基于振蕩波系統的交聯聚乙烯電纜故障監測

時翔，陳志勇，徐振棟，崔瀟，趙生傳，張立剛，李志戈

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，山東 濟南 250031；3.青島華電高壓電氣有限公司，山東 青島 266102）

1 引言

交聯聚乙烯（XLPE）電纜由于具有制造工藝簡單、安裝敷設容易、電氣性能優良、傳輸容量大、運行維護方便、無漏油隱患等諸多優點已成為電纜發展和工程應用的主流［1］。我國各大城市如北京、上海、天津等地的城市電網中，高壓、超高壓交聯電纜已獲得了廣泛的應用，且敷設量逐年遞增。截至2009年底，國家電網公司系統內110kV在運高壓、超高壓交聯電纜回路總長度已 ＞7700km［2］。

局部放電（PD）的診斷在高壓和中壓電力電纜的絕緣診斷有重要的作用，可通過這種方法來實現在工廠測試階段、鋪設測試階段或運行階段的電纜質量檢驗，從而獲得某一包含附件在內的特定電纜絕緣系統的放電缺陷信息。可使用局部放電起始電壓、局部放電振幅、局部放電的圖譜特征來幫助識別放電絕緣薄弱點的癥狀［3］。

2 現有的電纜絕緣性能檢測技術

交聯電纜由于其電容量大，很難在現場開展工頻電壓下的絕緣性能考核。過去充油電纜采用直流試驗，可以大大降低電源的要求，但對交聯電纜，由于采用整體均勻絕緣材料，其在交流電壓和直流電壓的作用下電場分布不一樣，在運行電壓下局部電場較高的部位即易擊穿的部位。

局部放電作為電纜線路絕緣故障早期的主要表現形式，既是引起絕緣老化的主要原因，又是表征絕緣狀況的主要特征參數。高壓、超高壓交聯電纜運行中采用局部放電在線監測技術是國內密切關注的技術熱點，雖能在運行工況下實時監測線路局放變化趨勢，但也存在局放測試無法按照IEC標準精確量化引起計量困難和量化判據的不統一，單一的檢測電壓難以發現更微小尺寸的絕緣缺陷，線路金屬護套交叉互聯導致的局放信號分相定位困難等不足。采用在線監測方式目前還無法實現電纜線路帶電情況下介質損耗量監測，缺失了利用介質損耗評估線路絕緣老化狀態的有效手段。

（1）M 表法:M 表通常有 500V、1000V、2500V、5000V和10kV多種不同電壓等級，M表法是M表在某一恒壓下測量絕緣體的電阻值，它只能反映電纜絕緣的泄漏特性［4］。

（2）直流耐壓試驗:直流耐壓反映電纜絕緣的泄漏和耐壓特性。XLPE電力電纜，由于其絕緣電阻較高，且交流和直流下電壓分布差別很大，直流耐壓試驗后，在XLPE電纜中特別是電纜缺陷處會殘余大量的空間電荷，當電纜投運后空間電荷常造成電纜的絕緣擊穿事故。大量研究表明，直流電壓不適合對XLPE電纜進行耐壓試驗。

（3）低頻試驗:德國、奧地利、美國和日本等國家早在80年代中期，就著手對運行中的XLPE電力電纜采用超低頻（0.1Hz）耐壓試驗作為發現電纜運行絕緣缺陷的無損試驗手段，開展了大量試驗室和現場試驗研究工作。德國發電廠聯合會（VDEW）和國際大電網會議第21.09 工作組（CIGRE Working Group 21.09）研究報告表明:超低頻（0.1Hz）耐壓試驗仍是推薦用于中壓XLPE絕緣的電力電纜試驗。一方面該試驗不會在電纜XLPE絕緣中聚集空間電荷，畸變局部電場，另一方面能夠在較低的試驗電壓下發現電纜絕緣水樹枝老化等缺陷，故其對XLPE絕緣的損害程度較小。但由于超低頻（0.1Hz）電壓（VLF）高于運行電壓，要求試驗時間長，可引發電纜中的新缺陷，最主要的是也許不能識別出電纜的絕緣缺陷，且試驗電壓上限值低，與工頻電壓試驗等效性尚無定論。

