基于振蕩波局部放電檢測的配電網(wǎng)電纜典型缺陷分析與狀態(tài)評價

謝 成，曹張潔，劉 黎，周成鋼

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

隨著城市建設的快速推進，浙江配電網(wǎng)規(guī)模日益增長，截止2017年8月底，浙江省電力有限公司共有中壓配網(wǎng)線路25 256條、228 634 km，總體電纜化率31%，其中全省A+與A區(qū)域的電纜化率分別已達99.2%，86.7%。然而，由于電纜運行環(huán)境復雜、通道運維管理相對困難、電纜網(wǎng)顯著的容性電流易引起系統(tǒng)操作過電壓，對設備絕緣造成不利影響[1]；電纜本體及附件質量的參差不齊、缺陷眾多。浙江電網(wǎng)已發(fā)生多次接頭爆裂等配電電纜故障，終端故障極易引發(fā)開關柜、環(huán)網(wǎng)柜連鎖故障，對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大挑戰(zhàn)。

DAC（阻尼振蕩波）檢測技術是應用阻尼交流電壓（俗稱振蕩波）來替代工頻交流電壓進行局部放電激發(fā)，同時進行局部放電量采集和定位的技術[2-3]?；谡袷幉夹g的OWTS（局部放電測試系統(tǒng)）在現(xiàn)場能夠有效發(fā)現(xiàn)電纜絕緣的潛在性缺陷，特別對于中間接頭、終端局部放電缺陷的檢出最為有效。近年來，該技術在國內竣工試驗及預防性試驗中得到快速推廣和應用[4-6]。

然而，為保障用戶的供電可靠性，如何在復雜多變的現(xiàn)場環(huán)境下、在有限的停電時間內對電纜健康狀態(tài)進行準確評價，并對檢修方案進行科學決策，對于現(xiàn)場基于振蕩波局放檢測的缺陷判斷來說，仍是一大難點。因此，有必要對現(xiàn)場試驗結果進行統(tǒng)計分析，針對最重要的幾類缺陷建立典型的局放特征庫，優(yōu)化調整現(xiàn)場試驗的狀態(tài)評價依據(jù)，對于提高配電電纜運維效率具有顯著的實用價值。

文中介紹了在實驗室模擬的10 kV電纜典型絕緣缺陷，通過對含人工缺陷放電源的電纜試品系統(tǒng)進行局部放電模擬及振蕩波局部放電測試，分析總結了典型絕緣缺陷的局部放電特征。結合在G20保供電期間開展的大量現(xiàn)場試驗結果，對發(fā)現(xiàn)的主要缺陷進行了分析歸類，并對基于振蕩波局部放電測試的狀態(tài)評價依據(jù)及檢修策略進行了優(yōu)化。

1 振蕩波局部放電檢測原理及試驗系統(tǒng)

1.1 基本原理

阻尼振蕩波下局部放電量測量利用局部放電頻譜中的較低頻段部分，一般為數(shù)十kHz至數(shù)百kHz。假設距離測試端x處發(fā)生局部放電，upd為放電脈沖電壓，為放電脈沖電流在測試端由檢測阻抗采集到的電壓，則放電點的局部放電量q為：

式中：a為電纜中波傳播常數(shù)；Z0為電纜特性阻抗；t0為放電脈沖的持續(xù)時間。

振蕩波電壓下的電纜局部放電定位采用時域反射法，根據(jù)電磁波傳輸反射原理，即在缺陷處產生局部放電脈沖向電纜兩端傳播，在電纜端頭處如果沒有匹配阻抗，局部放電脈沖將在端頭處反射。根據(jù)在測量端測量的第一個沿測量端傳輸?shù)拿}沖及經(jīng)另一端反射后傳回測量端脈沖的時間差，即可計算出缺陷距離測量端的距離，從而定位出缺陷部分。在振蕩波電壓下，每一個振蕩周期根據(jù)測量局部放電可測得放電幅值及此放電脈沖經(jīng)遠端反射后的脈沖幅值，計算出放電距離測量端的位置，即可繪出局部放電幅值或局部放電密集程度與電纜長度的關系曲線。

1.2 試驗系統(tǒng)

基于振蕩波局部放電的電纜試驗系統(tǒng)如圖1所示。振蕩波電壓的產生是利用直流電源先對電容充電，再閉合IGBT（高壓光觸開關），由測試儀器電感和被試電纜電容形成振蕩回路，對被試電纜逐級加壓測試并采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到電纜的局部放電特征參數(shù)和放電位置。

圖1 振蕩波局部放電試驗系統(tǒng)

