XLPE 配电电缆缺陷诊断与定位技术面临的关键问题

2021-12-13单秉亮李舒宁李成榕

电工技术学报 2021年22期

单秉亮李舒宁杨霄王伟李成榕

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）北京 102206）

0 引言

交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆由于耐热性能和绝缘性能十分优异，且具有质量轻、传输容量大、易敷设维护等优点，自20 世纪80 年代起便被大规模应用于我国城市配电网的建设与改造中[1]。截至2020 年初，国家电网公司在运配电电缆277.9 万段，总长度76.7 万km，同比增长13.5%。

与此同时，早期投入的部分电缆已进入“老龄化”阶段，正接近或已超过其设计寿命。如何准确诊断其绝缘状态并据此实现科学运维，这对于保证配网运行可靠性尤为重要，相关研究刻不容缓。

研究表明，XLPE 配电电缆在投入运行后，其主绝缘层会在电、热、机械和环境等多因素作用下发生非可逆绝缘老化、产生绝缘缺陷，极易诱发电缆故障，威胁电网的安全稳定运行。CIGRE 报告中同样指出，老化缺陷是中压电缆发生故障的最重要原因，问题不可忽视[2]。

2009～2011 年国家电网公司对已投运的6～500kV电力电缆线路故障按原因进行统计，设备老化故障为2 055 次，故障占比21.1%，其中主绝缘老化故障占设备老化故障总量的60.9%[3]。此外，相较高压电缆而言，中低压电缆的故障率更高。

对于实际运行XLPE 配电电缆而言，其空间敷设跨度大、运行环境复杂，长期运行后电缆中形成的缺陷沿电缆并非呈均匀分布，如何对其进行有效诊断和定位是一大难题。国内外学者对此开展大量研究工作，虽已取得一定成果，但仍存在一些问题和薄弱环节亟待解决。此外，出于经济性考虑XLPE配电电缆一般不配备状态实时监测装置，历史运行数据的缺乏进一步增加了XLPE 配电电缆老化状态诊断的难度。

鉴于此，本文综述现有电缆缺陷诊断方法与定位技术的主要研究进展，梳理其应用于XLPE 配电电缆状态评估过程中面临的关键问题，指出现阶段研究存在的技术难点和薄弱环节，展望后续研究的主要方向。

1 缺陷诊断方法面临的关键问题

图1 为实际运行含缺陷XLPE 配电电缆结构示意图。根据电缆中缺陷的长度及形成原因，可将其定性划分为老化段（电缆局部较长区域整体发生的水树老化、热老化等绝缘缺陷）和集中性缺陷（外力导致的绝缘较短区域受损、接头浸水等绝缘缺陷）两种。

图1 含缺陷电缆结构示意图Fig.1 Structure diagram of the cable with defects

1.1 取样分析技术

基于取样法开展绝缘层理化特性分析通常用于诊断均匀老化电缆的绝缘老化情况。XLPE 配电电缆绝缘老化本质上是绝缘层材料性能发生改变，因此，建立电缆绝缘层理化特性与老化情况的关联关系是诊断电缆老化严重程度的重要途径。国内外研究学者提出利用诸如水树或电树长度[4]、羰基指数[5]、氧化诱导期和结晶度[6]、活化能[7]、X 射线衍射峰强度[8]、机械断裂伸长率[9]等特征量及特征值来表征电缆的老化情况，通常认为老化后电缆绝缘层具有更大的羰基指数，更小的氧化诱导期、结晶度、活化能以及机械断裂伸长率。也有研究人员探索基于X 射线光电子能谱（XPS）[10]、电子顺磁共振谱[11]等手段诊断电缆老化状态。

然而，电缆老化过程中绝缘层理化特性变化过程并非完全一致。例如，电缆热老化初期，高温可能会促进XLPE 中未完全交联部分的重新交联导致材料氧化诱导期、结晶度等特征量短时增大[12]；由于电缆制造工艺或材料配方的差异，热老化后部分电缆主绝缘层活化能会有所提高[13]。此外，理化性能分析结果还受绝缘层取样位置的影响，例如，老化XLPE 电缆的主绝缘层内侧和外侧X 射线衍射峰存在较大差异[10]。因此，依靠绝缘层理化特性分析诊断电缆老化状态有时并不完全可靠。