（4）工頻耐壓試驗:工頻試驗產生的電壓波形和頻率最為理想，不但能反映電纜的泄漏特性，而且能完全反映電纜的耐壓特性，還能反映電纜局部電介質損耗引起的局部耐壓特性。但由于XLPE絕緣電力電纜的電容量較大，特別是高壓電纜試驗，要求工頻試驗設備的容量較大，設備的體積和重量很大，不便于運行現場試驗。人們努力通過利用多種調感的方式或變頻方法與電纜的等效電容產生諧振來獲取接近工頻的高電壓，以求減小試驗設備體積、減輕重量。此方法顯然比直接采用工頻變壓器做試驗要好些，但實際設備很笨重，且操作很麻煩。

用于檢測電纜局部放電的試驗方法需要滿足以下要求:

（1）電纜在額定電壓U0下不應該有局放；

（2）網絡中諧振接地中心點在1.7U0下不應有局放；

（3）試驗電壓與工頻電壓需要有很好的等效性，能夠檢測局放起始電壓、局放熄滅電壓和局放水平；

（4）試驗電壓在檢測局放時需能發現電纜潛在的缺陷，激發電纜發生局部放電，檢測局放量和局放定位；

（5）試驗過程不應對電纜造成損傷；

增熱型吸收式熱泵是以消耗高溫熱能為代價，通過向系統中輸入高溫熱源，進而從低溫熱源中回收一部分熱能，提高其溫度，以中溫熱能供給用戶。將熱泵技術應用于回收油頁巖干餾污水的余熱，以煉油廠瓦斯尾氣鍋爐產生的蒸汽(0.8 MPa)為動力，以干餾污水為低溫熱源，回收干餾污水的熱量用于冬季采暖。干餾污水處理及熱量回收的工藝流程圖見圖4。

（6）如果使用工頻電壓或類似的電壓波形，試驗電壓不應超過1.7U0，這可以使得對電纜造成的損傷降到最小；

（7）如果使用特殊的其他電壓，如超低頻電壓，應該了解如何將測得的數據轉化成工頻條件下的數據。

3 振蕩波電纜缺陷檢測系統

3.1 振蕩波檢測法的提出

電纜由于其電容量大，很難在現場開展工頻電壓下的絕緣性能考核，而且所以提出了超低壓（VLF）和變換脈沖電壓（SIV），但總的來說，這些產品擁有一個很復雜的設計，最主要的是測量的PD值也許和工頻下測量的結果相差甚遠。

由此聯想能否把超低頻電壓和工頻交流電壓結合起來，讓它既同時具備兩者的優點，即在工頻下能實現給大電容充電，又同時克服兩者的缺陷，即無法識別電纜絕緣缺陷和在工頻下無法給大電容充電，為此，該測試電壓波形需如圖1所示。文獻表明，這是可以實現的，這種電壓的波形具有相比而言較長的上升時間和短暫的下降時間，上升時間約是下降時間的1000倍，如圖1所示。

圖1 振蕩波電壓

Uc為充電電壓UT為試驗電壓t1為上升時間（如10s），t2為下降時間（如10ms）。暫態電壓的上升時間因在10s左右，這就與超低頻電壓相似，暫態電壓的下降時間因在10ms，即工頻電壓的半周期，這就與工頻電壓相似，這樣測得的局部放電結果真實可靠。

因此基于振蕩波的測量技術因此孕育而生。振蕩波電壓是近年來國內外研究較多的一種用于XLPE電力電纜檢測的電壓，其具有以下優點:

