交联聚乙烯电缆绝缘老化超低频介损试验及评价规程研究

赵丽惠 姜 幸 钱 伟 张 勇 王风华

（1.云南电网有限责任公司曲靖麒麟供电局，云南 曲靖 655000； 2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430070）

0 引言

20世纪80年代期间，交联聚乙烯电缆（cross- linked polyethylene, XLPE）在我国多个省市地区得到较为广泛的使用[1]。交联聚乙烯电缆在长期使用过程中，受发热、潮湿、化学及其他机械因素的影响，会发生物理或化学变化，导致其绝缘水平降低，容易发生绝缘击穿等事故，进而导致突发停电的情况增加，造成较大的经济损失[2-3]。进入21世纪后，国内第一批投运的交联聚乙烯电缆已经连续运行25年以上。这批电缆已经逐步老化，接近其设计寿命，并且进入了故障高发期。为了避免这种情况的发生，保证电网的安全稳定运行，对绝缘电缆进行寿命预测成为必不可少的工作。大量试验表明，超低频高压下所测得的电缆介质损耗比工频下测得的电缆介质损耗能更灵敏、正确地反映绝缘电缆的老化程度。因此，国内基本选择采用超低频高压发生器对绝缘电缆进行介损测量[3]，并根据国际规程IEEE 400.2—2013，对所测得的试验结果进行判断，这样可以初步分析出电缆的老化程度[4]。

本文首先分析超低频介损检测原理，以及通过介损测量反映电缆老化程度的可行性。之后，结合某地所得到的多组试验数据，依据国际规程IEEE 400.2—2013，对电缆的老化程度做出初步判断，且分析处于不同状态下的电缆介损值的规律及其原因，得出该判断规程仅适用于没有局部劣化的电缆。由于我国电缆制造材料、结构和生产工艺与国外产品存在差异，采用国际规程判断电缆老化程度有时会变得不准确。为解决此类问题，提出更全面的判据体系及最优分级判断阈值的确定方法，并以威布尔分布为例，求出基于该地区电缆试验数据的分级判断阈值，通过与国际规程IEEE 400.2—2013对比，得出新的分级判断阈值的优势，以期为建立符合我国电缆实情的评价规程提供参考。

1 超低频介损检测原理

1.1 电缆介质损耗的定义

交联聚乙烯电缆绝缘介质在一定的电压作用下，会产生能量损耗，这部分损耗被定义为介质损耗，简称为介损，主要由电解质电导、局部放电和极化所引起。一般将介质损耗角δ的正切值称为介质损耗，用tanδ表示。它的值只与材料的特性有 关[5]。电缆的等效模型为电容与电阻的并联模型，其介损值为

式中：δ为介质损耗角；P为介质损耗的有功功率；Q为介质损耗的无功功率；RI为电阻泄漏电流；CI为等效电容电流；R为直流泄漏电阻；C为等效电容；ω为角频率。

由式（1）可得，随着频率的升高，介损值将会降低。电缆处于正常运行状态时，电缆的电导率可以达到 10-16S/m。但随着运行时间的增加，电缆绝缘可能出现局部老化问题，这将导致缺陷处的电阻值变得很小，可忽略不计，记作R′。则整体电缆的tanδ增量可以表示为

由式（2）可以看出，绝缘电缆在老化后的介损值比正常状态的介损值大得多。因此，可据此来判断绝缘老化情况，说明通过测量介损判断XLPE电缆的老化程度是可行的。

1.2 超低频测试的必要性

电缆的介损包括电导损耗、极化损耗及局部放电损耗。正常状态下，电缆的介电常数与施加电压频率无关，但如果电缆内部老化，则电介质中需要一定的能量在带电质点位移时克服内摩擦力做功，进而导致介电常数会发生变化。研究表明，在工频电压下测量介电损耗，电缆水树中的极化现象并不明显，使介质损耗变化亦不大。但若采用0.1Hz的超低频电压，介质损耗变化十分明显。介质损耗随频率变化曲线如图1所示。因此，采用0.1Hz超低频电压检测电缆介质损耗具有重要意义[6-8]，有助于快速发现电缆的机械损伤及内部老化。

图1 介质损耗随频率变化曲线

2 10kV电缆超低频介损现场测试及数据分析

2.1 超低频介损现场测试方法

中国电力科学研究院武汉高压研究所于2018年起草了《35kV及以下交联聚乙烯绝缘电力电缆超低频（0.1Hz）耐压试验方法》，该测试方法基于国际规程，结合我国电缆具体实际情况而制定。大量试验证明，使用该测试方法并使用超低频高压发生器，可以较好地完成测试工作，本文采用该测试方法。在进行试验之前，自行设置0.1Hz主机的试验参数，使仪器可以产生正确的超低频高压正弦波。此外，需按图2连接试验设备[9]。

