XLPE電力電纜安全檢測評估技術(shù)綜述

1、XLPE電力電纜安全檢測評估技術(shù)綜述Overview of Safety Detecting and Evaluating Technology for XLPE Cable翁道磊Weng Daolei（廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司研發(fā)中心 廈門 361001）(R&D Center of Xiamen RedPhase Instruments Incorpration,361001)摘要：電力電纜安全檢測評估技術(shù)將交流耐壓試驗技術(shù)與局部放電測量、定位和診斷技術(shù)相結(jié)合，能夠全面測量和評估電纜的絕緣狀況，已成為電力電纜檢修手段的新方向。在綜合了國外產(chǎn)品的經(jīng)驗和考慮國內(nèi)電纜線路檢修現(xiàn)狀的基

2、礎(chǔ)上，本文提出了一種基于串聯(lián)諧振技術(shù)的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：局部放電串聯(lián)諧振定位全面評估Abstract：Power cable detecting and evaluating technology integrates ac volage withstanding test technology with partial discharge decteting ,locationg and diagnosing technology,which become new direction of maintenance for power cable.Based on the co

3、nsideration of experience on overseas production and current condition of domestic cable maintenance, this essay presents a kind of power cable detecting and evaluating system based on Series Resonance technology.Keywords：Partial Discharge; Series Resonance; Location; Full-Eveluation0 引言隨著國家經(jīng)濟(jì)和城市電網(wǎng)建

4、設(shè)的發(fā)展，城市電網(wǎng)的電壓等級也在不斷提高，110kV乃至220kV線路深入負(fù)荷中心的供電模式日趨普遍。同時，受供電走廊的限制，城市電網(wǎng)的纜化率也在不斷提高。處于惡劣運行環(huán)境中的XLPE電纜，在電、熱、機(jī)械外力、水、油、有機(jī)化合物等作用下，常常發(fā)生老化，并嚴(yán)重影響到絕緣性能?？偨Y(jié)XLPE電纜的老化原因，一般認(rèn)為局部放電、電樹枝、水樹枝的發(fā)生，是導(dǎo)致電纜及其附件絕緣性能降低的主要原因，且頻度頗高。XLPE電力電纜在正常環(huán)境中的壽命一般為2030年，然而由于敷設(shè)在電纜溝或直接埋于地下，其環(huán)境與使用狀態(tài)會極大影響電纜壽命。因此對XLPE電纜絕緣狀況采用技術(shù)手段進(jìn)行全面檢測與評估以便擬定科學(xué)的檢修策略對

5、于提高電網(wǎng)運行的可靠性和安全性具有重要的現(xiàn)實意義。1 電力電纜試驗技術(shù)現(xiàn)狀當(dāng)前，電力電纜試驗技術(shù)滯后于電力電纜制造和應(yīng)用技術(shù)。與電力電纜線路絕緣狀況檢測常見的相關(guān)項目如表1所示。絕緣電阻和介質(zhì)損耗測量受環(huán)境因素影響較大，缺少科學(xué)合理的判據(jù)。故實際應(yīng)用中往往認(rèn)為是輔助試驗,僅與耐壓試驗配合一起,作為試驗結(jié)果參考1。直流耐壓試驗主要對油紙電纜有效，而XLPE電纜具有電荷“記憶”效應(yīng)，采用直流耐壓試驗不僅無效而且對電纜絕緣有極大損傷。據(jù)統(tǒng)計:在19621999 年間,直流耐壓試驗合格后投入運行的電纜在短期內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)約占電纜運行故障總次數(shù)的43.18 %。因此國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)第21.

6、09工作組在高壓擠包絕緣電纜竣工驗收試驗建議導(dǎo)則中對直流耐壓試驗方法提出疑義，并推薦使用工頻及近似工頻(30-300Hz)的交流試驗方法。交流耐壓試驗包括0.1Hz超低頻，振蕩波以及工頻或類工頻耐壓試驗等，尤其是采用調(diào)頻式串聯(lián)諧振試驗裝置進(jìn)行交流耐壓試驗是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛，最有效的試驗方法，但其只能對電纜絕緣狀況進(jìn)行定性檢查，通過對電纜絕緣是否擊穿得出絕緣狀況好與不好的結(jié)論，無法對電纜絕緣好與不好的中間狀態(tài)進(jìn)行定量評估。表1常見的電力電纜檢修試驗項目試驗項目名稱缺點絕緣電阻測量結(jié)果與電纜絕緣相關(guān)性差。介質(zhì)損耗試驗對介質(zhì)局部缺陷反映不靈敏。直流耐壓試驗對XLPE電纜損傷較大，縮短電纜運行壽命。

