時(shí)翔，陳志勇，徐振棟，崔瀟，趙生傳，張立剛，李志戈

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031；3.青島華電高壓電氣有限公司，山東 青島 266102）

1 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜由于具有制造工藝簡單、安裝敷設(shè)容易、電氣性能優(yōu)良、傳輸容量大、運(yùn)行維護(hù)方便、無漏油隱患等諸多優(yōu)點(diǎn)已成為電纜發(fā)展和工程應(yīng)用的主流［1］。我國各大城市如北京、上海、天津等地的城市電網(wǎng)中，高壓、超高壓交聯(lián)電纜已獲得了廣泛的應(yīng)用，且敷設(shè)量逐年遞增。截至2009年底，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)110kV在運(yùn)高壓、超高壓交聯(lián)電纜回路總長度已 ＞7700km［2］。

局部放電（PD）的診斷在高壓和中壓電力電纜的絕緣診斷有重要的作用，可通過這種方法來實(shí)現(xiàn)在工廠測(cè)試階段、鋪設(shè)測(cè)試階段或運(yùn)行階段的電纜質(zhì)量檢驗(yàn)，從而獲得某一包含附件在內(nèi)的特定電纜絕緣系統(tǒng)的放電缺陷信息。可使用局部放電起始電壓、局部放電振幅、局部放電的圖譜特征來幫助識(shí)別放電絕緣薄弱點(diǎn)的癥狀［3］。

2 現(xiàn)有的電纜絕緣性能檢測(cè)技術(shù)

交聯(lián)電纜由于其電容量大，很難在現(xiàn)場開展工頻電壓下的絕緣性能考核。過去充油電纜采用直流試驗(yàn)，可以大大降低電源的要求，但對(duì)交聯(lián)電纜，由于采用整體均勻絕緣材料，其在交流電壓和直流電壓的作用下電場分布不一樣，在運(yùn)行電壓下局部電場較高的部位即易擊穿的部位。

局部放電作為電纜線路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特征參數(shù)。高壓、超高壓交聯(lián)電纜運(yùn)行中采用局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是國內(nèi)密切關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)，雖能在運(yùn)行工況下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路局放變化趨勢(shì)，但也存在局放測(cè)試無法按照IEC標(biāo)準(zhǔn)精確量化引起計(jì)量困難和量化判據(jù)的不統(tǒng)一，單一的檢測(cè)電壓難以發(fā)現(xiàn)更微小尺寸的絕緣缺陷，線路金屬護(hù)套交叉互聯(lián)導(dǎo)致的局放信號(hào)分相定位困難等不足。采用在線監(jiān)測(cè)方式目前還無法實(shí)現(xiàn)電纜線路帶電情況下介質(zhì)損耗量監(jiān)測(cè)，缺失了利用介質(zhì)損耗評(píng)估線路絕緣老化狀態(tài)的有效手段。

（1）M 表法:M 表通常有 500V、1000V、2500V、5000V和10kV多種不同電壓等級(jí)，M表法是M表在某一恒壓下測(cè)量絕緣體的電阻值，它只能反映電纜絕緣的泄漏特性［4］。

（2）直流耐壓試驗(yàn):直流耐壓反映電纜絕緣的泄漏和耐壓特性。XLPE電力電纜，由于其絕緣電阻較高，且交流和直流下電壓分布差別很大，直流耐壓試驗(yàn)后，在XLPE電纜中特別是電纜缺陷處會(huì)殘余大量的空間電荷，當(dāng)電纜投運(yùn)后空間電荷常造成電纜的絕緣擊穿事故。大量研究表明，直流電壓不適合對(duì)XLPE電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

（3）低頻試驗(yàn):德國、奧地利、美國和日本等國家早在80年代中期，就著手對(duì)運(yùn)行中的XLPE電力電纜采用超低頻（0.1Hz）耐壓試驗(yàn)作為發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行絕緣缺陷的無損試驗(yàn)手段，開展了大量試驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)研究工作。德國發(fā)電廠聯(lián)合會(huì)（VDEW）和國際大電網(wǎng)會(huì)議第21.09 工作組（CIGRE Working Group 21.09）研究報(bào)告表明:超低頻（0.1Hz）耐壓試驗(yàn)仍是推薦用于中壓XLPE絕緣的電力電纜試驗(yàn)。一方面該試驗(yàn)不會(huì)在電纜XLPE絕緣中聚集空間電荷，畸變局部電場，另一方面能夠在較低的試驗(yàn)電壓下發(fā)現(xiàn)電纜絕緣水樹枝老化等缺陷，故其對(duì)XLPE絕緣的損害程度較小。但由于超低頻（0.1Hz）電壓（VLF）高于運(yùn)行電壓，要求試驗(yàn)時(shí)間長，可引發(fā)電纜中的新缺陷，最主要的是也許不能識(shí)別出電纜的絕緣缺陷，且試驗(yàn)電壓上限值低，與工頻電壓試驗(yàn)等效性尚無定論。

