電力電纜的在線檢測技術綜述

李在友

(神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000)

1 引言

過去，我國廣泛使用的預防性試驗是采用定期停電的試驗方法，屬離線試驗。隨著供電可靠性的要求越來越高，這種停電試驗越來越不適應電力生產和供應的實際要求。因此研究交聯聚乙烯電纜在線檢測，可及時對電纜進行合理的維護、檢修及更換，對保證電纜可靠運行具有重要的意義［1］。如何找到一種切實可行的在線檢測方法成為急需研究的問題

2 結構及各部分作用

在制造技術方面，70年代末，XLPE制造方面又有了更大發展，出現了新型的半導電屏蔽材料及超凈絕緣材料，使絕緣體中的雜質含量進一步減少，在工藝上又引進了多層共擠法，減少了層間界面，使XLPE絕緣電纜局放電量大為下降，為XLPE電纜的更大規模發展奠定了基礎。在半導電屏蔽方面，最初在XLPE絕緣電纜上使用的是涂石墨層布帶繞包在絕緣上，這種方法由于界面問題，使得電纜局部放電很大，電纜一旦進水，水分直接和絕緣接觸，易引發水樹和電樹。以后半導電屏蔽使用三層同時擠出工藝，材料采用XLPE，且在材料中加入防水樹劑和防電子發射劑，使得電纜性能更加優越。

XLPE絕緣電纜結構［2］由內向外一般分為7層:導體、內層半導體層、絕緣層、外層半導體層、護套、保護層和石墨涂層，如圖1所示。

圖1 單芯交聯聚乙烯電纜結構圖

交聯聚乙烯電纜和油浸紙統包電纜在結構上的區別除了相間主絕緣是交聯聚乙烯材料以及線芯形狀是圓形之外，還有兩層半導體屏蔽層。第一層半導體層可以克服導體電暈以及電離放電，使芯線與絕緣層有很好的絕緣;第二層半導體膠同時擠包了一層0.1mm的薄銅帶，它們組成了良好的相間屏蔽層，保護電纜使之幾乎不能發生相間故障。

3 電纜的在線檢測方法

目前預防性試驗中規定的電纜試驗項目不多，根據需要又開發出多種判定或鑒別電纜性能的試驗方法，但對于交聯聚乙烯電纜普遍認為不合適進行高壓直流試驗，所以針對交聯聚乙烯電纜發展了多種在線檢測方法［2］。

3.1 直流分量法［3］

1987年，K.Sona和H.Oonishi等人對運行后的電纜進行了比較詳盡的試驗研究，結果表明直流分量是XLPE電纜絕緣含有水樹的標志，據此提出了通過在線檢測直流電流來判斷運行中交聯聚乙烯電纜老化的方法，即直流分量法，如圖2所示。

圖2 直流分量法原理圖

直流成分法測量運行中交聯聚乙烯電力電纜絕緣中的“水樹狀”［4］劣化狀態，直流疊加法測量運行中電纜直流絕緣電阻。前者以在線檢測水樹枝在工頻交流電場下因“整流效應”所產生的微弱直流電流作為絕緣老化的判據;后者是采用對運行中的電纜絕緣疊加一個小直流電勢，然后在電纜屏蔽層接地回路中測出所產生的直流電流的方法來獲知電纜的直流絕緣電阻。

研究表明［5］，水樹枝發展愈長，直流分量也就愈大，而且電纜的直流分量與直流漏電電流及交流擊穿電壓往往具有較好的相關性，水樹枝的發展，泄漏電流的增大會導致電流擊穿電壓的下降。

此方法在現場測量時經常碰到的問題是當電纜屏蔽接地化學電動勢較大而護套絕緣電阻較小時，會在檢測回路形成較大干擾電流，使得檢測電流被干擾電流淹沒。解決的方法如下:

(1)可以采用改接線的方法。用電容阻斷接地化學電動勢通過護套絕緣的通路，但改接線可能難以被電力部門的操作規程所允許，故在應用中要受到一定限制。

(2)采用補償電勢法來消除干擾電流。此方法需要良好的補償電勢源微調性能和微電流檢測儀測量精度，在應用于現場檢測時，有很好的可取性。

3.2 直流疊加法［6］

直流疊加法是在接地的電壓互感器的中性點處加上低壓直流電壓(通常為50V)，此直流電壓與電纜絕緣上原有的交流相電壓疊加，從而測量通過電纜絕緣層的微弱直流電流或其絕緣電阻，其測量原理見圖3。

圖3 直流疊加法檢測原理

由于直流疊加法是在交流電壓上疊加50V直流電壓，這樣在帶電的情況下測得的絕緣電阻與停電后再加直流高壓時的檢測結果相近。但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關性并不好，分散性相當大。

