中压电缆缺陷原因及其状态检测技术现状

陈茂荣，杨 忠，牛海清

(1.广东电网公司东莞供电局，广东 东莞523129;2.华南理工大学，广东 广州510641)

0 引言

目前城市配电网中的电缆主要是交联聚乙烯(XLPE)绝缘三芯电缆。配网电缆数量多、负荷重，且长期受高温、高电压、潮湿等的作用，运行环境恶劣，加之目前中间接头的制作过程中存在较多问题，使得因绝缘损坏引起的电缆故障不断增加。

本文统计了珠三角地区2009年1月至2011年9月期间10 kV电缆故障及其原因。统计表明，引起电缆故障的第一大原因是外力破坏，约占60%;第二大原因是电缆附件缺陷，占约21%;第三大原因是电缆本体缺陷，占14%。为提高直接面向用户的中压电缆供电可靠性，有必要研究其主要缺陷及状态检测方法。

除耐压试验外，电力电缆的状态检测方法包括局部放电监测及检测、运行温度监测及检测、接地电流测量、电缆绝缘水树的监测、绝缘电阻和泄漏电流检测、介质损耗检测等［1］。本文综述了上述方法的研究及应用现状，详细研究了电缆局部放电检测技术及研究应用现状，为中压电缆绝缘状态监测的研究奠定基础。

1 电力电缆的主要缺陷

出厂试验合格的电缆在运输、现场敷设、电缆终端及中间接头的安装与制作过程中，均可能因各种原因而形成缺陷。

1.1 电缆附件的主要绝缘缺陷

电缆附件包括终端头以及中间接头。电缆附件不是由制造厂提供完整的产品，而必须在现场将工厂制作的各种组件、部件和材料按照相关的工艺要求安装到电缆上并与电缆本身结合为一个整体，这才构成电缆的终端或接头。因而电缆终端和接头由工厂制作和现场安装两个阶段完成。相对于高压电缆，配电电缆的附件生产门槛低，厂家的技术能力和生产水平参差不齐，致使电缆附件制造及安装质量良莠不齐。电缆附件成为中压电缆的薄弱环节。

电缆附件缺陷主要包括应力锥本体制造缺陷、电缆附件与本体接连不紧、金属杂质、绝缘中裂纹等微创、绝缘中潮气气泡等杂质以及其他。电缆附件引起的事故统计如表1所示。

表1 电缆附件缺陷原因

由表1可见，除外力破坏，引起配电电缆附件缺陷的两大主要原因是附件绝缘中潮气气泡等杂质和电缆附件与本体接连不紧。

1.2 电缆本体电气绝缘缺陷

经过几十年的发展，XLPE电缆制造水平较高，电缆本体制造质量大幅提高。但面临激烈的市场竞争，部分电缆生产商往往在电缆制造过程中尽可能地取负公差以降低制造成本，其结果是生产过程中稍有不慎或管理疏漏，便会导致电缆本体制造缺陷。

电缆本体缺陷主要有以下几种情况:本体电气绝缘缺陷包括绝缘偏心、厚度不均匀等生产质量不良，线芯导体与绝缘分层，绝缘屏蔽表面突起，绝缘中裂纹等微创，绝缘中潮气气泡等杂质以及其他。电缆本体缺陷引起故障统计如表2所示。

表2 电缆本体缺陷原因

由表2可见，除外力破坏，引起配电电缆本体缺陷两大主要原因是电缆绝缘中的微创和绝缘屏蔽表面突起。

2 电缆状态检测的方法及现状

在工作电压下，上述缺陷的存在可能造成电缆系统出现:局部放电、沿面放电、水分渗入、加速老化、外护层受损、金属护套老化、多点接地、局部过热、悬浮电位放电、介质损耗增大、泄漏电流中含谐波分量等现象。这些现象为监测及检测技术提供了参考。

目前国内外开发了多种XLPE电力电缆的监测及检测方法，其中有些方法已在运行中得到了应用［2］。除耐压试验外，电力电缆的状态检测的主要方法包括如下5类。

2.1 局部放电监测及检测

局部放电作为绝缘故障早期的主要表现形式，既是引起绝缘老化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要参数。局部放电与电缆绝缘状况密切相关，局放量的变化预示着电缆绝缘中一定存在着可能危及安全运行的缺陷。目前国内外对局部放电展开了很多研究，主要包括局部放电检测方法的研究、局部放电去噪方法的研究、局部放电源模式识别的研究、局部放电的定位等，取得了不少成果［3－5］。IEC、CIGRE等国际权威机构一致推荐局部放电作为XLPE电缆绝缘状况评价的最佳方法。

