交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣診斷方法研究

李華

(國網(wǎng)四川達(dá)州電力公司，四川 達(dá)州 635000)

1 引言

近年來，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜因其絕緣性能出色、結(jié)構(gòu)輕巧、敷設(shè)便捷等優(yōu)點在電網(wǎng)中獲得大量應(yīng)用，年敷設(shè)平均增長率達(dá)到35%以上，國家電網(wǎng)公司在2008年投入運行的110kV XLPE電纜已達(dá)4600公里，220kV XLPE電纜超過890公里，且敷設(shè)量逐年增加;杭州2012年底在線運行的110kV及以上XLPE電纜超過484km，市區(qū)中心電纜化率達(dá)到95%以上［1－3］;上海地區(qū)110kV及以上電壓等級的高壓電纜線路超過500回［4］，并計劃建成新的地下電網(wǎng)通道用于長距離敷設(shè)高壓電纜等。電網(wǎng)中XLPE電纜使用量的逐年增加使得確保電纜安全穩(wěn)定運行的愈發(fā)重要起來。文獻(xiàn)［5］針對我國多座城市多起高壓電纜事故進(jìn)行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)電纜線路故障率占到電氣設(shè)備全部統(tǒng)計事故的28%，是引起電網(wǎng)事故從而造成直接經(jīng)濟(jì)損失的重要原因，其中電纜的絕緣性能又是影響其可靠性的關(guān)鍵因素。XLPE電纜絕緣性能雖然優(yōu)秀，但其存在絕緣氣隙與突起等局部缺陷，在長期運行過程中必然會受到電、熱、機(jī)械效應(yīng)等外界不利因素影響，使得電纜容易發(fā)生水樹、電樹等絕緣老化現(xiàn)象，若不及時監(jiān)控與維護(hù)很有可能導(dǎo)致絕緣擊穿事故的發(fā)生。一般而言XLPE電纜運行超過5年后因自身絕緣老化及外界因素影響造成的絕緣故障率會明顯上升［6］，因此準(zhǔn)確掌握XLPE電纜絕緣狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)隱患并及時處理，對電力負(fù)荷安全傳輸有著瓶頸式的制約作用，對保障電網(wǎng)可靠運行更是具有決定性意義。

2 XLPE電纜絕緣老化機(jī)理

XLPE電纜的主要老化形態(tài)有水樹枝老化、局部放電老化、電樹枝老化三種，而水樹枝老化與局部放電老化最終都會發(fā)展成電樹枝老化并造成絕緣擊穿［7］，下面對高壓XLPE電纜絕緣老化機(jī)理三個方面分析。

2.1 水樹枝老化

現(xiàn)階段水樹枝尚未有明確的定義，一般認(rèn)為水樹枝是交聯(lián)聚乙烯絕緣發(fā)生降解的一種現(xiàn)象，是水分侵入XLPE電纜主絕緣后在交變電場作用下形成的類似樹枝狀的細(xì)微縫隙或通道。

水樹枝的特點及表現(xiàn)形式為:水分和交流高頻電場是產(chǎn)生水樹的必要條件;溫度越高，水樹越易發(fā)生;絕緣層缺陷是水樹形成的起點;水樹枝具有永久性;發(fā)生水樹的電纜部位會產(chǎn)生機(jī)械變形等。

目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通常按照水樹枝產(chǎn)生起點的不同把其分為三類:

表1 水樹枝分類

水樹產(chǎn)生與發(fā)展受多種因素影響且過程較為緩慢，其具體發(fā)展過程機(jī)理尚未有確切定論，但從外部侵入電纜絕緣中的水分在電場作用下產(chǎn)生極化遷移而導(dǎo)致局部飽和是水樹形成的開始已被廣大學(xué)者所接受，在此基礎(chǔ)上，引入機(jī)械破壞理論和化學(xué)反應(yīng)理論描述水樹枝的成長階段，如水錘效應(yīng)會使XLPE高分子鏈發(fā)生斷裂，引起微孔擴(kuò)大和機(jī)械損傷及聚乙烯發(fā)生氧化反應(yīng)后導(dǎo)致水樹枝發(fā)展等?？梢钥隙ǖ氖撬畼渲ιL是電氣、化學(xué)和機(jī)械綜合影響的結(jié)果，其發(fā)展過程可用圖1進(jìn)行描述。

