羅思敏，欒樂(lè)，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(guó)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)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(huì)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(chǎng)和溫度場(chǎng)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(lái)了巨大挑戰(zhàn)[4-5]。

因此，全面了解電纜的受潮過(guò)程并進(jìn)行有效預(yù)防，定期檢測(cè)和診斷絕緣性能從而識(shí)別電纜受潮缺陷，對(duì)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(chǔ)、敷設(shè)安裝和長(zhǎng)期運(yùn)行等各個(gè)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(cè)方面，基于耐壓試驗(yàn)、介電特性檢測(cè)、陷阱特性檢測(cè)、局部放電等原理的在線和離線檢測(cè)方法發(fā)展迅速，但各有優(yōu)勢(shì)和不足[6-9]。綜合來(lái)說(shuō)，憑借單一指標(biāo)難以對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可靠性評(píng)估，亟需探究基于多方法聯(lián)合分析的綜合評(píng)估方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜受潮情況的準(zhǔn)確識(shí)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(píng)估方法逐漸被研究者采用并取得了良好效果[10-12]，這對(duì)于電纜運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)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(jiàn)缺陷，對(duì)6段全新電纜線路進(jìn)行90個(gè)周期的多途徑加速受潮試驗(yàn)，定期檢測(cè)試驗(yàn)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(píng)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(píng)估工作提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 電纜多因素加速受潮試驗(yàn)

基于恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)思路搭建電纜多因素加速受潮試驗(yàn)平臺(tái)，模擬配網(wǎng)電纜本體及附件的運(yùn)行環(huán)境、常見(jiàn)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(yàn)，平臺(tái)組成和試驗(yàn)周期設(shè)置如圖1～2所示。

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

試驗(yàn)中，對(duì)電纜回路進(jìn)行90個(gè)周期的循環(huán)試驗(yàn)，周期時(shí)長(zhǎng)不短于6 h，包括加流升溫、溫度保持和加壓降溫3個(gè)階段：①參考GB/T 12706.4—2020中恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)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(shí)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(kāi)電流源使電纜自然降溫至接近環(huán)境溫度，降溫過(guò)程中對(duì)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(yàn)周期設(shè)置Fig.2 Cycle period setting of accelerated damp test of cable

1.2 試驗(yàn)線路設(shè)置

試驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)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(chǔ)和敷設(shè)安裝等過(guò)程中水分直接進(jìn)入纜芯的內(nèi)源性受潮，通過(guò)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(guò)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(duì)照線路。

1.3 絕緣性能測(cè)試方法

試驗(yàn)中，定期對(duì)電纜線路進(jìn)行絕緣電阻、局部放電和去極化電流測(cè)試。其中，絕緣電阻測(cè)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(cè)加壓15 s和60 s時(shí)的電阻R15、R60，并根據(jù)式（1）計(jì)算吸收比K。

局部放電測(cè)試使用由自耦調(diào)壓器、隔離變壓器、無(wú)局放變壓器、限流電阻和耦合電容等組成的200 kV工頻無(wú)局放電源系統(tǒng)，采用并聯(lián)測(cè)試回路，測(cè)試時(shí)非測(cè)試相接地，局部放電分析儀型號(hào)為TWPE-E4，背景噪聲不大于0.5 pC。測(cè)試中，首先緩慢升高測(cè)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(cè)試原理如圖3所示，極化階段開(kāi)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(kāi)關(guān)置于S2，電纜處于去極化狀態(tài)，由Keithley 6517B型小電流計(jì)實(shí)時(shí)記錄電流數(shù)據(jù)。

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

1.4 TOPSIS評(píng)估方法

TOPSIS評(píng)估方法是一種基于雙基準(zhǔn)值的多目標(biāo)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，基本原理為通過(guò)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(duì)于m個(gè)評(píng)估目標(biāo)和n個(gè)評(píng)估指標(biāo)的決策矩陣，第i個(gè)評(píng)估目標(biāo)的第j個(gè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)為aij，其評(píng)估步驟如下。

（1）對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行正向歸一化處理。

對(duì)于局部放電成本型指標(biāo)，采用式（2）處理。

對(duì)于絕緣電阻、時(shí)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(gè)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(gè)指標(biāo)的熵值。

（3）根據(jù)加權(quán)規(guī)范化矩陣X找出每個(gè)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(jì)算各評(píng)價(jià)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(jì)算每個(gè)目標(biāo)的相對(duì)貼近度Ci，相對(duì)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(píng)估

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

將各組數(shù)據(jù)的Ci值從小到大排列并統(tǒng)計(jì)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(jì)頻率-R/m后根據(jù)《百分?jǐn)?shù)與概率單位對(duì)照表》得到概率單位值（Probit），最終得到相對(duì)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(gè)絕緣級(jí)別，臨界值分別為6、5、4，分別包括21、43、42、20組測(cè)試結(jié)果，不同試驗(yàn)線路測(cè)試數(shù)據(jù)的絕緣級(jí)別分布如圖4所示。

