基于電氣性能綜合評估的XLPE配網(wǎng)電纜受潮過程研究

羅思敏，欒樂，許中，范偉男，崔屹平，徐碩

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

在我國城鎮(zhèn)配電網(wǎng)絡(luò)中，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜憑借其生產(chǎn)工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本低和維護(hù)簡便等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著電纜規(guī)模的增加，其運(yùn)行環(huán)境和技術(shù)工藝因關(guān)系到電纜的運(yùn)行壽命和可靠供電，也日益受到人們的關(guān)注[2]。在氣候濕熱的南方地區(qū)，配網(wǎng)電纜的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，長期運(yùn)行于積水或高濕度的電纜通道，由此導(dǎo)致電纜受潮現(xiàn)象普遍發(fā)生[3]。電纜受潮后，水分會侵入本體和附件的絕緣材料、復(fù)合絕緣界面等關(guān)鍵部位，影響電場和溫度場分布，進(jìn)而誘發(fā)絕緣劣化、界面受潮、金具腐蝕等缺陷并導(dǎo)致電纜故障的發(fā)生，給電纜的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)[4-5]。

因此，全面了解電纜的受潮過程并進(jìn)行有效預(yù)防，定期檢測和診斷絕緣性能從而識別電纜受潮缺陷，對提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。電纜受潮的可能原因分布在生產(chǎn)制造、運(yùn)輸存儲、敷設(shè)安裝和長期運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)，但不同途徑受潮的作用效果還未被深入研究。在絕緣檢測方面，基于耐壓試驗、介電特性檢測、陷阱特性檢測、局部放電等原理的在線和離線檢測方法發(fā)展迅速，但各有優(yōu)勢和不足[6-9]。綜合來說，憑借單一指標(biāo)難以對電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可靠性評估，亟需探究基于多方法聯(lián)合分析的綜合評估方式，實現(xiàn)對電纜受潮情況的準(zhǔn)確識別和診斷。目前，基于理想解法（TOPSIS）、層次分析法（AHP）、主成分分析法（PAC）等的綜合評估方法逐漸被研究者采用并取得了良好效果[10-12]，這對于電纜運(yùn)行狀態(tài)檢測具有重要的參考意義。

本文根據(jù)配網(wǎng)電纜的典型運(yùn)行環(huán)境和常見缺陷，對6段全新電纜線路進(jìn)行90個周期的多途徑加速受潮試驗，定期檢測試驗線路電纜的絕緣電阻、局部放電和去極化電流，并采用TOPSIS法綜合評估電纜的運(yùn)行狀態(tài)，探究不同途徑受潮的作用效果，以期為XLPE配網(wǎng)電纜的受潮預(yù)防和評估工作提供參考。

1 試驗

1.1 電纜多因素加速受潮試驗

基于恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗思路搭建電纜多因素加速受潮試驗平臺，模擬配網(wǎng)電纜本體及附件的運(yùn)行環(huán)境、常見缺陷和運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行多周期電纜加速受潮與老化試驗，平臺組成和試驗周期設(shè)置如圖1～2所示。

圖1 電纜多因素加速受潮試驗平臺Fig.1 Multi-factor accelerated damp test platform

試驗中，對電纜回路進(jìn)行90個周期的循環(huán)試驗，周期時長不短于6 h，包括加流升溫、溫度保持和加壓降溫3個階段：①參考GB/T 12706.4—2020中恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗方法，在電纜回路中施加850～900 A的電流使導(dǎo)體溫度達(dá)到95～100℃實現(xiàn)加流升溫；②調(diào)整電流大小，使導(dǎo)體溫度保持在上述范圍至少2 h；③斷開電流源使電纜自然降溫至接近環(huán)境溫度，降溫過程中對導(dǎo)體施加2.5U（0U0=8.7 kV）電壓以加速絕緣劣化。