更重要的是，电缆老化的不均匀分布（不均匀老化）进一步加剧了基于取样法诊断电缆老化程度的难度。正如前文所述，取样分析只能实现电缆取样位置老化状态的表征，但出于经济性和电网运行安全性考虑，现场只能开展有限部位取样分析，由于老化状态分布位置未知，基于有限部位的取样分析无法实现对电缆沿线路老化状态分布的完整表征，这也是目前取样分析实验室研究较多但实际应用受限的重要原因。

1.2 0.1Hz 超低频介损检测

电缆老化会导致绝缘介质损耗增加，研究表明电缆老化前后介质损耗角正切tanδ（介损）在低频下的数值变化相较工频而言更为显著，可据此诊断电缆老化状态[14]。

S. Hvidsten 等发现将2m 运行老化电缆（含水树）与50m 未老化电缆串联时测得的低频区间tanδ值明显低于2m 运行老化电缆的tanδ值，如图2a 所示，即tanδ值只能表征电缆整体平均老化程度，缺陷长度占比会影响tanδ值的变化幅度，进而影响诊断效果[15]。与此同时，水树老化电缆的tanδ与外施电压存在非线性关系特性[15-16]。该非线性特性产生原因如下：可利用微米级孔洞和纳米级通道组成的“珍珠串”结构来描述电缆中水树枝的形态[15]，当给通道中的水树施加较低电场时，水分不会发生迁移，介损随电压变化相对较小；当外施电压足够高时，水树枝微孔中的水分会在麦克斯韦应力作用下，流入纳米级通道，进而形成所谓的“通路”，导致电缆绝缘层中损耗电流增加、tanδ显著增大。

图2 电缆低频下的tanδ 特性及其非线性特性[15]Fig.2 Dielectric loss factor (tanδ) and its non-linear characteristics of cables under lower frequencies[15]

S. Hvidsten 据此定义了0.1Hz（频域）下的频域非线性损耗因数η评价水树老化XLPE 电缆的老化程度[17-18]，即

这里，tanδ(u,f)|u=6kV,f=0.1Hz和tanδ(u,f)|u=1kV,f=0.1Hz分别表示测试频率0.1Hz 下，测试电压幅值为6kV和1kV 时tanδ的测量值。不同电压幅值下测得的η值如图2b 所示，可以发现，即使水树老化电缆区域仅占电缆总长度的4%，非线性程度仍较为明显，即该非线性现象可以在一定程度反映电缆局部老化情况。

IEEE Std 400.2TM—2013[19]规定了电缆超低频介损检测诊断判据，见表1。韩国电力公司[20]及深圳供电局[21]等研究人员还针对其提出了补充判据以求形成更为完善的超低频介损检测判据体系。此外周凯等基于0.1Hz 超低频测试电压下极化电流与去极化电流对应的介质损耗因数比值建立了电缆老化类型的诊断方法[22]。尽管0.1Hz 超低频介损检测技术已在国内部分地区开展应用，并取得了一定效果，但有时其对电缆中缺陷的诊断灵敏度仍显不足。实际上，tanδ取值与频率息息相关，关系式见式（2）。对于同一条电缆而言，频率越低，其实测tanδ值越大，因此，适当降低测试频率可以提高电缆老化前后tanδ变化的显著性[14]。

表1 超低频介损检测诊断标准[19]Tab.1 Diagnostic criteria for VLF[19]

此外，如前文所述，对于不均匀老化电缆而言，当缺陷长度占比较小时，基于超低频介损检测方法诊断缺陷的灵敏度也同样不高[15]。图3 为存在局部老化XLPE 配电电缆电路结构及其等效示意图。

具体原因分析如下：对图3 中导体和金属屏蔽层施加频率为0.1Hz、幅值为U的电压，R1、R2分别为单位长度电缆对应的内、外半导电层阻抗值（假设电缆发生局部老化后半导体电层介电特性不改变），C0、R0和C0′、0R′分别为单位长度完好电缆与老化电缆对应的XLPE 层电容和阻抗值，ic、ir、ci′、ri′分别为频率为f的外施电压下单位长度完好电缆和老化电缆对应的XLPE 层流过的容性电流和阻性电流；Requ1、Requ2和Re′qu1、Re′qu2分别为电缆完好区域与缺陷区域对应的内、外半导电层阻抗等效值，

