交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣狀態(tài)試驗(yàn)技術(shù)綜述

中國鐵道科學(xué)研究院研究生部 屈 明

引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜因其安裝維護(hù)簡單、電氣性能良好等特點(diǎn)，逐步成為現(xiàn)代電力電纜的主流。但值得注意的是，隨著時(shí)間的推移，電纜壽命的“浴盆曲線”效應(yīng)開始顯現(xiàn)出來，長時(shí)間運(yùn)行的電纜的年平均故障率處于上升態(tài)勢。雖然目前電纜絕緣耐壓試驗(yàn)是考驗(yàn)電纜質(zhì)量的最直接方法，但電纜的一些局部非貫穿性的缺陷通過耐壓試驗(yàn)不一定能發(fā)現(xiàn)，新竣工的電纜帶電運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生故障的案例并不少見。近年來，電纜各種絕緣狀態(tài)評估技術(shù)開始興起，并在一些項(xiàng)目中取得了明顯效果。因此有必要對電纜結(jié)合運(yùn)行年限、運(yùn)行環(huán)境以及同批次、同型號電纜及附件缺陷故障情況，選取現(xiàn)有的絕緣狀態(tài)診斷檢測方法，對電纜進(jìn)行系統(tǒng)化試驗(yàn)。

1.電纜絕緣性能耐壓試驗(yàn)方法

1.1 工頻耐壓

工頻試驗(yàn)是最為有效的電纜耐壓試驗(yàn)手段。作為大電容負(fù)載的電纜要求工頻試驗(yàn)電源須具備相當(dāng)大的容量與重量，導(dǎo)致試驗(yàn)裝置成本高、不便于運(yùn)輸。因此工頻耐壓試驗(yàn)主要用于試驗(yàn)室，而并不適用于現(xiàn)場試驗(yàn)。

1.2 直流耐壓

試驗(yàn)設(shè)備容量小、電壓輸出高，直流耐壓試驗(yàn)并不能模仿運(yùn)行狀態(tài)下電纜承受的電壓，直流電壓下,電場強(qiáng)度是按照電阻率分布,而XLPE電纜層中的材料電阻率分布是不均勻的,這可能在直流試驗(yàn)過程中出現(xiàn)絕緣層有的地方電場強(qiáng)，有的地方電場弱，導(dǎo)致局部絕緣擊穿；此外，直流電壓試驗(yàn)后交聯(lián)聚乙烯電纜會(huì)有空間電荷累積，在該電纜投入運(yùn)行時(shí)殘留的直流電荷會(huì)疊加在交流電壓上造成電纜運(yùn)行電壓高于其額定電壓，加速電纜的絕緣老化。根據(jù)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電纜，當(dāng)不具備條件時(shí)，允許直流耐壓試驗(yàn)及泄露電流測量代替交流耐壓試驗(yàn)。

1.3 超低頻耐壓

0.1Hz超低頻試驗(yàn)裝置輸出電壓波形為0.1Hz正弦波或余弦方波。低頻下電纜的容性電流降低，超低頻試驗(yàn)裝置的容量理論上能降低至工頻電源的 1/500?？梢姵皖l試驗(yàn)裝置的體積小、重量輕，非常適用于電纜的現(xiàn)場試驗(yàn)，但目前受技術(shù)限制僅適用于中壓35kV以下電纜，而且試驗(yàn)電壓高對于電纜可能會(huì)產(chǎn)生損傷。根據(jù)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電纜，當(dāng)不具備條件時(shí)，允許有效值為3U0的0.1Hz電壓施加15分鐘代替交流耐壓試驗(yàn)。

