基于0.1 赫茲超低頻介損和局放檢測技術(shù)的10 千伏電纜狀態(tài)評價研究

國網(wǎng)四川成都供電公司 李杰 曾建 王燦 陳麗莉 廖江 王云

由于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜具有良好的絕緣強度和機械性能，被廣泛地應(yīng)用于城市配網(wǎng)。然而，在實際應(yīng)用過程中，由于部分配電電纜運行環(huán)境較為惡劣，當(dāng)投運年限較長時，電纜絕緣會出現(xiàn)老化、進(jìn)水受潮、局部放電等缺陷，影響正常運行。因此，有必要對在運配電電纜的狀態(tài)檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究。

相關(guān)研究表明，當(dāng)XLPE 電力電纜的絕緣出現(xiàn)老化后，聚乙烯分子鏈中的C-H 鍵將轉(zhuǎn)變?yōu)镃=O 鍵，在外部電場的作用下，增加絕緣材料內(nèi)的極性分子基團，導(dǎo)致電力電纜的介損值tan δ 升高。同時，當(dāng)電纜絕緣受潮時，水分子的浸入也會導(dǎo)致材料內(nèi)偶極子數(shù)量的升高，進(jìn)而引起介損值tan δ 升高，由此可見，通過檢測電力電纜的介損值tan δ 能夠有效地反映電纜絕緣的老化和受潮程度。此外，當(dāng)電力電纜在制造、運輸、敷設(shè)以及制作中間接頭的過程中，由于受制作工藝、材料雜質(zhì)等多方面因素作用，電纜在運行過程中可能存在局部放電的情況，長期運行時，會引起絕緣層出現(xiàn)電樹脂老化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。綜上所述，通過檢測電力電纜的介損值tan δ和局部放電信息即可大致掌握電力電纜的運行狀態(tài)。

目前，針對配電電纜局部放電缺陷的檢測手段主要包括工頻局放檢測、振蕩波局放檢測和超低頻局放檢測。與前兩種檢測手段相比，超低頻局放檢測方式具有設(shè)備體積更小，操作便捷，能夠在同一外施電壓等級下同時完成電纜的介損值tan δ、局部放電信息檢測和超低頻耐壓試驗，以及在現(xiàn)場應(yīng)用中所需檢測時間更短等優(yōu)點，并且超低頻檢測方式與工頻檢測方式等效性較高，對局放缺陷的檢出效果較好，有望在配電電纜狀態(tài)檢測現(xiàn)場得到大力推廣。

當(dāng)前，針對0.1 赫茲超低頻電壓下配電電纜狀態(tài)檢測技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用相對較少，對現(xiàn)場檢測的缺陷報道也相對較少。因此，本文主要針對超低頻介損和局放檢測的原理以及相關(guān)的現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，為0.1 赫茲超低頻檢測技術(shù)在配電電纜狀態(tài)檢測現(xiàn)場的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

0.1 赫茲超低頻配電電纜檢測技術(shù)

0.1 赫茲超低頻檢測技術(shù)能夠在同一外施電壓等級下，同步進(jìn)行電纜的介損值tan δ 和局放信息的檢測，能夠較為全面地反映電纜的運行狀態(tài)。

0.1 赫茲超低頻介損檢測原理

目前，越來越多的研究者致力于利用電力電纜的介損值tan δ 來判斷電纜的運行狀態(tài)，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，IEEE 發(fā)布了指導(dǎo)利用超低頻介損值tan δ 判斷電纜運行狀態(tài)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在0.1 赫茲超低頻介損檢測過程中，通過對電纜施加0.1赫茲的超低頻正弦電壓，檢測電壓與電流之間的相位角之差，以此計算電纜的介損值tan δ。圖1 給出了檢測的原理。理想狀態(tài)下，0.1 赫茲超低頻介損檢測電路相當(dāng)于一個電阻（R）和電容（C）相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過對該電路施加0.1 赫茲的超低頻交流電壓，檢測得到電流與電壓之間的相位差，進(jìn)而得到電纜的介損值tan δ。利用0.1 赫茲超低頻檢測的優(yōu)勢如表1 所示。

