高压电缆状态仿真及缺陷诊断平台的构建

李 特，崔竹叶，曹俊平，王少华，吴旭翔

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.国网浙江浙电节能服务有限公司，杭州 310014）

高压电缆状态仿真及缺陷诊断平台的构建

李 特1，崔竹叶2，曹俊平1，王少华1，吴旭翔3

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.国网浙江浙电节能服务有限公司，杭州 310014）

针对电网运维中高压电缆状态检测及缺陷诊断的难题，设计开发了一套高压电缆状态仿真及缺陷诊断平台。该平台集成了电缆工况模拟设备、电缆缺陷模拟设备及监测设备，可开展电缆中间接头半导电层缺陷、中间接头主绝缘缺陷、本体及中间接头导体尖端缺陷、电缆终端缺陷的模拟，利用集成的高频/超高频局部放电、接地环流等在线监测设备及温度监测设备，完成了对不同典型缺陷电缆在不同工况下的状态量规律分析以及不同检测手段有效性的对比分析。

高压电缆；状态仿真；缺陷诊断；平台

0 引言

目前XLPE（交联聚乙烯）电缆使用率日益提高，但电缆本体及附件故障屡见不鲜[1-3]，如何采取有效手段准确、及时掌握电缆运行状态，避免因电缆本体及附件故障击穿导致停电，是保障电力安全输送的重要课题[4]。

大量资料表明，电缆的绝大多数故障为绝缘性故障[5]。不仅强电场作用和材料缺陷会引起的绝缘劣化，电缆运行过程中各种外界因素（机械、热力）和电场的相互作用也会引发绝缘性故障[6，7]。局部放电（以下简称局放）、温度等因素是造成绝缘劣化的主要原因，也是绝缘劣化的重要表征[8]，但目前尚未深入掌握电缆缺陷的特征量规律。受抢修、运行条件等限制，难以收集现场运行电缆的缺陷并进行试验分析其特征量，通过构建电缆状态仿真及缺陷诊断平台可解决上述问题。利用平台模拟电缆实际运行工况，设置典型电缆缺陷，针对各种典型电缆缺陷对其发展过程中的放电图谱、温度特征进行研究，可建立电缆绝缘劣化物理过程与局放、温度等表征量之间的关系，诊断缺陷在电场作用下对绝缘的破坏程度，有利于评估电缆绝缘状态，提升电缆运行安全水平。

1 电缆状态仿真平台研究现状

多家研究机构开展了电缆状态仿真平台研究。文献[9，10]利用电缆终端、本体、中间接头以及外接试验电源构建了110 kV电缆仿真平台，可对终端应力锥安装错位、本体绝缘损伤、本体铝护套损伤、中间接头混入杂质、接头受潮等情况进行模拟，对上述缺陷进行局放测试、红外温升测试。其中，局放测试采用脉冲电流法进行；温度测量主要采用红外方法，因难以获取电缆内部温度精确分布，而电缆内部温度又与其缺陷发展程度密切相关，因此，导致该平台难以开展电缆内部温度对缺陷发展影响的研究。

文献[11]分别在电缆实体上设计并制作了中间接头尖刺、主绝缘划伤和终端头应力锥错位3种放电模型，并连接外接电源构成仿真平台，可以进行相应缺陷的局放测试，但测试仅在电压工况下进行，无法模拟不同负荷电流下的局放发展特征。

文献[12]利用电缆终端、本体、中间接头以及外接试验电源构建仿真平台，利用电缆本体构建主绝缘凹痕、主绝缘刀伤、主绝缘金属尖端、主绝缘表面杂质、高压端金属尖端、半导电断口剥离不整齐6种典型缺陷，并对上述缺陷进行局放测试。其间，主要采用脉冲电流法对电缆缺陷的局放特征进行研究，并未深入开展脉冲电流法与特高频及接地电缆超高频等方法的比对，由于实际运行电缆几乎无法采用脉冲电流法进行局放测试，因此该研究结果难以直接应用到现场电缆的状态诊断中。

总结现有电缆仿真平台的结构、功能特点可以发现，这些电缆平台仅能模拟电压工况，却无法模拟实际电缆所承受负荷电流工况，因此无法研究不同负荷热效应对电缆缺陷发展的影响。另外，上述仿真平台无法采用超声、分布式测温等测试技术，而这些方法目前在现场已有应用，对其有效性、测量精度、测量准确度进行验证、比较很有必要。