（4）工頻耐壓試驗(yàn):工頻試驗(yàn)產(chǎn)生的電壓波形和頻率最為理想，不但能反映電纜的泄漏特性，而且能完全反映電纜的耐壓特性，還能反映電纜局部電介質(zhì)損耗引起的局部耐壓特性。但由于XLPE絕緣電力電纜的電容量較大，特別是高壓電纜試驗(yàn)，要求工頻試驗(yàn)設(shè)備的容量較大，設(shè)備的體積和重量很大，不便于運(yùn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。人們努力通過利用多種調(diào)感的方式或變頻方法與電纜的等效電容產(chǎn)生諧振來獲取接近工頻的高電壓，以求減小試驗(yàn)設(shè)備體積、減輕重量。此方法顯然比直接采用工頻變壓器做試驗(yàn)要好些，但實(shí)際設(shè)備很笨重，且操作很麻煩。

用于檢測(cè)電纜局部放電的試驗(yàn)方法需要滿足以下要求:

（1）電纜在額定電壓U0下不應(yīng)該有局放；

（2）網(wǎng)絡(luò)中諧振接地中心點(diǎn)在1.7U0下不應(yīng)有局放；

（3）試驗(yàn)電壓與工頻電壓需要有很好的等效性，能夠檢測(cè)局放起始電壓、局放熄滅電壓和局放水平；

（4）試驗(yàn)電壓在檢測(cè)局放時(shí)需能發(fā)現(xiàn)電纜潛在的缺陷，激發(fā)電纜發(fā)生局部放電，檢測(cè)局放量和局放定位；

（5）試驗(yàn)過程不應(yīng)對(duì)電纜造成損傷；

增熱型吸收式熱泵是以消耗高溫?zé)崮転榇鷥r(jià)，通過向系統(tǒng)中輸入高溫?zé)嵩矗M(jìn)而從低溫?zé)嵩粗谢厥找徊糠譄崮?，提高其溫度，以中溫?zé)崮芄┙o用戶。將熱泵技術(shù)應(yīng)用于回收油頁巖干餾污水的余熱，以煉油廠瓦斯尾氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽(0.8 MPa)為動(dòng)力，以干餾污水為低溫?zé)嵩矗厥崭绅s污水的熱量用于冬季采暖。干餾污水處理及熱量回收的工藝流程圖見圖4。

（6）如果使用工頻電壓或類似的電壓波形，試驗(yàn)電壓不應(yīng)超過1.7U0，這可以使得對(duì)電纜造成的損傷降到最??；

（7）如果使用特殊的其他電壓，如超低頻電壓，應(yīng)該了解如何將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成工頻條件下的數(shù)據(jù)。

3 振蕩波電纜缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 振蕩波檢測(cè)法的提出

電纜由于其電容量大，很難在現(xiàn)場開展工頻電壓下的絕緣性能考核，而且所以提出了超低壓（VLF）和變換脈沖電壓（SIV），但總的來說，這些產(chǎn)品擁有一個(gè)很復(fù)雜的設(shè)計(jì)，最主要的是測(cè)量的PD值也許和工頻下測(cè)量的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

由此聯(lián)想能否把超低頻電壓和工頻交流電壓結(jié)合起來，讓它既同時(shí)具備兩者的優(yōu)點(diǎn)，即在工頻下能實(shí)現(xiàn)給大電容充電，又同時(shí)克服兩者的缺陷，即無法識(shí)別電纜絕緣缺陷和在工頻下無法給大電容充電，為此，該測(cè)試電壓波形需如圖1所示。文獻(xiàn)表明，這是可以實(shí)現(xiàn)的，這種電壓的波形具有相比而言較長的上升時(shí)間和短暫的下降時(shí)間，上升時(shí)間約是下降時(shí)間的1000倍，如圖1所示。

圖1 振蕩波電壓

Uc為充電電壓UT為試驗(yàn)電壓t1為上升時(shí)間（如10s），t2為下降時(shí)間（如10ms）。暫態(tài)電壓的上升時(shí)間因在10s左右，這就與超低頻電壓相似，暫態(tài)電壓的下降時(shí)間因在10ms，即工頻電壓的半周期，這就與工頻電壓相似，這樣測(cè)得的局部放電結(jié)果真實(shí)可靠。

因此基于振蕩波的測(cè)量技術(shù)因此孕育而生。振蕩波電壓是近年來國內(nèi)外研究較多的一種用于XLPE電力電纜檢測(cè)的電壓，其具有以下優(yōu)點(diǎn):

