中壓電纜缺陷原因及其狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

陳茂榮，楊 忠，牛海清

(1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞523129;2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州510641)

0 引言

目前城市配電網(wǎng)中的電纜主要是交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣三芯電纜。配網(wǎng)電纜數(shù)量多、負(fù)荷重，且長(zhǎng)期受高溫、高電壓、潮濕等的作用，運(yùn)行環(huán)境惡劣，加之目前中間接頭的制作過(guò)程中存在較多問(wèn)題，使得因絕緣損壞引起的電纜故障不斷增加。

本文統(tǒng)計(jì)了珠三角地區(qū)2009年1月至2011年9月期間10 kV電纜故障及其原因。統(tǒng)計(jì)表明，引起電纜故障的第一大原因是外力破壞，約占60%;第二大原因是電纜附件缺陷，占約21%;第三大原因是電纜本體缺陷，占14%。為提高直接面向用戶(hù)的中壓電纜供電可靠性，有必要研究其主要缺陷及狀態(tài)檢測(cè)方法。

除耐壓試驗(yàn)外，電力電纜的狀態(tài)檢測(cè)方法包括局部放電監(jiān)測(cè)及檢測(cè)、運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)及檢測(cè)、接地電流測(cè)量、電纜絕緣水樹(shù)的監(jiān)測(cè)、絕緣電阻和泄漏電流檢測(cè)、介質(zhì)損耗檢測(cè)等［1］。本文綜述了上述方法的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)研究了電纜局部放電檢測(cè)技術(shù)及研究應(yīng)用現(xiàn)狀，為中壓電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 電力電纜的主要缺陷

出廠試驗(yàn)合格的電纜在運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)、電纜終端及中間接頭的安裝與制作過(guò)程中，均可能因各種原因而形成缺陷。

1.1 電纜附件的主要絕緣缺陷

電纜附件包括終端頭以及中間接頭。電纜附件不是由制造廠提供完整的產(chǎn)品，而必須在現(xiàn)場(chǎng)將工廠制作的各種組件、部件和材料按照相關(guān)的工藝要求安裝到電纜上并與電纜本身結(jié)合為一個(gè)整體，這才構(gòu)成電纜的終端或接頭。因而電纜終端和接頭由工廠制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝兩個(gè)階段完成。相對(duì)于高壓電纜，配電電纜的附件生產(chǎn)門(mén)檻低，廠家的技術(shù)能力和生產(chǎn)水平參差不齊，致使電纜附件制造及安裝質(zhì)量良莠不齊。電纜附件成為中壓電纜的薄弱環(huán)節(jié)。

電纜附件缺陷主要包括應(yīng)力錐本體制造缺陷、電纜附件與本體接連不緊、金屬雜質(zhì)、絕緣中裂紋等微創(chuàng)、絕緣中潮氣氣泡等雜質(zhì)以及其他。電纜附件引起的事故統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 電纜附件缺陷原因

由表1可見(jiàn)，除外力破壞，引起配電電纜附件缺陷的兩大主要原因是附件絕緣中潮氣氣泡等雜質(zhì)和電纜附件與本體接連不緊。

1.2 電纜本體電氣絕緣缺陷

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，XLPE電纜制造水平較高，電纜本體制造質(zhì)量大幅提高。但面臨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，部分電纜生產(chǎn)商往往在電纜制造過(guò)程中盡可能地取負(fù)公差以降低制造成本，其結(jié)果是生產(chǎn)過(guò)程中稍有不慎或管理疏漏，便會(huì)導(dǎo)致電纜本體制造缺陷。

電纜本體缺陷主要有以下幾種情況:本體電氣絕緣缺陷包括絕緣偏心、厚度不均勻等生產(chǎn)質(zhì)量不良，線芯導(dǎo)體與絕緣分層，絕緣屏蔽表面突起，絕緣中裂紋等微創(chuàng)，絕緣中潮氣氣泡等雜質(zhì)以及其他。電纜本體缺陷引起故障統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 電纜本體缺陷原因

由表2可見(jiàn)，除外力破壞，引起配電電纜本體缺陷兩大主要原因是電纜絕緣中的微創(chuàng)和絕緣屏蔽表面突起。

2 電纜狀態(tài)檢測(cè)的方法及現(xiàn)狀

在工作電壓下，上述缺陷的存在可能造成電纜系統(tǒng)出現(xiàn):局部放電、沿面放電、水分滲入、加速老化、外護(hù)層受損、金屬護(hù)套老化、多點(diǎn)接地、局部過(guò)熱、懸浮電位放電、介質(zhì)損耗增大、泄漏電流中含諧波分量等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象為監(jiān)測(cè)及檢測(cè)技術(shù)提供了參考。