图2 超低频介损试验现场设备连接

给被测试品电缆施加低频高压，将采集所得到的数据保存于主机，也可以通过USB接口保存于PC端，使试验数据可观，具体的测量过程如下：

1）在试验前，首先确保电缆的近远端与电网完全断开，使待测电缆的远端保持悬挂状态，留有一定的安全距离。

2）用兆欧表测量待测电缆的绝缘电阻，为了保证试验的安全，测量结束后，要进行放电操作。

3）待测电缆的近端通过连接线与主机箱连接，并保证可靠接地。

4）在0.5U0、1.0U0、1.5U0三个电压等级下对待测电缆进行介损测量，U0代表待测电缆的额定电压。以本试验为例，10kV的交流电路，选定电缆的额定运行电压U0为8.7kV。在三个电压等级下依次测量8个周期的介损，完成超低频介损判据的计算。按照该流程完成电缆三相L1（A）、L2（B）及L3（C）的介损测试。

测试结果根据IEEE 400.2—2013标准进行评估，评估判据见表1。

表1 IEEE 400.2—2013交联聚乙烯电缆老化状态 评估判据

三种等级分别代表电缆风险等级为低、中、高，需要根据评估等级决定是否进一步采取检修措施。

2.2 测试结果及分析

对某地区的多条10kV配电电缆线路开展超低频介损值测试，现场测试如图3所示。

图3 现场测试

针对得到的电缆实测数据，按照IEEE 400.2—2013标准进行评估，取处于无需采取检修行动状态、建议进一步测试状态、需要采取检修行动状态的线路各10条，进行绘图并总结规律。电缆介损变化规律如图4所示。

图4 电缆介损变化规律

分析所绘制的图形，随着测量时间的增加，处于无需采取检修行动状态的电缆及处于需要采取检修行动状态的电缆的介损值大多处于缓慢上升或基本不变的状态；处于建议进一步测试状态的电缆的介损数据比处于无需检修行动状态的电缆增幅大，这是由于电缆进水潮化后形成水树，随着电压的升高，绝缘电缆的绝缘化学键发生断裂，加速水树生长，导致介损值升高[10]。这也反映了IEEE 400.2—2013标准中的介损变化率判据的合理性。

此外，从图4中可以观察出，处于需要采取检修行动状态的电缆的介损值随着电压升高，介损值增加更加明显，这是由于当电缆老化后，水分渗入电缆，使电缆的电导率发生变化，随着施加电压的增加，水分子剧烈震动，导致电缆的导通程度进一步降低，从而使损耗进一步增加，且电缆老化程度越严重，介损值越大。

进一步分析所得到的数据，选取三条投运年限分别为14年、6年和1年的电缆进行分析，其测试数据见表2。

表2 0.1Hz超低频介损测试数据

根据表2数据，并依据IEEE 400.2—2013国际规程进行判定，只有3号电缆的各项指标均落在需要尽快采取检修行动的范围内，表明该电缆发生较为严重的老化。但该电缆的运行时间仅为一年，电缆整体老化的可能性不大。对电缆进行绝缘电阻检测后，发现电阻阻值远低于正常值，由式（2）不难看出，此时，tanδ受到局部劣化影响也会导致电缆整体tanδ发生较大变化，因而可以初步判定绝缘电缆可能是局部发生严重降解而导致局部损耗增加。因此，要正确得出绝缘电缆整体的运行状态，需要满足电缆没有局部劣化的前提。

3 超低频介损评价规程研究

3.1 国际评价规程

目前，IEEE 400.2—2013国际规程的判据有三个，分别为介损随时间稳定性、介损变化率及介损平均值，它们的判断阈值见表1。采用该国际规程，可以初步判断交联聚乙烯电缆的绝缘老化程度。但需要指出的是，IEEE 400.2—2013的评价标准是根据几千份北美电缆的实测数据，运用经验累积分布函数得到判断阈值，从而建立起来的。现阶段已有的结论表明，电缆的结构因素也会对介损的测量有影响，包括电缆采用屏蔽型还是铠装型、绝缘层材料的选用、电缆制造的年份等[11]。而国内的电缆设计必然与北美的电缆设计有所区别，故这一套评价规程不能完全套用在我国。以IEEE 400.2—2013判据作为参考，建立适合于我国的评判体系，是非常关键的一步。

