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1、XLPE电力电缆安全检测评估技术综述Overview of Safety Detecting and Evaluating Technology for XLPE Cable翁道磊Weng Daolei（厦门红相电力设备股份有限公司研发中心 厦门 361001）(R&D Center of Xiamen RedPhase Instruments Incorpration,361001)摘要：电力电缆安全检测评估技术将交流耐压试验技术与局部放电测量、定位和诊断技术相结合，能够全面测量和评估电缆的绝缘状况，已成为电力电缆检修手段的新方向。在综合了国外产品的经验和考虑国内电缆线路检修现状的基础上，本
2、文提出了一种基于串联谐振技术的电力电缆安全检测评估系统。关键词：局部放电串联谐振定位全面评估Abstract：Power cable detecting and evaluating technology integrates ac volage withstanding test technology with partial discharge decteting ,locationg and diagnosing technology,which become new direction of maintenance for power cable.Based on the consid
3、eration of experience on overseas production and current condition of domestic cable maintenance, this essay presents a kind of power cable detecting and evaluating system based on Series Resonance technology.Keywords：Partial Discharge; Series Resonance; Location; Full-Eveluation0 引言随着国家经济和城市电网建设的发展
4、，城市电网的电压等级也在不断提高，110kV乃至220kV线路深入负荷中心的供电模式日趋普遍。同时，受供电走廊的限制，城市电网的缆化率也在不断提高。处于恶劣运行环境中的XLPE电缆，在电、热、机械外力、水、油、有机化合物等作用下，常常发生老化，并严重影响到绝缘性能。总结XLPE电缆的老化原因，一般认为局部放电、电树枝、水树枝的发生，是导致电缆及其附件绝缘性能降低的主要原因，且频度颇高。XLPE电力电缆在正常环境中的寿命一般为2030年，然而由于敷设在电缆沟或直接埋于地下，其环境与使用状态会极大影响电缆寿命。因此对XLPE电缆绝缘状况采用技术手段进行全面检测与评估以便拟定科学的检修策略对于提高电
5、网运行的可靠性和安全性具有重要的现实意义。1 电力电缆试验技术现状当前，电力电缆试验技术滞后于电力电缆制造和应用技术。与电力电缆线路绝缘状况检测常见的相关项目如表1所示。绝缘电阻和介质损耗测量受环境因素影响较大，缺少科学合理的判据。故实际应用中往往认为是辅助试验,仅与耐压试验配合一起,作为试验结果参考1。直流耐压试验主要对油纸电缆有效，而XLPE电缆具有电荷“记忆”效应，采用直流耐压试验不仅无效而且对电缆绝缘有极大损伤。据统计:在19621999 年间,直流耐压试验合格后投入运行的电缆在短期内发生故障的次数约占电缆运行故障总次数的43.18 %。因此国际大电网会议(CIGRE)第21.09工作
6、组在高压挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则中对直流耐压试验方法提出疑义，并推荐使用工频及近似工频(30-300Hz)的交流试验方法。交流耐压试验包括0.1Hz超低频，振荡波以及工频或类工频耐压试验等，尤其是采用调频式串联谐振试验装置进行交流耐压试验是国内目前应用最广泛，最有效的试验方法，但其只能对电缆绝缘状况进行定性检查，通过对电缆绝缘是否击穿得出绝缘状况好与不好的结论，无法对电缆绝缘好与不好的中间状态进行定量评估。表1常见的电力电缆检修试验项目试验项目名称缺点绝缘电阻测量结果与电缆绝缘相关性差。介质损耗试验对介质局部缺陷反映不灵敏。直流耐压试验对XLPE电缆损伤较大，缩短电缆运行寿命。0.1H
7、z耐压现场试验的有效性受质疑。振荡波耐压电压频率和幅值不稳定也无法精确控制，衰减比较厉害，难以满足长电缆试验的需要。工频或类工频耐压试验试验电压过高具有破坏性。长期的工作经验表明，上述的方法均存在着一定缺点，均不能有效的定量检测电缆的绝缘状况，更加无法在此基础上进行全面的评估。针对以上方法的缺点，将交流耐压试验与局部放电测量和定位技术相结合的电力电缆安全检测评估系统技术已经成为当今电缆绝缘测试与安全评估的重要趋势。2 电力电缆检测评估技术概况电力电缆安全检测评估技术（国外称为“局部放电Mapping系统”）在国外已有20余年的历史，其研究的目的在于将交流耐压试验技术与局部放电测量技术相结合，利
8、用交流耐压试验条件下的局部放电测量结果来评估电缆的绝缘状况，对老化的交联聚乙烯电缆进行状态评估。国内外的运行经验表明：XLPE电力电缆的局部放电现象与其绝缘状况密切相关，是定量分析电缆绝缘状况的有效方法之一，如电缆绝缘介质的树枝化引发初期，局部放电量约0.1pC；当树枝发展到介质击穿临界状态时，其局部放电量可达到1000pC。因此，对XLPE电缆绝缘的局部放电进行检测并对局部放电定位是及时发现故障隐患，确保电力电缆安全可靠运行的重要手段。从国外来看，比较知名的试验设备制造商已经广泛地将电缆的局部放电检测技术、定位技术与试验技术整合起来，开发出能够利用低压试验数据评估电缆质量的新方法和新设备。英
