基于多種檢測手段的高壓電纜頭絕緣放電診斷分析

趙文君，欒崇彪，馮 藩，施 逸，蔣益強，蘭 浩

(1.國網四川省電力公司宜賓供電公司，四川 宜賓 644000；2.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621000；3.國網四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著中國經濟的快速發展以及城市化進程的飛速推進，城市電網規模不斷擴大，電力電纜作為城市清潔能源的主要傳輸通道，敷設數量增長迅猛，其平均年增長量高達35%[1]。與架空裸導線相比，電力電纜具有占用土地資源少、受自然條件限制小、不影響城市美觀、運行效率高以及安全性強等優點。但當電力電纜在生產或運輸過程中存在局部缺陷時，容易導致其在運行中局部電場不均勻，長期下去引起電纜局部放電，造成安全隱患。尤其是電纜頭作為電氣連接關鍵節點，其制作工藝不良或制作操作不規范，也往往給電纜線路的安全運行帶來危害。因此，相應的保障電力電纜安全運行的局部放電檢測、診斷成像技術應運而生[2-5]。

目前電力電纜現場檢測技術中，較為簡便也較為成熟的主要包括紅外精確測溫、超聲波以及高頻電流局部放電檢測。但由于現場檢測環境的干擾以及電力電纜頭內部元件的不可視性，無法實現在運行或不解體情況下準確找出缺陷原因。下面通過對一起35 kV單芯高壓電力電纜頭絕緣放電案例進行詳細分析，利用紅外精確測溫、超聲波以及高頻電流局放檢測的有效性，創新性地引入X射線吸收襯度成像技術，輔助診斷、定性電纜頭缺陷。通過比對紅外精確測溫、超聲波和高頻電流局放、X射線吸收襯度成像的檢測結果，綜合診斷缺陷類型，分析缺陷原因。最后通過解體電纜頭，驗收上述診斷及分析的準確性。

1 X射線吸收襯度成像技術的實現

X射線吸收襯度成像技術[6-7]如圖1所示。其中，X射線源為吸收色毫米級焦斑；源光柵為微米級寬線光源，其作用為增強橫向相干性；樣品為生物組織或低密度材料等；相位光柵作用為相位周期調制且自成像條紋；分析光柵作用是將偏折角轉為透射強度或相位掃描；二維探測器像素為數十微米。

圖1 X射線吸收襯度成像技術原理

吸收襯度成像原理是通過檢測非相干疊加的光柵自成像條紋的位置移動和強度衰減等獲得樣品的吸收、相位和暗場襯度圖像。采用X射線吸收襯度暗場襯度成像技術，可將電纜內部結構以圖像形式顯示，能夠清晰準確地發現缺陷部位，為分析缺陷原因提供支撐。

2 案例檢測過程

在某110 kV變電站專業巡視過程中，發現某35 kV出線電纜C相出線電纜頭紅外圖譜特征異常，后經超聲波及高頻電流局放檢測論證，確診其電纜頭內部存在局部放電。為進一步查找放電點，分析放電原因，對該電纜頭開展了X射線吸收襯度暗場襯度成像分析。

2.1 紅外精確測溫

紅外精確測溫采用常見的FLIR紅外測溫儀，其中該35 kV間隔出線電纜頭A、B兩相相同位置未發現紅外圖譜異常，C相電纜頭紅外熱成像[8]異常圖譜如圖2所示。

圖2 紅外熱成像檢測

其中圖2(a)為設備運行狀態下紅外熱成像圖譜，從圖中可以清晰看出該電纜頭發熱現象明顯，發熱點位于第一片傘裙與第二片傘裙之間(從下至上)。為更清晰了解其溫升情況，采集圖2(a)中A點到C點直線溫度變化曲線，如圖2(b)所示。圖2(b)中A點像素點為1，B點像素點為303，C點像素點為150(溫度最高點)。圖2(b)中C點溫度為26.4 ℃，環境溫度小于8.3 ℃，則其同設備同材質溫升大于18.1 K，依據DL/T 664—2016《帶電設備紅外診斷應用規范》，判斷該電纜存在“嚴重”以上的電壓致熱型缺陷。