（1）充電周期短，功率需求小，設計輕便，易于攜帶。

（3）PD起始電壓接近額定電壓，不僅能使用于新電纜，而且能使用于舊電纜。

（4）可以在現場對局部放電可以實現定位和評估電纜的絕緣情況。

在超低頻電壓下，轉變成電樹枝是緩慢的，因為電壓變化率小，即du/dt小，但一旦形成電樹枝，之后的發展的相當快速，電纜在段時間內被擊穿，即使此時的電壓較低。而另一方面，振蕩波電壓的電壓變化率很大，因此即使在低電壓下也可能發展成電樹枝，但從電樹枝發展到擊穿是緩慢，且擊穿電壓高。

3.2 振蕩波測試系統

振蕩波測試系統，即稱為Oscillating waveform test system（OWTS），或 Damping AC Voltage（DAC），是近幾年國內外供電單位嘗試使用并替代交流耐壓的一種新興試驗技術。其基本思路是利用電纜等值電容與電感線圈的串聯諧振原理，使振蕩電壓在多次極性變換過程中電纜缺陷處會激發出局部放電信號，通過高頻耦合器測量該信號從而達到檢測目的。

振蕩波電壓試驗接線圖如圖2所示，整個試驗回路分為兩個部分:一是直流電源回路；二是電纜與電感充放電過程，即振蕩過程。這兩個回路之間通過固體開關實現轉換。

振蕩回路如圖3所示。固體開關的閉合時間可以做到小于1μs。固體開關要求有較低的損耗，因而諧振頻率可以做到接近工頻，在50～1000Hz之間。由于交聯電纜具有相對較低的損耗因數，而諧振電路的品質因數Qc始終比較高（30～100多）。因此，被試電纜上所施加的試驗電壓波形呈現出一種逐漸衰減的交變波形，如圖4所示。

振蕩時間約為數十毫秒，如果電纜有絕緣缺陷，如水樹枝，振蕩波電壓能激發電纜發生局部放電，又由于振蕩波電壓加在電纜兩端的時間遠小于運行電壓，因此振蕩波電壓不會對電纜造成損傷。電纜等效電容越大或電感取值越大，振蕩頻率越低，同時振蕩回路品質因素越低。為盡量提高品質因素，電纜等效電容一定時，選取更小的電感較合適。當被測電纜較短或者電感值較小時，振蕩波的頻率可能出現遠大于工頻，甚至超過1kHz，這時可以通過并聯系統電容的方法來降低，使振蕩頻率接近工頻，不至于過大。另外需注意一點，在固體開關閉合前，從測量電路中切斷直流電源，這樣可以避免干擾的影響，實現高測量的靈敏性。

圖2 試驗回路

圖3 振蕩回路

圖4 阻尼振蕩波波形

4 結論

振蕩波測試系統，利用電纜等值電容與電感線圈的串聯諧振原理，使振蕩電壓在多次極性變換過程中電纜缺陷處會激發出局部放電信號，通過高頻耦合器測量該信號從而達到檢測目的。該系統具有充電周期短，功率需求小，設計輕便，易于攜帶，與交流電壓等效性能好，PD起始電壓接近額定電壓等優點，推薦在現場電纜故障檢測中應用。

［1］吳倩，劉毅剛.高壓交聯聚乙烯電纜絕緣老化及其診斷技術述評［J］.廣東電力，2003（4）:1 －6.

［2］夏榮，趙健康，歐陽本紅，等.阻尼振蕩波電壓下110kV交聯電纜絕緣性能檢測.高電壓技術，2010（7）:1753－60.

［3］Cichecki P，Gulski E，Smit JJ，Hermans T，Bodega R，Seitz PP.Conventional and unconventional partial discharges detection in power cables using different AC voltages.Electrical Insulation Conference，2009 EIC 2009 IEEE；2009 May 31 2009 －June 3， 2009；2009:5 －9.

［4］張平康，韓伯鋒.XLPE電纜的試驗方法［J］.高電壓技術，2004；（S1）:94－5.