7、0.1Hz耐壓現(xiàn)場試驗的有效性受質(zhì)疑。振蕩波耐壓電壓頻率和幅值不穩(wěn)定也無法精確控制，衰減比較厲害，難以滿足長電纜試驗的需要。工頻或類工頻耐壓試驗試驗電壓過高具有破壞性。長期的工作經(jīng)驗表明，上述的方法均存在著一定缺點，均不能有效的定量檢測電纜的絕緣狀況，更加無法在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全面的評估。針對以上方法的缺點，將交流耐壓試驗與局部放電測量和定位技術(shù)相結(jié)合的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今電纜絕緣測試與安全評估的重要趨勢。2 電力電纜檢測評估技術(shù)概況電力電纜安全檢測評估技術(shù)（國外稱為“局部放電Mapping系統(tǒng)”）在國外已有20余年的歷史，其研究的目的在于將交流耐壓試驗技術(shù)與局部放電測量技術(shù)相

8、結(jié)合，利用交流耐壓試驗條件下的局部放電測量結(jié)果來評估電纜的絕緣狀況，對老化的交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行狀態(tài)評估。4國內(nèi)外的運行經(jīng)驗表明：XLPE電力電纜的局部放電現(xiàn)象與其絕緣狀況密切相關(guān)，是定量分析電纜絕緣狀況的有效方法之一，如電纜絕緣介質(zhì)的樹枝化引發(fā)初期，局部放電量約0.1pC；當(dāng)樹枝發(fā)展到介質(zhì)擊穿臨界狀態(tài)時，其局部放電量可達(dá)到1000pC。因此，對XLPE電纜絕緣的局部放電進(jìn)行檢測并對局部放電定位是及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，確保電力電纜安全可靠運行的重要手段。從國外來看，比較知名的試驗設(shè)備制造商已經(jīng)廣泛地將電纜的局部放電檢測技術(shù)、定位技術(shù)與試驗技術(shù)整合起來，開發(fā)出能夠利用低壓試驗數(shù)據(jù)評估電纜質(zhì)量的新方法和

9、新設(shè)備。英國與奧地利兩家公司的產(chǎn)品采用VLF電源，如圖1所示，具有局部定位功能，能夠更加科學(xué)地評判被試電纜的絕緣狀態(tài)，科學(xué)地指導(dǎo)電纜的更換和維護(hù)工作。但是， VLF試驗技術(shù)最高電壓等級僅為40kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)日益增多的66kV 、110kV電纜的現(xiàn)場耐壓試驗的需要2。圖1采用VLF電源的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖德國兩家公司的產(chǎn)品則是使用衰減振蕩波(OWTS)技術(shù)產(chǎn)生試驗電壓，如圖2所示，同時集成局部放電定位和測量功能。但是，由于輸出電壓頻率不穩(wěn)定，幅值衰減比較嚴(yán)重，局部放電現(xiàn)象不能穩(wěn)定地再現(xiàn)，試驗結(jié)果往往不具有通用性3。圖2 采用OWTS電源的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從國內(nèi)來

10、看，國內(nèi)試驗設(shè)備制造商目前還沒有開發(fā)出采用電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用。相比國外存在一定的差距。目前我國電網(wǎng)的電纜驗收交接和檢修的質(zhì)量保證主要還是采用電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗規(guī)程規(guī)定的方法。當(dāng)電纜線路運行過程中被擊穿并發(fā)生接地故障后，往往采用電力電纜故障定位系統(tǒng)對高壓電纜進(jìn)行故障定位。但是，以上系統(tǒng)只能在電力電纜已經(jīng)發(fā)生接地故障的情況下進(jìn)行故障定位。一般來說，運行多年并已經(jīng)發(fā)生接地故障的電力電纜極有可能同時在多點存在嚴(yán)重的局部放電，即使發(fā)生接地故障后，能夠采用電力電纜故障定位系統(tǒng)迅速處理電纜線路故障，也無法對可能存在的絕緣薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行定位和預(yù)警，因此也不能有效避免突發(fā)性停電事故4