在進行振蕩波局放測量前后均應開展絕緣電阻測試，對于10 kV電纜只有主絕緣電阻測試結果大于50 MΩ時才可以進行局部放電試驗，以避免振蕩波電壓直接造成電纜絕緣擊穿。局部放電測試前應采用TDR（波反射法）電纜故障定位儀測試電纜中間接頭、終端位置及電纜長度。局部放電試驗過程中應盡量減小環(huán)境噪音干擾，如有施工可要求暫停。盡量減小來自地線的干擾如電暈對電纜局部放電判定的影響。此外，為排除高壓測試電纜與被測電纜之間的接觸不良造成的人為干擾，高壓電纜與被測電纜的連接需要嚴密接觸完整。

2 典型缺陷模擬及局部放電特征分析

為提高現(xiàn)場檢測效率及缺陷判斷的準確性，在實驗室制作了5種含典型絕緣缺陷的真型試品系統(tǒng)，如表1所示。開展模擬缺陷的典型局部放電特征采集，形成阻尼振蕩波電壓下典型絕緣缺陷局放圖譜庫。

表1 典型絕緣缺陷模型

（1）復合絕緣界面間導電顆粒缺陷模型。用于產生接頭內部復合絕緣界面間的懸浮放電。電纜接頭制作需要剝削一段外半導電層，如果施工時外半導電層有殘留，或者有導電（半導電）雜質附著在主絕緣表面，會產生懸浮電位，從而引發(fā)局部放電。該缺陷是在電纜本體主絕緣和接頭預制件絕緣的交界面上放置形狀大小不規(guī)則的金屬銅顆粒。

（2）主絕緣切向氣隙缺陷模型。用于產生接頭內部電纜本體主絕緣存在氣隙所引發(fā)的放電。電纜接頭制作需要剝削一段外半導電層，為了使該段主絕緣上不殘留外半導電層，需要用砂紙沿著主絕緣切向打磨，如果打磨深度控制不良，會在主絕緣上形成長條形氣隙，產生集中電場，從而引發(fā)局部放電。該缺陷在外半導電層斷口與金屬壓接管之間的電纜主絕緣表面上沿著切向劃出長條形氣隙。

（3）外半導電層斷口處半導電尖端缺陷模型。用于產生接頭內部復合絕緣界面間從主絕緣表面向導體壓接管方向的沿面放電。電纜接頭制作剝削一段外半導電層時，斷口處如果處理不當，可能會有半導電突起，產生集中電場，沿主絕緣表面向導體壓接管方向爬電。該缺陷在處理好的外半導電層斷口處涂抹半導電漆并烘干形成尖端形狀。

（4）預制件安裝錯位缺陷模型。用于產生因接頭應力錐與外半導電層斷口間錯位脫離引起的電場集中所造成的界面爬電。預制式接頭安裝時，其應力錐端部應與電纜外半導電層斷口緊密壓接，為保證安裝質量，應力錐相對位置都留有一定的余量，若使一端外半導電層斷口伸出應力錐尾部，就會產生電場集中，在界面處產生爬電。該缺陷在接頭預制件安裝時，有意使一端外半導電層斷口伸出應力錐一定距離形成錯位。

（5）高電位尖端缺陷模型。用于產生接頭內部裸露的高電位尖端因電場局部集中而引起的尖端放電。交聯(lián)電纜生產中，若導體線芯絞制工藝控制不良，導體表面就會出現(xiàn)較大的毛刺；接頭安裝時，電纜導體線芯間壓接用導體連接器表面未處理光滑，也會存在金屬毛刺、尖端或棱角。導體帶高壓電時，這些裸露的高電位尖端由于電場集中就會產生尖端放電[7-9]。該缺陷在導體壓接管外部的導體線芯上用細銅絲捆扎形成一個金屬尖端，同時電纜導體附近的絕緣退至接頭內高壓屏蔽之外。

試驗搭建了如圖2所示的含人工缺陷放電源的電纜試品系統(tǒng)，由長455 m的成盤長試樣，通過屏蔽波紋軟管和高壓導線，與長約13 m的含人工模擬缺陷接頭的短試樣串聯(lián)而成。圖2中的ZD1，ZD2，ZD3和ZD4為裝有應力錐和傘裙環(huán)的終端頭。對接頭1采取均壓處理以保證試驗無局放。分別對5種缺陷模型進行振蕩波局部放電試驗，得到如表2所示的典型缺陷的放電特征。