圖1 0.1 赫茲超低頻介損測量的等效電路圖和相位圖

表1 0.1 赫茲超低頻介損檢測的優(yōu)勢和注意事項

目前，國內(nèi)還沒有明確的關(guān)于0.1 赫茲超低頻介損檢測的評判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前主要采用IEEE Std 400.2TM-2013 國際標(biāo)準(zhǔn)，通過對電力電纜施加0.5U0、1.0U0和1.5U0的電壓，檢測每個電壓等級下的tan δ 隨時間穩(wěn)定性（U0下的標(biāo)準(zhǔn)偏差）、tan δ 變化率（1.5U0與0.5U0下介損平均值之差）和tan δ 平均值（1.0U0下），以上述3 個指標(biāo)作為評判電纜絕緣老化情況的特征參量。表2 給出了具體的評估區(qū)間。

表2 0.1 赫茲超低頻介損的評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2 可以看出，通過介損特征參量判定電纜的運行狀態(tài)有3 種，針對這3 種不同的運行狀態(tài)應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的檢修策略。具體檢測策略參考如下：①正常狀態(tài)。電纜運行良好，無需采取檢修措施。②注意狀態(tài)。需要定期對電纜的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測。③異常狀態(tài)。建議對被試電纜采取檢修行動（進(jìn)行更換或者故障排查）。

0.1 赫茲超低頻局放檢測的原理

當(dāng)電力電纜中存在局部場強過高點時，在該處會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生局放脈沖波，通過檢測脈沖波傳播到測試端的時間和由尾端反射后在測試端接收的時間之差，結(jié)合脈沖波在電纜中傳播的波速，可以對局放缺陷的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，該方法被稱為時域脈沖反射法。如圖2 所示。局放點的位置計算見式（1）、式（2）、式（3）。

式中v 為局放脈沖波在電纜中的傳播波速。

圖2 脈沖反射定位法

現(xiàn)場檢測情況分析

0.1 赫茲超低頻檢測方法對電纜絕緣老化、受潮和局放信息能夠?qū)崿F(xiàn)有效檢測。下面對某電力公司在現(xiàn)場的檢測案例進(jìn)行詳細(xì)分析。

現(xiàn)場檢測案例1

2018 年，某電力公司針對在運的某10 千伏配電電纜進(jìn)行了0.1 赫茲超低頻檢測，該配電電纜型號為YJV22-8.7/15-3×70，電纜總長為169 米，通過檢測該電纜的介損值tan δ 和局放信號，發(fā)現(xiàn)該電纜介損值嚴(yán)重偏高，受潮情況嚴(yán)重，在距離測試端41 米處存在一處明顯的局部放電信號。

1.介損檢測數(shù)據(jù)。

圖3 為該配電電纜現(xiàn)場檢測的介損數(shù)據(jù)。圖中L1、L2、L3分別表示電纜的A、B、C 三相，離散的數(shù)據(jù)點表示不同電壓等級下測量的8 次檢測結(jié)果，從圖中可以看出，根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013 國際標(biāo)準(zhǔn)，該配電電纜A、B、C 三相的介損值tan δ 均遠(yuǎn)大于50，并且在同一電壓等級下的部分介損值（例如L2相在1.5U0下的介損值），隨測量時間的增加呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，表明該電纜除了存在絕緣老化外還存在絕緣受潮。

針對檢測得到的介損值，提取相應(yīng)的特征參量，如表3 所示，可以看到，根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013 國際標(biāo)準(zhǔn)，該電纜介損隨時間穩(wěn)定性、介損變化率、介損平均值均處于異常狀態(tài)，表明該配電電纜處于高度風(fēng)險，需要立即采取相應(yīng)的檢修行動。