9、国与奥地利两家公司的产品采用VLF电源，如图1所示，具有局部定位功能，能够更加科学地评判被试电缆的绝缘状态，科学地指导电缆的更换和维护工作。但是， VLF试验技术最高电压等级仅为40kV，远远不能满足国内日益增多的66kV 、110kV电缆的现场耐压试验的需要2。图1采用VLF电源的电力电缆安全检测评估系统结构图德国两家公司的产品则是使用衰减振荡波(OWTS)技术产生试验电压，如图2所示，同时集成局部放电定位和测量功能。但是，由于输出电压频率不稳定，幅值衰减比较严重，局部放电现象不能稳定地再现，试验结果往往不具有通用性3。图2 采用OWTS电源的电力电缆安全检测评估系统结构图从国内来看，国内试
10、验设备制造商目前还没有开发出采用电力电缆安全检测评估系统技术的设备进行应用。相比国外存在一定的差距。目前我国电网的电缆验收交接和检修的质量保证主要还是采用电力设备交接和预防性试验规程规定的方法。当电缆线路运行过程中被击穿并发生接地故障后，往往采用电力电缆故障定位系统对高压电缆进行故障定位。但是，以上系统只能在电力电缆已经发生接地故障的情况下进行故障定位。一般来说，运行多年并已经发生接地故障的电力电缆极有可能同时在多点存在严重的局部放电，即使发生接地故障后，能够采用电力电缆故障定位系统迅速处理电缆线路故障，也无法对可能存在的绝缘薄弱环节进行定位和预警，因此也不能有效避免突发性停电事故4。3 基于
11、串联谐振技术的电力电缆安全检测评估系统 综合以上国外产品的经验，并充分考虑国内电缆线路检修的现状，将交流谐振耐压试验技术与电力电缆局部放电测量、定位和诊断技术整合在一起的电力电缆安全检测评估系统将是一条既满足高压电缆交接和预防试验要求，也能够对电缆绝缘性能进行安全检测与评估的新型技术路线。系统的原理结构如图3所示，采用脉冲电流法（ERA）来测量局部放电。变频电源通过频率调节使得谐振电抗器与被测电缆的分布电容产生谐振，励磁变压器用于将变频电源的额定输出电压进行预升压，谐振条件下，在被测电力电缆上可以获得输入电压数倍试验电压，使得被测电力电缆及其接头的薄弱环节发生局部放电5。阻塞阻抗和电容式分压器
12、、耦合电容构成试验回路中的形滤波器模块，阻塞高频局部放电信号流向变频电源所在的支路和变频电源产生的高频干扰信号流向检测阻抗所在的支路传播。电容式分压器将试验电压分压，用于试验电压的测量或反馈控制。耦合电容用于耦合局部放电产生的高频电流并在检测阻抗上产生一定幅值的电压信号。将该脉冲电压予以信号调理、采集、处理和显示就可测定局部放电的各种图谱，如图4所示的局部放电正弦图谱和三维图谱。图3 基于串联谐振技术的电力电缆安全检测评估系统结构图图4 局部放电正弦和三维图谱系统的局部放电定位原理是利用脉冲正反向传播产生的时间差来计算。如图3所示。假设放电点靠近近端的距离为。当发生局部放电时，会在导体上产生一
13、个很窄的放电脉冲，此脉冲产生的正向行波和反向行波分别以同样的速度向近端和远端传播。以局部放电的发生时刻为，正向行波到达近端的时刻为，则有：反向行波到达对端后会产生全发射，反射波此后沿正向近端传播，并在时刻到达近端，则有：综合上述两式，可得：因此，在电缆长度已知的前提下，只要测量出正向行波和反向行波到达近端的时间间隔，就可以计算出局部放电发生的位置6，图5所示的即为局部放电定位图谱。图5 局部放电定位图谱通过以上对电力电缆安全检测评估技术的分析可知其具有以下优点： 采用较低的试验电压（如交接试验电压甚至更低），降低了对电缆主绝缘的损伤。 可以通过对电缆局部放电的检测定量评估XLPE电缆绝缘状况，
14、不仅可以判得出电缆是否需要更换的结论，而且也能够提前预知电缆延期更换的期限。 可以精确定位出电缆绝缘的薄弱环节，避免大量绝缘性能完好的电缆被盲目更换，提高检修工作的针对性，减少地埋电缆的工程开挖量，对工作人员的检修具有很强的指导意义。 基于串联谐振技术的电力电缆安全检测评估系统不但减少试验设备的容量，将试品的电压等级范围扩大220kV、并且由于相关设备重量轻、可移动性好，降低了工作人员的劳动强度。因此，凭借着众多优点和较强的绝缘状况检测和评估能力，电力电缆安全检测评估技术将是目前单一功能的交流耐压试验较为理想的升级换代技术手段，发展电力电缆安全检测评估技术将会极大提高电网运行的安全性和可靠性，
15、具有很强的现实意义。参考文献1 罗俊华，杨黎明等.电力电缆及试验技术回顾 J.高电压技术，2004,30(136):81-82.2 Steven Boggs1Fundaments of partial discharge in the context of field cable testing J. IEEE Electrical Insulation Magazine12000,16 (25) :13218.3 Working Group 21. 09After laying tests on high voltage extruded insulation cable system J. Electra, 1997, 173: 33241. 4 马翠姣.XLPE 电力电缆局部放电试验研究D. 西安:西安交通大学硕士学位论文,20015 江毅，钟建灵.交联电缆技术要求的新趋势及交流耐压试验的状况 J.广东电力，2002,15(4):34-356 CIGRE WG D1.33 Task Force 05, “Experiences in partial discharge detection of distribution power cable systems,” Electra, vol. 208, pp. 3543, June 2003.
