高压电缆缺陷模拟及状态评估技术评述

江 航，杨 勇，周伟杰，曹俊平，蒋瑜宽

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州电力承装有限公司，杭州 310004）

高压电缆缺陷模拟及状态评估技术评述

江 航1，杨 勇1，周伟杰2，曹俊平1，蒋瑜宽1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州电力承装有限公司，杭州 310004）

随着电力电缆在电网中应用的占比增大，电缆故障越来越频繁，而国内在电缆缺陷故障的监测与预防方面还存在不少的空缺，现有技术各有优劣。通过列举电缆的典型缺陷故障，介绍电缆缺陷常用的仿真模型和制作方法；并分别从离线诊断技术、在线监测技术和电缆状态评估体系3个方面分析电缆状态评估的现状，通过比较各技术的优缺点，为电缆状态量测量和总体状态评估的进一步研究提供依据。提出了电缆状态仿真技术的发展趋势：侧重于研究不同工况下的典型缺陷电缆模型的温度、接地电流、局部放电等状态量的变化规律；根据变化规律提出电缆状态综合诊断及评估方法；合理配置检测设备参数并优化硬件设施，弥补现有设备的不足之处；联合多种在线检测技术对电缆进行综合诊断，实现电缆运行状态的准确评估。

电力电缆；缺陷模拟；状态评估；仿真；典型故障

0 引言

电力电缆具有占地少、电气性能优越、隐蔽耐用等优点，可减少电网对交通运输及城市建设的影响，因此在城市电网中得到广泛应用。但随电力电缆运行年限的增加，其故障率逐年提升。由于电缆的封闭式结构、铺设方式以及测试设备的局限性，故障的定位和排除困难重重，若排查不及时，使得故障扩大化，将影响电力系统安全稳定运行。电缆中存在缺陷时会发生发热、局部放电、接地电流增大等现象，通过状态检测试验手段可以及时有效地发现内部存在的故障缺陷。对电力电缆进行状态仿真试验，通过设置不同的缺陷模型可以掌握电力电缆温度、接地电流、局部放电等状态量的变化规律，由此来提出电力电缆的综合诊断及评估方法。因此进行电缆故障状态仿真研究对于提升电缆运行可靠性意义重大。

国内在电缆故障状态仿真方面的研究相对滞后，最早关于XLPE电缆的试验方法是以油绝缘电缆试验为基础，其检测结果不够准确且操作困难[1]。为了克服电缆运行时受到过电压的冲击，开始采用直流电压试验法[2]。但该方法存在空间电荷积累难以泄露、水树枝向电树枝转化等缺点，因此在应用中逐步被交流电压试验所替代，近年来，国内外研究又提出了超低频电压试验和串、并联谐振以及振荡波谐振试验等方法[3]，旨在减小交流电压试验设备的容量，便于携带和操作。电缆附件作为电缆最薄弱的环节，其故障占电缆故障近70%，为了有效检验这些关键部位的绝缘性能，引入了局部放电方法，该方法可分为超声波检测法和超高频检测法，后者避开了工频以及较低频的干扰，能有效判断电缆运行情况[4-5]。这些检测方法能够对电缆老化程度进行分析，但各有优劣，目前还没有找到一种能全面准确评估电缆状态的方法。对于电缆的状态评估仍是简单地通过对电缆少数几种电器、理化性能分析来判断，并没有对电缆的多种特征量进行综合分析来判断电缆的老化状态。随着电力电缆状态检测方法、不同故障类型下的特征量提取等方面的不断深入研究，建立一种有效、可靠的电力电缆状态评估方法是今后的研究热点与重点。

