文獻[19]采用層次分析法得到電纜各指標權重，通過建立模糊灰色綜合評判模型，構建XLPE電纜綜合狀態評價體系。通過實際案例驗證了該體系的合理性。文獻[20]提出了一種基于改進雷達圖理論的交聯聚乙烯電力電纜運行狀態綜合評估模型，在層次分析的基礎上，應用雷達圖分析各指標，通過對扇形區域的指標進行排序和角度分析，進一步確定各評價指標的靈敏度。電纜的運行狀態本就由多種因素共同決定，在尋求更加有效的試驗方法的同時，建立一個準確的狀態評估體系有利于電纜狀態的綜合評價，使評價結果更接近實際運行情況。

3 結語

電纜絕緣狀態以及故障的判斷與電網安全穩定運行密切相關。基于現有電纜狀態評估方法的優缺點，其發展趨勢為：

（1）在不同負荷工況下，研究典型缺陷電纜模型的溫度、接地電流、局部放電等狀態量變化規律。

（2）根據電力電纜狀態量變化規律，提出電纜狀態綜合診斷及評估方法。

（3）在現有評估方法的基礎上，合理配置檢測設備的參數和提高硬件設施，是改進檢測靈敏度和準確性的重要方法。

（4）聯合多種在線檢測技術對電纜進行綜合診斷，實現電纜運行狀態的準確評估。

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2017-07-11

江 航（1991），女，工程師，從事輸變電設備狀態檢測工作。

（本文編輯：徐 晗）

Review of Defect Simulation and State Evaluation Technology of High-voltage Power Cables

JIANG Hang1， YANG Yong1， ZHOU Weijie2， CAO Junping1， JIANG Yukuan1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.Hangzhou Electric Power Assembly Co.，Ltd.，Hangzhou 310004，China）

With the increase of electric power cables in power system，the fault of cable becomes more and more frequent.However，there are still a lot of vacancies in cable fault detection and prevention in China,and each of the existing technologies has its advantages and disadvantages.By listing typical cable defects and faults， the paper introduces common simulation models of cable defects and establishment methods； besides，status quo of cable state evaluation is analyzed in terms of offline diagnosis technology，online diagnosis technology and cable state evaluation system；by comparison of advantages and disadvantages of each technology,basis for further research on quantity measurement of state and overall state evaluation is provided.In this paper， the developing trend of the cable state simulation technology is as follows∶the research is committed to variation laws of temperature， grounding current， partial discharge and other state quantities of the typical defect cable model under different working conditions； according to the law of variation， a method of comprehensive diagnosis and evaluation of cable state is raised；reasonable allocation of equipment parameters and optimization of hardware facilities are implemented to make up for the shortcomings of existing equipment.In combination with on-line detection technologies，the cables are comprehensively diagnosed to accurately evaluate cable operation status.

power cable； defect simulation； state evaluation； simulation； typical fault

10.19585/j.zjdl.201710007

1007-1881（2017）10-0031-06

TM206

B

國網浙江省電力公司科技項目（5211DS15002B）