電力電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測研究進展

高澤賢

摘? 要：近年來，我國對電能的需求不斷增加，電力工程建設越來越多。電力電纜由于制作、安裝及超長年限服役等原因，易出現(xiàn)絕緣故障及異常發(fā)熱等現(xiàn)象。根據(jù)不同的故障原因、故障特征、故障檢測方法，本文就電力電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測技術進行研究，以供參考。

關鍵詞：電力電纜;絕緣狀態(tài);在線監(jiān)測

引言

現(xiàn)階段，電力電纜在城市建設中占比越來越高，供電部門為使電力電纜穩(wěn)定運行，在電纜上安裝了大量在線監(jiān)測傳感器，用于監(jiān)測線路運行狀態(tài)。然而，受到在線監(jiān)測裝置運行環(huán)境限制，通常需要采用220V交流或低壓直流進行供電，但是電力電纜在敷設過程中極少專門敷設監(jiān)測設備供電電源。多數(shù)情況下，只能采用電池作為主要供電電源，并配合防水、防電場干擾等防范措施，確保在線監(jiān)測裝置長期運行。隨著饋線電纜敷設里程迅速攀升，加之前期投運電纜運行時間增加，運行電纜絕緣故障導致的停電事故呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，目前已成為影響鐵路饋線正常運行的一大突出問題。

1直流耐壓試驗

對于中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的絕緣耐壓試驗，GB50150 —2016《交接和驗收試驗標準》和DL/T596—2005《電力設備預防性試驗規(guī)程》均規(guī)定應進行直流耐壓試驗和按泄漏電流測評。但交聯(lián)聚乙烯電力電纜絕緣介質(zhì)的體積電阻率達到1017·m以上，直流電場的作用會導致絕緣層內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷聚集，交聯(lián)聚乙烯絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙、雜質(zhì)等局部缺陷處會發(fā)生電場畸變，局部電場強度可能上升至30kV/mm左右，遠遠超過交聯(lián)聚乙烯絕緣介質(zhì)的擊穿場強，從而導致絕緣材料內(nèi)部發(fā)生局部放電，形成不可逆的樹枝狀早期劣化，甚至發(fā)生擊穿故障。此外，在直流耐壓試驗過程中，會有電子不斷注入到交聯(lián)聚乙烯電纜介質(zhì)聚合物的內(nèi)部，在半導電層內(nèi)部微小空隙等處產(chǎn)生空間電荷積累，在電纜重新投運后，電荷積聚產(chǎn)生的電場與加載的交流電壓相互迭加，發(fā)生絕緣擊穿。目前根據(jù)GB50150—2016《交接和驗收試驗標準》的17.0.2條規(guī)定，直流耐壓試驗及泄漏電流測量僅限用于額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電力電纜，單相27.5kV（U0）交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜不在其規(guī)定的范圍內(nèi)，直流耐壓試驗及泄漏電流測量已不再被允許。

2現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)總結(jié)

從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，當電纜屏蔽層、鎧裝層接地方式按照規(guī)定一端直接接地，另一端經(jīng)護層保護器接地（或懸空，懸空不影響接地電流測試數(shù)據(jù)）時，在電纜絕緣良好情況下，接地電流波動范圍小，不隨負荷電流大小改變而改變，接地電流大小與電纜長度基本呈正比關系，電纜越長，接地電流越大。如果接地電流大小隨著負荷改變而改變，那么在電纜鎧裝層沒有破損接地情況下，一種可能是鎧裝層屏蔽層兩端都直接接地，另一種可能是電纜絕緣不好。電纜絕緣不好的接地電流波動范圍特別大，遠遠超過兩端直接接地的環(huán)流。

3局部放電源定位

對于電力電纜局部放電的監(jiān)測，方法多樣且各有優(yōu)劣。在監(jiān)測到局放信號后，還應對局放源進行精確定位，才能更有效地開展電力電纜的故障處理工作。目前，應用較多的局放源定位方法，是時域反射法（TDR），該方法通過計算同一脈沖在初次到達和反射到達電纜一端的時間差，并結(jié)合局部放電脈沖信號在電纜中的傳播速度等參數(shù)，對局部放電源進行定位。但由于局放信號在電纜傳播過程中受到衰減、頻散、反射等因素的影響，且隨著電纜系統(tǒng)連接日趨復雜，局放信號的傳輸路徑受到影響，使得TDR法在實際電纜網(wǎng)中局放定位效果并不理想，一般只適用于短距離電纜局放定位。

