交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣狀態(tài)試驗技術(shù)綜述

中國鐵道科學(xué)研究院研究生部 屈 明

引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜因其安裝維護簡單、電氣性能良好等特點，逐步成為現(xiàn)代電力電纜的主流。但值得注意的是，隨著時間的推移，電纜壽命的“浴盆曲線”效應(yīng)開始顯現(xiàn)出來，長時間運行的電纜的年平均故障率處于上升態(tài)勢。雖然目前電纜絕緣耐壓試驗是考驗電纜質(zhì)量的最直接方法，但電纜的一些局部非貫穿性的缺陷通過耐壓試驗不一定能發(fā)現(xiàn)，新竣工的電纜帶電運行一段時間后發(fā)生故障的案例并不少見。近年來，電纜各種絕緣狀態(tài)評估技術(shù)開始興起，并在一些項目中取得了明顯效果。因此有必要對電纜結(jié)合運行年限、運行環(huán)境以及同批次、同型號電纜及附件缺陷故障情況，選取現(xiàn)有的絕緣狀態(tài)診斷檢測方法，對電纜進行系統(tǒng)化試驗。

1.電纜絕緣性能耐壓試驗方法

1.1 工頻耐壓

工頻試驗是最為有效的電纜耐壓試驗手段。作為大電容負載的電纜要求工頻試驗電源須具備相當大的容量與重量，導(dǎo)致試驗裝置成本高、不便于運輸。因此工頻耐壓試驗主要用于試驗室，而并不適用于現(xiàn)場試驗。

1.2 直流耐壓

試驗設(shè)備容量小、電壓輸出高，直流耐壓試驗并不能模仿運行狀態(tài)下電纜承受的電壓，直流電壓下,電場強度是按照電阻率分布,而XLPE電纜層中的材料電阻率分布是不均勻的,這可能在直流試驗過程中出現(xiàn)絕緣層有的地方電場強，有的地方電場弱，導(dǎo)致局部絕緣擊穿；此外，直流電壓試驗后交聯(lián)聚乙烯電纜會有空間電荷累積，在該電纜投入運行時殘留的直流電荷會疊加在交流電壓上造成電纜運行電壓高于其額定電壓，加速電纜的絕緣老化。根據(jù)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》規(guī)定：額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電纜，當不具備條件時，允許直流耐壓試驗及泄露電流測量代替交流耐壓試驗。

1.3 超低頻耐壓

0.1Hz超低頻試驗裝置輸出電壓波形為0.1Hz正弦波或余弦方波。低頻下電纜的容性電流降低，超低頻試驗裝置的容量理論上能降低至工頻電源的 1/500。可見超低頻試驗裝置的體積小、重量輕，非常適用于電纜的現(xiàn)場試驗，但目前受技術(shù)限制僅適用于中壓35kV以下電纜，而且試驗電壓高對于電纜可能會產(chǎn)生損傷。根據(jù)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》規(guī)定：額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電纜，當不具備條件時，允許有效值為3U0的0.1Hz電壓施加15分鐘代替交流耐壓試驗。

1.4 變頻串聯(lián)諧振耐壓

變頻串聯(lián)諧振法的試驗回路由高壓串聯(lián)諧振主回路和變頻調(diào)壓回路組成。它的工作原理是：用電抗器和被試電纜組成高壓串聯(lián)諧振的主回路，由變頻器調(diào)節(jié)勵磁變壓器的電壓頻率從而使主回路達到諧振狀態(tài)，發(fā)生諧振時電路的優(yōu)點是源的激勵功率僅為電纜上電功率容量的1/Q，在被試電纜上可以獲得Q倍于勵磁電壓的試驗電壓，其中品質(zhì)因數(shù)Q值在30到50之間，大大降低了對試驗裝置的要求，減小了試驗裝置的體積和重量，比較適合現(xiàn)場試驗。鑒于國內(nèi)外十幾年來采用變頻諧振耐壓的成功經(jīng)驗，業(yè)內(nèi)已公認交聯(lián)聚乙烯電纜采用20Hz～300Hz的諧振耐壓試驗比其他耐壓方法更有效和便攜。根據(jù)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》規(guī)定，新竣工的橡塑電纜應(yīng)優(yōu)選采用20Hz～300Hz交流耐壓試驗。

2.電纜絕緣狀態(tài)診斷檢測方法

2.1 超低頻介質(zhì)損耗檢測

介質(zhì)損耗因素（tanδ）是用來描述介質(zhì)材料絕緣性能的重要參數(shù)之一，tanδ越大的絕緣材料其漏電損耗越大。tanδ與測試電源電壓ω、角頻率w、電容C、并聯(lián)等效電路的絕緣電阻R有如下關(guān)系：

tanδ =1/(ωRC)

由于R和C基本不隨頻率變化，因此，當頻率變小時，tanδ會變大，因此，在低頻下應(yīng)有較大的介質(zhì)損耗因素。超低頻電壓下測試XLPE電纜的介質(zhì)損耗角正切值是目前國際上普遍采用的診斷交聯(lián)電纜整體絕緣老化、受潮以及尤其是發(fā)生水樹枝劣化的檢測手段，且測試本身不會對電纜造成傷害的先進技術(shù)。IEEE P400.2/D11 規(guī)定，可通過“tanδ 平均值(VLF-TD)”、“tanδ 變化率(VLF-DTD)”、“tanδ 隨時間穩(wěn)定性(VLF-TDTS)”三個指標來評價 XLPE 電纜劣化狀況。