图3 局部老化电缆的电路结构及其等效模型Fig.3 Circuit structure and equivalent model of cable with local aging

假设a为电缆局部老化段区域长度，b为电缆完好区域长度与局部老化区域长度之比，则电缆整体介损测量值tanδ计算式为

进一步将式（3）和式（4）代入式（5），并经化简可得

鉴于电缆老化后介损变大，有tanδ0′＞tanδ0，因而由式（6）可知，当ic、ic′不变时，b值越大，tanδ取值越小且越接近tanδ0。由此可见，电缆中的缺陷长度占比会影响0.1Hz 下测得的tanδ值，即缺陷占比越小，电缆测得的tanδ值越接近正常值，缺陷诊断灵敏度越低。这对于动辄几公里的配电电缆线路而言，极易出现局部缺陷长度占比较小而无法及时检出的情况，直接威胁电网运行安全。因此，如何提高对集中性缺陷的诊断灵敏度是一大难题。

相较0.1Hz 超低频介损检测而言，极化/去极化电流法和频域介电谱法不仅可获得诊断特征量随电压变化规律，还可获得其随时间或频率的变化过程，有利于为电缆状态诊断提供更多的有效信息[23]。

1.3 极化/去极化电流法

国内外研究学者根据极化/去极化电流的幅值、斜率拟合值等定性分析XLPE 电缆老化状态[24]。与频域非线性损耗因数η类似，S. Hvidsten 定义了时域下的非线性系数DONLIdp来评估XLPE 中通风型水树的严重情况，通常电缆中通风型水树老化越严重，DONLIdp值越大[15]。

B. Oyegoke 等提出可基于极化去极化电流（Polarization Depolarization Current, PDC）曲线来计算直流电导率，在此基础上，根据不同电压下直流电导率的非线性程度来评估XLPE 电缆水树老化情况[25-26]。

考虑等温松弛过程与电缆老化情况密切相关，有学者引入老化因子并结合老化因子特征值与击穿强度的对应关系建立判据评估电缆老化状态[27-28]。上海交通大学学者通过试验获得国产新电缆及寿命终结电缆老化因子，并将其与其他国家研究人员提出的判据进行对比，见表2[29]，发现电缆状态诊断判据间存在差异，认为这种差异主要受电缆原材料配方、生产工艺不同及测量过程操作等因素影响[29]。

表2 不同国家电缆绝缘状态诊断的老化因子判据[29]Tab.2 Criteria of aging factor for cable insulation condition diagnosis in different countries[29]

需注意的是，与0.1Hz 超低频介损检测方法类似，极化/去极化电流法表征的是电缆整体老化情况[15,30]，同样存在缺陷诊断灵敏度不足或误诊的可能。

1.4 频域介电谱

P. Werelius 等系统地研究了不同老化程度XLPE 电缆在0.1Hz～1Hz 范围内的频域介电谱特性，如图4 所示，据此提出基于XLPE 电缆低频复介电常数实部变化量Δε′及虚部ε′′随频率和测试电压的变化关系来评估电缆的老化程度[31-32]。

图4 不同老化程度XLPE 电缆的介电响应特性[32]Fig.4 Dielectric response characteristics of XLPE cables with different aging states[32]

周利军等[34]认为电介质老化后低频段松弛损耗过程的改变容易被直流电导过程掩盖，基于频域介电谱法提出用只包含松弛过程的参数∂ε′/∂lnω来表征XLPE 电缆绝缘切片的热老化状态，老化后的电缆∂ε′/∂lnω损耗峰逐渐向低频方向移动，且峰值明显增大。

由此可见，频域介电谱可反映电缆介电特性随频率变化特征，更高测试电压等级下的频域介电谱（高压介电谱）还可以反映电缆介电特性随测试电压的变化关系，为电缆老化诊断提供更多有效信息，值得深入研究。然而，目前基于高压介电谱诊断电缆缺陷状态的研究相对较少，且测试频率范围和测试电压仍有进一步拓宽和提高的空间。