1.4 變頻串聯(lián)諧振耐壓

變頻串聯(lián)諧振法的試驗(yàn)回路由高壓串聯(lián)諧振主回路和變頻調(diào)壓回路組成。它的工作原理是：用電抗器和被試電纜組成高壓串聯(lián)諧振的主回路，由變頻器調(diào)節(jié)勵(lì)磁變壓器的電壓頻率從而使主回路達(dá)到諧振狀態(tài)，發(fā)生諧振時(shí)電路的優(yōu)點(diǎn)是源的激勵(lì)功率僅為電纜上電功率容量的1/Q，在被試電纜上可以獲得Q倍于勵(lì)磁電壓的試驗(yàn)電壓，其中品質(zhì)因數(shù)Q值在30到50之間，大大降低了對試驗(yàn)裝置的要求，減小了試驗(yàn)裝置的體積和重量，比較適合現(xiàn)場試驗(yàn)。鑒于國內(nèi)外十幾年來采用變頻諧振耐壓的成功經(jīng)驗(yàn)，業(yè)內(nèi)已公認(rèn)交聯(lián)聚乙烯電纜采用20Hz～300Hz的諧振耐壓試驗(yàn)比其他耐壓方法更有效和便攜。根據(jù)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，新竣工的橡塑電纜應(yīng)優(yōu)選采用20Hz～300Hz交流耐壓試驗(yàn)。

2.電纜絕緣狀態(tài)診斷檢測方法

2.1 超低頻介質(zhì)損耗檢測

介質(zhì)損耗因素（tanδ）是用來描述介質(zhì)材料絕緣性能的重要參數(shù)之一，tanδ越大的絕緣材料其漏電損耗越大。tanδ與測試電源電壓ω、角頻率w、電容C、并聯(lián)等效電路的絕緣電阻R有如下關(guān)系：

tanδ =1/(ωRC)

由于R和C基本不隨頻率變化，因此，當(dāng)頻率變小時(shí)，tanδ會(huì)變大，因此，在低頻下應(yīng)有較大的介質(zhì)損耗因素。超低頻電壓下測試XLPE電纜的介質(zhì)損耗角正切值是目前國際上普遍采用的診斷交聯(lián)電纜整體絕緣老化、受潮以及尤其是發(fā)生水樹枝劣化的檢測手段，且測試本身不會(huì)對電纜造成傷害的先進(jìn)技術(shù)。IEEE P400.2/D11 規(guī)定，可通過“tanδ 平均值(VLF-TD)”、“tanδ 變化率(VLF-DTD)”、“tanδ 隨時(shí)間穩(wěn)定性(VLF-TDTS)”三個(gè)指標(biāo)來評價(jià) XLPE 電纜劣化狀況。

在0.5U0、U0、1.5U0電壓下測量介質(zhì)損耗因數(shù)（TD），并計(jì)算介質(zhì)損耗因數(shù)變化率DTD，計(jì)算公式為DTD = TD（1.5U0）－TD（0.5U0）。每一個(gè)步進(jìn)電壓下應(yīng)至少完成6次介質(zhì)損耗因數(shù)測量，電源頻率為0.1Hz時(shí)，兩次測量之間應(yīng)間隔10s。介質(zhì)損耗因數(shù)時(shí)間穩(wěn)定性表征在恒定電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)隨時(shí)間的變化情況。在介質(zhì)損耗因數(shù)時(shí)間穩(wěn)定性定義為某一特定電壓（U0）下介質(zhì)損耗因數(shù)測量值的標(biāo)準(zhǔn)差。

以VLF-TD、VLF-DTD和VLF-TDTS的絕對值作為評價(jià)指標(biāo)，或者根據(jù)與歷史數(shù)據(jù)做比較的結(jié)果，IEEE標(biāo)準(zhǔn)將電纜絕緣的狀態(tài)分為如下3種：

2.2 振蕩波局放檢測

電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān)，局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣一定存在著可能危及電纜安全運(yùn)行壽命的缺陷，IEEE、IEC 等國際電力方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)一致認(rèn)為現(xiàn)場準(zhǔn)確檢測 XLPE電纜的局部放電量，是當(dāng)前判斷該電纜絕緣品質(zhì)的最佳試驗(yàn)方法。