目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了多種XLPE電力電纜的監(jiān)測(cè)及檢測(cè)方法，其中有些方法已在運(yùn)行中得到了應(yīng)用［2］。除耐壓試驗(yàn)外，電力電纜的狀態(tài)檢測(cè)的主要方法包括如下5類(lèi)。

2.1 局部放電監(jiān)測(cè)及檢測(cè)

局部放電作為絕緣故障早期的主要表現(xiàn)形式，既是引起絕緣老化的主要原因，又是表征絕緣狀況的主要參數(shù)。局部放電與電纜絕緣狀況密切相關(guān)，局放量的變化預(yù)示著電纜絕緣中一定存在著可能危及安全運(yùn)行的缺陷。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)局部放電展開(kāi)了很多研究，主要包括局部放電檢測(cè)方法的研究、局部放電去噪方法的研究、局部放電源模式識(shí)別的研究、局部放電的定位等，取得了不少成果［3－5］。IEC、CIGRE等國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)一致推薦局部放電作為XLPE電纜絕緣狀況評(píng)價(jià)的最佳方法。

局部放電的檢測(cè)方法很多，可分為離線方法和帶電及在線方法［10］。離線式局部放電檢測(cè)需要停電數(shù)小時(shí)，且需打開(kāi)連接。在目前用電可靠性要求越來(lái)越高的情況下，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)中壓電纜一年一檢或者定期巡檢。局部放電帶電檢測(cè)或在線監(jiān)測(cè)，無(wú)需電網(wǎng)停電，在真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境(負(fù)載、溫度)中檢測(cè)局部放電或監(jiān)視其變化趨勢(shì)，有助于了解電纜絕緣的實(shí)際狀況，成為目前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。本文將在下節(jié)專(zhuān)門(mén)研究電纜局部放電的帶電檢測(cè)方法。

2.2 電纜運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)及檢測(cè)

導(dǎo)體溫度是電力電纜運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，可作為反映電纜運(yùn)行狀態(tài)的參量。運(yùn)行中的電纜導(dǎo)體溫度在技術(shù)上難于實(shí)現(xiàn)測(cè)量，利用分布式光纖測(cè)量電纜護(hù)套溫度進(jìn)而通過(guò)計(jì)算獲得其導(dǎo)體溫度，是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。澳大利亞、日本、加拿大、西班牙、以色列、阿聯(lián)酋等國(guó)家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)和電力企業(yè)對(duì)該方法進(jìn)行過(guò)理論研究和實(shí)踐驗(yàn)證，并已取得了較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［6］。國(guó)內(nèi)如國(guó)網(wǎng)電科院、北京電力公司、天津電力公司和廣州供電局、華南理工大學(xué)等均對(duì)這種方法進(jìn)行過(guò)深入研究。目前，北京、上海、天津、廣州等城市的110 kV及以上電壓等級(jí)的電纜線路上均不同程度地敷設(shè)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

雖然該測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)量距離長(zhǎng)、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，但光纖測(cè)溫對(duì)因各類(lèi)缺陷造成的局部溫升不敏感，易受敷設(shè)環(huán)境溫度、濕度影響，損壞率高等，仍然需要進(jìn)一步的應(yīng)用研究。

2.3 電纜絕緣水樹(shù)的監(jiān)測(cè)

當(dāng)XLPE電纜絕緣中存在水樹(shù)枝等缺陷時(shí)，樹(shù)枝尖端與接地電纜屏蔽層有類(lèi)似于針－板電極的整流效應(yīng)。在運(yùn)行電壓下，高壓極(電纜線芯)與低壓電極(電纜金屬護(hù)套及屏蔽接地線)之間構(gòu)成的回路，有納安級(jí)的直流分量流過(guò)。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電纜水樹(shù)枝長(zhǎng)度與直流泄漏分量有較好的相關(guān)性，水樹(shù)枝越長(zhǎng)，直流分量也就越大。直流分量法就是以水樹(shù)效應(yīng)引起的納安級(jí)的直流電流為老化判據(jù)，檢測(cè)運(yùn)行電纜的水樹(shù)狀劣化。