圖3 超低頻介損測量值

表3 介損特征參量

2.局部放電檢測和定位。

圖4（a）和（b）分別為該電纜A 相現(xiàn)場檢測的局放波形圖和局放定位圖。圖4 中的第一波形為局放缺陷處產(chǎn)生的向測試端傳播的脈沖波，第二個波形為向電纜對端傳播并發(fā)生反射后到達(dá)測試端的脈沖波，第三個波形為第一波形在電纜對端再次反射后的脈沖波。由該圖可以看出，在電纜A 相距離測試端41 米處存在一個明顯的局部放電信號，并且放電量達(dá)到了2219pC。

圖4 現(xiàn)場局部放電檢測情況

3.解剖情況。

根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013 國際標(biāo)準(zhǔn)，該配電電纜處于高度風(fēng)險狀態(tài)，并且存在局放缺陷。隨后更換掉并解剖該電纜。經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)，在該電纜距離測試端41 米處的中間接頭位置，絕緣層表面存在刀痕，并且存在放電現(xiàn)象，見圖5（a），由此可以判斷，該配電電纜在中間接頭的制作過程中，切剝半導(dǎo)電層時，下刀過深，導(dǎo)致絕緣層表面存在刀痕，在運行過程中出現(xiàn)氣隙放電現(xiàn)象，存在局部放電缺陷。此外，在解剖過程中還發(fā)現(xiàn)，該中間接頭的外護套內(nèi)存在大量積水，見圖5（b），導(dǎo)致電纜絕緣受潮嚴(yán)重，介損值處于異常狀態(tài)。

圖5 中間接頭解剖情況

現(xiàn)場檢測案例2

1.超低頻和振蕩波局放檢測數(shù)據(jù)。

2019 年，某電力公司采用“三合一”超低頻檢測設(shè)備對在運某10 千伏配電電纜進(jìn)行局放、介損及耐壓檢測試驗，電纜總長約為646 米。超低頻局放檢測結(jié)果顯示，該電纜A 相距離測試端170 米處存在一處局放信號，最大放電量為2500pC，見圖6。隨后利用OHV 振蕩波局放檢測設(shè)備再次進(jìn)行復(fù)測，檢測結(jié)果顯示A 距離測試端170 米的同樣位置存在局放信號，最大放電量為1600pC，見圖7，在一定程度上證明了超低頻局放檢測和振蕩波局放檢測結(jié)果的一致性。

圖6 “三合一”超低頻局放定位圖譜

圖7 OHV 振蕩波局放定位圖譜

2.解剖情況。

通過查閱臺賬發(fā)現(xiàn)，該局放點為電纜中間接頭，經(jīng)采取檢修措施后對該中間接頭進(jìn)行解剖分析。解剖結(jié)果顯示，該中間接頭銅連管大小與電纜線芯不匹配，見圖8（a），外半導(dǎo)電層剝切不均勻，見圖8（b）。

圖8 中間接頭解剖情況

結(jié)論

本文詳述了0.1 赫茲超低頻介損和局放檢測方法的原理，并對該設(shè)備在現(xiàn)場的運用案例進(jìn)行了介紹。主要結(jié)論如下。（1）0.1赫茲超低頻檢測手段能夠通過檢測配電電纜的介損值，反映電纜的絕緣老化和受潮情況，同時也能夠?qū)植糠烹娙毕葸M(jìn)行有效地檢測和定位，是保障配電電纜穩(wěn)定運行的重要檢測手段。（2）配電電纜的介質(zhì)損耗tan δ 能夠有效反映電纜的受潮情況，能夠有效反映電纜中間接頭或外護套破損等原因?qū)е碌倪M(jìn)水問題，是反映配電電纜運行狀態(tài)的重要指標(biāo)。（3）配電電纜中間接頭的制作工藝直接影響電纜的安全穩(wěn)定運行，下刀過深、外半導(dǎo)電層切剝不均勻等問題會導(dǎo)致放電，出現(xiàn)局部放電缺陷。（4）0.1 赫茲超低頻局放檢測結(jié)果與振蕩波局放檢測結(jié)果存在一致性，兩類檢測方式均能夠有效檢測出10 千伏配電電纜的局放缺陷。