近幾年，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明：振蕩波電壓法與交流電壓法具有良好的等效性。振蕩波局部放電測量系統(tǒng)逐漸成為了當(dāng)前XLPE 電纜絕緣狀況診斷的熱門研究課題。振蕩波檢出局部缺陷的實(shí)時(shí)性好，靈敏度高，預(yù)警能力強(qiáng)；測量結(jié)果與絕緣狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度高，能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣性能的定量評價(jià)；而且由于加壓時(shí)間僅為幾十毫秒，不會(huì)造成電纜絕緣損傷。振蕩波試驗(yàn)方法的基本思路是首先對試品電纜進(jìn)行充電，利用電纜等值電容與電感線圈的串聯(lián)諧振原理，使振蕩電壓在多次極性變換過程中電纜缺陷處會(huì)激發(fā)出局部放電信號，通過高頻耦合器測量該信號達(dá)到檢測目的，振蕩波試驗(yàn)系統(tǒng)具有試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間短，設(shè)備輕便易于攜帶和現(xiàn)場操作，可有效檢測 XLPE 電纜中的各種缺陷。對于新敷設(shè)電纜測試，可以為未來的測試提供一狀況基準(zhǔn)，對于老舊電纜測試，可以與先前測試結(jié)果作比較，了解絕緣變化速率。DL1576標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10到35kV電纜判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：

新投運(yùn)及投運(yùn)1年以內(nèi)的電纜線路：最高試驗(yàn)電壓2U0，接頭局部放電超過300pC、本體超過100pC應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換；終端超過3000pC時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。

已投運(yùn)1年以上的電纜線路：最高試驗(yàn)電壓1.7U0，接頭局部放電超過500pC、本體超過100pC應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換；終端超過5000pC時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。

振蕩波測試系統(tǒng)（OWTS）另一主要優(yōu)點(diǎn)是對局放源的定位。振蕩波測試系統(tǒng)按下邊公式計(jì)算局部放電發(fā)生位置距檢測端的距離：

式中：

Lc—— 被測電纜全長；

v —— 電纜中的波速度；

Δt —— 放電點(diǎn)處產(chǎn)生的局部放電信號分成兩個(gè)相等的脈沖信號并沿相反方向傳播，兩個(gè)脈沖到達(dá)測量端的時(shí)間差。

2.3 特高頻局放檢測

特高頻法（UHF）法是目前局部放電檢測的一種新方法，是通過檢測、分析局部放電過程中所輻射電磁波信號的頻譜，可以了解局部放電源的幾何形狀及放電間隙的絕緣強(qiáng)度；當(dāng)電纜組件在供電狀態(tài)下發(fā)生局部放電時(shí)，放電脈沖產(chǎn)生的高頻電磁信號向外輻射，特高頻局放設(shè)備通過采集電磁信號，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理，產(chǎn)生放電量、放電概率和放電可信度三個(gè)定量結(jié)果，根據(jù)三個(gè)定量結(jié)果進(jìn)行判定。其主要的優(yōu)點(diǎn)可進(jìn)行移動(dòng)檢測，適用于在線檢測。

3.結(jié)語

常規(guī)電纜耐壓試驗(yàn)盡管能夠檢測出電纜的缺陷，但過高的電壓也會(huì)對完好的電纜造成不必要的傷害，而且長距離電纜串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備體積重量也很大。先進(jìn)的電纜檢測技術(shù)應(yīng)兼顧便捷性、安全性與等效性。筆者建議吸收國外標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性內(nèi)容，制定或更新國內(nèi)電纜交接與預(yù)防性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，充分利用現(xiàn)代化的電纜線路狀態(tài)檢測新技術(shù)，通過多方法絕緣診斷的實(shí)施流程，從而形成一套有效的高壓電纜安全檢測及預(yù)防性試驗(yàn)機(jī)制,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜劣化情況，判斷電纜故障類型，定位電纜故障區(qū)域，保證迅速維護(hù)維修和更換，減小事故損失。

參考：陳斌，霍光，交聯(lián)電纜耐壓試驗(yàn)方法的探討：電氣應(yīng)用，2010；張宗喜，曾宏，方欣，白歡，李亞偉，電力電纜絕緣整體老化測試技術(shù)的研究及應(yīng)用：中國電業(yè)（技術(shù)版），2016；徐文，振蕩波局部放電檢測對耐壓試驗(yàn)的補(bǔ)充：中國電力教育，2011。