李 特，崔竹葉，曹俊平，王少華，吳旭翔

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江浙電節(jié)能服務(wù)有限公司，杭州 310014）

高壓電纜狀態(tài)仿真及缺陷診斷平臺(tái)的構(gòu)建

李 特1，崔竹葉2，曹俊平1，王少華1，吳旭翔3

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江浙電節(jié)能服務(wù)有限公司，杭州 310014）

針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維中高壓電纜狀態(tài)檢測(cè)及缺陷診斷的難題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套高壓電纜狀態(tài)仿真及缺陷診斷平臺(tái)。該平臺(tái)集成了電纜工況模擬設(shè)備、電纜缺陷模擬設(shè)備及監(jiān)測(cè)設(shè)備，可開展電纜中間接頭半導(dǎo)電層缺陷、中間接頭主絕緣缺陷、本體及中間接頭導(dǎo)體尖端缺陷、電纜終端缺陷的模擬，利用集成的高頻/超高頻局部放電、接地環(huán)流等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，完成了對(duì)不同典型缺陷電纜在不同工況下的狀態(tài)量規(guī)律分析以及不同檢測(cè)手段有效性的對(duì)比分析。

高壓電纜；狀態(tài)仿真；缺陷診斷；平臺(tái)

0 引言

目前XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜使用率日益提高，但電纜本體及附件故障屢見不鮮[1-3]，如何采取有效手段準(zhǔn)確、及時(shí)掌握電纜運(yùn)行狀態(tài)，避免因電纜本體及附件故障擊穿導(dǎo)致停電，是保障電力安全輸送的重要課題[4]。

大量資料表明，電纜的絕大多數(shù)故障為絕緣性故障[5]。不僅強(qiáng)電場(chǎng)作用和材料缺陷會(huì)引起的絕緣劣化，電纜運(yùn)行過程中各種外界因素（機(jī)械、熱力）和電場(chǎng)的相互作用也會(huì)引發(fā)絕緣性故障[6，7]。局部放電（以下簡稱局放）、溫度等因素是造成絕緣劣化的主要原因，也是絕緣劣化的重要表征[8]，但目前尚未深入掌握電纜缺陷的特征量規(guī)律。受搶修、運(yùn)行條件等限制，難以收集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電纜的缺陷并進(jìn)行試驗(yàn)分析其特征量，通過構(gòu)建電纜狀態(tài)仿真及缺陷診斷平臺(tái)可解決上述問題。利用平臺(tái)模擬電纜實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)置典型電纜缺陷，針對(duì)各種典型電纜缺陷對(duì)其發(fā)展過程中的放電圖譜、溫度特征進(jìn)行研究，可建立電纜絕緣劣化物理過程與局放、溫度等表征量之間的關(guān)系，診斷缺陷在電場(chǎng)作用下對(duì)絕緣的破壞程度，有利于評(píng)估電纜絕緣狀態(tài)，提升電纜運(yùn)行安全水平。

1 電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)研究現(xiàn)狀

多家研究機(jī)構(gòu)開展了電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)研究。文獻(xiàn)[9，10]利用電纜終端、本體、中間接頭以及外接試驗(yàn)電源構(gòu)建了110 kV電纜仿真平臺(tái)，可對(duì)終端應(yīng)力錐安裝錯(cuò)位、本體絕緣損傷、本體鋁護(hù)套損傷、中間接頭混入雜質(zhì)、接頭受潮等情況進(jìn)行模擬，對(duì)上述缺陷進(jìn)行局放測(cè)試、紅外溫升測(cè)試。其中，局放測(cè)試采用脈沖電流法進(jìn)行；溫度測(cè)量主要采用紅外方法，因難以獲取電纜內(nèi)部溫度精確分布，而電纜內(nèi)部溫度又與其缺陷發(fā)展程度密切相關(guān)，因此，導(dǎo)致該平臺(tái)難以開展電纜內(nèi)部溫度對(duì)缺陷發(fā)展影響的研究。

文獻(xiàn)[11]分別在電纜實(shí)體上設(shè)計(jì)并制作了中間接頭尖刺、主絕緣劃傷和終端頭應(yīng)力錐錯(cuò)位3種放電模型，并連接外接電源構(gòu)成仿真平臺(tái)，可以進(jìn)行相應(yīng)缺陷的局放測(cè)試，但測(cè)試僅在電壓工況下進(jìn)行，無法模擬不同負(fù)荷電流下的局放發(fā)展特征。

