國(guó)網(wǎng)四川成都供電公司 李杰 曾建 王燦 陳麗莉 廖江 王云

由于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜具有良好的絕緣強(qiáng)度和機(jī)械性能，被廣泛地應(yīng)用于城市配網(wǎng)。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于部分配電電纜運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，當(dāng)投運(yùn)年限較長(zhǎng)時(shí)，電纜絕緣會(huì)出現(xiàn)老化、進(jìn)水受潮、局部放電等缺陷，影響正常運(yùn)行。因此，有必要對(duì)在運(yùn)配電電纜的狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

相關(guān)研究表明，當(dāng)XLPE 電力電纜的絕緣出現(xiàn)老化后，聚乙烯分子鏈中的C-H 鍵將轉(zhuǎn)變?yōu)镃=O 鍵，在外部電場(chǎng)的作用下，增加絕緣材料內(nèi)的極性分子基團(tuán)，導(dǎo)致電力電纜的介損值tan δ 升高。同時(shí)，當(dāng)電纜絕緣受潮時(shí)，水分子的浸入也會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)偶極子數(shù)量的升高，進(jìn)而引起介損值tan δ 升高，由此可見(jiàn)，通過(guò)檢測(cè)電力電纜的介損值tan δ 能夠有效地反映電纜絕緣的老化和受潮程度。此外，當(dāng)電力電纜在制造、運(yùn)輸、敷設(shè)以及制作中間接頭的過(guò)程中，由于受制作工藝、材料雜質(zhì)等多方面因素作用，電纜在運(yùn)行過(guò)程中可能存在局部放電的情況，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起絕緣層出現(xiàn)電樹(shù)脂老化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。綜上所述，通過(guò)檢測(cè)電力電纜的介損值tan δ和局部放電信息即可大致掌握電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)。

目前，針對(duì)配電電纜局部放電缺陷的檢測(cè)手段主要包括工頻局放檢測(cè)、振蕩波局放檢測(cè)和超低頻局放檢測(cè)。與前兩種檢測(cè)手段相比，超低頻局放檢測(cè)方式具有設(shè)備體積更小，操作便捷，能夠在同一外施電壓等級(jí)下同時(shí)完成電纜的介損值tan δ、局部放電信息檢測(cè)和超低頻耐壓試驗(yàn)，以及在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中所需檢測(cè)時(shí)間更短等優(yōu)點(diǎn)，并且超低頻檢測(cè)方式與工頻檢測(cè)方式等效性較高，對(duì)局放缺陷的檢出效果較好，有望在配電電纜狀態(tài)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)得到大力推廣。

當(dāng)前，針對(duì)0.1 赫茲超低頻電壓下配電電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相對(duì)較少，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的缺陷報(bào)道也相對(duì)較少。因此，本文主要針對(duì)超低頻介損和局放檢測(cè)的原理以及相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，為0.1 赫茲超低頻檢測(cè)技術(shù)在配電電纜狀態(tài)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

0.1 赫茲超低頻配電電纜檢測(cè)技術(shù)

0.1 赫茲超低頻檢測(cè)技術(shù)能夠在同一外施電壓等級(jí)下，同步進(jìn)行電纜的介損值tan δ 和局放信息的檢測(cè)，能夠較為全面地反映電纜的運(yùn)行狀態(tài)。

0.1 赫茲超低頻介損檢測(cè)原理

目前，越來(lái)越多的研究者致力于利用電力電纜的介損值tan δ 來(lái)判斷電纜的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，IEEE 發(fā)布了指導(dǎo)利用超低頻介損值tan δ 判斷電纜運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在0.1 赫茲超低頻介損檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電纜施加0.1赫茲的超低頻正弦電壓，檢測(cè)電壓與電流之間的相位角之差，以此計(jì)算電纜的介損值tan δ。圖1 給出了檢測(cè)的原理。理想狀態(tài)下，0.1 赫茲超低頻介損檢測(cè)電路相當(dāng)于一個(gè)電阻（R）和電容（C）相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該電路施加0.1 赫茲的超低頻交流電壓，檢測(cè)得到電流與電壓之間的相位差，進(jìn)而得到電纜的介損值tan δ。利用0.1 赫茲超低頻檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)如表1 所示。

