高壓電纜狀態仿真及缺陷診斷平臺的構建

李 特，崔竹葉，曹俊平，王少華，吳旭翔

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；3.國網浙江浙電節能服務有限公司，杭州 310014）

高壓電纜狀態仿真及缺陷診斷平臺的構建

李 特1，崔竹葉2，曹俊平1，王少華1，吳旭翔3

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；3.國網浙江浙電節能服務有限公司，杭州 310014）

針對電網運維中高壓電纜狀態檢測及缺陷診斷的難題，設計開發了一套高壓電纜狀態仿真及缺陷診斷平臺。該平臺集成了電纜工況模擬設備、電纜缺陷模擬設備及監測設備，可開展電纜中間接頭半導電層缺陷、中間接頭主絕緣缺陷、本體及中間接頭導體尖端缺陷、電纜終端缺陷的模擬，利用集成的高頻/超高頻局部放電、接地環流等在線監測設備及溫度監測設備，完成了對不同典型缺陷電纜在不同工況下的狀態量規律分析以及不同檢測手段有效性的對比分析。

高壓電纜；狀態仿真；缺陷診斷；平臺

0 引言

目前XLPE（交聯聚乙烯）電纜使用率日益提高，但電纜本體及附件故障屢見不鮮[1-3]，如何采取有效手段準確、及時掌握電纜運行狀態，避免因電纜本體及附件故障擊穿導致停電，是保障電力安全輸送的重要課題[4]。

大量資料表明，電纜的絕大多數故障為絕緣性故障[5]。不僅強電場作用和材料缺陷會引起的絕緣劣化，電纜運行過程中各種外界因素（機械、熱力）和電場的相互作用也會引發絕緣性故障[6，7]。局部放電（以下簡稱局放）、溫度等因素是造成絕緣劣化的主要原因，也是絕緣劣化的重要表征[8]，但目前尚未深入掌握電纜缺陷的特征量規律。受搶修、運行條件等限制，難以收集現場運行電纜的缺陷并進行試驗分析其特征量，通過構建電纜狀態仿真及缺陷診斷平臺可解決上述問題。利用平臺模擬電纜實際運行工況，設置典型電纜缺陷，針對各種典型電纜缺陷對其發展過程中的放電圖譜、溫度特征進行研究，可建立電纜絕緣劣化物理過程與局放、溫度等表征量之間的關系，診斷缺陷在電場作用下對絕緣的破壞程度，有利于評估電纜絕緣狀態，提升電纜運行安全水平。

1 電纜狀態仿真平臺研究現狀

多家研究機構開展了電纜狀態仿真平臺研究。文獻[9，10]利用電纜終端、本體、中間接頭以及外接試驗電源構建了110 kV電纜仿真平臺，可對終端應力錐安裝錯位、本體絕緣損傷、本體鋁護套損傷、中間接頭混入雜質、接頭受潮等情況進行模擬，對上述缺陷進行局放測試、紅外溫升測試。其中，局放測試采用脈沖電流法進行；溫度測量主要采用紅外方法，因難以獲取電纜內部溫度精確分布，而電纜內部溫度又與其缺陷發展程度密切相關，因此，導致該平臺難以開展電纜內部溫度對缺陷發展影響的研究。

文獻[11]分別在電纜實體上設計并制作了中間接頭尖刺、主絕緣劃傷和終端頭應力錐錯位3種放電模型，并連接外接電源構成仿真平臺，可以進行相應缺陷的局放測試，但測試僅在電壓工況下進行，無法模擬不同負荷電流下的局放發展特征。

文獻[12]利用電纜終端、本體、中間接頭以及外接試驗電源構建仿真平臺，利用電纜本體構建主絕緣凹痕、主絕緣刀傷、主絕緣金屬尖端、主絕緣表面雜質、高壓端金屬尖端、半導電斷口剝離不整齊6種典型缺陷，并對上述缺陷進行局放測試。其間，主要采用脈沖電流法對電纜缺陷的局放特征進行研究，并未深入開展脈沖電流法與特高頻及接地電纜超高頻等方法的比對，由于實際運行電纜幾乎無法采用脈沖電流法進行局放測試，因此該研究結果難以直接應用到現場電纜的狀態診斷中。

總結現有電纜仿真平臺的結構、功能特點可以發現，這些電纜平臺僅能模擬電壓工況，卻無法模擬實際電纜所承受負荷電流工況，因此無法研究不同負荷熱效應對電纜缺陷發展的影響。另外，上述仿真平臺無法采用超聲、分布式測溫等測試技術，而這些方法目前在現場已有應用，對其有效性、測量精度、測量準確度進行驗證、比較很有必要。

