陳茂榮，楊 忠，牛海清

(1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞523129;2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州510641)

0 引言

目前城市配電網(wǎng)中的電纜主要是交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣三芯電纜。配網(wǎng)電纜數(shù)量多、負(fù)荷重，且長期受高溫、高電壓、潮濕等的作用，運(yùn)行環(huán)境惡劣，加之目前中間接頭的制作過程中存在較多問題，使得因絕緣損壞引起的電纜故障不斷增加。

本文統(tǒng)計(jì)了珠三角地區(qū)2009年1月至2011年9月期間10 kV電纜故障及其原因。統(tǒng)計(jì)表明，引起電纜故障的第一大原因是外力破壞，約占60%;第二大原因是電纜附件缺陷，占約21%;第三大原因是電纜本體缺陷，占14%。為提高直接面向用戶的中壓電纜供電可靠性，有必要研究其主要缺陷及狀態(tài)檢測方法。

除耐壓試驗(yàn)外，電力電纜的狀態(tài)檢測方法包括局部放電監(jiān)測及檢測、運(yùn)行溫度監(jiān)測及檢測、接地電流測量、電纜絕緣水樹的監(jiān)測、絕緣電阻和泄漏電流檢測、介質(zhì)損耗檢測等［1］。本文綜述了上述方法的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)研究了電纜局部放電檢測技術(shù)及研究應(yīng)用現(xiàn)狀，為中壓電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測的研究奠定基礎(chǔ)。

1 電力電纜的主要缺陷

出廠試驗(yàn)合格的電纜在運(yùn)輸、現(xiàn)場敷設(shè)、電纜終端及中間接頭的安裝與制作過程中，均可能因各種原因而形成缺陷。

1.1 電纜附件的主要絕緣缺陷

電纜附件包括終端頭以及中間接頭。電纜附件不是由制造廠提供完整的產(chǎn)品，而必須在現(xiàn)場將工廠制作的各種組件、部件和材料按照相關(guān)的工藝要求安裝到電纜上并與電纜本身結(jié)合為一個整體，這才構(gòu)成電纜的終端或接頭。因而電纜終端和接頭由工廠制作和現(xiàn)場安裝兩個階段完成。相對于高壓電纜，配電電纜的附件生產(chǎn)門檻低，廠家的技術(shù)能力和生產(chǎn)水平參差不齊，致使電纜附件制造及安裝質(zhì)量良莠不齊。電纜附件成為中壓電纜的薄弱環(huán)節(jié)。

電纜附件缺陷主要包括應(yīng)力錐本體制造缺陷、電纜附件與本體接連不緊、金屬雜質(zhì)、絕緣中裂紋等微創(chuàng)、絕緣中潮氣氣泡等雜質(zhì)以及其他。電纜附件引起的事故統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 電纜附件缺陷原因

由表1可見，除外力破壞，引起配電電纜附件缺陷的兩大主要原因是附件絕緣中潮氣氣泡等雜質(zhì)和電纜附件與本體接連不緊。

1.2 電纜本體電氣絕緣缺陷

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，XLPE電纜制造水平較高，電纜本體制造質(zhì)量大幅提高。但面臨激烈的市場競爭，部分電纜生產(chǎn)商往往在電纜制造過程中盡可能地取負(fù)公差以降低制造成本，其結(jié)果是生產(chǎn)過程中稍有不慎或管理疏漏，便會導(dǎo)致電纜本體制造缺陷。

電纜本體缺陷主要有以下幾種情況:本體電氣絕緣缺陷包括絕緣偏心、厚度不均勻等生產(chǎn)質(zhì)量不良，線芯導(dǎo)體與絕緣分層，絕緣屏蔽表面突起，絕緣中裂紋等微創(chuàng)，絕緣中潮氣氣泡等雜質(zhì)以及其他。電纜本體缺陷引起故障統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 電纜本體缺陷原因