文獻(xiàn)[12]利用電纜終端、本體、中間接頭以及外接試驗(yàn)電源構(gòu)建仿真平臺(tái)，利用電纜本體構(gòu)建主絕緣凹痕、主絕緣刀傷、主絕緣金屬尖端、主絕緣表面雜質(zhì)、高壓端金屬尖端、半導(dǎo)電斷口剝離不整齊6種典型缺陷，并對(duì)上述缺陷進(jìn)行局放測(cè)試。其間，主要采用脈沖電流法對(duì)電纜缺陷的局放特征進(jìn)行研究，并未深入開展脈沖電流法與特高頻及接地電纜超高頻等方法的比對(duì)，由于實(shí)際運(yùn)行電纜幾乎無法采用脈沖電流法進(jìn)行局放測(cè)試，因此該研究結(jié)果難以直接應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)電纜的狀態(tài)診斷中。

總結(jié)現(xiàn)有電纜仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，這些電纜平臺(tái)僅能模擬電壓工況，卻無法模擬實(shí)際電纜所承受負(fù)荷電流工況，因此無法研究不同負(fù)荷熱效應(yīng)對(duì)電纜缺陷發(fā)展的影響。另外，上述仿真平臺(tái)無法采用超聲、分布式測(cè)溫等測(cè)試技術(shù)，而這些方法目前在現(xiàn)場(chǎng)已有應(yīng)用，對(duì)其有效性、測(cè)量精度、測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證、比較很有必要。

2 電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)和功能

2.1 整體結(jié)構(gòu)與功能

針對(duì)現(xiàn)有電纜仿真平臺(tái)的不足，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套集成了電壓工況模擬設(shè)備、電流工況模擬設(shè)備、典型電纜部件缺陷模擬設(shè)備及電纜監(jiān)測(cè)設(shè)備的電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)（整體結(jié)構(gòu)見圖1）。該平臺(tái)包括升壓單元、升流單元、電纜模型單元、控制和測(cè)量單元，其中升壓單元包含用于回路控制的GIS（氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備）。

該仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)高壓電纜中間接頭、終端和本體典型缺陷模擬仿真試驗(yàn)；不同缺陷模型下帶電檢測(cè)和在線檢測(cè)技術(shù)差異性和有效性對(duì)比分析；不同運(yùn)行工況下局放、溫度及接地環(huán)流等狀態(tài)量變化規(guī)律研究。

2.2 升壓單元

升壓單元采用SF6鎧裝式無局放試驗(yàn)變壓器，最高輸出電壓280 kV，容量560 kVA，變壓器高壓繞組采用空心銅管繞制，利用外接油箱進(jìn)行油循環(huán)，可控制8 h長時(shí)運(yùn)行整體發(fā)熱不大于65 K。升壓單元采用電子式快速保護(hù)裝置，全程響應(yīng)時(shí)間小于100 μs，以保護(hù)變壓器和電纜免受擊穿過電壓損害。加壓至280 kV時(shí)升壓單元局放量小于5 pC，滿足220 kV電纜局放試驗(yàn)升壓要求。

圖1 電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制采用“一進(jìn)四出”GIS結(jié)構(gòu)方式， 通過圖1中K1，K2，K3，K4這4個(gè)三工位接地隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)電源與各電纜支路的連接。

2.3 電纜模型單元

電纜本體型號(hào)為YJLW0364/1101×800，電纜模型單元設(shè)置共3個(gè)試驗(yàn)支路。

支路1為完好回路，由GIS終端、預(yù)制式中間接頭和戶外終端構(gòu)成，中間接頭安放在電纜槽盒內(nèi)，可模擬不同運(yùn)行環(huán)境下完好接頭的狀態(tài)。

支路2為中間接頭缺陷試驗(yàn)支路，由GIS終端、背靠背GIS終端、插拔式試驗(yàn)中間接頭和戶外終端構(gòu)成。目前電纜中間接頭仿真模型多采用固定式，一旦設(shè)置缺陷后無法調(diào)整，而插拔式電纜中間接頭缺陷模型可由機(jī)械底座打開，根據(jù)試驗(yàn)狀況調(diào)整缺陷嚴(yán)重程度、變更其他缺陷種類，從而重復(fù)模擬各類典型缺陷。插拔式試驗(yàn)中間接頭兩端與背靠背GIS終端相連，可方便進(jìn)行小段中間接頭替換，實(shí)現(xiàn)含缺陷中間接頭的整體更換，如圖2所示。