圖2 電纜加速受潮試驗周期設(shè)置Fig.2 Cycle period setting of accelerated damp test of cable

1.2 試驗線路設(shè)置

試驗回路由某廠家生產(chǎn)的6段全新的YJV22-8.7/15kV-3×300型電纜首尾連接而成，每段電纜的長度為5 m，均安裝冷縮終端護(hù)套后按照表1進(jìn)行設(shè)置。

表1 各段電纜試驗條件設(shè)置Tab.1 Setting of test conditions for each section of cable

其中，C1線路模擬電纜在生產(chǎn)制造、運(yùn)輸存儲和敷設(shè)安裝等過程中水分直接進(jìn)入纜芯的內(nèi)源性受潮，通過控制注水量分別設(shè)置A相和C相為嚴(yán)重受潮和輕微受潮，B相不作受潮處理；C2線路本體分別設(shè)置3處尺寸相同、深度不同（分別至外護(hù)套損壞、鋼鎧損壞和內(nèi)護(hù)套損壞）的破損；C3線路在電纜接頭安裝過程中，分別在A、B、C相不纏繞、完整纏繞和部分纏繞密封膠帶，模擬弱密封、全密封和半密封的接頭密封狀態(tài)；C4線路安裝戶外終端后，將終端部分浸入水中運(yùn)行；C5和C6線路分別作為浸水和空氣中運(yùn)行的對照線路。

1.3 絕緣性能測試方法

試驗中，定期對電纜線路進(jìn)行絕緣電阻、局部放電和去極化電流測試。其中，絕緣電阻測試采用DM50C型電子式絕緣電阻表，量程為1000 GΩ，使用5 kV檔位分別檢測加壓15 s和60 s時的電阻R15、R60，并根據(jù)式（1）計算吸收比K。

局部放電測試使用由自耦調(diào)壓器、隔離變壓器、無局放變壓器、限流電阻和耦合電容等組成的200 kV工頻無局放電源系統(tǒng)，采用并聯(lián)測試回路，測試時非測試相接地，局部放電分析儀型號為TWPE-E4，背景噪聲不大于0.5 pC。測試中，首先緩慢升高測試相電壓至1.73U0，讀數(shù)穩(wěn)定20 s后升高電壓至2.5U0，讀數(shù)穩(wěn)定20 s后降低電壓至1.73U0再次記錄數(shù)據(jù)。

去極化電流測試原理如圖3所示，極化階段開關(guān)置于S1，電纜試樣在5 kV的直流電壓下極化5 min，然后將開關(guān)置于S2，電纜處于去極化狀態(tài)，由Keithley 6517B型小電流計實時記錄電流數(shù)據(jù)。

圖3 去極化電流測試原理圖Fig.3 Schematic diagram of depolarizing current test

1.4 TOPSIS評估方法

TOPSIS評估方法是一種基于雙基準(zhǔn)值的多目標(biāo)系統(tǒng)評價方法，基本原理為通過指標(biāo)與正、負(fù)理想值間的加權(quán)歐式距離確定貼近度，選取距正理想解最近且距負(fù)理想解最遠(yuǎn)的目標(biāo)為最優(yōu)解[13-14]。對于m個評估目標(biāo)和n個評估指標(biāo)的決策矩陣，第i個評估目標(biāo)的第j個指標(biāo)原始數(shù)據(jù)為aij，其評估步驟如下。

（1）對所有指標(biāo)進(jìn)行正向歸一化處理。

對于局部放電成本型指標(biāo)，采用式（2）處理。

對于絕緣電阻、時間常數(shù)等收益型指標(biāo)，采用式（3）處理。

得到規(guī)范化矩陣B，指標(biāo)數(shù)據(jù)完成歸一化，并且局部放電轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)，至此，所有指標(biāo)值越大越優(yōu)。

（2）根據(jù)權(quán)重矩陣形成加權(quán)規(guī)范化矩陣X，采用式（4）處理。

式（4）中：wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重，采用熵值法得到各指標(biāo)的權(quán)重，如式（5）所示。