以下分别从典型缺陷模拟和状态评估2个方面介绍电缆状态仿真的现状，通过比较各类检测方法优缺点，给予电缆试验和评估工作一定的指导意义。

1 电缆典型缺陷模拟

绝缘降低是导致电缆故障的根本原因，按绝缘降低原因可将电缆缺陷分为外力损伤、水树枝老化、热效应损伤、化学腐蚀、电缆本体老化等。按缺陷位置的不同可分为本体缺陷和附件缺陷，而电缆附件作为电缆最薄弱的环节，其缺陷是电缆故障中最常见的。常见的附件缺陷有中间接头主绝缘划伤、主绝缘杂质、尖端缺陷、气隙缺陷等，以下针对以上电缆典型缺陷进行模拟。

1.1 中间接头主绝缘划伤

正常运行的电缆电场可忽略复杂的边缘效应，近似看成圆柱形电场[6]，电场与半径的关系如图1所示。

图1 电场与半径的关系

在制作电缆中间接头时，由于操作人员施工不当会造成主绝缘划伤，将导致该处电场发生改变，如图2所示，其中虚线为正常运行时的电缆电场。电场畸变使得电荷在缺陷处聚集，长期作用下会产生放电现象，导致接头故障。

图2 半导电层场强与半径关系曲线

缺陷模拟可分别采用有限元分析模拟和实验室模拟2种方法。有限元分析即采用仿真模拟建立缺陷的三维电场仿真，在半导电层处设置空气间隙来模拟主绝缘划伤，仿真结果显示空气隙附近区域的电场普遍增大，超过了规定的要求[7]。实验室模拟即实物模拟，即在制作中间接头时，人为制造主绝缘划伤，设定缺陷尺寸，通过局部放电在线监测等方法观察缺陷造成的影响。

1.2 主绝缘杂质

现场中间接头的安装对工艺要求极高，若处理不当，将导致主绝缘上砂石杂质的残留。沙石附件会产生悬浮电位，使得周围的局部电场增大，此时半导电层场强与半径的关系类似于主绝缘划伤缺陷。模拟方法采用有限元分析法，在主绝缘表面增加一定面积的杂质颗粒，如图3所示[8]。仿真结果表明，杂质残留处场强集中，易导致周边介质碳化，引发局部放电。实验室模拟制作电缆接头时，在主绝缘上涂一定面积的导电杂质，通过局部放电在线监测等方法观察缺陷造成的影响。

图3 主绝缘杂质时电场分布

1.3 主绝缘尖端缺陷

现场压接时虽然会对毛刺进行打磨，但残留毛刺的情况仍较多。毛刺主要是通过尖端放电的形式导致绝缘损伤。利用有限元分析法搭建主绝缘尖端缺陷的有限元模型，如图4所示[9]。对该模型进行网格划分，通过分析加载后的电场分布情况，发现电缆缺陷处存在电场畸变，尤其是尖端处最为集中，引起绝缘老化最严重。从另一个角度可以说明电场的集中程度与尖端的曲率有关，曲率越小电场畸变越集中。实验室模拟一般采用在电缆中放入细针的方法来表示尖端放电。

图4 电缆终端尖端缺陷的有限元模型

1.4 气隙缺陷

当电缆制作不规范，例如应力锥安装错位或外半导电层断口处台阶处理不当时，将形成气隙缺陷，使得电场在电缆外半导电层与铜屏蔽层之间出现最大畸变，长期的局部集中作用将导致电缆绝缘的老化，影响电网的安全稳定。实验室模拟电缆气隙缺陷一般采用尖状物体插入绝缘层制造气隙。有限元分析法模拟需要兼顾空气的影响，建模时同时考虑空气模型[10]，依据实验室模拟法搭建有限元模型如图5所示。仿真结果表明，电场畸变集中于气隙处，尤其是在铜屏蔽层与外半导电层接触处、连接管气隙处的场强均大于空气耐受场强值，而且畸变的电场会随着电压的增大而增加。因此以上2处发生局部放电、绝缘击穿的概率高于周围部分。

综上所述，电缆附件缺陷是电缆缺陷中占比最大的部分，一旦发生将对电缆绝缘造成无法逆转的破坏，影响电网的运行安全。因此要求电缆附件在制作和铺设时一定要规范，同时对电力电缆这些关键部位故障的监测和预防技术也应作为电缆评估领域的研究重点。