圖1 0.1 赫茲超低頻介損測(cè)量的等效電路圖和相位圖

表1 0.1 赫茲超低頻介損檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有明確的關(guān)于0.1 赫茲超低頻介損檢測(cè)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前主要采用IEEE Std 400.2TM-2013 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)電力電纜施加0.5U0、1.0U0和1.5U0的電壓，檢測(cè)每個(gè)電壓等級(jí)下的tan δ 隨時(shí)間穩(wěn)定性（U0下的標(biāo)準(zhǔn)偏差）、tan δ 變化率（1.5U0與0.5U0下介損平均值之差）和tan δ 平均值（1.0U0下），以上述3 個(gè)指標(biāo)作為評(píng)判電纜絕緣老化情況的特征參量。表2 給出了具體的評(píng)估區(qū)間。

表2 0.1 赫茲超低頻介損的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2 可以看出，通過(guò)介損特征參量判定電纜的運(yùn)行狀態(tài)有3 種，針對(duì)這3 種不同的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的檢修策略。具體檢測(cè)策略參考如下：①正常狀態(tài)。電纜運(yùn)行良好，無(wú)需采取檢修措施。②注意狀態(tài)。需要定期對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。③異常狀態(tài)。建議對(duì)被試電纜采取檢修行動(dòng)（進(jìn)行更換或者故障排查）。

0.1 赫茲超低頻局放檢測(cè)的原理

當(dāng)電力電纜中存在局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高點(diǎn)時(shí)，在該處會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生局放脈沖波，通過(guò)檢測(cè)脈沖波傳播到測(cè)試端的時(shí)間和由尾端反射后在測(cè)試端接收的時(shí)間之差，結(jié)合脈沖波在電纜中傳播的波速，可以對(duì)局放缺陷的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，該方法被稱為時(shí)域脈沖反射法。如圖2 所示。局放點(diǎn)的位置計(jì)算見(jiàn)式（1）、式（2）、式（3）。

式中v 為局放脈沖波在電纜中的傳播波速。

圖2 脈沖反射定位法

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況分析

0.1 赫茲超低頻檢測(cè)方法對(duì)電纜絕緣老化、受潮和局放信息能夠?qū)崿F(xiàn)有效檢測(cè)。下面對(duì)某電力公司在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)案例進(jìn)行詳細(xì)分析。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例1

2018 年，某電力公司針對(duì)在運(yùn)的某10 千伏配電電纜進(jìn)行了0.1 赫茲超低頻檢測(cè)，該配電電纜型號(hào)為YJV22-8.7/15-3×70，電纜總長(zhǎng)為169 米，通過(guò)檢測(cè)該電纜的介損值tan δ 和局放信號(hào)，發(fā)現(xiàn)該電纜介損值嚴(yán)重偏高，受潮情況嚴(yán)重，在距離測(cè)試端41 米處存在一處明顯的局部放電信號(hào)。

1.介損檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 為該配電電纜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的介損數(shù)據(jù)。圖中L1、L2、L3分別表示電纜的A、B、C 三相，離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示不同電壓等級(jí)下測(cè)量的8 次檢測(cè)結(jié)果，從圖中可以看出，根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，該配電電纜A、B、C 三相的介損值tan δ 均遠(yuǎn)大于50，并且在同一電壓等級(jí)下的部分介損值（例如L2相在1.5U0下的介損值），隨測(cè)量時(shí)間的增加呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，表明該電纜除了存在絕緣老化外還存在絕緣受潮。

針對(duì)檢測(cè)得到的介損值，提取相應(yīng)的特征參量，如表3 所示，可以看到，根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，該電纜介損隨時(shí)間穩(wěn)定性、介損變化率、介損平均值均處于異常狀態(tài)，表明該配電電纜處于高度風(fēng)險(xiǎn)，需要立即采取相應(yīng)的檢修行動(dòng)。

