基于寬頻阻抗譜的電纜診斷新技術研究及應用

張 力，葉保璇，王康堅，余盛達，李 恒，汪進鋒,3，李興旺,3

（1.海南電網有限責任公司文昌供電局，海南 文昌 571300；2.北京振中建園電力技術發展有限公司，北京 100085；3.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080）

0 引 言

近年來，中國城市化建設的快速發展，使得城市用地日益緊缺，而架空線路的安全環境問題促使電力電纜廣泛投用。相比于架空線路，電纜具有占地小、供電可靠性高以及輸電容量大等優勢，但隨著電纜敷設量和運行年限的增加，電纜的故障和老化成為需要關注的重點問題[1-2]。在實際運行過程中，熱效應、水分、外護套破損以及制造工藝問題都可能引起電纜老化，從而導致電纜故障[3]。然而，由于電纜大多敷設于地下，一旦發生故障，不能快速準確地找到故障發生點，將增加維修時間和成本，甚至引發停電事故，造成嚴重的經濟損失[4-5]。因此，監測和診斷電纜的運行狀態，保證電纜的安全穩定運行極為重要。

局部放電監測是診斷電纜局部缺陷的一種常用方法。但大多局放試驗結果表明，該技術對制作工藝的缺陷更敏感，而對于電纜的老化隱患沒有十分有效的表現[6]。統計資料表明，水樹枝現象是造成電纜老化的主要原因之一，而電力電纜水樹枝的多少和劣化程度并不能靠局部放電的測試解決，而且耐壓實驗也會使大型水樹枝發展成電樹枝，從而徹底擊穿電纜絕緣層[7-9]。因此，需要一種能快速精確定位電纜故障的無損檢測技術，建立電纜運行狀態在線監測系統。

線性共振分析（LIRA）技術利用高頻下的電纜阻抗譜獲取電纜特征信息。通過先進算法實現電纜狀態評估、電纜故障定位以及電纜老化診斷。LIRA技術基于傳輸線理論，將電纜阻抗（振幅和相位）作為一個廣泛頻帶應用信號的函數來計算和分析，通過監測和定位電纜阻抗的變化，對電纜進行狀態監測和故障定位[10]。本文介紹了一種基于寬頻阻抗譜的電纜診斷新技術。該技術可在線使用，以檢測由絕緣故障或性能下降而引起的電纜電氣參數的局部或全局變化，并結合某中壓電纜的現場試驗來驗證該技術的應用效果。

1 線性共振分析技術

1.1 傳輸線理論

LIRA技術是2003—2006年哈爾登反應堆工程在傳輸線理論基礎上發展起來的[11]。傳輸線是電路的一部分，提供發電機和負載之間的連接，結構如圖1所示。傳輸線的特性取決于它的長度與進入傳輸線電信號的波長的比值。

圖1 傳輸線系統

波長定義為：

式中，v為電信號的傳播速度；f為信號的頻率。當傳輸線的長度遠小于電信號波長時，傳輸線對電路響應和輸入阻抗幾乎沒有影響。從發電機側看，任意時刻的輸入阻抗等于負載阻抗。但是，當電纜長度足夠長或者信號源的頻率足夠高時，有L≥λ。此時傳輸線的線路特性會起到重要作用。從發電機看到的輸入阻抗與負載阻抗不匹配，因此可以利用高頻下傳輸線的輸入阻抗來獲取其運行特性。根據傳輸線理論，可將電纜等效為如圖2所示的分布參數模型[12]。

圖2 傳輸線等效分布參數電路

傳輸線電壓和電流遵循以下微分方程：

式中，R是導體電阻；L是電感；C是電容；G是絕緣電導率。這些均為單位長度下電纜的分布參數。這4個參數可以完全表征高頻信號通過傳輸線時的傳播特性。在傳輸線理論中，傳輸線的特性通常通過傳播系數γ和特征阻抗Z0來研究，可表示為[13]：