這種方法可以很好地發(fā)現(xiàn)集中性缺陷，由于測(cè)量的電流很小，所以在抗干擾方面要求較高。

2.4 絕緣電阻和泄漏電流檢測(cè)

在線監(jiān)測(cè)絕緣電阻和泄漏電流的方法包括直流疊加法、電橋法和低頻疊加法。直流疊加法是在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加進(jìn)低壓直流電壓(通常為50V)，使該直流電壓與施加在電纜絕緣上的交流電壓疊加，從而測(cè)量通過(guò)電纜絕緣層上微弱的納安級(jí)直流電流或其絕緣電阻。由于直流疊加法是在交流高壓上再疊以低值的直流電壓，這樣在帶電情況下測(cè)得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時(shí)測(cè)試結(jié)果很相近。由于絕緣電阻與很多因素有關(guān)，很難根據(jù)絕緣電阻值來(lái)預(yù)測(cè)電纜的老化程度。

實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)XLPE電纜中的水樹(shù)枝發(fā)展到絕緣厚度的80%以上時(shí)，才會(huì)使絕緣電阻顯著下降到“危險(xiǎn)值”，故該法雖然比較易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，但當(dāng)護(hù)層絕緣電阻太低時(shí)難以獲得準(zhǔn)確讀數(shù)。

2.5 介質(zhì)損耗檢測(cè)

電纜絕緣tgδ值的在線檢測(cè)方法，與電容型試品的在線檢測(cè)方法很相似。介質(zhì)損耗法目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)，且有大量的離線檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，只要合理改進(jìn)在線檢測(cè)的精度，即有望成為高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)的一種有效手段［7］。由于tgδ值往往反映的是普遍性的缺陷，個(gè)別的較集中的缺陷不會(huì)引起整根電纜所測(cè)到的tgδ值的顯著變化，對(duì)局部缺陷無(wú)法反映［8］。

3 中壓電纜局部放電帶電檢測(cè)方法

除電纜本體外，與電纜相連接的高壓設(shè)備內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生局部放電，通常在對(duì)電纜進(jìn)行局部放電檢測(cè)的同時(shí)，也需要對(duì)與電纜相連的分接箱、開(kāi)關(guān)柜等產(chǎn)生的本地局部放電進(jìn)行檢測(cè)，從而更加準(zhǔn)確地診斷電纜局部放電。

帶電或在線局部放電量檢測(cè)，適應(yīng)于高可靠性的要求，成為目前的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。由于篇幅所限，本文僅介紹可用于電纜線路局部放電帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)的方法。

3.1 高頻脈沖電流法

脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測(cè)方法，IEC對(duì)此制定了專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)。由于該方法測(cè)量信號(hào)頻帶較低，通常在幾十到幾十萬(wàn)赫茲范圍內(nèi)，易受背景干擾的影響，且該方法需要接高壓試驗(yàn)電源，不便于電纜局部放電在線或帶電檢測(cè)。

高頻電流法采用高頻電容傳感器(HFCT)，將HFCT傳感器卡在運(yùn)行電纜接地線上采集局部放電信號(hào)［3］。HFCT安裝方便，信號(hào)帶寬可根據(jù)檢測(cè)需要調(diào)整，可用于電纜局部放電的在線監(jiān)測(cè)，北京電力公司在奧運(yùn)保供電的應(yīng)用中取得一些成果。但HFCT僅適用于電纜外屏蔽層有接地線的情況，對(duì)于有完全屏蔽的電纜，HFCT套在電纜本體外，難以檢測(cè)到局部放電信號(hào)。與傳統(tǒng)的脈沖電流法相比，HFCT測(cè)量局部放電的頻帶響應(yīng)范圍寬，在高壓電纜和測(cè)量回路間沒(méi)有直接的電氣連接，能較好地抑制噪聲，適用于電纜敷設(shè)后的交接評(píng)審試驗(yàn)和運(yùn)行中局部放電的帶電測(cè)試和在線監(jiān)測(cè)。

3.2 地電波方法

發(fā)生開(kāi)關(guān)柜等高壓設(shè)備的局部放電會(huì)輻射出電磁波。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電磁波在空間傳播遇到金屬的柜體時(shí)，在柜體內(nèi)表面會(huì)感應(yīng)出幅值大小、頻率等參數(shù)與局部放電電磁波相關(guān)的脈沖電流。由于實(shí)際的柜體不是完全密封的，柜體屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)縫隙，柜體內(nèi)表面感應(yīng)的脈沖電流會(huì)從縫隙處傳出，然后沿著金屬柜體外表面?zhèn)鞯酱蟮兀@樣就形成了一個(gè)個(gè)暫態(tài)對(duì)地電壓。若在設(shè)備的金屬外箱殼上放置一個(gè)電容性探測(cè)器，即可實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)。

