基于振荡波系统的交联聚乙烯电缆故障监测

时翔，陈志勇，徐振栋，崔潇，赵生传，张立刚，李志戈

（1.青岛供电公司，山东 青岛 266002；2.煤炭工业济南设计研究院有限公司，山东 济南 250031；3.青岛华电高压电气有限公司，山东 青岛 266102）

1 引言

交联聚乙烯（XLPE）电缆由于具有制造工艺简单、安装敷设容易、电气性能优良、传输容量大、运行维护方便、无漏油隐患等诸多优点已成为电缆发展和工程应用的主流［1］。我国各大城市如北京、上海、天津等地的城市电网中，高压、超高压交联电缆已获得了广泛的应用，且敷设量逐年递增。截至2009年底，国家电网公司系统内110kV在运高压、超高压交联电缆回路总长度已 ＞7700km［2］。

局部放电（PD）的诊断在高压和中压电力电缆的绝缘诊断有重要的作用，可通过这种方法来实现在工厂测试阶段、铺设测试阶段或运行阶段的电缆质量检验，从而获得某一包含附件在内的特定电缆绝缘系统的放电缺陷信息。可使用局部放电起始电压、局部放电振幅、局部放电的图谱特征来帮助识别放电绝缘薄弱点的症状［3］。

2 现有的电缆绝缘性能检测技术

交联电缆由于其电容量大，很难在现场开展工频电压下的绝缘性能考核。过去充油电缆采用直流试验，可以大大降低电源的要求，但对交联电缆，由于采用整体均匀绝缘材料，其在交流电压和直流电压的作用下电场分布不一样，在运行电压下局部电场较高的部位即易击穿的部位。

局部放电作为电缆线路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特征参数。高压、超高压交联电缆运行中采用局部放电在线监测技术是国内密切关注的技术热点，虽能在运行工况下实时监测线路局放变化趋势，但也存在局放测试无法按照IEC标准精确量化引起计量困难和量化判据的不统一，单一的检测电压难以发现更微小尺寸的绝缘缺陷，线路金属护套交叉互联导致的局放信号分相定位困难等不足。采用在线监测方式目前还无法实现电缆线路带电情况下介质损耗量监测，缺失了利用介质损耗评估线路绝缘老化状态的有效手段。

（1）M 表法:M 表通常有 500V、1000V、2500V、5000V和10kV多种不同电压等级，M表法是M表在某一恒压下测量绝缘体的电阻值，它只能反映电缆绝缘的泄漏特性［4］。

（2）直流耐压试验:直流耐压反映电缆绝缘的泄漏和耐压特性。XLPE电力电缆，由于其绝缘电阻较高，且交流和直流下电压分布差别很大，直流耐压试验后，在XLPE电缆中特别是电缆缺陷处会残余大量的空间电荷，当电缆投运后空间电荷常造成电缆的绝缘击穿事故。大量研究表明，直流电压不适合对XLPE电缆进行耐压试验。

（3）低频试验:德国、奥地利、美国和日本等国家早在80年代中期，就着手对运行中的XLPE电力电缆采用超低频（0.1Hz）耐压试验作为发现电缆运行绝缘缺陷的无损试验手段，开展了大量试验室和现场试验研究工作。德国发电厂联合会（VDEW）和国际大电网会议第21.09 工作组（CIGRE Working Group 21.09）研究报告表明:超低频（0.1Hz）耐压试验仍是推荐用于中压XLPE绝缘的电力电缆试验。一方面该试验不会在电缆XLPE绝缘中聚集空间电荷，畸变局部电场，另一方面能够在较低的试验电压下发现电缆绝缘水树枝老化等缺陷，故其对XLPE绝缘的损害程度较小。但由于超低频（0.1Hz）电压（VLF）高于运行电压，要求试验时间长，可引发电缆中的新缺陷，最主要的是也许不能识别出电缆的绝缘缺陷，且试验电压上限值低，与工频电压试验等效性尚无定论。

（4）工频耐压试验:工频试验产生的电压波形和频率最为理想，不但能反映电缆的泄漏特性，而且能完全反映电缆的耐压特性，还能反映电缆局部电介质损耗引起的局部耐压特性。但由于XLPE绝缘电力电缆的电容量较大，特别是高压电缆试验，要求工频试验设备的容量较大，设备的体积和重量很大，不便于运行现场试验。人们努力通过利用多种调感的方式或变频方法与电缆的等效电容产生谐振来获取接近工频的高电压，以求减小试验设备体积、减轻重量。此方法显然比直接采用工频变压器做试验要好些，但实际设备很笨重，且操作很麻烦。

用于检测电缆局部放电的试验方法需要满足以下要求:

（1）电缆在额定电压U0下不应该有局放；

（2）网络中谐振接地中心点在1.7U0下不应有局放；

（3）试验电压与工频电压需要有很好的等效性，能够检测局放起始电压、局放熄灭电压和局放水平；

（4）试验电压在检测局放时需能发现电缆潜在的缺陷，激发电缆发生局部放电，检测局放量和局放定位；

（5）试验过程不应对电缆造成损伤；

增热型吸收式热泵是以消耗高温热能为代价，通过向系统中输入高温热源，进而从低温热源中回收一部分热能，提高其温度，以中温热能供给用户。将热泵技术应用于回收油页岩干馏污水的余热，以炼油厂瓦斯尾气锅炉产生的蒸汽(0.8 MPa)为动力，以干馏污水为低温热源，回收干馏污水的热量用于冬季采暖。干馏污水处理及热量回收的工艺流程图见图4。