圖1 XLPE電纜水樹枝老化發(fā)展過程

加速老化試驗發(fā)現(xiàn)影響水樹枝發(fā)展的主要因素有:使用時間、外施電壓、針尖曲率半徑、電場頻率、溫度等。

(1)使用時間。電纜使用時間的增加會導(dǎo)致水樹長度和數(shù)量緩慢增長。

(2)外施電壓。是影響水樹生長的主要因素，電壓越高，水樹增長越明顯;

(3)針尖曲率半徑。針尖曲率半徑越小，水樹枝生長越快。

(4)電場頻率。相關(guān)研究證明:電場頻率對水樹增長有促進(jìn)作用，同等條件下，50Hz生長的水樹僅為6kHz下的4% ～20%。

(5)溫度。工作中的XLPE電纜處于熱循環(huán)狀態(tài)，所造成高溫會促進(jìn)水樹枝的生長。

目前常用交聯(lián)聚乙烯電纜水樹老化判斷方法如下:

(1)絕緣電阻。研究表明水樹老化后高壓XLPE電纜的泄露電流會增加，從而導(dǎo)致絕緣電阻急劇下降，依據(jù)表2就可進(jìn)行電纜的絕緣老化判定。

表2 用絕緣電阻判定電纜水樹老化

(2)介質(zhì)損耗因數(shù)法。高壓XLPE電纜介質(zhì)損耗角的變化可以表征電纜受潮、劣化等絕緣缺陷，因此其是一項反映絕緣性能的重要指標(biāo)。XLPE電纜在工作時可以看成是電容C和電阻R的并聯(lián)電路，且介質(zhì)損耗角正切可以表示為:

理論上交聯(lián)聚乙烯材料的tanδ=0.001%，但是實測的tanδ比理論值要大，且出現(xiàn)水樹枝后，C會變大，R會變小，從而使得tanδ增加。依據(jù)tanδ進(jìn)行電纜的絕緣老化判定如表3所示。

表3 用tanδ判定電纜水樹老化

(3)接地線電流法。高壓交聯(lián)聚乙烯電纜在工作中主絕緣層會流過電容電流，水樹老化時隨著電纜電容量的逐漸增加，接電線電流也會增大，所以通過測量接電線電流的變化也可以判定電纜的水樹老化情況。

2.2 局部放電老化

GB7354－2003《局部放電測量》中定義:局部放電是XLPE電纜導(dǎo)體與絕緣層之間部分橋接的電氣放電，它也可理解為絕緣系統(tǒng)在電場下只發(fā)生部分區(qū)域放電而未形成擊穿的現(xiàn)象。

從局部放電產(chǎn)生的位置、過程與表現(xiàn)來看，局放可分為表面局放、內(nèi)部局放和電暈放電三種。

(1)表面局部放電。交聯(lián)聚乙烯電纜高壓端因電場集中產(chǎn)生的放電，放電空間一端為絕緣層，另一端為電極。

(2)內(nèi)部局部放電。按照放電機(jī)理分為:電子轟擊形成的湯遜放電，光電離形成的流柱放電和熱電離形成的電離放電;按照放電表現(xiàn)形式可分為:脈沖型放電，輝光放電和群放電。

(3)電暈放電。通常發(fā)生在電纜導(dǎo)體周圍充滿氣體的情況下，但該種情況較為少見，因此電暈放電是電纜局部放電中最少見的一種。

局部放電產(chǎn)生的原因仍然歸于XLPE電纜絕緣內(nèi)部殘留的氣泡、雜質(zhì)或氣隙。由于這些區(qū)域的擊穿場強(qiáng)低于平均擊穿場強(qiáng)，隨著氣壓和電極系統(tǒng)的變化這些區(qū)域就會發(fā)生局部放電。

由于XLPE電纜局部放電量與其絕緣性能息息相關(guān)，所以對其進(jìn)行檢測可以發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣故障并對其使用壽命進(jìn)行預(yù)測。目前應(yīng)用較廣的幾種方法有電磁耦合法、脈沖電流法、聲發(fā)射(AE)檢測法等。

(1)脈沖電流法。IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了脈沖電流法的試驗規(guī)范，通過標(biāo)定可檢測出電纜的局部放電量。該方法具有很高的檢測敏感度，但需要連接高壓電源，不利于現(xiàn)場檢測，因此其是局放屏蔽室內(nèi)常用的測試方法。