表2 相對(duì)貼近度的RSR分布Tab.2 RSR distribution of relative similarity distance

圖4 不同絕緣級(jí)別電纜數(shù)量統(tǒng)計(jì)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(píng)估法結(jié)果，試驗(yàn)線路的絕緣劣化程度由大到小的順序?yàn)镃3、C1、C2、C5、C4、C6線路。作為空氣對(duì)照組，C6線路在循環(huán)試驗(yàn)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(méi)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(duì)嚴(yán)重的絕緣劣化，說(shuō)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(duì)較弱，這可能與水分進(jìn)入電纜后的作用部位有關(guān)，對(duì)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(cè)試

基于綜合評(píng)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(jiàn)圖5。從圖5可以看出，在90個(gè)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(shuō)明纜芯受潮會(huì)加速絕緣劣化并且受潮程度與絕緣電阻呈負(fù)相關(guān)。對(duì)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?yàn)槌睔馊肭謴?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(yàn)電纜絕緣電阻、吸收比K測(cè)試結(jié)果Fig.5 Insulation resistance and K of test cables

從圖5還可以看出，試驗(yàn)中，本體破損和空氣對(duì)照組的絕緣電阻始終維持在較高水平，這與綜合評(píng)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(méi)有明顯降低，這是因?yàn)橥馄帘螌幼杷阅芰己貌⑵鸬搅怂指綦x作用，短時(shí)間內(nèi)XLPE絕緣未與水分充分接觸并發(fā)生水樹(shù)等嚴(yán)重劣化現(xiàn)象。

值得說(shuō)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(shí)應(yīng)具有較大的數(shù)值（大于1.3），電纜受潮后數(shù)值減?。?.0～1.3）。由于絕緣電阻測(cè)試設(shè)備的量程限制（1000 GΩ），部分測(cè)試的K值不納入試驗(yàn)結(jié)果，僅對(duì)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(shì)，說(shuō)明吸收比可以作為評(píng)價(jià)電纜受潮情況的指標(biāo)。

2.3 局部放電測(cè)試

絕緣電阻測(cè)試適用于檢測(cè)較為嚴(yán)重的電纜整體受潮，在輕度受潮和局部受潮檢測(cè)中的靈敏度不足，因此采用局部放電對(duì)線路受潮情況進(jìn)行協(xié)同評(píng)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(jì)局部放電發(fā)生次數(shù)并計(jì)算平均放電量，作為評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(shì)，并且在試驗(yàn)后期尤其明顯，這表明水分通過(guò)終端的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)入電纜內(nèi)部，但發(fā)生時(shí)期較晚而未產(chǎn)生整體受潮，因此難以通過(guò)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(yàn)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(cè)試

絕緣電阻和局部放電測(cè)試分別對(duì)電纜的整體和局部受潮檢測(cè)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(diǎn)。去極化電流法通過(guò)檢測(cè)絕緣材料的陷阱情況和去極化過(guò)程，對(duì)水分具有較高的檢測(cè)精度，有望成為主要的電纜受潮檢測(cè)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(shí)間常數(shù)表征電纜運(yùn)行狀態(tài)，由式（10）通過(guò)非線性擬合計(jì)算得到。

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

表4為試驗(yàn)線路循環(huán)前后的三相平均時(shí)間常數(shù)，即三相時(shí)間常數(shù)的平均值，部分試驗(yàn)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(gè)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(shí)間常數(shù)均呈下降趨勢(shì)，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(duì)照線路的變化趨勢(shì)相反，原因?yàn)槭艹比毕菰鰪?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(guò)程；空氣對(duì)照線路在試驗(yàn)全程保持良好的絕緣性能，去極化電流始終小于試驗(yàn)前的線路。

表4 循環(huán)前后三相平均時(shí)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(píng)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(cè)效果和適用場(chǎng)景有所差別。為了研究3種電氣性能指標(biāo)對(duì)4種受潮路徑的檢測(cè)靈敏度，采用Pearson法對(duì)不同線路3種指標(biāo)與循環(huán)時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析[16]。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)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(duì)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(shuō)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(duì)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(duì)不同受潮途徑的檢測(cè)靈敏度并從高到低劃分為3級(jí)、2級(jí)、1級(jí)，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(duì)不同受潮途徑的檢測(cè)靈敏度Tab.6 Sensitivity of different indicators to different damp pathways

電氣性能對(duì)不同途徑電纜受潮的檢測(cè)靈敏度分析既能為電纜的受潮檢測(cè)提供指導(dǎo)，又能根據(jù)其適用場(chǎng)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(cè)試均對(duì)其有較好的檢測(cè)效果；絕緣電阻和局部放電測(cè)試對(duì)內(nèi)源性受潮檢測(cè)效果良好，說(shuō)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(duì)較弱，但仍能通過(guò)局部放電檢測(cè)進(jìn)行識(shí)別。

3 結(jié)論

（1）在電纜運(yùn)行過(guò)程中，水分能夠通過(guò)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(shí)間常數(shù)的TOPSIS綜合評(píng)估方法能夠?qū)﹄娎|受潮狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估，有助于準(zhǔn)確識(shí)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(chǔ)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。