基于0.1 赫兹超低频介损和局放检测技术的10 千伏电缆状态评价研究

国网四川成都供电公司 李杰 曾建 王灿 陈丽莉 廖江 王云

由于交联聚乙烯（XLPE）电力电缆具有良好的绝缘强度和机械性能，被广泛地应用于城市配网。然而，在实际应用过程中，由于部分配电电缆运行环境较为恶劣，当投运年限较长时，电缆绝缘会出现老化、进水受潮、局部放电等缺陷，影响正常运行。因此，有必要对在运配电电缆的状态检测技术进行深入研究。

相关研究表明，当XLPE 电力电缆的绝缘出现老化后，聚乙烯分子链中的C-H 键将转变为C=O 键，在外部电场的作用下，增加绝缘材料内的极性分子基团，导致电力电缆的介损值tan δ 升高。同时，当电缆绝缘受潮时，水分子的浸入也会导致材料内偶极子数量的升高，进而引起介损值tan δ 升高，由此可见，通过检测电力电缆的介损值tan δ 能够有效地反映电缆绝缘的老化和受潮程度。此外，当电力电缆在制造、运输、敷设以及制作中间接头的过程中，由于受制作工艺、材料杂质等多方面因素作用，电缆在运行过程中可能存在局部放电的情况，长期运行时，会引起绝缘层出现电树脂老化，最终导致绝缘击穿。综上所述，通过检测电力电缆的介损值tan δ和局部放电信息即可大致掌握电力电缆的运行状态。

目前，针对配电电缆局部放电缺陷的检测手段主要包括工频局放检测、振荡波局放检测和超低频局放检测。与前两种检测手段相比，超低频局放检测方式具有设备体积更小，操作便捷，能够在同一外施电压等级下同时完成电缆的介损值tan δ、局部放电信息检测和超低频耐压试验，以及在现场应用中所需检测时间更短等优点，并且超低频检测方式与工频检测方式等效性较高，对局放缺陷的检出效果较好，有望在配电电缆状态检测现场得到大力推广。

当前，针对0.1 赫兹超低频电压下配电电缆状态检测技术的现场应用相对较少，对现场检测的缺陷报道也相对较少。因此，本文主要针对超低频介损和局放检测的原理以及相关的现场应用进行了分析研究，为0.1 赫兹超低频检测技术在配电电缆状态检测现场的应用奠定了基础。

0.1 赫兹超低频配电电缆检测技术

0.1 赫兹超低频检测技术能够在同一外施电压等级下，同步进行电缆的介损值tan δ 和局放信息的检测，能够较为全面地反映电缆的运行状态。

0.1 赫兹超低频介损检测原理

目前，越来越多的研究者致力于利用电力电缆的介损值tan δ 来判断电缆的运行状态，经过多年的研究发展，IEEE 发布了指导利用超低频介损值tan δ 判断电缆运行状态的相关标准。

在0.1 赫兹超低频介损检测过程中，通过对电缆施加0.1赫兹的超低频正弦电压，检测电压与电流之间的相位角之差，以此计算电缆的介损值tan δ。图1 给出了检测的原理。理想状态下，0.1 赫兹超低频介损检测电路相当于一个电阻（R）和电容（C）相并联的结构，通过对该电路施加0.1 赫兹的超低频交流电压，检测得到电流与电压之间的相位差，进而得到电缆的介损值tan δ。利用0.1 赫兹超低频检测的优势如表1 所示。

图1 0.1 赫兹超低频介损测量的等效电路图和相位图

表1 0.1 赫兹超低频介损检测的优势和注意事项

目前，国内还没有明确的关于0.1 赫兹超低频介损检测的评判标准，当前主要采用IEEE Std 400.2TM-2013 国际标准，通过对电力电缆施加0.5U0、1.0U0和1.5U0的电压，检测每个电压等级下的tan δ 随时间稳定性（U0下的标准偏差）、tan δ 变化率（1.5U0与0.5U0下介损平均值之差）和tan δ 平均值（1.0U0下），以上述3 个指标作为评判电缆绝缘老化情况的特征参量。表2 给出了具体的评估区间。

表2 0.1 赫兹超低频介损的评估标准

根据表2 可以看出，通过介损特征参量判定电缆的运行状态有3 种，针对这3 种不同的运行状态应当制定相应的检修策略。具体检测策略参考如下：①正常状态。电缆运行良好，无需采取检修措施。②注意状态。需要定期对电缆的运行状态进行检测。③异常状态。建议对被试电缆采取检修行动（进行更换或者故障排查）。

0.1 赫兹超低频局放检测的原理

当电力电缆中存在局部场强过高点时，在该处会出现局部放电现象，产生局放脉冲波，通过检测脉冲波传播到测试端的时间和由尾端反射后在测试端接收的时间之差，结合脉冲波在电缆中传播的波速，可以对局放缺陷的位置进行准确定位，该方法被称为时域脉冲反射法。如图2 所示。局放点的位置计算见式（1）、式（2）、式（3）。