式（5）中，ej為第j個指標(biāo)的熵值。

（3）根據(jù)加權(quán)規(guī)范化矩陣X找出每個指標(biāo)的最優(yōu)值、最劣值，進(jìn)而確定正理想解X+和負(fù)理想解X-，如式（6）～（7）所示。

（4）計算各評價目標(biāo)到正理想解和負(fù)理想解的歐式距離Edi

+和Edi

-，如式（8）所示。

（5）計算每個目標(biāo)的相對貼近度Ci，相對貼近度越大，目標(biāo)越優(yōu)，如式（9）所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 絕緣狀態(tài)綜合評估

選取6條試驗電纜在相同循環(huán)周期的126組電氣性能測試數(shù)據(jù)，基于TOPSIS法對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，并采用秩和比法（RSR）[15]對相對貼近距離進(jìn)行分級比較。

將各組數(shù)據(jù)的Ci值從小到大排列并統(tǒng)計其出現(xiàn)頻數(shù)f及累積頻數(shù)f，求得平均秩次-R和累計頻率-R/m后根據(jù)《百分?jǐn)?shù)與概率單位對照表》得到概率單位值（Probit），最終得到相對貼近度的RSR分布，如表2所示。根據(jù)Probit值將電纜劃分為優(yōu)、良、中、差4個絕緣級別，臨界值分別為6、5、4，分別包括21、43、42、20組測試結(jié)果，不同試驗線路測試數(shù)據(jù)的絕緣級別分布如圖4所示。

表2 相對貼近度的RSR分布Tab.2 RSR distribution of relative similarity distance

圖4 不同絕緣級別電纜數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.4 Statistics of the number of cables with different insulation levels

從表2和圖4可以看出，基于TOPSIS評估法結(jié)果，試驗線路的絕緣劣化程度由大到小的順序為C3、C1、C2、C5、C4、C6線路。作為空氣對照組，C6線路在循環(huán)試驗中的電氣性能最優(yōu)，這是由于其結(jié)構(gòu)完整且運(yùn)行環(huán)境干燥使得電纜沒有缺陷產(chǎn)生，絕緣劣化類型以電熱老化為主。然而，設(shè)置缺陷和浸水運(yùn)行的電纜線路均出現(xiàn)相對嚴(yán)重的絕緣劣化，說明水分進(jìn)入電纜加速了絕緣劣化。另外，不同受潮途徑的劣化效果有所差別，內(nèi)源性受潮和中間接頭受潮的絕緣劣化最為顯著，而本體破損和終端浸水線路的絕緣劣化相對較弱，這可能與水分進(jìn)入電纜后的作用部位有關(guān)，對主絕緣內(nèi)側(cè)和復(fù)合絕緣界面具有最嚴(yán)重的劣化效果。

2.2 絕緣電阻測試

基于綜合評估結(jié)果選取典型線路的絕緣電阻和吸收比K進(jìn)行精細(xì)化分析，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，在90個循環(huán)周期中，內(nèi)源性受潮和接頭浸水線路的絕緣電阻明顯降低，降低幅度與受潮程度、電纜安裝工藝等因素有關(guān)。在內(nèi)源性受潮線路中，嚴(yán)重受潮的A相絕緣劣化速度明顯快于輕微受潮的C相，而未做受潮處理的B相絕緣良好，說明纜芯受潮會加速絕緣劣化并且受潮程度與絕緣電阻呈負(fù)相關(guān)。對于接頭浸水線路，絕緣電阻的降低幅度隨密封程度升高而降低，三相絕緣性能從高到低依次為全密封相、半密封相、弱密封相，原因為潮氣入侵復(fù)合絕緣界面降低絕緣性能，短期內(nèi)便導(dǎo)致絕緣電阻迅速下降。