4溫水交聯(lián)溫度與交聯(lián)時間

硅烷交聯(lián)絕緣經(jīng)擠塑機擠出成型后，材料只是熱塑性材料，必須在水的參與下，經(jīng)水解縮合變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為交聯(lián)聚乙烯。這一過程是把盛裝有絕緣線芯的電纜盤放入90℃以上的溫水中一定時間，水分子充分滲入聚乙烯分子之間，硅烷支鏈的聚乙烯分子發(fā)生水解縮合反應，生成交聯(lián)聚乙烯，這一過程即通常所說的溫水交聯(lián)。因為線芯絕緣厚度不同，水分滲入絕緣內(nèi)部的時間也不同，所需交聯(lián)時間也不同，絕緣厚度越大，交聯(lián)時間越長。也有采用常壓蒸汽代替溫水，把裝有絕緣線芯的電纜盤放入蒸汽房（類似于蒸汽浴的桑拿房）中一定時間，使絕緣充分交聯(lián)。采用蒸汽法比溫水法的交聯(lián)時間要長1～3h。一般而言，1kV溫水交聯(lián)電纜的交聯(lián)條件為（90±5）℃的水中加熱4～6h。而對于10kV溫水交聯(lián)電纜，由于絕緣較厚，水分滲入絕緣內(nèi)部的時間較長，同時由于絕緣外屏蔽材料的耐熱性較差，在（90±5）℃的水中加熱可導致外屏蔽粘連的問題，因此一般將水溫控制在（75±5）℃之間，因此交聯(lián)反應所需的時間進一步增長，交聯(lián)速度較慢，效率較低。需要指出的是，硅烷交聯(lián)聚乙烯料即使水煮交聯(lián)工藝不充分，在室溫下也將慢慢地進行交聯(lián)，這是因為材料中含有催化劑、微量的水分引起的，因此其交聯(lián)程度是在隨時間變化的。隨著絕緣材料技術的進步，還出現(xiàn)了免水煮硅烷交聯(lián)聚乙烯料，是在普通二步法硅烷交聯(lián)聚乙烯電纜料的基礎上進一步改性而來的，可在常溫常壓下自然交聯(lián)。它在擠出工藝不變的基礎上，免去了電纜成型后水煮這一工序，特別適用于沒有低壓蒸氣源和溫水池的情況。

5與時域反射法相結(jié)合的振蕩波電壓法

振蕩波電壓法的實驗原理合理利用了測試對象的電容屬性，通過對試樣預施加直流電壓，然后與諧振電感構(gòu)成串聯(lián)諧振電路實現(xiàn)直流到交流振蕩波的轉(zhuǎn)換，該電路結(jié)構(gòu)使得振蕩波法具備了直流電壓法靈巧和交流電壓法等效性的特點，因此振蕩波電壓法能夠適應更大容量的電力設備和更長距離的電力電纜（或同回路的多根電纜同時檢測，有效提高檢測效率），同時也能更有效地激發(fā)電纜缺陷處的局部放電。此外，振蕩波還具備阻尼衰減的特性，在測試過程中對電纜注入的能量不足以激發(fā)缺陷進一步的發(fā)展，屬于非破壞性試驗。因此，國內(nèi)各研究機構(gòu)和各制造業(yè)大力發(fā)展振蕩波技術。振蕩波局部放電測試技術在配網(wǎng)電纜預防性試驗中得到了廣泛應用，并能有效檢測出部分重要缺陷，為城市供電系統(tǒng)運行可靠性提供保障。同時在鐵路電纜領域，采用振蕩波方法對電纜絕緣狀態(tài)進行檢測也有大量的應用。振蕩波電壓法與近年來廣泛應用的時域反射法相結(jié)合，形成了用于長電纜缺陷定位的振蕩波測試系統(tǒng)，振蕩波電壓能夠有效施加在長電纜上，為長電纜中缺陷的探測和定位奠定有效基礎。例如，目前川藏鐵路電纜面臨最迫切的問題是在高寒高海拔環(huán)境下頻繁沖擊負荷與外界極低溫度協(xié)同作用對電纜絕緣特性的影響，在這種環(huán)境下，電纜附件復合界面局放發(fā)展將更加劇烈。針對電氣化鐵路，通過振蕩波電壓法與時域反射法相結(jié)合實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的檢測具有廣泛的應用前景。

結(jié)語

綜上所述，本文就現(xiàn)有的電纜絕緣狀態(tài)現(xiàn)場檢測評估方法的特點和原理進行闡述，提出將目前工程領域廣泛采用的振蕩波電壓法與時域反射法相結(jié)合的方法，可以實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的有效檢測，該方法已多次應用于鐵路饋線電纜絕緣狀態(tài)檢測，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

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