11、。3 基于串聯(lián)諧振技術(shù)的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng) 綜合以上國外產(chǎn)品的經(jīng)驗，并充分考慮國內(nèi)電纜線路檢修的現(xiàn)狀，將交流諧振耐壓試驗技術(shù)與電力電纜局部放電測量、定位和診斷技術(shù)整合在一起的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)將是一條既滿足高壓電纜交接和預(yù)防試驗要求，也能夠?qū)﹄娎|絕緣性能進(jìn)行安全檢測與評估的新型技術(shù)路線。系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用脈沖電流法（ERA）來測量局部放電。變頻電源通過頻率調(diào)節(jié)使得諧振電抗器與被測電纜的分布電容產(chǎn)生諧振，勵磁變壓器用于將變頻電源的額定輸出電壓進(jìn)行預(yù)升壓，諧振條件下，在被測電力電纜上可以獲得輸入電壓數(shù)倍試驗電壓，使得被測電力電纜及其接頭的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生局部放電5。阻塞阻抗和電

12、容式分壓器、耦合電容構(gòu)成試驗回路中的形濾波器模塊，阻塞高頻局部放電信號流向變頻電源所在的支路和變頻電源產(chǎn)生的高頻干擾信號流向檢測阻抗所在的支路傳播。電容式分壓器將試驗電壓分壓，用于試驗電壓的測量或反饋控制。耦合電容用于耦合局部放電產(chǎn)生的高頻電流并在檢測阻抗上產(chǎn)生一定幅值的電壓信號。將該脈沖電壓予以信號調(diào)理、采集、處理和顯示就可測定局部放電的各種圖譜，如圖4所示的局部放電正弦圖譜和三維圖譜。圖3 基于串聯(lián)諧振技術(shù)的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4 局部放電正弦和三維圖譜系統(tǒng)的局部放電定位原理是利用脈沖正反向傳播產(chǎn)生的時間差來計算。如圖3所示。假設(shè)放電點靠近近端的距離為。當(dāng)發(fā)生局部放電時，會在導(dǎo)

13、體上產(chǎn)生一個很窄的放電脈沖，此脈沖產(chǎn)生的正向行波和反向行波分別以同樣的速度向近端和遠(yuǎn)端傳播。以局部放電的發(fā)生時刻為，正向行波到達(dá)近端的時刻為，則有：反向行波到達(dá)對端后會產(chǎn)生全發(fā)射，反射波此后沿正向近端傳播，并在時刻到達(dá)近端，則有：綜合上述兩式，可得：因此，在電纜長度已知的前提下，只要測量出正向行波和反向行波到達(dá)近端的時間間隔，就可以計算出局部放電發(fā)生的位置6，圖5所示的即為局部放電定位圖譜。圖5 局部放電定位圖譜通過以上對電力電纜安全檢測評估技術(shù)的分析可知其具有以下優(yōu)點：Ø 采用較低的試驗電壓（如交接試驗電壓甚至更低），降低了對電纜主絕緣的損傷。Ø 可以通過對電纜局部放電的

14、檢測定量評估XLPE電纜絕緣狀況，不僅可以判得出電纜是否需要更換的結(jié)論，而且也能夠提前預(yù)知電纜延期更換的期限。Ø 可以精確定位出電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，避免大量絕緣性能完好的電纜被盲目更換，提高檢修工作的針對性，減少地埋電纜的工程開挖量，對工作人員的檢修具有很強的指導(dǎo)意義。 Ø 基于串聯(lián)諧振技術(shù)的電力電纜安全檢測評估系統(tǒng)不但減少試驗設(shè)備的容量，將試品的電壓等級范圍擴(kuò)大220kV、并且由于相關(guān)設(shè)備重量輕、可移動性好，降低了工作人員的勞動強度。因此，憑借著眾多優(yōu)點和較強的絕緣狀況檢測和評估能力，電力電纜安全檢測評估技術(shù)將是目前單一功能的交流耐壓試驗較為理想的升級換代技術(shù)手段，發(fā)展電

15、力電纜安全檢測評估技術(shù)將會極大提高電網(wǎng)運行的安全性和可靠性，具有很強的現(xiàn)實意義。5參考文獻(xiàn)1 羅俊華，楊黎明等.電力電纜及試驗技術(shù)回顧 J.高電壓技術(shù)，2004,30(136):81-82.2 Steven Boggs1Fundaments of partial discharge in the context of field cable testing J. IEEE Electrical Insulation Magazine12000,16 (25) :13218.3 Working Group 21. 09After laying tests on high voltage extruded insulation cable system J. Electra, 1997, 173: 33241. 4 馬翠姣.XLPE 電力電