由表2可見，除外力破壞，引起配電電纜本體缺陷兩大主要原因是電纜絕緣中的微創(chuàng)和絕緣屏蔽表面突起。

2 電纜狀態(tài)檢測的方法及現(xiàn)狀

在工作電壓下，上述缺陷的存在可能造成電纜系統(tǒng)出現(xiàn):局部放電、沿面放電、水分滲入、加速老化、外護(hù)層受損、金屬護(hù)套老化、多點(diǎn)接地、局部過熱、懸浮電位放電、介質(zhì)損耗增大、泄漏電流中含諧波分量等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象為監(jiān)測及檢測技術(shù)提供了參考。

目前國內(nèi)外開發(fā)了多種XLPE電力電纜的監(jiān)測及檢測方法，其中有些方法已在運(yùn)行中得到了應(yīng)用［2］。除耐壓試驗(yàn)外，電力電纜的狀態(tài)檢測的主要方法包括如下5類。

2.1 局部放電監(jiān)測及檢測

局部放電作為絕緣故障早期的主要表現(xiàn)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參數(shù)。局部放電與電纜絕緣狀況密切相關(guān)，局放量的變化預(yù)示著電纜絕緣中一定存在著可能危及安全運(yùn)行的缺陷。目前國內(nèi)外對局部放電展開了很多研究，主要包括局部放電檢測方法的研究、局部放電去噪方法的研究、局部放電源模式識別的研究、局部放電的定位等，取得了不少成果［3－5］。IEC、CIGRE等國際權(quán)威機(jī)構(gòu)一致推薦局部放電作為XLPE電纜絕緣狀況評價的最佳方法。

局部放電的檢測方法很多，可分為離線方法和帶電及在線方法［10］。離線式局部放電檢測需要停電數(shù)小時，且需打開連接。在目前用電可靠性要求越來越高的情況下，難以實(shí)現(xiàn)對中壓電纜一年一檢或者定期巡檢。局部放電帶電檢測或在線監(jiān)測，無需電網(wǎng)停電，在真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境(負(fù)載、溫度)中檢測局部放電或監(jiān)視其變化趨勢，有助于了解電纜絕緣的實(shí)際狀況，成為目前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。本文將在下節(jié)專門研究電纜局部放電的帶電檢測方法。

2.2 電纜運(yùn)行溫度監(jiān)測及檢測

導(dǎo)體溫度是電力電纜運(yùn)行的一個重要指標(biāo)，可作為反映電纜運(yùn)行狀態(tài)的參量。運(yùn)行中的電纜導(dǎo)體溫度在技術(shù)上難于實(shí)現(xiàn)測量，利用分布式光纖測量電纜護(hù)套溫度進(jìn)而通過計(jì)算獲得其導(dǎo)體溫度，是目前的一個研究熱點(diǎn)。澳大利亞、日本、加拿大、西班牙、以色列、阿聯(lián)酋等國家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)和電力企業(yè)對該方法進(jìn)行過理論研究和實(shí)踐驗(yàn)證，并已取得了較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［6］。國內(nèi)如國網(wǎng)電科院、北京電力公司、天津電力公司和廣州供電局、華南理工大學(xué)等均對這種方法進(jìn)行過深入研究。目前，北京、上海、天津、廣州等城市的110 kV及以上電壓等級的電纜線路上均不同程度地敷設(shè)了分布式光纖測溫系統(tǒng)。

雖然該測溫系統(tǒng)具有測量距離長、測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，但光纖測溫對因各類缺陷造成的局部溫升不敏感，易受敷設(shè)環(huán)境溫度、濕度影響，損壞率高等，仍然需要進(jìn)一步的應(yīng)用研究。

2.3 電纜絕緣水樹的監(jiān)測

當(dāng)XLPE電纜絕緣中存在水樹枝等缺陷時，樹枝尖端與接地電纜屏蔽層有類似于針－板電極的整流效應(yīng)。在運(yùn)行電壓下，高壓極(電纜線芯)與低壓電極(電纜金屬護(hù)套及屏蔽接地線)之間構(gòu)成的回路，有納安級的直流分量流過。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電纜水樹枝長度與直流泄漏分量有較好的相關(guān)性，水樹枝越長，直流分量也就越大。直流分量法就是以水樹效應(yīng)引起的納安級的直流電流為老化判據(jù)，檢測運(yùn)行電纜的水樹狀劣化。