圖5 試驗電纜絕緣電阻、吸收比K測試結(jié)果Fig.5 Insulation resistance and K of test cables

從圖5還可以看出，試驗中，本體破損和空氣對照組的絕緣電阻始終維持在較高水平，這與綜合評估結(jié)果一致。然而，解剖后發(fā)現(xiàn)本體破損線路的護(hù)套內(nèi)部存在大量水分，直接與XLPE外側(cè)半導(dǎo)體屏蔽接觸，但線路絕緣電阻卻沒有明顯降低，這是因為外屏蔽層阻水性能良好并起到了水分隔離作用，短時間內(nèi)XLPE絕緣未與水分充分接觸并發(fā)生水樹等嚴(yán)重劣化現(xiàn)象。

值得說明的是，吸收比作為衡量電纜絕緣狀態(tài)的指標(biāo)之一，在電纜絕緣狀態(tài)良好時應(yīng)具有較大的數(shù)值（大于1.3），電纜受潮后數(shù)值減小（1.0～1.3）。由于絕緣電阻測試設(shè)備的量程限制（1000 GΩ），部分測試的K值不納入試驗結(jié)果，僅對電纜受潮后的K值進(jìn)行分析。如圖5所示，內(nèi)源性受潮和接頭浸水線路受潮相的吸收比多為1.0～1.3，并且整體呈下降趨勢，說明吸收比可以作為評價電纜受潮情況的指標(biāo)。

2.3 局部放電測試

絕緣電阻測試適用于檢測較為嚴(yán)重的電纜整體受潮，在輕度受潮和局部受潮檢測中的靈敏度不足，因此采用局部放電對線路受潮情況進(jìn)行協(xié)同評估。基于1.73U0下的局部放電數(shù)據(jù)，以10 pC為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計局部放電發(fā)生次數(shù)并計算平均放電量，作為評價指標(biāo)在表3中列出。

從表3可以看出，干燥環(huán)境下電熱聯(lián)合老化不易引起電纜絕緣的局部放電，因此空氣對照組未發(fā)生明顯的放電現(xiàn)象，并具有最小的平均放電量。其他線路的局放現(xiàn)象均有所增強(qiáng)，其中對于內(nèi)源性受潮線路，局部放電次數(shù)與受潮嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，這與其絕緣電阻變化規(guī)律一致。此外，對于絕緣電阻難以體現(xiàn)出的終端浸水線路的性能變化，局部放電具有更好的檢測效果。圖6展示了終端浸水線路的放電量隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，隨著循環(huán)周期增加，三相在1.73U0和2.5U0下的放電量均呈現(xiàn)出增加的趨勢，并且在試驗后期尤其明顯，這表明水分通過終端的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)入電纜內(nèi)部，但發(fā)生時期較晚而未產(chǎn)生整體受潮，因此難以通過絕緣電阻得以體現(xiàn)。

圖6 終端浸水電纜的局部放電量Fig.6 Partial discharge quantity of cable with terminal immersed in water

表3 試驗電纜發(fā)生局部放電現(xiàn)象情況Tab.3 Partial discharge phenomenon of test cable

2.4 去極化電流測試

絕緣電阻和局部放電測試分別對電纜的整體和局部受潮檢測展現(xiàn)出良好的效果，但其應(yīng)用仍受限于靈敏度低和隨機(jī)性大等缺點。去極化電流法通過檢測絕緣材料的陷阱情況和去極化過程，對水分具有較高的檢測精度，有望成為主要的電纜受潮檢測方法。

為深入分析電纜去極化電流包含的狀態(tài)信息，根據(jù)一階和多階德拜支路解析去極化電流并選取一階時間常數(shù)表征電纜運(yùn)行狀態(tài)，由式（10）通過非線性擬合計算得到。

式（10）中：idepol為去極化電流；a為擬合系數(shù)；t為時間；τ為時間常數(shù)。

表4為試驗線路循環(huán)前后的三相平均時間常數(shù)，即三相時間常數(shù)的平均值，部分試驗電纜A相循環(huán)前后的去極化電流如圖7所示。從表4和圖7可以看出，90個循環(huán)周期后，受潮線路與未受潮線路區(qū)別明顯，不同途徑受潮線路的時間常數(shù)均呈下降趨勢，并且初始去極化電流幅值明顯增加，電流衰減速度加快，與兩組對照線路的變化趨勢相反，原因為受潮缺陷增強(qiáng)了電纜絕緣的極化現(xiàn)象，并且水分的存在極大地促進(jìn)了去極化過程；空氣對照線路在試驗全程保持良好的絕緣性能，去極化電流始終小于試驗前的線路。