3 現(xiàn)場檢測的典型缺陷分析

3.1 杭州電網(wǎng)檢測概況

2016年杭州電網(wǎng)為確保G20峰會期間電纜運行整體可靠性，對保供電重點區(qū)域及部分電網(wǎng)薄弱區(qū)域總計266回10 kV配電電纜開展了以振蕩波局部放電檢測為主的現(xiàn)場試驗，并根據(jù)表1建立的典型缺陷放電特征輔助現(xiàn)場缺陷判斷。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，總結在運電纜主要問題為4類：

圖2 含人工模擬缺陷接頭的電纜試驗樣品示意

表2 典型絕緣缺陷的局部放電特征描述

（1）熱縮電纜終端的老化問題。部分熱縮式、預制式電纜終端運行年限較長，平均為10～15年，已經(jīng)嚴重老化，應力控制材料出現(xiàn)明顯裂痕、劣化現(xiàn)象，常伴有明顯的放電燒灼痕跡。此類缺陷共計46起，在在運電纜缺陷中占36%。

（2）冷縮式應力管握力衰減問題。冷縮式電纜終端采用應力管結構設計，但其握緊力明顯不足，導致電纜半導電端口的應力控制不足，電場畸變嚴重，產生明顯的局放現(xiàn)象。此類缺陷共計28起，在在運電纜缺陷中占22%。

（3）電纜附件施工工藝問題。電纜附件在施工時造成的輕度絕緣劃傷、半導電剝離距離不足等，經(jīng)過一段時間運行造成局放現(xiàn)象的產生。此類缺陷共計14起，在在運電纜缺陷中占11%。

（4）電纜內部及線芯進水問題。電纜線路浸水運行致使電纜接頭內部進水，導致線路絕緣電阻降低以及因接頭內部的電場變化而產生的局部放電。此類缺陷共計39起，在在運電纜缺陷中占31%。

3.2 典型缺陷局部放電特征

（1）熱縮式終端復合界面混合缺陷。某運行15年、總長為413 m的配電電纜，測試端為熱縮戶內終端，對端為冷縮戶內終端。A、B兩相均在1.5U0下開始檢測到局部放電信號，放電幅值最大分別為2 052 pC、1 929 pC，且均在1.7 U0下放電量達到最大，放電幅值最大均為2 245 pC；C相在1.2 U0下開始檢測到局部放電信號，放電幅值最大為2 210 pC，在1.7 U0下放電幅值最大為2 122 pC。三相放電源均定位于測試站電纜終端處。對放電譜圖進行分析發(fā)現(xiàn)，三相放電均集中在 10°～80°， 落在第一象限， 90°～360°相位下沒有發(fā)現(xiàn)放電信號。解剖測試端電纜終端后發(fā)現(xiàn)：該熱縮式終端用老式剝削工藝處理外屏蔽層，半導電屏蔽層剝削斷口參差不齊，絕緣表面極度不平滑，應力管及主絕緣有明顯老化裂痕與褶皺，如圖3所示。

圖3 絕緣老化裂痕及應力管內部褶皺

（2）冷縮式終端應力管管握力衰減缺陷。某運行1年、總長為485 m的配電電纜，測試端為冷縮戶戶內終端。A、C兩相均在1.5 U0下開始檢測到局部放電信號，放電幅值最大分別為562 pC與1 587 pC，且均在1.7 U0下放電量達到最大，分別為827 pC與1 600 pC。A、C兩相放電源均定位于測試端終端處，B相未檢測到局部放電信號。對放電譜圖進行分析發(fā)現(xiàn)，A相放電主要集中在 0°～90°與 180°～270°， 其中在 30°～80°，220°～230°放電量最大，正負半周放電密度明顯不對稱，正半周放電密度、幅值都大于負半周，最大放電量也大于負半周。C相放電主要集中在10°～90°， 200°～270°， 其中在 40°～60°與 80°～90°放電量最大，正負半周放電密度明顯不對稱，正半周放電密度、幅值都遠大于負半周，最大放電量也遠大于負半周。現(xiàn)場解剖后分析發(fā)現(xiàn)，冷縮式終端由于應力管握緊力不足，如圖4所示，導致電場畸變出現(xiàn)局部放電，采用23號絕緣帶繞包纏繞增加握緊力后重新開展振蕩波試驗，則未檢測到異常放電信號。