2 电缆状态评估

进行电缆状态评估时，为了还原电缆运行时的真实状态，需要获取能表征电缆特性的状态量。如何准确有效地获取电缆状态量成为急需解决的问题。根据现阶段的研究成果，电缆状态评估技术可分为离线诊断技术和在线监测技术，其中典型离线诊断技术有直流耐压试验、交流耐压试验、等温松弛电流法等，常用的在线监测技术包括直流叠加法、直流分量法、介质损耗因数法、局部放电法、低频叠加法、接地线电流法、电缆温度监测等。

2.1 离线诊断技术

2.1.1 直流耐压试验

直流耐压试验是电缆状态评估中最基本的试验方法，其所需的试验容量小，设备体积小，方便携带，多用于油纸绝缘电缆的试验。但对于高压XLPE电缆而言，该方法尚存在诸多缺点：XLPE电缆会存储直流电压作用下的单极性残余电荷，再次投运后可能造成绝缘击穿[11]；该方法会在缺陷处形成空间电荷聚集现象，造成电场畸变，增加缺陷查找难度；当外部发生尘闪络或电缆附件击穿时，空间电荷聚集处的电压会突变为异极性，电场骤增，造成绝缘破坏；在直流电压作用下，水树枝极易转化为电树枝，加速绝缘劣化；不能有效检验出电缆附件的机械损伤、应力锥错位等缺陷。出于以上原因，直流耐压试验逐步被替代。

2.1.2 交流耐压试验

交流耐压试验是指采用交流高压进行试验，规定相应的电压等级和耐压时间，考察式样电缆的状态。常用的交流耐压试验有：工频电压试验、超低频电压试验、高频振荡波试验、串联谐振试验以及变频谐振试验。

（1）工频电压试验可通过局部放电测试准确地发现电缆缺陷，然而在实际运用中，由于XLPE电缆电容量很大，要求试验设备的功率要很大，从而会增大试验电源的质量和体积，当电缆较长时，无法完成局部放电测试。因此该方法不适用于长电缆。

（2）超低频电压试验采用频率为0.1 Hz的交流电压进行试验，试验设备容量小、便于携带，其原理如图6所示。该方法兼具直流耐压和工频电压试验的优点，能够较好地发现气隙缺陷。但由于试验频率低，容易漏查电缆绝缘受潮、水树枝等绝缘损耗的情况。

（3）高频振荡波试验原理如图7所示。先用直流电源对电容器C1进行充电，达到预设值后，LC回路经球隙放电产生一系列衰减的电压周期[12]。该方法具有试验时间短、便于携带和操作、试验不会对设备造成损害等特点。但有国外最新研究表明，该方法对针板型故障诊断效果不佳，试验方法仍待改进。

（4）谐振耐压试验包括工频串联谐振试验和变频谐振试验。工频串联谐振法原理如图8所示，该方法既可有效地找到绝缘缺陷，又可防止短路电流烧伤试品的故障发生，当电压闪络时应立即脱谐，保证人身安全。其缺点是噪声大、机械结构复杂、设备笨重和搬运困难。变频谐振试验原理如图9所示，该方法具有效性好、效率高、设备轻便的优点，因而宜在现场试验中使用。国外研究比较了谐振耐压试验与工频耐压试验对于不同电缆缺陷的击穿电压，发现这2种方法的击穿电压相差不大，等效性较好。

图8 工频串联谐振法原理

图9 变频谐振试验原理

2.1.3 等温松弛电流法

等温松弛电流法是一种非破坏性检测方法，通过仪器测得等温松弛电流，计算得到高压电缆的老化因子，借此评估电缆的绝缘损害程度。另外，该方法不用考虑电缆的运行时间和历史状态就能直接求得其剩余寿命[13]。但由于受材料和工艺的限制，国内得到的老化因子比国外计算结果普遍偏高[14-15]。因此对与电缆老化因子相关的条件仍需进一步研究，如制作工艺、铺设条件等。

