交联聚乙烯电缆绝缘状态试验技术综述

中国铁道科学研究院研究生部 屈 明

引言

交联聚乙烯（XLPE）电缆因其安装维护简单、电气性能良好等特点，逐步成为现代电力电缆的主流。但值得注意的是，随着时间的推移，电缆寿命的“浴盆曲线”效应开始显现出来，长时间运行的电缆的年平均故障率处于上升态势。虽然目前电缆绝缘耐压试验是考验电缆质量的最直接方法，但电缆的一些局部非贯穿性的缺陷通过耐压试验不一定能发现，新竣工的电缆带电运行一段时间后发生故障的案例并不少见。近年来，电缆各种绝缘状态评估技术开始兴起，并在一些项目中取得了明显效果。因此有必要对电缆结合运行年限、运行环境以及同批次、同型号电缆及附件缺陷故障情况，选取现有的绝缘状态诊断检测方法，对电缆进行系统化试验。

1.电缆绝缘性能耐压试验方法

1.1 工频耐压

工频试验是最为有效的电缆耐压试验手段。作为大电容负载的电缆要求工频试验电源须具备相当大的容量与重量，导致试验装置成本高、不便于运输。因此工频耐压试验主要用于试验室，而并不适用于现场试验。

1.2 直流耐压

试验设备容量小、电压输出高，直流耐压试验并不能模仿运行状态下电缆承受的电压，直流电压下,电场强度是按照电阻率分布,而XLPE电缆层中的材料电阻率分布是不均匀的,这可能在直流试验过程中出现绝缘层有的地方电场强，有的地方电场弱，导致局部绝缘击穿；此外，直流电压试验后交联聚乙烯电缆会有空间电荷累积，在该电缆投入运行时残留的直流电荷会叠加在交流电压上造成电缆运行电压高于其额定电压，加速电缆的绝缘老化。根据GB50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定：额定电压U0/U为18/30kV及以下橡塑绝缘电缆，当不具备条件时，允许直流耐压试验及泄露电流测量代替交流耐压试验。

1.3 超低频耐压

0.1Hz超低频试验装置输出电压波形为0.1Hz正弦波或余弦方波。低频下电缆的容性电流降低，超低频试验装置的容量理论上能降低至工频电源的 1/500。可见超低频试验装置的体积小、重量轻，非常适用于电缆的现场试验，但目前受技术限制仅适用于中压35kV以下电缆，而且试验电压高对于电缆可能会产生损伤。根据GB50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定：额定电压U0/U为18/30kV及以下橡塑绝缘电缆，当不具备条件时，允许有效值为3U0的0.1Hz电压施加15分钟代替交流耐压试验。

1.4 变频串联谐振耐压

变频串联谐振法的试验回路由高压串联谐振主回路和变频调压回路组成。它的工作原理是：用电抗器和被试电缆组成高压串联谐振的主回路，由变频器调节励磁变压器的电压频率从而使主回路达到谐振状态，发生谐振时电路的优点是源的激励功率仅为电缆上电功率容量的1/Q，在被试电缆上可以获得Q倍于励磁电压的试验电压，其中品质因数Q值在30到50之间，大大降低了对试验装置的要求，减小了试验装置的体积和重量，比较适合现场试验。鉴于国内外十几年来采用变频谐振耐压的成功经验，业内已公认交联聚乙烯电缆采用20Hz～300Hz的谐振耐压试验比其他耐压方法更有效和便携。根据GB50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定，新竣工的橡塑电缆应优选采用20Hz～300Hz交流耐压试验。

2.电缆绝缘状态诊断检测方法

2.1 超低频介质损耗检测

介质损耗因素（tanδ）是用来描述介质材料绝缘性能的重要参数之一，tanδ越大的绝缘材料其漏电损耗越大。tanδ与测试电源电压ω、角频率w、电容C、并联等效电路的绝缘电阻R有如下关系：

tanδ =1/(ωRC)

由于R和C基本不随频率变化，因此，当频率变小时，tanδ会变大，因此，在低频下应有较大的介质损耗因素。超低频电压下测试XLPE电缆的介质损耗角正切值是目前国际上普遍采用的诊断交联电缆整体绝缘老化、受潮以及尤其是发生水树枝劣化的检测手段，且测试本身不会对电缆造成伤害的先进技术。IEEE P400.2/D11 规定，可通过“tanδ 平均值(VLF-TD)”、“tanδ 变化率(VLF-DTD)”、“tanδ 随时间稳定性(VLF-TDTS)”三个指标来评价 XLPE 电缆劣化状况。