這種方法可以很好地發(fā)現(xiàn)集中性缺陷，由于測量的電流很小，所以在抗干擾方面要求較高。

2.4 絕緣電阻和泄漏電流檢測

在線監(jiān)測絕緣電阻和泄漏電流的方法包括直流疊加法、電橋法和低頻疊加法。直流疊加法是在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加進(jìn)低壓直流電壓(通常為50V)，使該直流電壓與施加在電纜絕緣上的交流電壓疊加，從而測量通過電纜絕緣層上微弱的納安級直流電流或其絕緣電阻。由于直流疊加法是在交流高壓上再疊以低值的直流電壓，這樣在帶電情況下測得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時測試結(jié)果很相近。由于絕緣電阻與很多因素有關(guān)，很難根據(jù)絕緣電阻值來預(yù)測電纜的老化程度。

實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)XLPE電纜中的水樹枝發(fā)展到絕緣厚度的80%以上時，才會使絕緣電阻顯著下降到“危險(xiǎn)值”，故該法雖然比較易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，但當(dāng)護(hù)層絕緣電阻太低時難以獲得準(zhǔn)確讀數(shù)。

2.5 介質(zhì)損耗檢測

電纜絕緣tgδ值的在線檢測方法，與電容型試品的在線檢測方法很相似。介質(zhì)損耗法目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在線檢測，且有大量的離線檢測經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，只要合理改進(jìn)在線檢測的精度，即有望成為高壓電纜絕緣在線監(jiān)測及檢測的一種有效手段［7］。由于tgδ值往往反映的是普遍性的缺陷，個別的較集中的缺陷不會引起整根電纜所測到的tgδ值的顯著變化，對局部缺陷無法反映［8］。

3 中壓電纜局部放電帶電檢測方法

除電纜本體外，與電纜相連接的高壓設(shè)備內(nèi)部也會產(chǎn)生局部放電，通常在對電纜進(jìn)行局部放電檢測的同時，也需要對與電纜相連的分接箱、開關(guān)柜等產(chǎn)生的本地局部放電進(jìn)行檢測，從而更加準(zhǔn)確地診斷電纜局部放電。

帶電或在線局部放電量檢測，適應(yīng)于高可靠性的要求，成為目前的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。由于篇幅所限，本文僅介紹可用于電纜線路局部放電帶電檢測和在線監(jiān)測的方法。

3.1 高頻脈沖電流法

脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法，IEC對此制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)。由于該方法測量信號頻帶較低，通常在幾十到幾十萬赫茲范圍內(nèi)，易受背景干擾的影響，且該方法需要接高壓試驗(yàn)電源，不便于電纜局部放電在線或帶電檢測。

高頻電流法采用高頻電容傳感器(HFCT)，將HFCT傳感器卡在運(yùn)行電纜接地線上采集局部放電信號［3］。HFCT安裝方便，信號帶寬可根據(jù)檢測需要調(diào)整，可用于電纜局部放電的在線監(jiān)測，北京電力公司在奧運(yùn)保供電的應(yīng)用中取得一些成果。但HFCT僅適用于電纜外屏蔽層有接地線的情況，對于有完全屏蔽的電纜，HFCT套在電纜本體外，難以檢測到局部放電信號。與傳統(tǒng)的脈沖電流法相比，HFCT測量局部放電的頻帶響應(yīng)范圍寬，在高壓電纜和測量回路間沒有直接的電氣連接，能較好地抑制噪聲，適用于電纜敷設(shè)后的交接評審試驗(yàn)和運(yùn)行中局部放電的帶電測試和在線監(jiān)測。