2.2 在线监测技术

2.2.1 直流叠加法

直流叠加法是在交流电缆绝缘上叠加一个直流电压（常用50 V），通过测量绝缘部分的直流漏电流或绝缘电阻来判定绝缘是否损坏，其原理如图10所示。该方法存在如下缺点：绝缘电阻对电缆寿命的影响较小，当护层绝缘电阻太低时，所得的绝缘状况准确性较低；直流电流长时间通过电压互感器，将引起互感器磁路饱和产生零序电压，导致继电器误动作；当地中干扰电流变化过大时，测量误差较大。对于干扰电流问题，现采取的措施是利用电容阻断干扰电流或采用补偿电动势法来消除干扰电流。

图10 直流叠加法原理

2.2.2 直流分量法

研究发现若电缆绝缘层中产生了水树枝，可通过测量流过绝缘层中的直流分量来判断电缆的老化程度[16]，其原理如图11所示。该方法不需要外加电源，装置轻便，测量安全。但直流分量法易受外界因素干扰，测量误差较大。因此需要将测量所得的干扰因素与直流分量电流分离，目前采用电容阻隔干扰通路法消除干扰电流，但当电缆护套绝缘电阻较小且屏蔽接地化学电动势较大时，该方法测量误差大。

2.2.3 介质损耗因素法

通过测量电缆的电压和电流信号，比较得到电缆绝缘的介质损耗因数，从而判断绝缘损耗程度，其原理如图12所示。对多路线缆进行试验时，可通过测量每路电流和母线电压信号，实现对所有线路的在线监测。该方法主要用于发现电缆的整体缺陷，个别集中缺陷不会引起介质损耗因数的明显变化，不易被发现；当屏蔽层对地电阻太小时，电缆的介质损耗因数难以测准，试验精度有待提高。

图11 直流分量法原理

图12 介质损耗因素法原理

2.2.4 局部放电法

局部放电法是目前公认的检验XLPE电缆绝缘状态最好的方法。电缆在局部放电时，除了产生电能损耗外，同时还伴随脉冲电流、电磁波等物理量的变化，由此产生了脉冲电流法、超声检测法、特高频检测法、光测法、红外检测法等局放检测方法。经过国内外研究对比发现，超声与特高频检测法具有以下不足：两者都为非电接触式，无法得到局放脉冲的电压相位；超声测量的探头直接置于电缆外壳处，容易受外界环境振动的影响；特高频检测用天线对局放信号的收集，电磁脉冲在空气中存在衰减问题，且天线开口方向对检测结果影响很大[17]。而脉冲电流法具有更高的灵敏度，能准确测量局放信号，传输稳定，不易受干扰的影响，因此在电网中的应用越来越普遍。

目前电缆的局放检测尚缺乏对局放脉冲信号波形、频率的判别技术，无法有效排除外界强电磁场的干扰。因此，局部放电法还有待更进一步的研究。

2.2.5 低频叠加法

低频叠加法是在电缆绝缘层叠加低频电压，由于电缆可近似为RC电路，流过电缆的容性电流明显减小，而阻性电流无变化，因此可通过测量电缆接地线上的低频电流计算绝缘电阻值，以此判断电缆绝缘状态。该方法准确性高，可检测存在水树枝情况下的绝缘劣化问题，适用于220 kV以上的电缆状态评估。但是当电缆端部装设应力环时，不能单凭交流损失电流来判定绝缘状态。

2.2.6 接地线电流法

由于单芯电缆会在保护套上产生较高的感应电压，因此需要对这类电缆采取接地措施，并对接地电流进行实时观测，以保证运行安全。接地电流法通过测量接地电流来判断电缆保护套的绝缘状态，是电缆在线监测中的重要参数之一。