在0.5U0、U0、1.5U0电压下测量介质损耗因数（TD），并计算介质损耗因数变化率DTD，计算公式为DTD = TD（1.5U0）－TD（0.5U0）。每一个步进电压下应至少完成6次介质损耗因数测量，电源频率为0.1Hz时，两次测量之间应间隔10s。介质损耗因数时间稳定性表征在恒定电压下介质损耗因数随时间的变化情况。在介质损耗因数时间稳定性定义为某一特定电压（U0）下介质损耗因数测量值的标准差。

以VLF-TD、VLF-DTD和VLF-TDTS的绝对值作为评价指标，或者根据与历史数据做比较的结果，IEEE标准将电缆绝缘的状态分为如下3种：

2.2 振荡波局放检测

电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷，IEEE、IEC 等国际电力方面的权威机构一致认为现场准确检测 XLPE电缆的局部放电量，是当前判断该电缆绝缘品质的最佳试验方法。

近几年，国内外的研究现状表明：振荡波电压法与交流电压法具有良好的等效性。振荡波局部放电测量系统逐渐成为了当前XLPE 电缆绝缘状况诊断的热门研究课题。振荡波检出局部缺陷的实时性好，灵敏度高，预警能力强；测量结果与绝缘状态的关联度高，能够实现绝缘性能的定量评价；而且由于加压时间仅为几十毫秒，不会造成电缆绝缘损伤。振荡波试验方法的基本思路是首先对试品电缆进行充电，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达到检测目的，振荡波试验系统具有试验持续时间短，设备轻便易于携带和现场操作，可有效检测 XLPE 电缆中的各种缺陷。对于新敷设电缆测试，可以为未来的测试提供一状况基准，对于老旧电缆测试，可以与先前测试结果作比较，了解绝缘变化速率。DL1576标准规定10到35kV电缆判断标准如下：

新投运及投运1年以内的电缆线路：最高试验电压2U0，接头局部放电超过300pC、本体超过100pC应及时进行更换；终端超过3000pC时，应及时进行更换。

已投运1年以上的电缆线路：最高试验电压1.7U0，接头局部放电超过500pC、本体超过100pC应及时进行更换；终端超过5000pC时，应及时进行更换。

振荡波测试系统（OWTS）另一主要优点是对局放源的定位。振荡波测试系统按下边公式计算局部放电发生位置距检测端的距离：

式中：

Lc—— 被测电缆全长；

v —— 电缆中的波速度；

Δt —— 放电点处产生的局部放电信号分成两个相等的脉冲信号并沿相反方向传播，两个脉冲到达测量端的时间差。

2.3 特高频局放检测

特高频法（UHF）法是目前局部放电检测的一种新方法，是通过检测、分析局部放电过程中所辐射电磁波信号的频谱，可以了解局部放电源的几何形状及放电间隙的绝缘强度；当电缆组件在供电状态下发生局部放电时，放电脉冲产生的高频电磁信号向外辐射，特高频局放设备通过采集电磁信号，经数据分析处理，产生放电量、放电概率和放电可信度三个定量结果，根据三个定量结果进行判定。其主要的优点可进行移动检测，适用于在线检测。

3.结语

常规电缆耐压试验尽管能够检测出电缆的缺陷，但过高的电压也会对完好的电缆造成不必要的伤害，而且长距离电缆串联谐振试验系统的设备体积重量也很大。先进的电缆检测技术应兼顾便捷性、安全性与等效性。笔者建议吸收国外标准先进性内容，制定或更新国内电缆交接与预防性试验标准规程，充分利用现代化的电缆线路状态检测新技术，通过多方法绝缘诊断的实施流程，从而形成一套有效的高压电缆安全检测及预防性试验机制,能够及时发现电缆劣化情况，判断电缆故障类型，定位电缆故障区域，保证迅速维护维修和更换，减小事故损失。

参考：陈斌，霍光，交联电缆耐压试验方法的探讨：电气应用，2010；张宗喜，曾宏，方欣，白欢，李亚伟，电力电缆绝缘整体老化测试技术的研究及应用：中国电业（技术版），2016；徐文，振荡波局部放电检测对耐压试验的补充：中国电力教育，2011。