除上述技术外，目前现场XLPE 配电电缆常用检测技术还包括绝缘电阻测试、基于局部放电、基于耐压试验等测试方法[35-36]。其中，绝缘电阻测试对于电缆中的缺陷诊断灵敏度较低[37]，局部放电检测技术只适用于状态较为严重的缺陷[38]，耐压试验可以识别电缆绝缘弱点但方法具有破坏性[39]，均无法实现对电缆集中性缺陷的有效诊断。

图4 中每个电缆均采用对应标签栏设置的电压按自上而下的顺序进行多次介电特性测试，发现通常状态良好电缆Δε′和ε′′随电压和频率变化不大；重度老化电缆的Δε′和ε′′随电压增大而增大，且与频率关系不大；极度老化电缆Δε′和ε′′随电压增大而增大，且Δε′与频率影响较小，但当电压高到一定程度时，ε′′随频率的减小而增大。

周长亮[33]测量了不同热老化时间的橡胶绝缘电缆试样的频域介电特性，如图5 所示，提出利用频域介电谱在低频区间0.01～1Hz 的tanδ积分值来表征电缆的热老化程度，积分值越大，电缆热老化程度越高。比较老化时间384h 和576h 的试样频域介损特性曲线发现，两种老化时间下试样0.1Hz 频率下的tanδ值相差较小，但0.01～1Hz 的tanδ积分值却差异较大，即低频介电谱分析相较0.1Hz 单一频率下介损结果而言，可以更灵敏地反映电缆老化情况。

图5 110℃不同老化时间电缆试样tanδ 和频率关系[33]Fig.5 Relation between tanδ and frequencies of cable samples with various aging time at 110℃[33]

2 缺陷定位技术面临的关键问题

考虑到实际运行XLPE 配电电缆缺陷不均匀分布现象，需开展XLPE 电缆中集中性缺陷及老化段的定位研究。

2.1 集中性缺陷定位

为实现对电缆集中性缺陷的有效探测，国内外相继研发一系列缺陷定位方法并成功地得到了应用，以时域反射法（Time-Domain Reflectometry, TDR）和频域反射法（Frequency Domain Reflectormetry,FDR）为主。TDR 法的基本思想是从电缆一端发射脉冲信号，该信号在传播过程中遇到电缆阻抗不匹配点时会发生反射，根据入射脉冲信号和反射脉冲信号的时间差与波速的乘积来实现缺陷定位。FDR 法的基本思想是通过测量电缆首端输入阻抗、反射系数等随频率变化的特征曲线，并采用一定的数据分析方法将其变换为可表征电缆状态参数沿电缆线路位置分布的空间域函数，根据函数畸变位置来实现缺陷的检出与定位。FDR 法根据测量参数的不同可进一步分为宽频阻抗谱法（Broadband Impedance Spectrum, BIS）[40-42]和反射系数谱（Reflection Coefficient Spectrum, RCS）法[43-44]；目前定位过程中采用的数据分析方法主要包括P. F.Fantoni、Y. Ohki 和周凯等使用的傅里叶变换方法和周志强、罗杨茜玥等使用的积分变换方法。

研究表明，TDR 法对绝缘故障或可诱发局部放电的绝缘缺陷等检测效果较好[45]。但由于TDR 法注入脉冲高频成分较少及高频信号在电力电缆中衰减较为突出的特点，它对电缆受潮、热老化等检测不够灵敏。Y. Ohki 等将50m PVC 电缆16.0～16.1m的下层绝缘部分剥除，利用其开展试验对比BIS 和TDR 两种方法的缺陷定位效果，如图6 所示。由图6 发现，相较TDR 法而言，BIS 法诊断结果中出现明显的畸变峰（特征峰），其对缺陷的识别灵敏度更高[46]。

图6 BIS 和TDR 缺陷定位能力对比[46]Fig.6 Comparison of the location ability between BIS and TDR[46]

文献[42]将两条1 000m 长的电缆分别接到一条72m 电缆的两端，利用网络分析仪经过2m 的连接电缆与该2 072m 电缆相连开展阻抗不连续点定位研究。局部老化同轴电缆的差分增益/位置谱定位结果如图7 所示[42]，在电缆的连接位置会出现畸变峰，发现扫频范围越宽，缺陷的识别灵敏度越高、定位误差越小。