2 电缆状态仿真平台结构和功能

2.1 整体结构与功能

针对现有电缆仿真平台的不足，设计开发了一套集成了电压工况模拟设备、电流工况模拟设备、典型电缆部件缺陷模拟设备及电缆监测设备的电缆状态仿真平台（整体结构见图1）。该平台包括升压单元、升流单元、电缆模型单元、控制和测量单元，其中升压单元包含用于回路控制的GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）。

该仿真平台可实现高压电缆中间接头、终端和本体典型缺陷模拟仿真试验；不同缺陷模型下带电检测和在线检测技术差异性和有效性对比分析；不同运行工况下局放、温度及接地环流等状态量变化规律研究。

2.2 升压单元

升压单元采用SF6铠装式无局放试验变压器，最高输出电压280 kV，容量560 kVA，变压器高压绕组采用空心铜管绕制，利用外接油箱进行油循环，可控制8 h长时运行整体发热不大于65 K。升压单元采用电子式快速保护装置，全程响应时间小于100 μs，以保护变压器和电缆免受击穿过电压损害。加压至280 kV时升压单元局放量小于5 pC，满足220 kV电缆局放试验升压要求。

图1 电缆状态仿真平台整体结构

回路拓扑结构的控制采用“一进四出”GIS结构方式， 通过图1中K1，K2，K3，K4这4个三工位接地隔离开关实现电源与各电缆支路的连接。

2.3 电缆模型单元

电缆本体型号为YJLW0364/1101×800，电缆模型单元设置共3个试验支路。

支路1为完好回路，由GIS终端、预制式中间接头和户外终端构成，中间接头安放在电缆槽盒内，可模拟不同运行环境下完好接头的状态。

支路2为中间接头缺陷试验支路，由GIS终端、背靠背GIS终端、插拔式试验中间接头和户外终端构成。目前电缆中间接头仿真模型多采用固定式，一旦设置缺陷后无法调整，而插拔式电缆中间接头缺陷模型可由机械底座打开，根据试验状况调整缺陷严重程度、变更其他缺陷种类，从而重复模拟各类典型缺陷。插拔式试验中间接头两端与背靠背GIS终端相连，可方便进行小段中间接头替换，实现含缺陷中间接头的整体更换，如图2所示。

图2 电缆中间接头模型

支路3为终端缺陷试验支路，由GIS终端、电缆和含缺陷户外终端构成。终端顶部安装均压环，避免因发生电晕放电而影响局放的检测。

式中（Cs-P)—可承载人口数量与实际人口数量之差；Ps—临界偏离值，其评判意义为：Ps=0时，承载力处在临界状态；Ps>0时的值代表了承载力富余的度；Ps<0时的值代表了承载力超载的度。

2.4 升流单元

升流单元包括调压控制柜、调压器、穿心变压器（以下简称穿心变）、电流互感器、热电偶和监控平台，通过调压器输出可变电压，改变穿心变一次侧电压，实现回路电流控制。

图1中，电缆支路1和支路2通过各自终端T1，T2以及GIS中K1，K2的连接构成回路，通过穿心变实现回路电流控制。电缆回路电流最高可施加至2 500 A。

2.5 控制和测量单元

控制和测量单元集成了局放、温度、接地环流测量设备。

（1）电缆支路1和支路2中间接头各布置1套局放监测系统，同时采用内置式超高频、本体极性鉴别高频和接地电缆高频局放3种手段，其构成见图3。

图3 局放监测系统

（2）温度监测采用中间接头内置式测温和分布式光纤测温，测温范围为0～100℃，可满足不同工况下电缆温度测试需要。由于电缆支路1至支路3需要施加电压，无法放置内置式温度传感器，因此设置了只通电流、不承受电压的模拟支路，在其内部设置内置式温度传感器，通过控制系统、穿心变给模拟支路同步施加与电缆支路相同的电流，用模拟支路的内部温度来表征电缆支路的内部温度。

（3）接地环流监测系统包括电流互感器、电压互感器、采集单元和监测主机，户外终端侧安装智能接地箱，GIS终端侧安装保护接地箱，环流监测精度0.01 A，测量范围0～100 A。

3 电缆典型缺陷构建

3.1 电缆典型缺陷类型

对近年国内北京、天津等各大城市发生的XLPE电缆故障进行分析发现，XLPE电缆在生产、运输、安装和运行过程中，可能因各种原因而引发故障。较为常见的电缆缺陷类型有：