圖4 應力管繞包修復強化握緊力前后比對

（3）T型終端主絕緣未打磨缺陷。某運行5年、總長為1 833 m的配電電纜，測試端及對端均為T型終端。A與C兩相均在1.7 U0開始檢測到局部放電信號，放電幅值最大分別為6 136 pC與3 106 pC，兩相放電源均定位于測試端電纜終端處。放電譜圖分析發(fā)現(xiàn)A相放電主要集中在10°～90°與 190°～270°， 其中在 10°～90°的放電次數(shù)明顯多于190°～270°，正負半周放電密度明顯不對稱，正半周放電密度、幅值均大于負半周，最大放電量也大于負半周；C相放電主要集中在10°～90°， 180°～200°和 230°～240°， 其中在 50°～70°放電次數(shù)最多，正負半周放電密度明顯不對稱，正半周放電密度、幅值均大于負半周。經(jīng)解剖測試站電纜終端后發(fā)現(xiàn)該終端主絕緣未打磨光滑，表面粗糙，為典型的施工工藝不到位引起的絕緣缺陷，如圖5所示。

圖5 終端內電纜主絕緣未打磨缺陷

（4）中間接頭進水缺陷。某運行2年、總長為1 359 m的配電電纜在進行振蕩波局放測試時，B相在1.1 U0下開始檢測到疑似局部放電信號，放電幅值最大為716 pC，在1.7 U0下放電量達到最大，放電幅值最大為12 075 pC，定位于距離測試端381 m中間接頭處。通過放電譜圖分析發(fā)現(xiàn)，放電主要集中在 0°～90°與 180°～270°， 其中在 30°～40°與 220°～230°放電量最大， 正負半周放電密度明顯不對稱，正半周放電幅值大于負半周，最大放電量也大于負半周。解剖距離測試端381 m的中間接頭發(fā)現(xiàn)，繞包阻水鎧裝帶內有嚴重進水，接頭冷縮應力件內有輕微進水后放電痕跡，如圖6所示。

圖6 中間接頭進水缺陷解剖

4 狀態(tài)評價策略優(yōu)化

目前，浙江電網(wǎng)開展配電電纜振蕩波現(xiàn)場試驗主要參考執(zhí)行文獻[7-9]，這些標準給出了電纜本體、接頭以及終端分別對于投運年限1年以內以及1年以上的典型的參考臨界局部放電量，如表3所示。

表3 現(xiàn)行標準中典型的參考臨界局部放電量

然而，實際運行的電纜符合電力設備故障率的浴盆曲線規(guī)律[10]，即在投運初期由于設計、制造及安裝的缺陷易導致電纜故障較多，而后故障率降低并基本保持穩(wěn)定，隨著投運年限的增長，由于環(huán)境的長期影響、材料老化等引起的絕緣劣化等將使故障率升高。因此，基于電纜故障率的客觀規(guī)律以及杭州地區(qū)對于電纜供電可靠性的特殊要求，對存在局部放電的電纜線路，綜合考慮局部放電位置、投運年限和放電量水平，優(yōu)化并提出了如表4所示的基于振蕩波局放檢測的狀態(tài)評價依據(jù)。該評價依據(jù)目前已在杭州電網(wǎng)試行，有效指導了基于現(xiàn)場局部放電試驗的配電電纜狀態(tài)評價工作，推進了電纜運行維護檢修的科學決策。

表4 優(yōu)化后的基于振蕩波局放檢測的狀態(tài)評價依據(jù)

5 結論

通過開展實驗室典型絕緣缺陷的模擬及局部放電特征分析，結合大量現(xiàn)場試驗結果的統(tǒng)計分析，研究了基于振蕩波局部放電檢測的10 kV配電電纜典型缺陷與狀態(tài)評價，得到以下結論。

（1）復合絕緣界面間導電顆粒、主絕緣切向氣隙、半導電尖端、預制件安裝錯位和高電位尖端等電纜絕緣缺陷具有典型局部放電特征，通過典型特征分析及總結，對于現(xiàn)場檢測的缺陷類型判斷具有很大幫助。

（2）熱縮電纜終端的老化問題、冷縮式應力管握力衰減、電纜附件施工工藝、電纜內部及線芯進水，為目前杭州電網(wǎng)配電電纜現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)的最主要缺陷原因。

（3）綜合考慮局部放電位置、投運年限和放電量水平，細化、優(yōu)化基于振蕩波局部放電檢測的狀態(tài)評價依據(jù)，能夠有效指導配電電纜運行維護的決策。

基于振蕩波局放檢測的現(xiàn)場試驗方法能夠有效發(fā)現(xiàn)配電電纜的絕緣放電缺陷，然而對于電纜進水、受潮引起的水樹枝及絕緣老化尚未形成局部放電的缺陷檢測存在一定的局限性。因此，后續(xù)在開展振蕩波局部放電的同時，將研究如何結合介損測量等其他手段來擴大缺陷檢出的范圍，提升基于現(xiàn)場檢測的電纜狀態(tài)評價的有效性。