图7 局部老化同轴电缆的差分增益/位置谱[42]Fig.7 Differential gain/position spectra of locally aged cable[42]

鉴于BIS 在应用时需要施加较宽的测试频带和较多的采样点数才能实现缺陷的准确定位[42,47]，周凯等提出基于反射系数谱的缺陷定位方法，在保证识别灵敏度和识别精度的同时，可以在一定程度上降低对测试频带和采样点数的要求[43-44]。此外，研究结果表明，还可以根据畸变峰的幅值对缺陷严重程度进行定性分析，即频域反射技术对于实现XLPE 电缆中的缺陷严重程度诊断也极具潜力。高向南将首端反射系数谱与遗传算法相结合，建立了电缆局部老化状态评估模型[47]。

尽管如此，在动辄几公里长的XLPE 配电电缆传播过程中基于频域反射法的测量信号高频部分存在的衰减问题不可忽视。M. Tozzi 等利用TDR、网络分析仪以及解析法得到的不同频率信号衰减系数的变化规律[48]，如图8 所示。由图8 发现，信号频率越高，其衰减系数越大；与此同时，XLPE 配电线路中接头的存在也会进一步加剧信号的衰减[49]。上述因素均会限制高频信号在电缆中传播的距离进而影响定位效果。

图8 基于TDR、网络分析仪和数学计算模型得到的衰减系数[48]（1Np=8.686dB）Fig.8 Attenuation coefficients obtained based on TDR,network analyzer and mathematical calculation model[48]

鉴于较宽的测试频带才能实现较好的缺陷定位效果[42]，如何采取有效措施应对高频信号在公里级XLPE 配电电缆传播过程中的衰减问题，以便扩大有效扫频范围、确保缺陷定位效果显得尤为重要。

此外，Y. Ohki 等基于BIS 法对9.0～9.4m 位置进行热处理的32m 电缆开展缺陷定位研究，发现定位结果中在 22m 位置附近也出现类似于缺陷形成的“畸变峰”（作者将其视为“假峰”），如图9 所示，该“假峰”的出现会导致缺陷诊断的误判[41]。

图9 位置9.0～9.4m 处加热的同轴电缆随温度变化的强度/位置谱函数[41]Fig.9 Intensity/position spectra as a function of temperature, obtained for the coaxial cable heated at positions range from 9.0m to 9.4 m[41]

周志强提出运用积分变换处理阻抗数据的方法成功实现电缆中的缺陷定位，沿电缆基于积分变换的诊断函数值如图10 所示，在长度为50m 电缆的20.0m 和35.0m 两处设置的集中性缺陷均可被有效识别[50-51]。罗杨茜玥认为积分变换法相较傅里叶变换方法而言，可以消除“假峰”、不会造成误判，并基于积分变换法建立了电缆接头内部缺陷状态评估模型[52]。

图10 沿电缆基于积分变换的诊断函数值[50]Fig.10 Value of diagnostic function based on an integral transformation along the cable[50]

然而，“假峰”本质上为由于电缆中缺陷形成的阻抗不连续点以及电缆首端及末端阻抗的不匹配造成的测量信号多次折反射，形成的不同等效频率的噪声分量[53]，且相关分量已体现在测量或仿真所得的阻抗频谱中。而积分变换主要基于广义正交性原理，其只能实现频域和空间域的转换，并辨识出阻抗谱中所含有的特征等效频率分量，无法从根本上消除阻抗谱中已含有的噪声分量，即无法有效消除“假峰”。此外，也会存在某些等效频率的“假峰”与电缆中真实缺陷形成的“特征峰”重叠或相互作用的现象，继而影响缺陷的定位效果。因此，实际缺陷定位过程中“假峰”的辨识与有效消除也值得深入研究。

2.2 局部老化段定位

目前基于频域反射技术电缆中，缺陷定位的研究对象主要针对的是集中性缺陷，实际XLPE 配电电缆中还可能存在局部老化段，如何对其进行定位与严重程度诊断是实现不均匀老化电缆的状态诊断瓶颈问题，目前鲜有研究。

同样以图1 中不均匀老化电缆模型为例，将集中性缺陷的长度忽略不计，按照电缆老化状态分布将电缆划分为8 个区域，并假定各局部老化段内部老化状态一致（即划分的每个区域内电缆分布阻抗处处相同）。

