電力電纜的在線檢測(cè)技術(shù)綜述

李在友

(神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

1 引言

過去，我國廣泛使用的預(yù)防性試驗(yàn)是采用定期停電的試驗(yàn)方法，屬離線試驗(yàn)。隨著供電可靠性的要求越來越高，這種停電試驗(yàn)越來越不適應(yīng)電力生產(chǎn)和供應(yīng)的實(shí)際要求。因此研究交聯(lián)聚乙烯電纜在線檢測(cè)，可及時(shí)對(duì)電纜進(jìn)行合理的維護(hù)、檢修及更換，對(duì)保證電纜可靠運(yùn)行具有重要的意義［1］。如何找到一種切實(shí)可行的在線檢測(cè)方法成為急需研究的問題

2 結(jié)構(gòu)及各部分作用

在制造技術(shù)方面，70年代末，XLPE制造方面又有了更大發(fā)展，出現(xiàn)了新型的半導(dǎo)電屏蔽材料及超凈絕緣材料，使絕緣體中的雜質(zhì)含量進(jìn)一步減少，在工藝上又引進(jìn)了多層共擠法，減少了層間界面，使XLPE絕緣電纜局放電量大為下降，為XLPE電纜的更大規(guī)模發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在半導(dǎo)電屏蔽方面，最初在XLPE絕緣電纜上使用的是涂石墨層布帶繞包在絕緣上，這種方法由于界面問題，使得電纜局部放電很大，電纜一旦進(jìn)水，水分直接和絕緣接觸，易引發(fā)水樹和電樹。以后半導(dǎo)電屏蔽使用三層同時(shí)擠出工藝，材料采用XLPE，且在材料中加入防水樹劑和防電子發(fā)射劑，使得電纜性能更加優(yōu)越。

XLPE絕緣電纜結(jié)構(gòu)［2］由內(nèi)向外一般分為7層:導(dǎo)體、內(nèi)層半導(dǎo)體層、絕緣層、外層半導(dǎo)體層、護(hù)套、保護(hù)層和石墨涂層，如圖1所示。

圖1 單芯交聯(lián)聚乙烯電纜結(jié)構(gòu)圖

交聯(lián)聚乙烯電纜和油浸紙統(tǒng)包電纜在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別除了相間主絕緣是交聯(lián)聚乙烯材料以及線芯形狀是圓形之外，還有兩層半導(dǎo)體屏蔽層。第一層半導(dǎo)體層可以克服導(dǎo)體電暈以及電離放電，使芯線與絕緣層有很好的絕緣;第二層半導(dǎo)體膠同時(shí)擠包了一層0.1mm的薄銅帶，它們組成了良好的相間屏蔽層，保護(hù)電纜使之幾乎不能發(fā)生相間故障。

3 電纜的在線檢測(cè)方法

目前預(yù)防性試驗(yàn)中規(guī)定的電纜試驗(yàn)項(xiàng)目不多，根據(jù)需要又開發(fā)出多種判定或鑒別電纜性能的試驗(yàn)方法，但對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜普遍認(rèn)為不合適進(jìn)行高壓直流試驗(yàn)，所以針對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜發(fā)展了多種在線檢測(cè)方法［2］。

3.1 直流分量法［3］

1987年，K.Sona和H.Oonishi等人對(duì)運(yùn)行后的電纜進(jìn)行了比較詳盡的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明直流分量是XLPE電纜絕緣含有水樹的標(biāo)志，據(jù)此提出了通過在線檢測(cè)直流電流來判斷運(yùn)行中交聯(lián)聚乙烯電纜老化的方法，即直流分量法，如圖2所示。