在0.5U0、U0、1.5U0電壓下測量介質(zhì)損耗因數(shù)（TD），并計算介質(zhì)損耗因數(shù)變化率DTD，計算公式為DTD = TD（1.5U0）－TD（0.5U0）。每一個步進電壓下應(yīng)至少完成6次介質(zhì)損耗因數(shù)測量，電源頻率為0.1Hz時，兩次測量之間應(yīng)間隔10s。介質(zhì)損耗因數(shù)時間穩(wěn)定性表征在恒定電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)隨時間的變化情況。在介質(zhì)損耗因數(shù)時間穩(wěn)定性定義為某一特定電壓（U0）下介質(zhì)損耗因數(shù)測量值的標準差。

以VLF-TD、VLF-DTD和VLF-TDTS的絕對值作為評價指標，或者根據(jù)與歷史數(shù)據(jù)做比較的結(jié)果，IEEE標準將電纜絕緣的狀態(tài)分為如下3種：

2.2 振蕩波局放檢測

電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān)，局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣一定存在著可能危及電纜安全運行壽命的缺陷，IEEE、IEC 等國際電力方面的權(quán)威機構(gòu)一致認為現(xiàn)場準確檢測 XLPE電纜的局部放電量，是當前判斷該電纜絕緣品質(zhì)的最佳試驗方法。

近幾年，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明：振蕩波電壓法與交流電壓法具有良好的等效性。振蕩波局部放電測量系統(tǒng)逐漸成為了當前XLPE 電纜絕緣狀況診斷的熱門研究課題。振蕩波檢出局部缺陷的實時性好，靈敏度高，預(yù)警能力強；測量結(jié)果與絕緣狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度高，能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣性能的定量評價；而且由于加壓時間僅為幾十毫秒，不會造成電纜絕緣損傷。振蕩波試驗方法的基本思路是首先對試品電纜進行充電，利用電纜等值電容與電感線圈的串聯(lián)諧振原理，使振蕩電壓在多次極性變換過程中電纜缺陷處會激發(fā)出局部放電信號，通過高頻耦合器測量該信號達到檢測目的，振蕩波試驗系統(tǒng)具有試驗持續(xù)時間短，設(shè)備輕便易于攜帶和現(xiàn)場操作，可有效檢測 XLPE 電纜中的各種缺陷。對于新敷設(shè)電纜測試，可以為未來的測試提供一狀況基準，對于老舊電纜測試，可以與先前測試結(jié)果作比較，了解絕緣變化速率。DL1576標準規(guī)定10到35kV電纜判斷標準如下：

新投運及投運1年以內(nèi)的電纜線路：最高試驗電壓2U0，接頭局部放電超過300pC、本體超過100pC應(yīng)及時進行更換；終端超過3000pC時，應(yīng)及時進行更換。

已投運1年以上的電纜線路：最高試驗電壓1.7U0，接頭局部放電超過500pC、本體超過100pC應(yīng)及時進行更換；終端超過5000pC時，應(yīng)及時進行更換。

振蕩波測試系統(tǒng)（OWTS）另一主要優(yōu)點是對局放源的定位。振蕩波測試系統(tǒng)按下邊公式計算局部放電發(fā)生位置距檢測端的距離：

式中：

Lc—— 被測電纜全長；

v —— 電纜中的波速度；

Δt —— 放電點處產(chǎn)生的局部放電信號分成兩個相等的脈沖信號并沿相反方向傳播，兩個脈沖到達測量端的時間差。

2.3 特高頻局放檢測

特高頻法（UHF）法是目前局部放電檢測的一種新方法，是通過檢測、分析局部放電過程中所輻射電磁波信號的頻譜，可以了解局部放電源的幾何形狀及放電間隙的絕緣強度；當電纜組件在供電狀態(tài)下發(fā)生局部放電時，放電脈沖產(chǎn)生的高頻電磁信號向外輻射，特高頻局放設(shè)備通過采集電磁信號，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理，產(chǎn)生放電量、放電概率和放電可信度三個定量結(jié)果，根據(jù)三個定量結(jié)果進行判定。其主要的優(yōu)點可進行移動檢測，適用于在線檢測。

3.結(jié)語

常規(guī)電纜耐壓試驗盡管能夠檢測出電纜的缺陷，但過高的電壓也會對完好的電纜造成不必要的傷害，而且長距離電纜串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)的設(shè)備體積重量也很大。先進的電纜檢測技術(shù)應(yīng)兼顧便捷性、安全性與等效性。筆者建議吸收國外標準先進性內(nèi)容，制定或更新國內(nèi)電纜交接與預(yù)防性試驗標準規(guī)程，充分利用現(xiàn)代化的電纜線路狀態(tài)檢測新技術(shù)，通過多方法絕緣診斷的實施流程，從而形成一套有效的高壓電纜安全檢測及預(yù)防性試驗機制,能夠及時發(fā)現(xiàn)電纜劣化情況，判斷電纜故障類型，定位電纜故障區(qū)域，保證迅速維護維修和更換，減小事故損失。

參考：陳斌，霍光，交聯(lián)電纜耐壓試驗方法的探討：電氣應(yīng)用，2010；張宗喜，曾宏，方欣，白歡，李亞偉，電力電纜絕緣整體老化測試技術(shù)的研究及應(yīng)用：中國電業(yè)（技術(shù)版），2016；徐文，振蕩波局部放電檢測對耐壓試驗的補充：中國電力教育，2011。