考虑FDR 法对集中性缺陷定位灵敏度较高，现探讨其应用于局部老化段定位将面临的问题。如图1 所示，FDR 法只能识别出局部老化电缆段的两端及集中性缺陷处所形成的阻抗不连续点，尚无法直接辨识局部老化段与集中性缺陷及其位置分布，需进一步思考和解决以下问题：

（1）鉴于集中性缺陷和局部老化段二者均会导致FDR 定位诊断函数中出现“畸变峰”，需通过进一步研究实现对集中性缺陷和局部老化段两端位置的辨识。

（2）测量信号在局部老化段中的传播速度与其在未老化段的速度并不相同，这可能影响缺陷及老化段的定位精度，如何考虑老化段对定位误差的影响并采取有效措施提高缺陷定位准确性。

此外，鉴于FDR 法具有表征电缆集中性缺陷严重程度的潜力，可探索基于其实现对电缆局部老化段状态进行准确诊断，以突破现有介电响应检测技术只能表征电缆整体平均状态的局限性。

3 结论

本文总结了现有XLPE 电缆典型缺陷诊断方法与定位技术的发展及其优势，探讨了这些方法和技术应用于实际XLPE 配电电缆状态诊断过程中存在的不足，指出现有方法对于电缆集中性缺陷诊断存在灵敏度不高、频域反射定位技术测量信号中高频分量的衰减问题限制其实现较长电缆中的缺陷定位、现有技术尚未实现电缆中老化段与集中性缺陷的辨识与定位等关键问题。在此基础上，本文建议从以下几个方面开展深入研究。

3.1 提高对电缆中集中性缺陷诊断的灵敏度

现有介电响应分析方法更倾向于表征电缆整体平均老化情况，局部缺陷较短时可能会由于诊断方法灵敏度过低而无法被及时检出，威胁电网安全，因而亟需提高检测方法对于集中性缺陷的诊断灵敏度。

由前文分析得知，频域介电谱法相较0.1Hz 超低频介损检测和极化/去极化电流法而言，诊断电缆中的缺陷更具优势。因此本文主要建议从以下两个方面来提高集中性缺陷诊断灵敏度：

（1）降低频域介电频谱检测频率下限，进一步拓宽频率检测范围。文献[14]已指出，频率降低有利于使电缆老化过程中tanδ发生更为显著的变化；同时，拓宽频率检测范围可更充分地分析tanδ随频率变化过程及规律[33-34]，有利于为集中性缺陷的识别与诊断提供更多信息。

（2）在确保不会对电缆造成损害的前提下，进一步提高介电谱的测试电压，开展高压介电谱研究。对于发生水树老化的电缆而言，提高测试电压有利于促使损耗电流及tanδ的增加[20]，更有利于反映tanδ随测试电压的非线性变化的特性。

在上述两方面研究基础上，进一步挖掘对集中性缺陷诊断更为有效的特征量及特征值，提高对电缆集中性缺陷诊断的灵敏度。

3.2 对长电缆中缺陷实现准确定位

BIS、RCS 等频域反射技术对于电缆缺陷定位展现出极大的优势和潜力，但高频测量信号在较长线路传输过程中的衰减问题不可忽视，由文献[42]可知，这极易导致定位误差增大或无法进行缺陷的定位。针对上述情况，本文建议从提高测量信号功率的角度开展研究，如利用功率放大器对原有测量信号功率进行放大、或研制大功率阻抗分析设备等，基于原始测量信号功率的提升来缓解、应对XLPE配电电缆中高频信号的固有衰减过程，这有利于提高对长电缆缺陷检测的频域反射法的测试频率上限，进而实现对长电缆中缺陷的准确定位。

对于缺陷定位过程中存在的“假峰”问题，本文建议从“假峰”与真实缺陷形成的 “畸变峰”在等效频率及幅值上的关联关系着手，基于特征分析与提取来实现“假峰”的辨识与消除。此外，在进行缺陷定位过程中，还可通过调节测量仪器与电缆首端特征阻抗的匹配效果（即源阻抗与传输线阻抗匹配）来抑制“假峰”的形成。