局部放电的检测方法很多，可分为离线方法和带电及在线方法［10］。离线式局部放电检测需要停电数小时，且需打开连接。在目前用电可靠性要求越来越高的情况下，难以实现对中压电缆一年一检或者定期巡检。局部放电带电检测或在线监测，无需电网停电，在真实的运行状态和环境(负载、温度)中检测局部放电或监视其变化趋势，有助于了解电缆绝缘的实际状况，成为目前的研究热点和发展趋势。本文将在下节专门研究电缆局部放电的带电检测方法。

2.2 电缆运行温度监测及检测

导体温度是电力电缆运行的一个重要指标，可作为反映电缆运行状态的参量。运行中的电缆导体温度在技术上难于实现测量，利用分布式光纤测量电缆护套温度进而通过计算获得其导体温度，是目前的一个研究热点。澳大利亚、日本、加拿大、西班牙、以色列、阿联酋等国家和地区的研究机构和电力企业对该方法进行过理论研究和实践验证，并已取得了较成熟的运行经验［6］。国内如国网电科院、北京电力公司、天津电力公司和广州供电局、华南理工大学等均对这种方法进行过深入研究。目前，北京、上海、天津、广州等城市的110 kV及以上电压等级的电缆线路上均不同程度地敷设了分布式光纤测温系统。

虽然该测温系统具有测量距离长、测温精度高等优点，但光纤测温对因各类缺陷造成的局部温升不敏感，易受敷设环境温度、湿度影响，损坏率高等，仍然需要进一步的应用研究。

2.3 电缆绝缘水树的监测

当XLPE电缆绝缘中存在水树枝等缺陷时，树枝尖端与接地电缆屏蔽层有类似于针－板电极的整流效应。在运行电压下，高压极(电缆线芯)与低压电极(电缆金属护套及屏蔽接地线)之间构成的回路，有纳安级的直流分量流过。大量实验数据表明，电缆水树枝长度与直流泄漏分量有较好的相关性，水树枝越长，直流分量也就越大。直流分量法就是以水树效应引起的纳安级的直流电流为老化判据，检测运行电缆的水树状劣化。

这种方法可以很好地发现集中性缺陷，由于测量的电流很小，所以在抗干扰方面要求较高。

2.4 绝缘电阻和泄漏电流检测

在线监测绝缘电阻和泄漏电流的方法包括直流叠加法、电桥法和低频叠加法。直流叠加法是在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电压(通常为50V)，使该直流电压与施加在电缆绝缘上的交流电压叠加，从而测量通过电缆绝缘层上微弱的纳安级直流电流或其绝缘电阻。由于直流叠加法是在交流高压上再叠以低值的直流电压，这样在带电情况下测得的绝缘电阻与停电后加直流高压时测试结果很相近。由于绝缘电阻与很多因素有关，很难根据绝缘电阻值来预测电缆的老化程度。

实验表明，只有当XLPE电缆中的水树枝发展到绝缘厚度的80%以上时，才会使绝缘电阻显著下降到“危险值”，故该法虽然比较易于实现在线监测，但当护层绝缘电阻太低时难以获得准确读数。

2.5 介质损耗检测

电缆绝缘tgδ值的在线检测方法，与电容型试品的在线检测方法很相似。介质损耗法目前已经实现了在线检测，且有大量的离线检测经验和数据，只要合理改进在线检测的精度，即有望成为高压电缆绝缘在线监测及检测的一种有效手段［7］。由于tgδ值往往反映的是普遍性的缺陷，个别的较集中的缺陷不会引起整根电缆所测到的tgδ值的显著变化，对局部缺陷无法反映［8］。

3 中压电缆局部放电带电检测方法

除电缆本体外，与电缆相连接的高压设备内部也会产生局部放电，通常在对电缆进行局部放电检测的同时，也需要对与电缆相连的分接箱、开关柜等产生的本地局部放电进行检测，从而更加准确地诊断电缆局部放电。