2.2.7 电缆温度监测

电缆在运行过程中会因流通大电流而发热，温度过高会引起绝缘损耗，引发安全事故，因此电缆温度在线监测技术也是电缆状态评估的关键技术之一。目前应用最为广泛的是分布式光纤测温，该方法能够快速、准确地获得温度和空间定位信息，但是光纤易受铺设环境温度和湿度影响，对局部温升测量不够准确。为了减少环境温度的影响，近几年的研究集中于内置温度传感器测温技术。内置温度传感器分单总线数字型和无线测温传感器[18]，前者适用于1 km左右的电缆沟道、电缆中间接头或终端头等部位的检测，后者可通过特定频段传播数据，减少了布设线路的工作量，但由于无线电传播特性和传感器锂电池供电的影响，不能布置于电缆沟道中。

2.3 电缆状态评估体系

近年来，国内外的研究逐步转向电缆状态评估体系的建立，将各种试验方法测得的电缆状态量经过体系的评估，综合判断电缆的健康状况和残余寿命。文献[19]采用层次分析法得到电缆各指标权重，通过建立模糊灰色综合评判模型，构建XLPE电缆综合状态评价体系。通过实际案例验证了该体系的合理性。文献[20]提出了一种基于改进雷达图理论的交联聚乙烯电力电缆运行状态综合评估模型，在层次分析的基础上，应用雷达图分析各指标，通过对扇形区域的指标进行排序和角度分析，进一步确定各评价指标的灵敏度。电缆的运行状态本就由多种因素共同决定，在寻求更加有效的试验方法的同时，建立一个准确的状态评估体系有利于电缆状态的综合评价，使评价结果更接近实际运行情况。

3 结语

电缆绝缘状态以及故障的判断与电网安全稳定运行密切相关。基于现有电缆状态评估方法的优缺点，其发展趋势为：

（1）在不同负荷工况下，研究典型缺陷电缆模型的温度、接地电流、局部放电等状态量变化规律。

（2）根据电力电缆状态量变化规律，提出电缆状态综合诊断及评估方法。

（3）在现有评估方法的基础上，合理配置检测设备的参数和提高硬件设施，是改进检测灵敏度和准确性的重要方法。

（4）联合多种在线检测技术对电缆进行综合诊断，实现电缆运行状态的准确评估。

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2017-07-11

江 航（1991），女，工程师，从事输变电设备状态检测工作。

（本文编辑：徐 晗）

Review of Defect Simulation and State Evaluation Technology of High-voltage Power Cables

JIANG Hang1， YANG Yong1， ZHOU Weijie2， CAO Junping1， JIANG Yukuan1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.Hangzhou Electric Power Assembly Co.，Ltd.，Hangzhou 310004，China）

With the increase of electric power cables in power system，the fault of cable becomes more and more frequent.However，there are still a lot of vacancies in cable fault detection and prevention in China,and each of the existing technologies has its advantages and disadvantages.By listing typical cable defects and faults， the paper introduces common simulation models of cable defects and establishment methods； besides，status quo of cable state evaluation is analyzed in terms of offline diagnosis technology，online diagnosis technology and cable state evaluation system；by comparison of advantages and disadvantages of each technology,basis for further research on quantity measurement of state and overall state evaluation is provided.In this paper， the developing trend of the cable state simulation technology is as follows∶the research is committed to variation laws of temperature， grounding current， partial discharge and other state quantities of the typical defect cable model under different working conditions； according to the law of variation， a method of comprehensive diagnosis and evaluation of cable state is raised；reasonable allocation of equipment parameters and optimization of hardware facilities are implemented to make up for the shortcomings of existing equipment.In combination with on-line detection technologies，the cables are comprehensively diagnosed to accurately evaluate cable operation status.

power cable； defect simulation； state evaluation； simulation； typical fault

10.19585/j.zjdl.201710007

1007-1881（2017）10-0031-06

TM206

B

国网浙江省电力公司科技项目（5211DS15002B）