3.2 地電波方法

發(fā)生開關(guān)柜等高壓設(shè)備的局部放電會輻射出電磁波。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電磁波在空間傳播遇到金屬的柜體時，在柜體內(nèi)表面會感應(yīng)出幅值大小、頻率等參數(shù)與局部放電電磁波相關(guān)的脈沖電流。由于實(shí)際的柜體不是完全密封的，柜體屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)縫隙，柜體內(nèi)表面感應(yīng)的脈沖電流會從縫隙處傳出，然后沿著金屬柜體外表面?zhèn)鞯酱蟮?，這樣就形成了一個個暫態(tài)對地電壓。若在設(shè)備的金屬外箱殼上放置一個電容性探測器，即可實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測。

3.3 超聲波和聲發(fā)射檢測方法

局部放電的發(fā)生伴隨著噪聲的產(chǎn)生，超聲檢測法用固定在電氣設(shè)備金屬外殼上的超聲傳感器(通常采用壓電傳感器)接收到設(shè)備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波，由此來檢測局部放電的大小及位置。

局部放電的聲學(xué)檢測方法受電氣干擾小，主要用于定性地判斷局部放電信號的有無，以及結(jié)合電脈沖信號或直接利用超聲信號對局部放電源進(jìn)行物理定位。由于目前還不能確定超聲信號的強(qiáng)弱與絕緣劣化的定量關(guān)系，因而超聲檢測法在設(shè)備局部放電的帶電檢測和在線監(jiān)測中，只是輔助測量手段。

3.4 無線電檢測法和超高頻(UHF)法

試驗(yàn)結(jié)果表明:局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強(qiáng)度有關(guān)。無線電檢測法常采用無線電電壓干擾儀來檢測，使用2個或2個以上的UHF傳感器，能夠較好地對局部放電源進(jìn)行定位，適用于在線檢測［9］。由于XLPE電力電纜多層屏蔽結(jié)構(gòu)和顯著的低通濾波效應(yīng)，造成UHF信號沿電纜傳播時衰減很快，該方法應(yīng)用于電纜還處于研究階段。

3.5 其它方法

除上述方法外，差分法、方向耦合法、電容耦合法是在電纜本體進(jìn)行局部的切割并植入相應(yīng)的傳感器進(jìn)行電纜局部放電的監(jiān)測。這些方法目前還處于研究階段，其使用并不影響電纜的主絕緣，適合于電纜的局部放電在線監(jiān)測。然而這些方法需要在電纜本體進(jìn)行操作，破壞了電纜的外護(hù)層和金屬護(hù)套，水分等會滲入電纜絕緣中，長期運(yùn)行后可能會引起絕緣中水樹枝的生長，不利于電纜的長期可靠運(yùn)行。但若在電纜生產(chǎn)過程中就將這些傳感器植入，這些方法還是具有較好的研究價值的。

4 結(jié)束語

在電纜狀態(tài)檢測的上述方法中，局部放電監(jiān)測、溫度監(jiān)測獲取的絕緣信息豐富，易于實(shí)現(xiàn)，有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn);而對電纜的絕緣電阻、泄漏電流或者介質(zhì)損耗的測量，不能反映絕緣的局部缺陷。實(shí)際上，XLPE電纜的許多故障是由局部放電引起的，XLPE電纜發(fā)生局部放電時，其絕緣電阻、泄漏電流和介質(zhì)損耗往往不會發(fā)生改變。

在電纜局部放電帶電檢測方法中，高頻電流法和電磁耦合法(Rogowski線圈)的傳感器與測量回路間沒有直接的電氣連接，適用于電纜局部放電的在線監(jiān)測。超聲方法和聲發(fā)射方法，可對電纜局部放電進(jìn)行定位，但聲信號與局部放電信號間定量的關(guān)系有待進(jìn)一步研究，因而聲測法作為一種輔助手段，用于電纜終端局部放電的帶電檢查和在線監(jiān)測。超高頻方法應(yīng)用于電力電纜局部放電的監(jiān)測，適合尺寸較小的電纜附件絕緣缺陷。振蕩波方法產(chǎn)生的電源與交流電源等效性好，操作方便、易于攜帶，不會對電纜造成傷害，但試驗(yàn)時被測電纜需退出運(yùn)行，因而該方法是一種離線的局部放電的檢測方法。

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