圖2 直流分量法原理圖

直流成分法測(cè)量運(yùn)行中交聯(lián)聚乙烯電力電纜絕緣中的“水樹狀”［4］劣化狀態(tài)，直流疊加法測(cè)量運(yùn)行中電纜直流絕緣電阻。前者以在線檢測(cè)水樹枝在工頻交流電場下因“整流效應(yīng)”所產(chǎn)生的微弱直流電流作為絕緣老化的判據(jù);后者是采用對(duì)運(yùn)行中的電纜絕緣疊加一個(gè)小直流電勢(shì)，然后在電纜屏蔽層接地回路中測(cè)出所產(chǎn)生的直流電流的方法來獲知電纜的直流絕緣電阻。

研究表明［5］，水樹枝發(fā)展愈長，直流分量也就愈大，而且電纜的直流分量與直流漏電電流及交流擊穿電壓往往具有較好的相關(guān)性，水樹枝的發(fā)展，泄漏電流的增大會(huì)導(dǎo)致電流擊穿電壓的下降。

此方法在現(xiàn)場測(cè)量時(shí)經(jīng)常碰到的問題是當(dāng)電纜屏蔽接地化學(xué)電動(dòng)勢(shì)較大而護(hù)套絕緣電阻較小時(shí)，會(huì)在檢測(cè)回路形成較大干擾電流，使得檢測(cè)電流被干擾電流淹沒。解決的方法如下:

(1)可以采用改接線的方法。用電容阻斷接地化學(xué)電動(dòng)勢(shì)通過護(hù)套絕緣的通路，但改接線可能難以被電力部門的操作規(guī)程所允許，故在應(yīng)用中要受到一定限制。

(2)采用補(bǔ)償電勢(shì)法來消除干擾電流。此方法需要良好的補(bǔ)償電勢(shì)源微調(diào)性能和微電流檢測(cè)儀測(cè)量精度，在應(yīng)用于現(xiàn)場檢測(cè)時(shí)，有很好的可取性。

3.2 直流疊加法［6］

直流疊加法是在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加上低壓直流電壓(通常為50V)，此直流電壓與電纜絕緣上原有的交流相電壓疊加，從而測(cè)量通過電纜絕緣層的微弱直流電流或其絕緣電阻，其測(cè)量原理見圖3。

圖3 直流疊加法檢測(cè)原理

由于直流疊加法是在交流電壓上疊加50V直流電壓，這樣在帶電的情況下測(cè)得的絕緣電阻與停電后再加直流高壓時(shí)的檢測(cè)結(jié)果相近。但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性并不好，分散性相當(dāng)大。

3.3 交流疊加法［7］

該方法是在電纜屏蔽層上疊加一個(gè)交流電壓(頻率=工頻頻率*2+1Hz)測(cè)檢出1Hz的特征電流信號(hào)，從而判斷電纜的老化程度，交流疊加法檢測(cè)原理見圖4所示。

圖4 交流疊加法檢測(cè)原理

試驗(yàn)表明，在給老化電纜屏蔽層上疊加不同頻率的交流電壓時(shí)，當(dāng)電壓頻率100Hz時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的特征電流。進(jìn)一步的研究表明，該特征電流只在老化的電纜上產(chǎn)生，對(duì)于新電纜并不產(chǎn)生特征電流，并且當(dāng)疊加電壓的頻率為101.4Hz時(shí)，特征電流達(dá)到最大值。這樣所得出的關(guān)系式為:檢測(cè)電流頻率=疊加電壓頻率－工頻頻率*2。與直流疊加法相比，交流疊加法所需電源的幅值較小，通常疊加5V的交流電壓就可得到明顯的特征電流，這使得交流疊加法能更容易地檢測(cè)出電纜老化信號(hào);另外，交流疊加法所測(cè)得的特征電流的線性化程度要比直流疊加法好得多，因而，交流疊加法不失為在線檢測(cè)電纜的一個(gè)新方法。

3.4 局部放電法［8］

國外關(guān)于XLPE電力電纜局部放電在線檢測(cè)方法報(bào)道很多，如電磁法、超聲波法及脈沖相位分析法等。本文僅從信號(hào)采集方面評(píng)述利用電纜中間絕緣連接盒的差分法和預(yù)制中間連接頭電磁耦合法進(jìn)行現(xiàn)場局部放電信號(hào)的在線檢測(cè)方法。