（1）充電周期短，功率需求小，設(shè)計(jì)輕便，易于攜帶。

（3）PD起始電壓接近額定電壓，不僅能使用于新電纜，而且能使用于舊電纜。

（4）可以在現(xiàn)場對(duì)局部放電可以實(shí)現(xiàn)定位和評(píng)估電纜的絕緣情況。

在超低頻電壓下，轉(zhuǎn)變成電樹枝是緩慢的，因?yàn)殡妷鹤兓市。磀u/dt小，但一旦形成電樹枝，之后的發(fā)展的相當(dāng)快速，電纜在段時(shí)間內(nèi)被擊穿，即使此時(shí)的電壓較低。而另一方面，振蕩波電壓的電壓變化率很大，因此即使在低電壓下也可能發(fā)展成電樹枝，但從電樹枝發(fā)展到擊穿是緩慢，且擊穿電壓高。

3.2 振蕩波測(cè)試系統(tǒng)

振蕩波測(cè)試系統(tǒng)，即稱為Oscillating waveform test system（OWTS），或 Damping AC Voltage（DAC），是近幾年國內(nèi)外供電單位嘗試使用并替代交流耐壓的一種新興試驗(yàn)技術(shù)。其基本思路是利用電纜等值電容與電感線圈的串聯(lián)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(huì)激發(fā)出局部放電信號(hào)，通過高頻耦合器測(cè)量該信號(hào)從而達(dá)到檢測(cè)目的。

振蕩波電壓試驗(yàn)接線圖如圖2所示，整個(gè)試驗(yàn)回路分為兩個(gè)部分:一是直流電源回路；二是電纜與電感充放電過程，即振蕩過程。這兩個(gè)回路之間通過固體開關(guān)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

振蕩回路如圖3所示。固體開關(guān)的閉合時(shí)間可以做到小于1μs。固體開關(guān)要求有較低的損耗，因而諧振頻率可以做到接近工頻，在50～1000Hz之間。由于交聯(lián)電纜具有相對(duì)較低的損耗因數(shù)，而諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Qc始終比較高（30～100多）。因此，被試電纜上所施加的試驗(yàn)電壓波形呈現(xiàn)出一種逐漸衰減的交變波形，如圖4所示。

振蕩時(shí)間約為數(shù)十毫秒，如果電纜有絕緣缺陷，如水樹枝，振蕩波電壓能激發(fā)電纜發(fā)生局部放電，又由于振蕩波電壓加在電纜兩端的時(shí)間遠(yuǎn)小于運(yùn)行電壓，因此振蕩波電壓不會(huì)對(duì)電纜造成損傷。電纜等效電容越大或電感取值越大，振蕩頻率越低，同時(shí)振蕩回路品質(zhì)因素越低。為盡量提高品質(zhì)因素，電纜等效電容一定時(shí)，選取更小的電感較合適。當(dāng)被測(cè)電纜較短或者電感值較小時(shí)，振蕩波的頻率可能出現(xiàn)遠(yuǎn)大于工頻，甚至超過1kHz，這時(shí)可以通過并聯(lián)系統(tǒng)電容的方法來降低，使振蕩頻率接近工頻，不至于過大。另外需注意一點(diǎn)，在固體開關(guān)閉合前，從測(cè)量電路中切斷直流電源，這樣可以避免干擾的影響，實(shí)現(xiàn)高測(cè)量的靈敏性。

圖2 試驗(yàn)回路

圖3 振蕩回路

圖4 阻尼振蕩波波形

4 結(jié)論

振蕩波測(cè)試系統(tǒng)，利用電纜等值電容與電感線圈的串聯(lián)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(huì)激發(fā)出局部放電信號(hào)，通過高頻耦合器測(cè)量該信號(hào)從而達(dá)到檢測(cè)目的。該系統(tǒng)具有充電周期短，功率需求小，設(shè)計(jì)輕便，易于攜帶，與交流電壓等效性能好，PD起始電壓接近額定電壓等優(yōu)點(diǎn)，推薦在現(xiàn)場電纜故障檢測(cè)中應(yīng)用。

［1］吳倩，劉毅剛.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化及其診斷技術(shù)述評(píng)［J］.廣東電力，2003（4）:1 －6.

［2］夏榮，趙健康，歐陽本紅，等.阻尼振蕩波電壓下110kV交聯(lián)電纜絕緣性能檢測(cè).高電壓技術(shù)，2010（7）:1753－60.

［3］Cichecki P，Gulski E，Smit JJ，Hermans T，Bodega R，Seitz PP.Conventional and unconventional partial discharges detection in power cables using different AC voltages.Electrical Insulation Conference，2009 EIC 2009 IEEE；2009 May 31 2009 －June 3， 2009；2009:5 －9.

［4］張平康，韓伯鋒.XLPE電纜的試驗(yàn)方法［J］.高電壓技術(shù)，2004；（S1）:94－5.