2.2 超聲波檢測

利用型號為PDS-T90的局部放電測試儀進行超聲波測試[9]，測試方法為：將傳感器正對圖2(a)中C點位置，并沿該電纜頭進行360°局部放電測試，測試過程中應與帶電部位保持足夠安全距離，與該電纜保持0.7 m的測試結果如圖3所示。

圖3 超聲波檢測

圖3采集兩個運行電壓周期下放電特性。從圖中可以看出，每個周期內存在兩簇放電信號，放電幅值及相位較為穩定，其中放電觸發幅值位于工頻交流正弦波上升沿上，其放電幅值在40 dB增益下高達17 mV。由此可以推斷該電纜頭存在較強的局部放電，放電類型為絕緣性放電。

2.3 高頻局部放電流檢測

用PDS-T90局部放電測試儀在該電纜屏蔽層接地軟銅線處進行高頻電流局部放電檢測[10-11]。檢測結果表明，該電纜存在絕緣性放電，其放電幾乎覆蓋整個周期相位。局部放電相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)和脈沖序列相位分布(phase resolved pulse sequence，PRPS)圖譜如圖4所示。根據圖譜特征判斷為絕緣性放電，與超聲波檢測結果一致。

圖4 高頻局部放電電流檢測

2.4 X射線吸收襯度成像檢測

為進一步驗證該電纜放電特征，研究局部放電作用下電纜絕緣層老化、放電通道形成機理，以及不良工藝情況下導致裂紋等缺陷的圖形成像特征，對該故障電纜頭進行X射線吸收襯度(暗場襯度)成像檢測，其檢測結果如圖5所示。

圖5 X射線吸收襯度成像檢測

圖5(a)為存在絕緣放電缺陷的35 kV電纜頭。根據紅外熱成像、超聲波以及高頻局放電流檢測結果，圖中黑色方框區域存在局部放電缺陷，并對該區域進行X射線暗場襯度檢測。根據不同照射劑量，其成像結果不同，圖5(b)的照射劑量為15 mR，圖5(c)的照射劑量為30 mR。通過對比分析，發現圖5(c)距離屏蔽層接地軟連接纏繞處朝左處存在明顯淡色區域，該區域形成主要是該處材料對X光吸收與周圍材料吸收程度不同而影像顯示差異。

根據該35 kV單芯電纜結構可知，該淡色區域處應為半導體應力管覆蓋在電纜本體半導體層上，兩者材料相同，用于均勻電場，改善電場分布，避免局部放電發生。由于電纜頭在制作過程中未嚴格按照標準工藝進行安裝，導致設備在運行過程中產生局部放電。

3 解體及分析

為確定放電位置，分析放電原因，對該故障電纜頭進行解體，發現其半導體應力管表面與護套絕緣之間存在放電，其表面有大量放電電痕，導致現場紅外精確測溫圖譜異常，見圖6(a)所示。對半導體應力管解體時，發現其半導體應力管與電纜頭本體半導體層之間未直接相連，存在1～2 mm縫隙被填充膠填充，半導體應力管未起到均勻電場作用產生絕緣放電，見圖6(b)所示。

圖6 放電(發熱)位置解體

4 結 論

綜上所述，此次絕緣放電原因為電纜頭半導體應力管未覆蓋在電纜本體半導體層上，導致其電場分布不均，引起電纜頭絕緣放電。

紅外精確測溫、超聲波檢測以及高頻電流局部放電檢測是檢測高壓電纜頭缺陷的常用方法，能夠準確發現運行過程中較為嚴重的絕緣性放電缺陷。X射線吸收襯度成像技術能夠有效輔助診斷，定性電纜頭缺陷，同時對電纜絕緣層孔洞、裂紋等微工藝缺陷進行直觀檢測。所提方法成功實現了X射線吸收襯度成像技術對電纜頭內部工藝性缺陷可視性診斷，為推進X射線對運行設備內部可視性分析奠定基礎。