（6）如果使用工频电压或类似的电压波形，试验电压不应超过1.7U0，这可以使得对电缆造成的损伤降到最小；

（7）如果使用特殊的其他电压，如超低频电压，应该了解如何将测得的数据转化成工频条件下的数据。

3 振荡波电缆缺陷检测系统

3.1 振荡波检测法的提出

电缆由于其电容量大，很难在现场开展工频电压下的绝缘性能考核，而且所以提出了超低压（VLF）和变换脉冲电压（SIV），但总的来说，这些产品拥有一个很复杂的设计，最主要的是测量的PD值也许和工频下测量的结果相差甚远。

由此联想能否把超低频电压和工频交流电压结合起来，让它既同时具备两者的优点，即在工频下能实现给大电容充电，又同时克服两者的缺陷，即无法识别电缆绝缘缺陷和在工频下无法给大电容充电，为此，该测试电压波形需如图1所示。文献表明，这是可以实现的，这种电压的波形具有相比而言较长的上升时间和短暂的下降时间，上升时间约是下降时间的1000倍，如图1所示。

图1 振荡波电压

Uc为充电电压UT为试验电压t1为上升时间（如10s），t2为下降时间（如10ms）。暂态电压的上升时间因在10s左右，这就与超低频电压相似，暂态电压的下降时间因在10ms，即工频电压的半周期，这就与工频电压相似，这样测得的局部放电结果真实可靠。

因此基于振荡波的测量技术因此孕育而生。振荡波电压是近年来国内外研究较多的一种用于XLPE电力电缆检测的电压，其具有以下优点:

（1）充电周期短，功率需求小，设计轻便，易于携带。

（3）PD起始电压接近额定电压，不仅能使用于新电缆，而且能使用于旧电缆。

（4）可以在现场对局部放电可以实现定位和评估电缆的绝缘情况。

在超低频电压下，转变成电树枝是缓慢的，因为电压变化率小，即du/dt小，但一旦形成电树枝，之后的发展的相当快速，电缆在段时间内被击穿，即使此时的电压较低。而另一方面，振荡波电压的电压变化率很大，因此即使在低电压下也可能发展成电树枝，但从电树枝发展到击穿是缓慢，且击穿电压高。

3.2 振荡波测试系统

振荡波测试系统，即称为Oscillating waveform test system（OWTS），或 Damping AC Voltage（DAC），是近几年国内外供电单位尝试使用并替代交流耐压的一种新兴试验技术。其基本思路是利用电缆等值电容与电感线圈的串联谐振原理，使振荡电压在多次极性变换过程中电缆缺陷处会激发出局部放电信号，通过高频耦合器测量该信号从而达到检测目的。

振荡波电压试验接线图如图2所示，整个试验回路分为两个部分:一是直流电源回路；二是电缆与电感充放电过程，即振荡过程。这两个回路之间通过固体开关实现转换。

振荡回路如图3所示。固体开关的闭合时间可以做到小于1μs。固体开关要求有较低的损耗，因而谐振频率可以做到接近工频，在50～1000Hz之间。由于交联电缆具有相对较低的损耗因数，而谐振电路的品质因数Qc始终比较高（30～100多）。因此，被试电缆上所施加的试验电压波形呈现出一种逐渐衰减的交变波形，如图4所示。

振荡时间约为数十毫秒，如果电缆有绝缘缺陷，如水树枝，振荡波电压能激发电缆发生局部放电，又由于振荡波电压加在电缆两端的时间远小于运行电压，因此振荡波电压不会对电缆造成损伤。电缆等效电容越大或电感取值越大，振荡频率越低，同时振荡回路品质因素越低。为尽量提高品质因素，电缆等效电容一定时，选取更小的电感较合适。当被测电缆较短或者电感值较小时，振荡波的频率可能出现远大于工频，甚至超过1kHz，这时可以通过并联系统电容的方法来降低，使振荡频率接近工频，不至于过大。另外需注意一点，在固体开关闭合前，从测量电路中切断直流电源，这样可以避免干扰的影响，实现高测量的灵敏性。

图2 试验回路

图3 振荡回路

图4 阻尼振荡波波形

4 结论

振荡波测试系统，利用电缆等值电容与电感线圈的串联谐振原理，使振荡电压在多次极性变换过程中电缆缺陷处会激发出局部放电信号，通过高频耦合器测量该信号从而达到检测目的。该系统具有充电周期短，功率需求小，设计轻便，易于携带，与交流电压等效性能好，PD起始电压接近额定电压等优点，推荐在现场电缆故障检测中应用。

［1］吴倩，刘毅刚.高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术述评［J］.广东电力，2003（4）:1 －6.

［2］夏荣，赵健康，欧阳本红，等.阻尼振荡波电压下110kV交联电缆绝缘性能检测.高电压技术，2010（7）:1753－60.

［3］Cichecki P，Gulski E，Smit JJ，Hermans T，Bodega R，Seitz PP.Conventional and unconventional partial discharges detection in power cables using different AC voltages.Electrical Insulation Conference，2009 EIC 2009 IEEE；2009 May 31 2009 －June 3， 2009；2009:5 －9.

［4］张平康，韩伯锋.XLPE电缆的试验方法［J］.高电压技术，2004；（S1）:94－5.