圖2 電纜中間接頭模型

支路3為終端缺陷試驗(yàn)支路，由GIS終端、電纜和含缺陷戶外終端構(gòu)成。終端頂部安裝均壓環(huán)，避免因發(fā)生電暈放電而影響局放的檢測(cè)。

式中（Cs-P)—可承載人口數(shù)量與實(shí)際人口數(shù)量之差；Ps—臨界偏離值，其評(píng)判意義為：Ps=0時(shí)，承載力處在臨界狀態(tài)；Ps>0時(shí)的值代表了承載力富余的度；Ps<0時(shí)的值代表了承載力超載的度。

2.4 升流單元

升流單元包括調(diào)壓控制柜、調(diào)壓器、穿心變壓器（以下簡稱穿心變）、電流互感器、熱電偶和監(jiān)控平臺(tái)，通過調(diào)壓器輸出可變電壓，改變穿心變一次側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)回路電流控制。

圖1中，電纜支路1和支路2通過各自終端T1，T2以及GIS中K1，K2的連接構(gòu)成回路，通過穿心變實(shí)現(xiàn)回路電流控制。電纜回路電流最高可施加至2 500 A。

2.5 控制和測(cè)量單元

控制和測(cè)量單元集成了局放、溫度、接地環(huán)流測(cè)量設(shè)備。

（1）電纜支路1和支路2中間接頭各布置1套局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)采用內(nèi)置式超高頻、本體極性鑒別高頻和接地電纜高頻局放3種手段，其構(gòu)成見圖3。

圖3 局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（2）溫度監(jiān)測(cè)采用中間接頭內(nèi)置式測(cè)溫和分布式光纖測(cè)溫，測(cè)溫范圍為0～100℃，可滿足不同工況下電纜溫度測(cè)試需要。由于電纜支路1至支路3需要施加電壓，無法放置內(nèi)置式溫度傳感器，因此設(shè)置了只通電流、不承受電壓的模擬支路，在其內(nèi)部設(shè)置內(nèi)置式溫度傳感器，通過控制系統(tǒng)、穿心變給模擬支路同步施加與電纜支路相同的電流，用模擬支路的內(nèi)部溫度來表征電纜支路的內(nèi)部溫度。

（3）接地環(huán)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電流互感器、電壓互感器、采集單元和監(jiān)測(cè)主機(jī)，戶外終端側(cè)安裝智能接地箱，GIS終端側(cè)安裝保護(hù)接地箱，環(huán)流監(jiān)測(cè)精度0.01 A，測(cè)量范圍0～100 A。

3 電纜典型缺陷構(gòu)建

3.1 電纜典型缺陷類型

對(duì)近年國內(nèi)北京、天津等各大城市發(fā)生的XLPE電纜故障進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，XLPE電纜在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行過程中，可能因各種原因而引發(fā)故障。較為常見的電纜缺陷類型有：

（2）電纜中間接頭主絕緣缺陷，如外屏蔽層與主絕緣之間存在懸浮顆粒、氣隙。

（3）電纜本體及中間接頭導(dǎo)體尖端缺陷，即線芯表面不光滑，存在凸起。

（4）電纜終端缺陷，如終端水分滲入。

利用仿真平臺(tái)的支路2，對(duì)上述缺陷（1）—（3）進(jìn)行模擬；利用支路3，對(duì)缺陷（4）進(jìn)行模擬。

3.2 電纜附件半導(dǎo)電層缺陷

安裝電纜附件時(shí)需要去掉一段電纜本體外屏蔽層，如果對(duì)外屏蔽層斷口處理不當(dāng)，可能引起半導(dǎo)電層突起、半導(dǎo)電層斷口處存在氣隙，進(jìn)而產(chǎn)生局放。

