交聯聚乙烯電纜絕緣狀態試驗技術綜述

中國鐵道科學研究院研究生部 屈 明

引言

交聯聚乙烯（XLPE）電纜因其安裝維護簡單、電氣性能良好等特點，逐步成為現代電力電纜的主流。但值得注意的是，隨著時間的推移，電纜壽命的“浴盆曲線”效應開始顯現出來，長時間運行的電纜的年平均故障率處于上升態勢。雖然目前電纜絕緣耐壓試驗是考驗電纜質量的最直接方法，但電纜的一些局部非貫穿性的缺陷通過耐壓試驗不一定能發現，新竣工的電纜帶電運行一段時間后發生故障的案例并不少見。近年來，電纜各種絕緣狀態評估技術開始興起，并在一些項目中取得了明顯效果。因此有必要對電纜結合運行年限、運行環境以及同批次、同型號電纜及附件缺陷故障情況，選取現有的絕緣狀態診斷檢測方法，對電纜進行系統化試驗。

1.電纜絕緣性能耐壓試驗方法

1.1 工頻耐壓

工頻試驗是最為有效的電纜耐壓試驗手段。作為大電容負載的電纜要求工頻試驗電源須具備相當大的容量與重量，導致試驗裝置成本高、不便于運輸。因此工頻耐壓試驗主要用于試驗室，而并不適用于現場試驗。

1.2 直流耐壓

試驗設備容量小、電壓輸出高，直流耐壓試驗并不能模仿運行狀態下電纜承受的電壓，直流電壓下,電場強度是按照電阻率分布,而XLPE電纜層中的材料電阻率分布是不均勻的,這可能在直流試驗過程中出現絕緣層有的地方電場強，有的地方電場弱，導致局部絕緣擊穿；此外，直流電壓試驗后交聯聚乙烯電纜會有空間電荷累積，在該電纜投入運行時殘留的直流電荷會疊加在交流電壓上造成電纜運行電壓高于其額定電壓，加速電纜的絕緣老化。根據GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定：額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電纜，當不具備條件時，允許直流耐壓試驗及泄露電流測量代替交流耐壓試驗。

1.3 超低頻耐壓

0.1Hz超低頻試驗裝置輸出電壓波形為0.1Hz正弦波或余弦方波。低頻下電纜的容性電流降低，超低頻試驗裝置的容量理論上能降低至工頻電源的 1/500。可見超低頻試驗裝置的體積小、重量輕，非常適用于電纜的現場試驗，但目前受技術限制僅適用于中壓35kV以下電纜，而且試驗電壓高對于電纜可能會產生損傷。根據GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定：額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電纜，當不具備條件時，允許有效值為3U0的0.1Hz電壓施加15分鐘代替交流耐壓試驗。

1.4 變頻串聯諧振耐壓

變頻串聯諧振法的試驗回路由高壓串聯諧振主回路和變頻調壓回路組成。它的工作原理是：用電抗器和被試電纜組成高壓串聯諧振的主回路，由變頻器調節勵磁變壓器的電壓頻率從而使主回路達到諧振狀態，發生諧振時電路的優點是源的激勵功率僅為電纜上電功率容量的1/Q，在被試電纜上可以獲得Q倍于勵磁電壓的試驗電壓，其中品質因數Q值在30到50之間，大大降低了對試驗裝置的要求，減小了試驗裝置的體積和重量，比較適合現場試驗。鑒于國內外十幾年來采用變頻諧振耐壓的成功經驗，業內已公認交聯聚乙烯電纜采用20Hz～300Hz的諧振耐壓試驗比其他耐壓方法更有效和便攜。根據GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定，新竣工的橡塑電纜應優選采用20Hz～300Hz交流耐壓試驗。

2.電纜絕緣狀態診斷檢測方法

2.1 超低頻介質損耗檢測

介質損耗因素（tanδ）是用來描述介質材料絕緣性能的重要參數之一，tanδ越大的絕緣材料其漏電損耗越大。tanδ與測試電源電壓ω、角頻率w、電容C、并聯等效電路的絕緣電阻R有如下關系：

tanδ =1/(ωRC)

由于R和C基本不隨頻率變化，因此，當頻率變小時，tanδ會變大，因此，在低頻下應有較大的介質損耗因素。超低頻電壓下測試XLPE電纜的介質損耗角正切值是目前國際上普遍采用的診斷交聯電纜整體絕緣老化、受潮以及尤其是發生水樹枝劣化的檢測手段，且測試本身不會對電纜造成傷害的先進技術。IEEE P400.2/D11 規定，可通過“tanδ 平均值(VLF-TD)”、“tanδ 變化率(VLF-DTD)”、“tanδ 隨時間穩定性(VLF-TDTS)”三個指標來評價 XLPE 電纜劣化狀況。