(2)電磁耦合法。通過電磁耦合傳感器測取電纜接地線中因局部放電引起的脈沖電流，再送入分析儀得到放電量，它是最早用于電纜局部放電檢測的耦合方法之一。

(3)聲發(fā)射(AE)檢測法。高壓XLPE電纜發(fā)生局部放電時會伴有聲波發(fā)射現(xiàn)象，因此使用超聲波傳感器可檢測出電纜中的局部放電現(xiàn)象。

需要指出的是，雖然目前針對高壓交聯(lián)聚乙烯電纜的局部放電檢測技術(shù)取得了很大進(jìn)步，但是檢測精度問題仍是困擾局部放電法發(fā)展的最主要原因與瓶頸，因此如何提高局部放電信號的采集效率依然是人們需要努力的方向。

2.3 電樹枝老化

電樹老化是高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化的最終形態(tài)，水樹老化與局部放電老化發(fā)展到一定時期時都會向電樹枝轉(zhuǎn)變，電樹枝一旦產(chǎn)生，就會迅速發(fā)展并最終造成絕緣擊穿，所以研究XLPE電纜的電樹老化具有重要意義。

同水樹枝一樣，目前電樹枝的定義還未有統(tǒng)一說法，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其是發(fā)生在XLPE電纜絕緣中的電裂紋現(xiàn)象，是由于雜質(zhì)氣隙等缺陷造成的局部微擊穿，進(jìn)而形成樹枝狀放電通道。電氣學(xué)會對定義其為具有樹枝狀逐步伸展至全部路徑而擊穿的老化形態(tài)。電樹枝從出現(xiàn)到擊穿所用時間極短，嚴(yán)重威脅著電纜的安全運行，這也是電樹與水樹的主要區(qū)別之一。

目前尚未清楚電樹枝的生長機(jī)理，因此無法對其做出明確分類。相關(guān)研究結(jié)果，將電樹枝歸納為3類5種，3類分別為枝狀、混合狀和叢林狀，其中混合狀又分為枝—叢林、枝—藤枝、枝—松枝狀。同等條件下枝狀樹生長速度最快，混合樹居中，叢林狀最慢。

圖2 工頻下XLPE電纜三種電樹枝典型結(jié)構(gòu)

電樹枝是一種異常復(fù)雜的電腐蝕現(xiàn)象，無法用數(shù)學(xué)方法精確描述，因此公認(rèn)的電老化理論至今未形成，人們提出了不同的理論來解釋電樹枝的生長過程，包括氣隙放電理論、麥克斯韋—機(jī)械應(yīng)力理論、電荷注入和抽出理論、光降解理論和陷阱理論等。但是通過實驗方法可以確定影響電樹枝生長的因素包括外施電壓、頻率、殘余機(jī)械應(yīng)力、溫度等。

(1)外施電壓。外施電壓的提高會使得電樹枝會從枝狀向叢林狀過渡。

(2)頻率。在電網(wǎng)頻率小于250Hz時XLPE電纜只生成枝狀、枝—叢林、叢林狀三類電樹枝;500Hz以上則只生成稠密枝狀電樹枝狀。

(3)殘余機(jī)械應(yīng)力。誘導(dǎo)XLPE絕緣電樹枝引發(fā)時間短、生長速度快。

(4)溫度。溫度對電樹枝生長速度影響主要體現(xiàn)在XLPE材料的聚集態(tài)變化，且存在一個明顯分界，90℃以下存在一個速度峰值，90℃以上隨溫度單調(diào)上升。

應(yīng)用直流疊加法、直流成分法和介質(zhì)損耗因素法在線監(jiān)測XLPE電纜的絕緣電阻、直流電流分量及tanδ值等絕緣參數(shù)的變化來進(jìn)行電樹枝診斷是目前采用的主要方法，也是現(xiàn)在的研究熱點。但是由于現(xiàn)場檢測在國內(nèi)電力部門尚未真正推廣，應(yīng)用上述方法對高壓XLPE電纜進(jìn)行絕緣檢測存在監(jiān)測數(shù)據(jù)少，缺乏相關(guān)絕緣判據(jù)等問題，因此要對電纜的絕緣狀態(tài)及使用壽命做出準(zhǔn)確判斷還需要一段較長的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)積累過程。

3 XLPE電纜絕緣診斷與實現(xiàn)

單端接地的XLPE電纜輸電系統(tǒng)多采用中性點直接接地(可將電纜對地絕緣電壓固化在相電壓)方式，此種情況下無法在電纜線芯上疊加交流電壓或低頻電壓，目前針對單端接地XLPE電纜的絕緣在線監(jiān)測參數(shù)包括直流泄露電流、介質(zhì)損耗角正切(tanδ)、接地電容電流、局部放電量等。