通常，傳播系數還可寫成：

式中，實部α為線路衰減常數，虛部β為相位常數。β與相速度和波長有關，關系為：

1.2 電纜寬頻阻抗特性研究

利用式（4）和式（5）求解微分方程（2）和（3），可得距離電纜末端距離為d處的輸入阻抗Zd為：

式中，ΓL是負載反射系數，ZL為線路末端的負載阻抗。

當d等于電纜全長L時，電纜首端輸入阻抗的表達式為：

電纜的特征參數γ和Z0是頻率的函數，首端輸入阻抗也會隨著電源頻率的變化而改變。首端阻抗的頻率變化曲線稱為電纜的寬頻阻抗譜[14]。電纜寬頻阻抗譜分為阻抗幅值頻譜和相位頻譜[15]。圖3為某一個10 kV電纜在頻率范圍為0～50 MHz內的輸入阻抗頻譜和相位頻譜。可以看出，在阻抗幅值頻譜的極大值點附近和相位頻譜的過零點處，線路的輸入阻抗變化十分迅速。在此類諧振點附近，阻抗對線路狀態信息的變化十分敏感。當電纜出現故障時，其傳輸特性將發生改變，輸入阻抗也會隨之變化[16]。因此，可以通過測量寬頻阻抗譜來診斷電纜的運行狀態，判斷故障的發生位置[17]。

圖3 某10 kV電纜的輸入阻抗頻譜和相位頻譜

2 LIRA寬頻阻抗測試系統

LIRA技術起初是根據核電站電纜診斷和狀態評估的需要而提出的，是一種無損檢測方法，不會對電纜和與電纜連接的設備造成損害。該技術將阻抗譜作為應用信號頻率函數來進行計算分析，可以測量出電纜的長度、接頭位置以及阻抗變化的異常點。此外，利用LIRA技術，采用硬件和WS軟件結合的方式，搭建LIRA寬頻阻抗測試系統對電纜進行狀態評估和故障定位。系統的測試電壓僅為5 V，適用于電纜所有電壓等級，測試長度可達300 km。

LIRA測試系統對絕緣材料的微小變化十分敏感，如進水受潮、水樹老化以及機械受損等。它可以診斷由惡劣環境條件（高溫、濕度以及輻射）引起的電纜絕緣老化，并檢測絕緣材料因機械沖擊或熱降解而發生的局部缺陷[18]。運維部門可以借助此系統及時定位缺陷位置，并判斷缺陷的嚴重程度。

2.1 測試系統結構

LIRA由幾部分軟件和硬件模塊組成，如圖4所示。其中，電纜連接到LIRA射頻測量板。

圖4 LIRA測試系統邏輯圖

LIRA發生器控制注入電纜的模擬信號，向系統提供帶寬可配置的低電壓（5 V）掃描信號。LIRA分析儀是系統核心，分析信號并評估電纜運行狀態。LIRA模擬器包含一個電纜模型、調制器以及數字化儀（任何電纜類型和長度都可以建模），可用于推斷真實的實驗結果，并執行假設分析。LIRA數據庫允許以結構化的方式存儲測量值[19]。

2.2 測試原理及方法

當電纜受到機械應力、進水受潮、電老化以及熱老化等外界因素的影響，將會引起電纜分布參數的變化，尤其是電容C的改變會導致阻抗急劇變化[20]。在被測電纜上施加一個5 V的交流電壓，將阻抗頻譜（振幅和相位）作為寬頻（0.1～100 MHz）的應用信號函數來計算和分析。基于高頻諧振效應寬帶頻域的分析方法，檢測對電纜細微變化非常敏感的電氣參數，如絕緣介電常數、形狀物理參數、電流方向、電流強度、濕度以及絕緣缺陷等重要狀態指標，分析和計算出復雜的阻抗線性變化。利用強大的放大系數來改善阻抗圖的相位和幅度的某些特性，定位出發生明顯異常變化的缺陷點。LIRA中線共振效應的頻譜分析原理如圖5所示。

圖5 LIRA中線共振效應的頻譜分析

2.3 現場測試

根據供電公司安排，分析某條10 kV XLPE電纜進水或水樹異常點。本次測試采用LIRA線性寬頻阻抗測試系統，如圖6所示。對被測電纜施加5 V的信號，采集電纜全長和全部接頭位置，并通過阻抗頻譜分析的方式，找出電纜異常點，分析電纜的形變、阻抗幅值以及電纜缺陷的正負極性，給出指導建議。現場測試如圖7所示。