2 電纜狀態仿真平臺結構和功能

2.1 整體結構與功能

針對現有電纜仿真平臺的不足，設計開發了一套集成了電壓工況模擬設備、電流工況模擬設備、典型電纜部件缺陷模擬設備及電纜監測設備的電纜狀態仿真平臺（整體結構見圖1）。該平臺包括升壓單元、升流單元、電纜模型單元、控制和測量單元，其中升壓單元包含用于回路控制的GIS（氣體絕緣金屬封閉開關設備）。

該仿真平臺可實現高壓電纜中間接頭、終端和本體典型缺陷模擬仿真試驗；不同缺陷模型下帶電檢測和在線檢測技術差異性和有效性對比分析；不同運行工況下局放、溫度及接地環流等狀態量變化規律研究。

2.2 升壓單元

升壓單元采用SF6鎧裝式無局放試驗變壓器，最高輸出電壓280 kV，容量560 kVA，變壓器高壓繞組采用空心銅管繞制，利用外接油箱進行油循環，可控制8 h長時運行整體發熱不大于65 K。升壓單元采用電子式快速保護裝置，全程響應時間小于100 μs，以保護變壓器和電纜免受擊穿過電壓損害。加壓至280 kV時升壓單元局放量小于5 pC，滿足220 kV電纜局放試驗升壓要求。

圖1 電纜狀態仿真平臺整體結構

回路拓撲結構的控制采用“一進四出”GIS結構方式， 通過圖1中K1，K2，K3，K4這4個三工位接地隔離開關實現電源與各電纜支路的連接。

2.3 電纜模型單元

電纜本體型號為YJLW0364/1101×800，電纜模型單元設置共3個試驗支路。

支路1為完好回路，由GIS終端、預制式中間接頭和戶外終端構成，中間接頭安放在電纜槽盒內，可模擬不同運行環境下完好接頭的狀態。

支路2為中間接頭缺陷試驗支路，由GIS終端、背靠背GIS終端、插拔式試驗中間接頭和戶外終端構成。目前電纜中間接頭仿真模型多采用固定式，一旦設置缺陷后無法調整，而插拔式電纜中間接頭缺陷模型可由機械底座打開，根據試驗狀況調整缺陷嚴重程度、變更其他缺陷種類，從而重復模擬各類典型缺陷。插拔式試驗中間接頭兩端與背靠背GIS終端相連，可方便進行小段中間接頭替換，實現含缺陷中間接頭的整體更換，如圖2所示。

圖2 電纜中間接頭模型

支路3為終端缺陷試驗支路，由GIS終端、電纜和含缺陷戶外終端構成。終端頂部安裝均壓環，避免因發生電暈放電而影響局放的檢測。

式中（Cs-P)—可承載人口數量與實際人口數量之差；Ps—臨界偏離值，其評判意義為：Ps=0時，承載力處在臨界狀態；Ps>0時的值代表了承載力富余的度；Ps<0時的值代表了承載力超載的度。

2.4 升流單元

升流單元包括調壓控制柜、調壓器、穿心變壓器（以下簡稱穿心變）、電流互感器、熱電偶和監控平臺，通過調壓器輸出可變電壓，改變穿心變一次側電壓，實現回路電流控制。

圖1中，電纜支路1和支路2通過各自終端T1，T2以及GIS中K1，K2的連接構成回路，通過穿心變實現回路電流控制。電纜回路電流最高可施加至2 500 A。

2.5 控制和測量單元

控制和測量單元集成了局放、溫度、接地環流測量設備。

（1）電纜支路1和支路2中間接頭各布置1套局放監測系統，同時采用內置式超高頻、本體極性鑒別高頻和接地電纜高頻局放3種手段，其構成見圖3。

圖3 局放監測系統

（2）溫度監測采用中間接頭內置式測溫和分布式光纖測溫，測溫范圍為0～100℃，可滿足不同工況下電纜溫度測試需要。由于電纜支路1至支路3需要施加電壓，無法放置內置式溫度傳感器，因此設置了只通電流、不承受電壓的模擬支路，在其內部設置內置式溫度傳感器，通過控制系統、穿心變給模擬支路同步施加與電纜支路相同的電流，用模擬支路的內部溫度來表征電纜支路的內部溫度。

（3）接地環流監測系統包括電流互感器、電壓互感器、采集單元和監測主機，戶外終端側安裝智能接地箱，GIS終端側安裝保護接地箱，環流監測精度0.01 A，測量范圍0～100 A。

3 電纜典型缺陷構建

3.1 電纜典型缺陷類型

對近年國內北京、天津等各大城市發生的XLPE電纜故障進行分析發現，XLPE電纜在生產、運輸、安裝和運行過程中，可能因各種原因而引發故障。較為常見的電纜缺陷類型有：