带电或在线局部放电量检测，适应于高可靠性的要求，成为目前的热点和发展趋势。由于篇幅所限，本文仅介绍可用于电缆线路局部放电带电检测和在线监测的方法。

3.1 高频脉冲电流法

脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC对此制定了专门的标准。由于该方法测量信号频带较低，通常在几十到几十万赫兹范围内，易受背景干扰的影响，且该方法需要接高压试验电源，不便于电缆局部放电在线或带电检测。

高频电流法采用高频电容传感器(HFCT)，将HFCT传感器卡在运行电缆接地线上采集局部放电信号［3］。HFCT安装方便，信号带宽可根据检测需要调整，可用于电缆局部放电的在线监测，北京电力公司在奥运保供电的应用中取得一些成果。但HFCT仅适用于电缆外屏蔽层有接地线的情况，对于有完全屏蔽的电缆，HFCT套在电缆本体外，难以检测到局部放电信号。与传统的脉冲电流法相比，HFCT测量局部放电的频带响应范围宽，在高压电缆和测量回路间没有直接的电气连接，能较好地抑制噪声，适用于电缆敷设后的交接评审试验和运行中局部放电的带电测试和在线监测。

3.2 地电波方法

发生开关柜等高压设备的局部放电会辐射出电磁波。根据电磁感应原理，电磁波在空间传播遇到金属的柜体时，在柜体内表面会感应出幅值大小、频率等参数与局部放电电磁波相关的脉冲电流。由于实际的柜体不是完全密封的，柜体屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位出现缝隙，柜体内表面感应的脉冲电流会从缝隙处传出，然后沿着金属柜体外表面传到大地，这样就形成了一个个暂态对地电压。若在设备的金属外箱壳上放置一个电容性探测器，即可实现局部放电的检测。

3.3 超声波和声发射检测方法

局部放电的发生伴随着噪声的产生，超声检测法用固定在电气设备金属外壳上的超声传感器(通常采用压电传感器)接收到设备内部局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小及位置。

局部放电的声学检测方法受电气干扰小，主要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局部放电源进行物理定位。由于目前还不能确定超声信号的强弱与绝缘劣化的定量关系，因而超声检测法在设备局部放电的带电检测和在线监测中，只是辅助测量手段。

3.4 无线电检测法和超高频(UHF)法

试验结果表明:局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。无线电检测法常采用无线电电压干扰仪来检测，使用2个或2个以上的UHF传感器，能够较好地对局部放电源进行定位，适用于在线检测［9］。由于XLPE电力电缆多层屏蔽结构和显著的低通滤波效应，造成UHF信号沿电缆传播时衰减很快，该方法应用于电缆还处于研究阶段。

3.5 其它方法

除上述方法外，差分法、方向耦合法、电容耦合法是在电缆本体进行局部的切割并植入相应的传感器进行电缆局部放电的监测。这些方法目前还处于研究阶段，其使用并不影响电缆的主绝缘，适合于电缆的局部放电在线监测。然而这些方法需要在电缆本体进行操作，破坏了电缆的外护层和金属护套，水分等会渗入电缆绝缘中，长期运行后可能会引起绝缘中水树枝的生长，不利于电缆的长期可靠运行。但若在电缆生产过程中就将这些传感器植入，这些方法还是具有较好的研究价值的。

4 结束语

在电缆状态检测的上述方法中，局部放电监测、温度监测获取的绝缘信息丰富，易于实现，有丰富的运行经验;而对电缆的绝缘电阻、泄漏电流或者介质损耗的测量，不能反映绝缘的局部缺陷。实际上，XLPE电缆的许多故障是由局部放电引起的，XLPE电缆发生局部放电时，其绝缘电阻、泄漏电流和介质损耗往往不会发生改变。

在电缆局部放电带电检测方法中，高频电流法和电磁耦合法(Rogowski线圈)的传感器与测量回路间没有直接的电气连接，适用于电缆局部放电的在线监测。超声方法和声发射方法，可对电缆局部放电进行定位，但声信号与局部放电信号间定量的关系有待进一步研究，因而声测法作为一种辅助手段，用于电缆终端局部放电的带电检查和在线监测。超高频方法应用于电力电缆局部放电的监测，适合尺寸较小的电缆附件绝缘缺陷。振荡波方法产生的电源与交流电源等效性好，操作方便、易于携带，不会对电缆造成伤害，但试验时被测电缆需退出运行，因而该方法是一种离线的局部放电的检测方法。

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