圖6 LIRA測試系統

圖7 LIRA現場測試

先對電纜進行絕緣測試，使用2 500 V絕緣搖表對A、B、C三相進行絕緣測試，A、B、C對地絕緣電阻分別為175 MΩ、500 MΩ以及15 MΩ。然后使用介損老化狀態評價設備對電纜進行老化狀態評價，基本掌握介損老化狀態的各個指標。

造成電纜絕緣電阻低的主要原因可能是電纜產生了水樹老化或者使接頭進水受潮，從而引起電纜絕緣下降[21]。在此嘗試根據LIRA測試系統生成的DNORM圖形查找出老化或進水缺陷位置。確保被測電纜處于斷電狀態，被測電纜的近端和遠端與電網完全斷開，而且遠端三相懸空，并互相保持足夠的安全距離。將同軸電纜測試線與設備的L1插孔相連接，紅黑夾子分別接到被測電纜的導體與屏蔽層。采用計算機軟件控制硬件的方式，輸入電纜信息。根據電纜長度3 445 m設定好測試頻率為10 MHz，測試端口L1，輸出阻抗50 Ω，測試模式選擇AVG模式，然后開始依次測試A、B、C相。

3 試驗結果及分析

A相DNORM圖如圖8所示，關鍵位置、缺陷方向及嚴重程度如表1所示。

圖8 A相DNORM圖

表1 A相關鍵位置、缺陷方向及嚴重程度

在DNORM的關鍵位置定位圖中，紅色代表超出正常阻抗20%及以上，被認為是警告標志，應進行緊急處理，但若是接頭位置，則屬于正常的阻抗變化。黃色代表超出正常阻抗的10%及以上，應該在一年內對此位置進行關注監測，對比其參數變化。綠色代表正常的阻抗波動，無需處理。由A相DNORM圖形可知，電纜存在6處阻抗變化點分別位于電纜368 m、602 m、1 233 m、1 528 m、2 053 m以及2 348 m處。其中，電纜2 053 m處阻抗變化波動超出正常阻抗29.20%，且呈負極性，因此考慮該位置可能存在缺陷。

B相DNORM圖如圖9所示，其關鍵位置、缺陷方向及嚴重程度如表2所示。C相DNORM圖如圖10所示，其關鍵位置、缺陷方向及嚴重程度如表3所示。

圖9 B相DNORM圖

圖10 C相DNORM圖

表2 B相關鍵位置、缺陷方向及嚴重程度

表3 C相關鍵位置、缺陷方向及嚴重程度

經對比可知，B、C兩相DNORM圖阻抗幅值變化和關鍵位置與A相基本一致。將電纜三相阻抗測試圖合并比較，如圖11所示。電纜的A、B、C三相等長，全長3 449 m左右。使用自動帶寬調整，從三相對比圖中可以得出測試電纜A、B、C三相阻抗變化位置基本重合，分別位于368 m、602 m、1 235 m、1 527 m、2 053 m以及2 348 m左右。

根據上述測得的LIRA數據，在距離電纜首端2 053 m位置處發現顯著負極性阻抗變化。其中，A相阻抗變化波動超出正常的29.2%，B相超出正常的27.43%，C相超出正常的28.21%，因此此處可能存在老化或進水缺陷。結合電纜的絕緣狀況以及現場環境和基本情況，兩電纜終端和2 053 m處的接頭已經進行更換，但更換前兩側搖絕緣，絕緣阻值都達到千兆歐級，做完接頭后絕緣下降極為明顯，最低只有幾十兆歐，因此謹慎建議2 053 m處的接頭為缺陷隱患點。

如圖11所示，電纜首端和末端均出現了尖端區域，這是由于測試夾具連接處與電纜末端阻抗不匹配所造成的。當電纜局部缺陷處于電纜首末兩端附近時，測試系統的空間分辨率與識別靈敏度將會受到影響，可以通過增加最高測量頻率來改善此類問題[22]。

圖11 三相全長及阻抗比較測試圖

4 結 論

本文提出了一種基于寬頻阻抗譜的電纜診斷新技術，可以顯示電纜阻抗的變化，精確定位電纜故障。使用LIRA寬頻阻抗測試系統對10 kV電纜進行現場試驗驗證，測試結果表明該技術可以檢測電纜全長和接頭位置，精確定位電纜的水樹和進水受潮缺陷，而且誤差可控制到0.3%以下。此測試方法目前在國內處于現場經驗和測試數據大量積累的階段，因此針對分析數據應審慎對待。