（2）電纜中間接頭主絕緣缺陷，如外屏蔽層與主絕緣之間存在懸浮顆粒、氣隙。

（3）電纜本體及中間接頭導體尖端缺陷，即線芯表面不光滑，存在凸起。

（4）電纜終端缺陷，如終端水分滲入。

利用仿真平臺的支路2，對上述缺陷（1）—（3）進行模擬；利用支路3，對缺陷（4）進行模擬。

3.2 電纜附件半導電層缺陷

安裝電纜附件時需要去掉一段電纜本體外屏蔽層，如果對外屏蔽層斷口處理不當，可能引起半導電層突起、半導電層斷口處存在氣隙，進而產生局放。

附件半導電層突起的模擬方法如下：在半導電層端口處打磨平滑，留有尖端，尖端呈等腰三角形， 如圖 4（a）所示。

附件氣隙的模擬方法如下：制作接頭時，去掉外屏蔽層后，用刀沿其斷口處劃出缺陷，氣隙呈等腰三角形，如圖4（b）所示。

圖4 半導電層缺陷示意

3.3 電纜附件主絕緣缺陷

安裝電纜附件時需要去掉一段電纜本體外屏蔽層從而露出主絕緣，如施工時外屏蔽層有殘留，或有導電雜質附著在主絕緣表面，會產生懸浮電位進而引發主絕緣懸浮放電。為模擬主絕緣懸浮放電，安裝接頭時，在本體主絕緣上涂抹金屬導電粉末，如圖 5（a）所示。

為避免附件施工時主絕緣上殘留外屏蔽層，需用砂紙沿著主絕緣切向打磨，應注意把握打磨深度，防止劃傷主絕緣形并成長條形氣隙，否則會引發局放。為模擬主絕緣劃傷缺陷，安裝接頭時，在本體主絕緣上用刀劃出缺陷，如圖5（b）所示。

圖5 主絕緣缺陷示意

3.4 電纜導體尖端缺陷

XLPE電纜生產過程中，如導體線芯絞制工藝控制不好，導體表面會存在較大的毛刺，中間接頭安裝過程中，電纜導體線芯間壓接用導體連接器表面未處理光滑的話，也會存在金屬毛刺、尖端或棱角。導體帶高壓電時，這些裸露的高電位尖端由于電場集中就會產生尖端放電。為模擬尖端放電，利用支路2的缺陷模擬中間接頭，安裝接頭時在導體上捆綁金屬導線，伸出尖端，如圖6所示。

圖6 電纜本體導體尖端示意

3.5 電纜終端缺陷

如電纜終端密封不良，水分滲入內部會引起本體絕緣或復合絕緣水樹老化，進而產生電樹，引起樹枝放電。為模擬電纜終端滲水缺陷，安裝終端時向其中注入少量水分。

4 結語

構建了高壓電纜狀態仿真及缺陷診斷平臺，該平臺集成了升壓單元、升流單元、電纜模型單元、控制和測量單元，可對電纜運行工況進行模擬。電纜模型單元可模擬電纜中間接頭半導電層缺陷、中間接頭主絕緣缺陷、本體及中間接頭導體尖端缺陷、電纜終端缺陷，利用系統集成的局部放電、溫度、環流在線監測系統及其他帶電檢測手段，可對不同缺陷在不同運行工況下的狀態量特征進行模擬仿真，對不同缺陷下帶電檢測和在線檢測技術的差異性和有效性進行對比分析。

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Construction of a Condition Simulation and Defect Diagnosis Platform of High Voltage Cable

LI Te1， CUI Zhuye2， CAO Junping1， WANG Shaohua1， WU Xuxiang3

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.E.Eenergy Technology Co.,Ltd.，Hangzhou 310014， China；3.State Grid Zhejiang Energy Saving Company， Hangzhou 310014， China）

For the difficulties in HV cable condition detection and defect diagnosis in power grid operation and maintenance，a condition simulation and defect diagnosis platform of HV cable is designed.The platform integrates cable operation condition simulation equipment，cable defect simulation equipment and monitoring equipment and can simulate intermediate joint semiconducting layer defects，intermediate joint main insulation defects，cable body and intermediate joint conductor terminal defects.Utilizing the integrated online high-frequency and ultra-high frequency partial discharge and ground circulation monitoring device as well as the temperature monitoring device，the paper conducts rule analysis on quantity of state and effectiveness comparison analysis of different detection methods for cables with different defects in various operating conditions.

HV cable； condition simulation； defect diagnosis； platform

10.19585/j.zjdl.201709008

1007-1881（2017）09-0039-05

TM247

B

國網浙江省電力公司科技項目（5211DS15002B）

2017-07-04

李 特（1987），男，工程師，從事高壓試驗、輸電線路研究工作。

（本文編輯：方明霞）