3.3 交流疊加法［7］

該方法是在電纜屏蔽層上疊加一個交流電壓(頻率=工頻頻率*2+1Hz)測檢出1Hz的特征電流信號，從而判斷電纜的老化程度，交流疊加法檢測原理見圖4所示。

圖4 交流疊加法檢測原理

試驗表明，在給老化電纜屏蔽層上疊加不同頻率的交流電壓時，當電壓頻率100Hz時，會產生一個比較大的特征電流。進一步的研究表明，該特征電流只在老化的電纜上產生，對于新電纜并不產生特征電流，并且當疊加電壓的頻率為101.4Hz時，特征電流達到最大值。這樣所得出的關系式為:檢測電流頻率=疊加電壓頻率－工頻頻率*2。與直流疊加法相比，交流疊加法所需電源的幅值較小，通常疊加5V的交流電壓就可得到明顯的特征電流，這使得交流疊加法能更容易地檢測出電纜老化信號;另外，交流疊加法所測得的特征電流的線性化程度要比直流疊加法好得多，因而，交流疊加法不失為在線檢測電纜的一個新方法。

3.4 局部放電法［8］

國外關于XLPE電力電纜局部放電在線檢測方法報道很多，如電磁法、超聲波法及脈沖相位分析法等。本文僅從信號采集方面評述利用電纜中間絕緣連接盒的差分法和預制中間連接頭電磁耦合法進行現場局部放電信號的在線檢測方法。

(1)差分法在線檢測局部放電

該方法在中間絕緣接頭連接盒外護套表面上，以金屬護套絕緣分段處為界的接頭左右兩部分分別固定兩個金屬鉑電極，外接一高阻抗，通過選用適當的阻抗，利用差分法來檢測電纜的局部放電信號，如圖5所示。若左邊有局部放電產生，則右邊電纜電容充當耦合電容的作用。同樣，若局部放電發生在接頭右邊，則左邊電容充當耦合電容的作用。該法不必加入專門的高壓源和耦合電容，也無需改變電纜的連接，且能很好地抑制外界噪聲干擾，適應于運行現場在線檢測電纜的局部放電。

圖5 差分法檢測原理

在中間接頭絕緣連接盒處以差分法在線檢測高壓電纜局部放電的方法安全簡便，在較低頻率時能較好地排除干擾。在不超過幾兆赫茲的頻率范圍內，該方法的靈敏度可達1pC。

(2)電磁耦合法在線檢測局部放電

該方法可應用于10kV及以上電壓等級的XLPE電力電纜局部放電的在線檢測，其原理是在電纜中間接頭處安裝一穿心式高頻電磁耦合傳感器，將電纜本體或接頭的局部放電信號采集并傳輸到局放信號分析儀，從而實現電纜的局部放電在線檢測。該方法要求在制作中間接頭時做一小小的改造，即將中間接頭金屬屏蔽連接用的銅帶直接穿過高頻電磁耦合傳感器，然后再與接頭兩端金屬屏蔽層電氣連接。由于在高壓電纜和測量回路間沒有直接的電氣聯系，從而能很好地抑制噪聲。該局放傳感器的帶寬設計為12～40MHz，這對于在線檢測電纜本體或接頭處產生的小于10pC的局部放電是足夠靈敏的。

在現有類型的10kV及以上電壓等級電纜中間接頭位置加裝電磁耦合傳感器用于電纜及附件局部放電在線檢測的方法，由于并沒有改變中間接頭的絕緣結構，因此它安裝簡便、不影響電纜附件現場安裝的質量。傳感器使用VHF(甚高頻)的頻段，能夠在運行現場檢測或檢測附件低于數皮庫的局部放電量。

4 結束語

以上電纜，除了無防水層構造卻用于被水浸泡場所的情況需注意水樹生成延長會影響絕緣性能外，具有金屬套完好無損的電纜尚無必要實施水樹老化檢測。高壓電纜附件因絕緣老化導致擊穿在國內外不乏其例，附件的老化檢出顯然至為重要。電纜絕緣檢測新技術的開發在國外有所進展，宜繼續關注并加強我國在這方面的研究。對運行撤換下的電纜取樣測試，可獲得有益于老化檢測的數據。

［1］ Ying Qiliang，Wei Dong，Gao Xiaoqing，et al.Development of high voltage XLPE power cable system in China［J］.Proceedings of the 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，2000，1:247 －253.

［4］ 江秀臣，曾奕.一種新型交聯聚乙烯電纜在線檢測裝置的研究［J］.電力電纜，2004(4):33 －37.

［5］ Oonishi H，Urano F，Mochizuki T，et al.Development of New Diagnostic Method for Hot－ Line XLPE Cables with Water Trees［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1987，2(1):1 －7.

［6］ 陸志雄，郁諾.交聯聚乙烯電纜絕緣在線檢測技術［J］.電工技術雜志，2004，4:42 －46.

［7］ Feng Lin，Chen D Y.Reduction of power supply EMI emission by switching frequency modulation［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1994，9(1):132 －137.

［8］ 成永紅.電力設備絕緣檢測與診斷［M］.北京:中國電力出版社，2001.