表4 循環(huán)前后三相平均時間常數(shù)Tab.4 Three-phase average time constantbefore and after cycle

圖7 部分電纜的去極化電流曲線Fig.7 Depolarization current curve of some cables

2.5 相關(guān)性分析

根據(jù)TOPSIS綜合評估和電氣性能分析，絕緣電阻、局部放電及去極化電流均能有效反映電纜受潮狀態(tài)，但檢測效果和適用場景有所差別。為了研究3種電氣性能指標(biāo)對4種受潮路徑的檢測靈敏度，采用Pearson法對不同線路3種指標(biāo)與循環(huán)時間進(jìn)行相關(guān)性分析[16]。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算公式為式（11）。

式（11）中：A、B為進(jìn)行相關(guān)性分析的兩組指標(biāo)；分別為A、B指標(biāo)的平均值。

對于不同線路，3種絕緣性能指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性如表5所示，表5中p值為顯著系數(shù)，系數(shù)越小，相關(guān)性的判定可靠度越高。以內(nèi)源性受潮線路為例，其局部放電量與循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.577，顯著系數(shù)為0.006，說明二者具有中等強(qiáng)度的正相關(guān)性，且可信度較高，即局部放電對纜芯受潮有較高的靈敏度。綜合上述分析并考慮水分排出等多種因素，建立3種絕緣指標(biāo)對不同受潮途徑的檢測靈敏度并從高到低劃分為3級、2級、1級，結(jié)果如表6所示。

表5 受潮電纜絕緣性能指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性Tab.5 Correlation between the insulation performance index of damp cable and the number of cycles

表6 不同指標(biāo)對不同受潮途徑的檢測靈敏度Tab.6 Sensitivity of different indicators to different damp pathways

電氣性能對不同途徑電纜受潮的檢測靈敏度分析既能為電纜的受潮檢測提供指導(dǎo)，又能根據(jù)其適用場景分析電纜的受潮表現(xiàn)。綜合全文分析，中間接頭浸水運(yùn)行是最主要的受潮途徑，3種電氣性能測試均對其有較好的檢測效果；絕緣電阻和局部放電測試對內(nèi)源性受潮檢測效果良好，說明內(nèi)源性受潮更容易導(dǎo)致局部絕緣缺陷的產(chǎn)生；相比之下，本體破損條件下電纜浸水運(yùn)行更易發(fā)生絕緣的整體受潮劣化；電纜終端受潮的絕緣劣化效果相對較弱，但仍能通過局部放電檢測進(jìn)行識別。

3 結(jié)論

（1）在電纜運(yùn)行過程中，水分能夠通過破損本體、中間接頭和終端頭的多種界面結(jié)構(gòu)進(jìn)入電纜內(nèi)部并發(fā)生快速擴(kuò)散，是電纜運(yùn)行的重要隱患。

（2）基于絕緣電阻、局部放電量、去極化電流時間常數(shù)的TOPSIS綜合評估方法能夠?qū)﹄娎|受潮狀態(tài)進(jìn)行有效評估，有助于準(zhǔn)確識別受潮電纜。

（3）中間接頭受潮是電纜受潮的主要途徑，在密封措施不足的情況下，水汽能夠進(jìn)入并存儲在復(fù)合絕緣界面進(jìn)而導(dǎo)致電纜絕緣性能快速下降，這將是界面爬電、附件絕緣擊穿等故障的重要原因。

（4）內(nèi)源性受潮極易在主絕緣內(nèi)側(cè)誘發(fā)局部缺陷，促進(jìn)局部放電，具有較強(qiáng)的絕緣劣化效果。