式中v 为局放脉冲波在电缆中的传播波速。

图2 脉冲反射定位法

现场检测情况分析

0.1 赫兹超低频检测方法对电缆绝缘老化、受潮和局放信息能够实现有效检测。下面对某电力公司在现场的检测案例进行详细分析。

现场检测案例1

2018 年，某电力公司针对在运的某10 千伏配电电缆进行了0.1 赫兹超低频检测，该配电电缆型号为YJV22-8.7/15-3×70，电缆总长为169 米，通过检测该电缆的介损值tan δ 和局放信号，发现该电缆介损值严重偏高，受潮情况严重，在距离测试端41 米处存在一处明显的局部放电信号。

1.介损检测数据。

图3 为该配电电缆现场检测的介损数据。图中L1、L2、L3分别表示电缆的A、B、C 三相，离散的数据点表示不同电压等级下测量的8 次检测结果，从图中可以看出，根据IEEE Std 400.2TM-2013 国际标准，该配电电缆A、B、C 三相的介损值tan δ 均远大于50，并且在同一电压等级下的部分介损值（例如L2相在1.5U0下的介损值），随测量时间的增加呈现出逐渐下降的趋势，表明该电缆除了存在绝缘老化外还存在绝缘受潮。

针对检测得到的介损值，提取相应的特征参量，如表3 所示，可以看到，根据IEEE Std 400.2TM-2013 国际标准，该电缆介损随时间稳定性、介损变化率、介损平均值均处于异常状态，表明该配电电缆处于高度风险，需要立即采取相应的检修行动。

图3 超低频介损测量值

表3 介损特征参量

2.局部放电检测和定位。

图4（a）和（b）分别为该电缆A 相现场检测的局放波形图和局放定位图。图4 中的第一波形为局放缺陷处产生的向测试端传播的脉冲波，第二个波形为向电缆对端传播并发生反射后到达测试端的脉冲波，第三个波形为第一波形在电缆对端再次反射后的脉冲波。由该图可以看出，在电缆A 相距离测试端41 米处存在一个明显的局部放电信号，并且放电量达到了2219pC。

图4 现场局部放电检测情况

3.解剖情况。

根据IEEE Std 400.2TM-2013 国际标准，该配电电缆处于高度风险状态，并且存在局放缺陷。随后更换掉并解剖该电缆。经解剖发现，在该电缆距离测试端41 米处的中间接头位置，绝缘层表面存在刀痕，并且存在放电现象，见图5（a），由此可以判断，该配电电缆在中间接头的制作过程中，切剥半导电层时，下刀过深，导致绝缘层表面存在刀痕，在运行过程中出现气隙放电现象，存在局部放电缺陷。此外，在解剖过程中还发现，该中间接头的外护套内存在大量积水，见图5（b），导致电缆绝缘受潮严重，介损值处于异常状态。

图5 中间接头解剖情况

现场检测案例2

1.超低频和振荡波局放检测数据。

2019 年，某电力公司采用“三合一”超低频检测设备对在运某10 千伏配电电缆进行局放、介损及耐压检测试验，电缆总长约为646 米。超低频局放检测结果显示，该电缆A 相距离测试端170 米处存在一处局放信号，最大放电量为2500pC，见图6。随后利用OHV 振荡波局放检测设备再次进行复测，检测结果显示A 距离测试端170 米的同样位置存在局放信号，最大放电量为1600pC，见图7，在一定程度上证明了超低频局放检测和振荡波局放检测结果的一致性。

图6 “三合一”超低频局放定位图谱

图7 OHV 振荡波局放定位图谱

2.解剖情况。

通过查阅台账发现，该局放点为电缆中间接头，经采取检修措施后对该中间接头进行解剖分析。解剖结果显示，该中间接头铜连管大小与电缆线芯不匹配，见图8（a），外半导电层剥切不均匀，见图8（b）。

图8 中间接头解剖情况

结论

本文详述了0.1 赫兹超低频介损和局放检测方法的原理，并对该设备在现场的运用案例进行了介绍。主要结论如下。（1）0.1赫兹超低频检测手段能够通过检测配电电缆的介损值，反映电缆的绝缘老化和受潮情况，同时也能够对局部放电缺陷进行有效地检测和定位，是保障配电电缆稳定运行的重要检测手段。（2）配电电缆的介质损耗tan δ 能够有效反映电缆的受潮情况，能够有效反映电缆中间接头或外护套破损等原因导致的进水问题，是反映配电电缆运行状态的重要指标。（3）配电电缆中间接头的制作工艺直接影响电缆的安全稳定运行，下刀过深、外半导电层切剥不均匀等问题会导致放电，出现局部放电缺陷。（4）0.1 赫兹超低频局放检测结果与振荡波局放检测结果存在一致性，两类检测方式均能够有效检测出10 千伏配电电缆的局放缺陷。