附件半導(dǎo)電層突起的模擬方法如下：在半導(dǎo)電層端口處打磨平滑，留有尖端，尖端呈等腰三角形， 如圖 4（a）所示。

附件氣隙的模擬方法如下：制作接頭時(shí)，去掉外屏蔽層后，用刀沿其斷口處劃出缺陷，氣隙呈等腰三角形，如圖4（b）所示。

圖4 半導(dǎo)電層缺陷示意

3.3 電纜附件主絕緣缺陷

安裝電纜附件時(shí)需要去掉一段電纜本體外屏蔽層從而露出主絕緣，如施工時(shí)外屏蔽層有殘留，或有導(dǎo)電雜質(zhì)附著在主絕緣表面，會(huì)產(chǎn)生懸浮電位進(jìn)而引發(fā)主絕緣懸浮放電。為模擬主絕緣懸浮放電，安裝接頭時(shí)，在本體主絕緣上涂抹金屬導(dǎo)電粉末，如圖 5（a）所示。

為避免附件施工時(shí)主絕緣上殘留外屏蔽層，需用砂紙沿著主絕緣切向打磨，應(yīng)注意把握打磨深度，防止劃傷主絕緣形并成長條形氣隙，否則會(huì)引發(fā)局放。為模擬主絕緣劃傷缺陷，安裝接頭時(shí)，在本體主絕緣上用刀劃出缺陷，如圖5（b）所示。

圖5 主絕緣缺陷示意

3.4 電纜導(dǎo)體尖端缺陷

XLPE電纜生產(chǎn)過程中，如導(dǎo)體線芯絞制工藝控制不好，導(dǎo)體表面會(huì)存在較大的毛刺，中間接頭安裝過程中，電纜導(dǎo)體線芯間壓接用導(dǎo)體連接器表面未處理光滑的話，也會(huì)存在金屬毛刺、尖端或棱角。導(dǎo)體帶高壓電時(shí)，這些裸露的高電位尖端由于電場(chǎng)集中就會(huì)產(chǎn)生尖端放電。為模擬尖端放電，利用支路2的缺陷模擬中間接頭，安裝接頭時(shí)在導(dǎo)體上捆綁金屬導(dǎo)線，伸出尖端，如圖6所示。

圖6 電纜本體導(dǎo)體尖端示意

3.5 電纜終端缺陷

如電纜終端密封不良，水分滲入內(nèi)部會(huì)引起本體絕緣或復(fù)合絕緣水樹老化，進(jìn)而產(chǎn)生電樹，引起樹枝放電。為模擬電纜終端滲水缺陷，安裝終端時(shí)向其中注入少量水分。

4 結(jié)語

構(gòu)建了高壓電纜狀態(tài)仿真及缺陷診斷平臺(tái)，該平臺(tái)集成了升壓單元、升流單元、電纜模型單元、控制和測(cè)量單元，可對(duì)電纜運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。電纜模型單元可模擬電纜中間接頭半導(dǎo)電層缺陷、中間接頭主絕緣缺陷、本體及中間接頭導(dǎo)體尖端缺陷、電纜終端缺陷，利用系統(tǒng)集成的局部放電、溫度、環(huán)流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其他帶電檢測(cè)手段，可對(duì)不同缺陷在不同運(yùn)行工況下的狀態(tài)量特征進(jìn)行模擬仿真，對(duì)不同缺陷下帶電檢測(cè)和在線檢測(cè)技術(shù)的差異性和有效性進(jìn)行對(duì)比分析。

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Construction of a Condition Simulation and Defect Diagnosis Platform of High Voltage Cable

LI Te1， CUI Zhuye2， CAO Junping1， WANG Shaohua1， WU Xuxiang3

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.E.Eenergy Technology Co.,Ltd.，Hangzhou 310014， China；3.State Grid Zhejiang Energy Saving Company， Hangzhou 310014， China）

For the difficulties in HV cable condition detection and defect diagnosis in power grid operation and maintenance，a condition simulation and defect diagnosis platform of HV cable is designed.The platform integrates cable operation condition simulation equipment，cable defect simulation equipment and monitoring equipment and can simulate intermediate joint semiconducting layer defects，intermediate joint main insulation defects，cable body and intermediate joint conductor terminal defects.Utilizing the integrated online high-frequency and ultra-high frequency partial discharge and ground circulation monitoring device as well as the temperature monitoring device，the paper conducts rule analysis on quantity of state and effectiveness comparison analysis of different detection methods for cables with different defects in various operating conditions.

HV cable； condition simulation； defect diagnosis； platform

10.19585/j.zjdl.201709008

1007-1881（2017）09-0039-05

TM247

B

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211DS15002B）

2017-07-04

李 特（1987），男，工程師，從事高壓試驗(yàn)、輸電線路研究工作。

（本文編輯：方明霞）