（2）电缆中间接头主绝缘缺陷，如外屏蔽层与主绝缘之间存在悬浮颗粒、气隙。

（3）电缆本体及中间接头导体尖端缺陷，即线芯表面不光滑，存在凸起。

（4）电缆终端缺陷，如终端水分渗入。

利用仿真平台的支路2，对上述缺陷（1）—（3）进行模拟；利用支路3，对缺陷（4）进行模拟。

3.2 电缆附件半导电层缺陷

安装电缆附件时需要去掉一段电缆本体外屏蔽层，如果对外屏蔽层断口处理不当，可能引起半导电层突起、半导电层断口处存在气隙，进而产生局放。

附件半导电层突起的模拟方法如下：在半导电层端口处打磨平滑，留有尖端，尖端呈等腰三角形， 如图 4（a）所示。

附件气隙的模拟方法如下：制作接头时，去掉外屏蔽层后，用刀沿其断口处划出缺陷，气隙呈等腰三角形，如图4（b）所示。

图4 半导电层缺陷示意

3.3 电缆附件主绝缘缺陷

安装电缆附件时需要去掉一段电缆本体外屏蔽层从而露出主绝缘，如施工时外屏蔽层有残留，或有导电杂质附着在主绝缘表面，会产生悬浮电位进而引发主绝缘悬浮放电。为模拟主绝缘悬浮放电，安装接头时，在本体主绝缘上涂抹金属导电粉末，如图 5（a）所示。

为避免附件施工时主绝缘上残留外屏蔽层，需用砂纸沿着主绝缘切向打磨，应注意把握打磨深度，防止划伤主绝缘形并成长条形气隙，否则会引发局放。为模拟主绝缘划伤缺陷，安装接头时，在本体主绝缘上用刀划出缺陷，如图5（b）所示。

图5 主绝缘缺陷示意

3.4 电缆导体尖端缺陷

XLPE电缆生产过程中，如导体线芯绞制工艺控制不好，导体表面会存在较大的毛刺，中间接头安装过程中，电缆导体线芯间压接用导体连接器表面未处理光滑的话，也会存在金属毛刺、尖端或棱角。导体带高压电时，这些裸露的高电位尖端由于电场集中就会产生尖端放电。为模拟尖端放电，利用支路2的缺陷模拟中间接头，安装接头时在导体上捆绑金属导线，伸出尖端，如图6所示。

图6 电缆本体导体尖端示意

3.5 电缆终端缺陷

如电缆终端密封不良，水分渗入内部会引起本体绝缘或复合绝缘水树老化，进而产生电树，引起树枝放电。为模拟电缆终端渗水缺陷，安装终端时向其中注入少量水分。

4 结语

构建了高压电缆状态仿真及缺陷诊断平台，该平台集成了升压单元、升流单元、电缆模型单元、控制和测量单元，可对电缆运行工况进行模拟。电缆模型单元可模拟电缆中间接头半导电层缺陷、中间接头主绝缘缺陷、本体及中间接头导体尖端缺陷、电缆终端缺陷，利用系统集成的局部放电、温度、环流在线监测系统及其他带电检测手段，可对不同缺陷在不同运行工况下的状态量特征进行模拟仿真，对不同缺陷下带电检测和在线检测技术的差异性和有效性进行对比分析。

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Construction of a Condition Simulation and Defect Diagnosis Platform of High Voltage Cable

LI Te1， CUI Zhuye2， CAO Junping1， WANG Shaohua1， WU Xuxiang3

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.E.Eenergy Technology Co.,Ltd.，Hangzhou 310014， China；3.State Grid Zhejiang Energy Saving Company， Hangzhou 310014， China）

For the difficulties in HV cable condition detection and defect diagnosis in power grid operation and maintenance，a condition simulation and defect diagnosis platform of HV cable is designed.The platform integrates cable operation condition simulation equipment，cable defect simulation equipment and monitoring equipment and can simulate intermediate joint semiconducting layer defects，intermediate joint main insulation defects，cable body and intermediate joint conductor terminal defects.Utilizing the integrated online high-frequency and ultra-high frequency partial discharge and ground circulation monitoring device as well as the temperature monitoring device，the paper conducts rule analysis on quantity of state and effectiveness comparison analysis of different detection methods for cables with different defects in various operating conditions.

HV cable； condition simulation； defect diagnosis； platform

10.19585/j.zjdl.201709008

1007-1881（2017）09-0039-05

TM247

B

国网浙江省电力公司科技项目（5211DS15002B）

2017-07-04

李 特（1987），男，工程师，从事高压试验、输电线路研究工作。

（本文编辑：方明霞）