圖3 超低頻介損測(cè)量值

表3 介損特征參量

2.局部放電檢測(cè)和定位。

圖4（a）和（b）分別為該電纜A 相現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的局放波形圖和局放定位圖。圖4 中的第一波形為局放缺陷處產(chǎn)生的向測(cè)試端傳播的脈沖波，第二個(gè)波形為向電纜對(duì)端傳播并發(fā)生反射后到達(dá)測(cè)試端的脈沖波，第三個(gè)波形為第一波形在電纜對(duì)端再次反射后的脈沖波。由該圖可以看出，在電纜A 相距離測(cè)試端41 米處存在一個(gè)明顯的局部放電信號(hào)，并且放電量達(dá)到了2219pC。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)局部放電檢測(cè)情況

3.解剖情況。

根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，該配電電纜處于高度風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，并且存在局放缺陷。隨后更換掉并解剖該電纜。經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)，在該電纜距離測(cè)試端41 米處的中間接頭位置，絕緣層表面存在刀痕，并且存在放電現(xiàn)象，見(jiàn)圖5（a），由此可以判斷，該配電電纜在中間接頭的制作過(guò)程中，切剝半導(dǎo)電層時(shí)，下刀過(guò)深，導(dǎo)致絕緣層表面存在刀痕，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)氣隙放電現(xiàn)象，存在局部放電缺陷。此外，在解剖過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，該中間接頭的外護(hù)套內(nèi)存在大量積水，見(jiàn)圖5（b），導(dǎo)致電纜絕緣受潮嚴(yán)重，介損值處于異常狀態(tài)。

圖5 中間接頭解剖情況

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例2

1.超低頻和振蕩波局放檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2019 年，某電力公司采用“三合一”超低頻檢測(cè)設(shè)備對(duì)在運(yùn)某10 千伏配電電纜進(jìn)行局放、介損及耐壓檢測(cè)試驗(yàn)，電纜總長(zhǎng)約為646 米。超低頻局放檢測(cè)結(jié)果顯示，該電纜A 相距離測(cè)試端170 米處存在一處局放信號(hào)，最大放電量為2500pC，見(jiàn)圖6。隨后利用OHV 振蕩波局放檢測(cè)設(shè)備再次進(jìn)行復(fù)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示A 距離測(cè)試端170 米的同樣位置存在局放信號(hào)，最大放電量為1600pC，見(jiàn)圖7，在一定程度上證明了超低頻局放檢測(cè)和振蕩波局放檢測(cè)結(jié)果的一致性。

圖6 “三合一”超低頻局放定位圖譜

圖7 OHV 振蕩波局放定位圖譜

2.解剖情況。

通過(guò)查閱臺(tái)賬發(fā)現(xiàn)，該局放點(diǎn)為電纜中間接頭，經(jīng)采取檢修措施后對(duì)該中間接頭進(jìn)行解剖分析。解剖結(jié)果顯示，該中間接頭銅連管大小與電纜線芯不匹配，見(jiàn)圖8（a），外半導(dǎo)電層剝切不均勻，見(jiàn)圖8（b）。

圖8 中間接頭解剖情況

結(jié)論

本文詳述了0.1 赫茲超低頻介損和局放檢測(cè)方法的原理，并對(duì)該設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用案例進(jìn)行了介紹。主要結(jié)論如下。（1）0.1赫茲超低頻檢測(cè)手段能夠通過(guò)檢測(cè)配電電纜的介損值，反映電纜的絕緣老化和受潮情況，同時(shí)也能夠?qū)植糠烹娙毕葸M(jìn)行有效地檢測(cè)和定位，是保障配電電纜穩(wěn)定運(yùn)行的重要檢測(cè)手段。（2）配電電纜的介質(zhì)損耗tan δ 能夠有效反映電纜的受潮情況，能夠有效反映電纜中間接頭或外護(hù)套破損等原因?qū)е碌倪M(jìn)水問(wèn)題，是反映配電電纜運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。（3）配電電纜中間接頭的制作工藝直接影響電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，下刀過(guò)深、外半導(dǎo)電層切剝不均勻等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致放電，出現(xiàn)局部放電缺陷。（4）0.1 赫茲超低頻局放檢測(cè)結(jié)果與振蕩波局放檢測(cè)結(jié)果存在一致性，兩類檢測(cè)方式均能夠有效檢測(cè)出10 千伏配電電纜的局放缺陷。