由于用單一方法得出結(jié)果往往無法準(zhǔn)確進(jìn)行XLPE電纜絕緣狀態(tài)評估，從而導(dǎo)致診斷存在不確定性，從診斷角度來看，任何單一診斷信息都是模糊與不確定的，只有從多方面獲得關(guān)于電氣設(shè)備的多維信息，才能進(jìn)行更加可靠與準(zhǔn)確的診斷［8］。模糊理論在處理診斷不確定問題方面獨具優(yōu)勢，作為現(xiàn)代智能技術(shù)中重要的技術(shù)之一，其能夠運用數(shù)學(xué)方法研究和處理“模糊性”問題，鑒于高壓XLPE電纜絕緣故障現(xiàn)象和故障原因之間關(guān)系的復(fù)雜性和模糊性，應(yīng)用模糊理論作為高壓XLPE電纜的絕緣綜合評估方法十分合適。

在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，建立110kV XLPE電纜模糊綜合評估模型如圖3所示。

圖3 XLPE電纜模糊綜合評估模型

由圖3所示，首先選取合適的XLPE電纜絕緣參數(shù)組成評價因素集，運用模糊層次分析法確定好各絕緣參數(shù)權(quán)重后，再運用模糊理論對XLPE電纜進(jìn)行絕緣狀態(tài)綜合評估，當(dāng)然可將模糊綜合評估結(jié)果與電纜的故障歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后再進(jìn)行絕緣故障的最后判斷。

為驗證模糊綜合評估方法的正確性與有效性，采用對某供電局一條長約110m的110kV單芯XLPE電纜進(jìn)行絕緣狀態(tài)評估，某日監(jiān)測到的絕緣參數(shù)數(shù)值如表4所示(每隔四小時采集一次監(jiān)測數(shù)據(jù))。

表4 絕緣參數(shù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

參考預(yù)防性試驗及以往電纜絕緣判據(jù)綜合得到嶺型分布中模糊分界區(qū)間各臨界點hi(i=1，2，3，4)的取值如表5所示(換算成相對劣化度)。

表5 各絕緣參數(shù) hi(i=1，2，3，4)取值

按照各絕緣參數(shù)相對劣化度的隸屬函數(shù)分布求出各時刻的模糊評判矩陣R，限于篇幅，僅列出0時刻的模糊評判矩陣Rt=0:

求得模糊綜合評估結(jié)果:

Y=W·Rt=0=(0.7992，0.2008，0.0000)

按照最大隸屬度原則，可判斷此時電纜絕緣狀態(tài)為“良”。求得各時刻模糊評估結(jié)果后，作出絕緣狀態(tài)隸屬度時序圖如圖4所示。

由圖4可知，在該日監(jiān)測的開始階段電纜絕緣狀態(tài)為“良”的隸屬度較大，隨著時間的增加，“良”的隸屬度有所下降，但仍然大于其他評判級別的隸屬度，因此可以得出此XLPE電纜絕緣狀態(tài)良好的結(jié)論，事實證明該電纜線路在運行的三年中沒有發(fā)生任何絕緣事故，因此符合模糊綜合評判的結(jié)果。本算例若只利用介質(zhì)損耗角正切tanδ與漏電流Ig按照絕緣判據(jù)進(jìn)行單一絕緣參數(shù)診斷，則存在無法判斷電纜絕緣狀態(tài)的問題(介質(zhì)損耗角正切 tanδ判斷電纜絕緣狀態(tài)為“良”，而直流漏電流I判斷為“中”)，因此更驗證了模糊綜合評估的合理性和有效性。

圖4 絕緣狀態(tài)隸屬度時序圖

4 結(jié)論

為提高單端接地110kV XLPE電纜的絕緣診斷精度，在分析采用絕緣單一監(jiān)測方法局限性的基礎(chǔ)上，提出“絕緣綜合評估”的思想，建立了基于模糊理論的XLPE電纜絕緣綜合評估模型。該模型以模糊理論為基礎(chǔ)并結(jié)合模糊層次分析法，不僅較好地解決了各絕緣參數(shù)權(quán)重分配問題，引入的相對劣化度概念可以使建立的各絕緣參數(shù)隸屬函數(shù)更符合XLPE電纜絕緣老化實際情況，算例分析表明了該模型可有效評估XLPE電纜的絕緣狀態(tài)，為高壓XLPE電纜的絕緣診斷提供了一種新的研究思路。

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