(1)差分法在線檢測(cè)局部放電

該方法在中間絕緣接頭連接盒外護(hù)套表面上，以金屬護(hù)套絕緣分段處為界的接頭左右兩部分分別固定兩個(gè)金屬鉑電極，外接一高阻抗，通過選用適當(dāng)?shù)淖杩?，利用差分法來檢測(cè)電纜的局部放電信號(hào)，如圖5所示。若左邊有局部放電產(chǎn)生，則右邊電纜電容充當(dāng)耦合電容的作用。同樣，若局部放電發(fā)生在接頭右邊，則左邊電容充當(dāng)耦合電容的作用。該法不必加入專門的高壓源和耦合電容，也無需改變電纜的連接，且能很好地抑制外界噪聲干擾，適應(yīng)于運(yùn)行現(xiàn)場在線檢測(cè)電纜的局部放電。

圖5 差分法檢測(cè)原理

在中間接頭絕緣連接盒處以差分法在線檢測(cè)高壓電纜局部放電的方法安全簡便，在較低頻率時(shí)能較好地排除干擾。在不超過幾兆赫茲的頻率范圍內(nèi)，該方法的靈敏度可達(dá)1pC。

(2)電磁耦合法在線檢測(cè)局部放電

該方法可應(yīng)用于10kV及以上電壓等級(jí)的XLPE電力電纜局部放電的在線檢測(cè)，其原理是在電纜中間接頭處安裝一穿心式高頻電磁耦合傳感器，將電纜本體或接頭的局部放電信號(hào)采集并傳輸?shù)骄址判盘?hào)分析儀，從而實(shí)現(xiàn)電纜的局部放電在線檢測(cè)。該方法要求在制作中間接頭時(shí)做一小小的改造，即將中間接頭金屬屏蔽連接用的銅帶直接穿過高頻電磁耦合傳感器，然后再與接頭兩端金屬屏蔽層電氣連接。由于在高壓電纜和測(cè)量回路間沒有直接的電氣聯(lián)系，從而能很好地抑制噪聲。該局放傳感器的帶寬設(shè)計(jì)為12～40MHz，這對(duì)于在線檢測(cè)電纜本體或接頭處產(chǎn)生的小于10pC的局部放電是足夠靈敏的。

在現(xiàn)有類型的10kV及以上電壓等級(jí)電纜中間接頭位置加裝電磁耦合傳感器用于電纜及附件局部放電在線檢測(cè)的方法，由于并沒有改變中間接頭的絕緣結(jié)構(gòu)，因此它安裝簡便、不影響電纜附件現(xiàn)場安裝的質(zhì)量。傳感器使用VHF(甚高頻)的頻段，能夠在運(yùn)行現(xiàn)場檢測(cè)或檢測(cè)附件低于數(shù)皮庫的局部放電量。

4 結(jié)束語

以上電纜，除了無防水層構(gòu)造卻用于被水浸泡場所的情況需注意水樹生成延長會(huì)影響絕緣性能外，具有金屬套完好無損的電纜尚無必要實(shí)施水樹老化檢測(cè)。高壓電纜附件因絕緣老化導(dǎo)致?lián)舸┰趪鴥?nèi)外不乏其例，附件的老化檢出顯然至為重要。電纜絕緣檢測(cè)新技術(shù)的開發(fā)在國外有所進(jìn)展，宜繼續(xù)關(guān)注并加強(qiáng)我國在這方面的研究。對(duì)運(yùn)行撤換下的電纜取樣測(cè)試，可獲得有益于老化檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

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［4］ 江秀臣，曾奕.一種新型交聯(lián)聚乙烯電纜在線檢測(cè)裝置的研究［J］.電力電纜，2004(4):33 －37.

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