3.3 超聲波和聲發(fā)射檢測(cè)方法

局部放電的發(fā)生伴隨著噪聲的產(chǎn)生，超聲檢測(cè)法用固定在電氣設(shè)備金屬外殼上的超聲傳感器(通常采用壓電傳感器)接收到設(shè)備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波，由此來(lái)檢測(cè)局部放電的大小及位置。

局部放電的聲學(xué)檢測(cè)方法受電氣干擾小，主要用于定性地判斷局部放電信號(hào)的有無(wú)，以及結(jié)合電脈沖信號(hào)或直接利用超聲信號(hào)對(duì)局部放電源進(jìn)行物理定位。由于目前還不能確定超聲信號(hào)的強(qiáng)弱與絕緣劣化的定量關(guān)系，因而超聲檢測(cè)法在設(shè)備局部放電的帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)中，只是輔助測(cè)量手段。

3.4 無(wú)線電檢測(cè)法和超高頻(UHF)法

試驗(yàn)結(jié)果表明:局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強(qiáng)度有關(guān)。無(wú)線電檢測(cè)法常采用無(wú)線電電壓干擾儀來(lái)檢測(cè)，使用2個(gè)或2個(gè)以上的UHF傳感器，能夠較好地對(duì)局部放電源進(jìn)行定位，適用于在線檢測(cè)［9］。由于XLPE電力電纜多層屏蔽結(jié)構(gòu)和顯著的低通濾波效應(yīng)，造成UHF信號(hào)沿電纜傳播時(shí)衰減很快，該方法應(yīng)用于電纜還處于研究階段。

3.5 其它方法

除上述方法外，差分法、方向耦合法、電容耦合法是在電纜本體進(jìn)行局部的切割并植入相應(yīng)的傳感器進(jìn)行電纜局部放電的監(jiān)測(cè)。這些方法目前還處于研究階段，其使用并不影響電纜的主絕緣，適合于電纜的局部放電在線監(jiān)測(cè)。然而這些方法需要在電纜本體進(jìn)行操作，破壞了電纜的外護(hù)層和金屬護(hù)套，水分等會(huì)滲入電纜絕緣中，長(zhǎng)期運(yùn)行后可能會(huì)引起絕緣中水樹(shù)枝的生長(zhǎng)，不利于電纜的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。但若在電纜生產(chǎn)過(guò)程中就將這些傳感器植入，這些方法還是具有較好的研究?jī)r(jià)值的。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電纜狀態(tài)檢測(cè)的上述方法中，局部放電監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)獲取的絕緣信息豐富，易于實(shí)現(xiàn)，有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn);而對(duì)電纜的絕緣電阻、泄漏電流或者介質(zhì)損耗的測(cè)量，不能反映絕緣的局部缺陷。實(shí)際上，XLPE電纜的許多故障是由局部放電引起的，XLPE電纜發(fā)生局部放電時(shí)，其絕緣電阻、泄漏電流和介質(zhì)損耗往往不會(huì)發(fā)生改變。

在電纜局部放電帶電檢測(cè)方法中，高頻電流法和電磁耦合法(Rogowski線圈)的傳感器與測(cè)量回路間沒(méi)有直接的電氣連接，適用于電纜局部放電的在線監(jiān)測(cè)。超聲方法和聲發(fā)射方法，可對(duì)電纜局部放電進(jìn)行定位，但聲信號(hào)與局部放電信號(hào)間定量的關(guān)系有待進(jìn)一步研究，因而聲測(cè)法作為一種輔助手段，用于電纜終端局部放電的帶電檢查和在線監(jiān)測(cè)。超高頻方法應(yīng)用于電力電纜局部放電的監(jiān)測(cè)，適合尺寸較小的電纜附件絕緣缺陷。振蕩波方法產(chǎn)生的電源與交流電源等效性好，操作方便、易于攜帶，不會(huì)對(duì)電纜造成傷害，但試驗(yàn)時(shí)被測(cè)電纜需退出運(yùn)行，因而該方法是一種離線的局部放電的檢測(cè)方法。

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