在0.5U0、U0、1.5U0電壓下測量介質損耗因數（TD），并計算介質損耗因數變化率DTD，計算公式為DTD = TD（1.5U0）－TD（0.5U0）。每一個步進電壓下應至少完成6次介質損耗因數測量，電源頻率為0.1Hz時，兩次測量之間應間隔10s。介質損耗因數時間穩定性表征在恒定電壓下介質損耗因數隨時間的變化情況。在介質損耗因數時間穩定性定義為某一特定電壓（U0）下介質損耗因數測量值的標準差。

以VLF-TD、VLF-DTD和VLF-TDTS的絕對值作為評價指標，或者根據與歷史數據做比較的結果，IEEE標準將電纜絕緣的狀態分為如下3種：

2.2 振蕩波局放檢測

電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關，局部放電量的變化預示著電纜絕緣一定存在著可能危及電纜安全運行壽命的缺陷，IEEE、IEC 等國際電力方面的權威機構一致認為現場準確檢測 XLPE電纜的局部放電量，是當前判斷該電纜絕緣品質的最佳試驗方法。

近幾年，國內外的研究現狀表明：振蕩波電壓法與交流電壓法具有良好的等效性。振蕩波局部放電測量系統逐漸成為了當前XLPE 電纜絕緣狀況診斷的熱門研究課題。振蕩波檢出局部缺陷的實時性好，靈敏度高，預警能力強；測量結果與絕緣狀態的關聯度高，能夠實現絕緣性能的定量評價；而且由于加壓時間僅為幾十毫秒，不會造成電纜絕緣損傷。振蕩波試驗方法的基本思路是首先對試品電纜進行充電，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達到檢測目的，振蕩波試驗系統具有試驗持續時間短，設備輕便易于攜帶和現場操作，可有效檢測 XLPE 電纜中的各種缺陷。對于新敷設電纜測試，可以為未來的測試提供一狀況基準，對于老舊電纜測試，可以與先前測試結果作比較，了解絕緣變化速率。DL1576標準規定10到35kV電纜判斷標準如下：

新投運及投運1年以內的電纜線路：最高試驗電壓2U0，接頭局部放電超過300pC、本體超過100pC應及時進行更換；終端超過3000pC時，應及時進行更換。

已投運1年以上的電纜線路：最高試驗電壓1.7U0，接頭局部放電超過500pC、本體超過100pC應及時進行更換；終端超過5000pC時，應及時進行更換。

振蕩波測試系統（OWTS）另一主要優點是對局放源的定位。振蕩波測試系統按下邊公式計算局部放電發生位置距檢測端的距離：

式中：

Lc—— 被測電纜全長；

v —— 電纜中的波速度；

Δt —— 放電點處產生的局部放電信號分成兩個相等的脈沖信號并沿相反方向傳播，兩個脈沖到達測量端的時間差。

2.3 特高頻局放檢測

特高頻法（UHF）法是目前局部放電檢測的一種新方法，是通過檢測、分析局部放電過程中所輻射電磁波信號的頻譜，可以了解局部放電源的幾何形狀及放電間隙的絕緣強度；當電纜組件在供電狀態下發生局部放電時，放電脈沖產生的高頻電磁信號向外輻射，特高頻局放設備通過采集電磁信號，經數據分析處理，產生放電量、放電概率和放電可信度三個定量結果，根據三個定量結果進行判定。其主要的優點可進行移動檢測，適用于在線檢測。

3.結語

常規電纜耐壓試驗盡管能夠檢測出電纜的缺陷，但過高的電壓也會對完好的電纜造成不必要的傷害，而且長距離電纜串聯諧振試驗系統的設備體積重量也很大。先進的電纜檢測技術應兼顧便捷性、安全性與等效性。筆者建議吸收國外標準先進性內容，制定或更新國內電纜交接與預防性試驗標準規程，充分利用現代化的電纜線路狀態檢測新技術，通過多方法絕緣診斷的實施流程，從而形成一套有效的高壓電纜安全檢測及預防性試驗機制,能夠及時發現電纜劣化情況，判斷電纜故障類型，定位電纜故障區域，保證迅速維護維修和更換，減小事故損失。

參考：陳斌，霍光，交聯電纜耐壓試驗方法的探討：電氣應用，2010；張宗喜，曾宏，方欣，白歡，李亞偉，電力電纜絕緣整體老化測試技術的研究及應用：中國電業（技術版），2016；徐文，振蕩波局部放電檢測對耐壓試驗的補充：中國電力教育，2011。