3.2 超低频介损判据体系

为了解决国际规程判断交联聚乙烯电缆时所存在的问题，需要有新的判据来补充现有的IEEE判据不足的现象。因此，在吸纳Skirt判据的基础上，提出反向介损变化率和介损极差两种判据。

反向介损变化率指的是0.5U0和1.5U0下的介损平均值之差，它所表征的含义是介损的电压稳定性，可以进一步补充电缆介损变化率的负值特性；介损极差指的是3个测试电压24个测量周期介损的最大值与最小值之差，它所表征的含义是介损的电压和时间综合稳定性，可以补充IEEE判据只能对单个因素影响的判断；对于Skirt判据，它已在韩国应用近十年，它与介损极差的意义相近，指的是1.5U0下所测8个周期介损的最大值与最小值之差，它表征的也是介损的时间稳定性。这样，完善的判据体系包括介损平均值、介损变化率、介损随时间稳定性、反向介损变化率、介损极差及Skirt，可以更全面地描述介损的老化情况[9]。这一超低频介损判据体系，可以为国内建立完善全面的评价标准提供一定的参考。

3.3 最优判断阈值的确定

目前，IEEE 400.2—2013国际规程对电缆运行状态的分级依赖威布尔分布及帕累托法则。通过威布尔分布建立电缆的寿命分布模型，通过帕累托法则，以80%和95%为界限，对其进行分级，从而形成国际评价规程。为了进一步建立更加符合该地区的评价规程，选取200组实测数据，对介损平均值、介损变化率、介损随时间稳定性三个指标进行威布尔分布拟合，并进行状态分级，选取最优分级判断阈值，图5为数据拟合流程。

图5 数据拟合流程

根据图5所示的评价规程的确定步骤，将试验数据进行威布尔分布拟合，所得到的表达式分别为

式（3）～式（5）代表的分别为介损平均值、介损变化率、介损随时间稳定性的威布尔分布函数，其威布尔分布函数拟合结果如图6所示。

图6 威布尔分布函数拟合结果

进行分布拟合后，观察拟合曲线，拟合效果较好。选择状态区间后，确定其分级判据阈值，对比见表3。

表3 0.1Hz超低频介损测试数据汇总

分析表3，利用威布尔分布新确定的分级阈值与IEEE国际规程分级阈值有较大差距，80%的分级判断阈值中，介损平均值新的分级判断阈值与国际规程的判断阈值相差31.23%，介损变化率相差26%，介损随时间稳定性相差7.98%；在95%的分 级判断阈值中，介损平均值新的分级判断阈值与国际规程的判断阈值相差53.24%，介损变化率相差18.2%，介损随时间稳定性相差57.01%，且新的分级判断阈值均小于IEEE国际规程中的值。

综上所述，新的80%的分级判断阈值与IEEE国际规程中的值差距不大，造成误判的情况较少；但新的95%的分级判断阈值远小于IEEE国际规程，在试验数据分析时，若采用IEEE国际规程进行判断，易将处于需要采取检修行动状态的电缆判断为处于建议进一步测试状态，造成测试时间的增加，严重时可能导致电缆运行的危险程度增加。

根据上述步骤所确定的新的分级判断阈值，可以更加准确、快速地反映出当地电缆的实际运行情况，较IEEE国际规程有一定的优势。

4 结论

1）交联聚乙烯电缆老化特性可以由介质损耗反映，两者之间具有较强的联系，传统的工频电压难以反映电缆测试的相关信息，超低频高压测试介质损耗是现在流行的一种高效的测试方法。

2）介质损耗是反映电缆老化特性的重要指标，但当电缆发生较为严重的局部劣化时，会使测量得到的介质损耗值增大，使介质损耗难以准确反映整条电缆的老化、劣化情况。因此在采用介质损耗评判整条电缆的运行情况时，需要保证电缆没有严重的局部劣化。

3）在IEEE的评价标准下，按照介损随时间稳定性、介损变化率及介损平均值三项指标对我国电缆的老化程度进行评定，其评价标准是否适用仍值得商榷。因此，在现有的三种判据之外，再加入反向介损变化率、介损极差及Skirt判据，形成了更为全面的介损判据。在此基础上，可以运用威布尔分布等数据统计分析方法来对我国现场测量数据进行拟合分析，并确定分级阈值，从而确定适合我国的超低频介损评判标准。新的分级判断阈值可以更加准确地反映电缆的运行状态。该方法可以为我国建立更加完善全面的电缆评价标准提供参考。