基于宽频阻抗谱的电缆诊断新技术研究及应用

张 力，叶保璇，王康坚，余盛达，李 恒，汪进锋,3，李兴旺,3

（1.海南电网有限责任公司文昌供电局，海南 文昌 571300；2.北京振中建园电力技术发展有限公司，北京 100085；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080）

0 引 言

近年来，中国城市化建设的快速发展，使得城市用地日益紧缺，而架空线路的安全环境问题促使电力电缆广泛投用。相比于架空线路，电缆具有占地小、供电可靠性高以及输电容量大等优势，但随着电缆敷设量和运行年限的增加，电缆的故障和老化成为需要关注的重点问题[1-2]。在实际运行过程中，热效应、水分、外护套破损以及制造工艺问题都可能引起电缆老化，从而导致电缆故障[3]。然而，由于电缆大多敷设于地下，一旦发生故障，不能快速准确地找到故障发生点，将增加维修时间和成本，甚至引发停电事故，造成严重的经济损失[4-5]。因此，监测和诊断电缆的运行状态，保证电缆的安全稳定运行极为重要。

局部放电监测是诊断电缆局部缺陷的一种常用方法。但大多局放试验结果表明，该技术对制作工艺的缺陷更敏感，而对于电缆的老化隐患没有十分有效的表现[6]。统计资料表明，水树枝现象是造成电缆老化的主要原因之一，而电力电缆水树枝的多少和劣化程度并不能靠局部放电的测试解决，而且耐压实验也会使大型水树枝发展成电树枝，从而彻底击穿电缆绝缘层[7-9]。因此，需要一种能快速精确定位电缆故障的无损检测技术，建立电缆运行状态在线监测系统。

线性共振分析（LIRA）技术利用高频下的电缆阻抗谱获取电缆特征信息。通过先进算法实现电缆状态评估、电缆故障定位以及电缆老化诊断。LIRA技术基于传输线理论，将电缆阻抗（振幅和相位）作为一个广泛频带应用信号的函数来计算和分析，通过监测和定位电缆阻抗的变化，对电缆进行状态监测和故障定位[10]。本文介绍了一种基于宽频阻抗谱的电缆诊断新技术。该技术可在线使用，以检测由绝缘故障或性能下降而引起的电缆电气参数的局部或全局变化，并结合某中压电缆的现场试验来验证该技术的应用效果。

1 线性共振分析技术

1.1 传输线理论

LIRA技术是2003—2006年哈尔登反应堆工程在传输线理论基础上发展起来的[11]。传输线是电路的一部分，提供发电机和负载之间的连接，结构如图1所示。传输线的特性取决于它的长度与进入传输线电信号的波长的比值。

图1 传输线系统

波长定义为：

式中，v为电信号的传播速度；f为信号的频率。当传输线的长度远小于电信号波长时，传输线对电路响应和输入阻抗几乎没有影响。从发电机侧看，任意时刻的输入阻抗等于负载阻抗。但是，当电缆长度足够长或者信号源的频率足够高时，有L≥λ。此时传输线的线路特性会起到重要作用。从发电机看到的输入阻抗与负载阻抗不匹配，因此可以利用高频下传输线的输入阻抗来获取其运行特性。根据传输线理论，可将电缆等效为如图2所示的分布参数模型[12]。

图2 传输线等效分布参数电路

传输线电压和电流遵循以下微分方程：

式中，R是导体电阻；L是电感；C是电容；G是绝缘电导率。这些均为单位长度下电缆的分布参数。这4个参数可以完全表征高频信号通过传输线时的传播特性。在传输线理论中，传输线的特性通常通过传播系数γ和特征阻抗Z0来研究，可表示为[13]：

通常，传播系数还可写成：

式中，实部α为线路衰减常数，虚部β为相位常数。β与相速度和波长有关，关系为：

1.2 电缆宽频阻抗特性研究

利用式（4）和式（5）求解微分方程（2）和（3），可得距离电缆末端距离为d处的输入阻抗Zd为：

式中，ΓL是负载反射系数，ZL为线路末端的负载阻抗。

当d等于电缆全长L时，电缆首端输入阻抗的表达式为：

电缆的特征参数γ和Z0是频率的函数，首端输入阻抗也会随着电源频率的变化而改变。首端阻抗的频率变化曲线称为电缆的宽频阻抗谱[14]。电缆宽频阻抗谱分为阻抗幅值频谱和相位频谱[15]。图3为某一个10 kV电缆在频率范围为0～50 MHz内的输入阻抗频谱和相位频谱。可以看出，在阻抗幅值频谱的极大值点附近和相位频谱的过零点处，线路的输入阻抗变化十分迅速。在此类谐振点附近，阻抗对线路状态信息的变化十分敏感。当电缆出现故障时，其传输特性将发生改变，输入阻抗也会随之变化[16]。因此，可以通过测量宽频阻抗谱来诊断电缆的运行状态，判断故障的发生位置[17]。

图3 某10 kV电缆的输入阻抗频谱和相位频谱

2 LIRA宽频阻抗测试系统

LIRA技术起初是根据核电站电缆诊断和状态评估的需要而提出的，是一种无损检测方法，不会对电缆和与电缆连接的设备造成损害。该技术将阻抗谱作为应用信号频率函数来进行计算分析，可以测量出电缆的长度、接头位置以及阻抗变化的异常点。此外，利用LIRA技术，采用硬件和WS软件结合的方式，搭建LIRA宽频阻抗测试系统对电缆进行状态评估和故障定位。系统的测试电压仅为5 V，适用于电缆所有电压等级，测试长度可达300 km。

LIRA测试系统对绝缘材料的微小变化十分敏感，如进水受潮、水树老化以及机械受损等。它可以诊断由恶劣环境条件（高温、湿度以及辐射）引起的电缆绝缘老化，并检测绝缘材料因机械冲击或热降解而发生的局部缺陷[18]。运维部门可以借助此系统及时定位缺陷位置，并判断缺陷的严重程度。

2.1 测试系统结构

LIRA由几部分软件和硬件模块组成，如图4所示。其中，电缆连接到LIRA射频测量板。

图4 LIRA测试系统逻辑图

LIRA发生器控制注入电缆的模拟信号，向系统提供带宽可配置的低电压（5 V）扫描信号。LIRA分析仪是系统核心，分析信号并评估电缆运行状态。LIRA模拟器包含一个电缆模型、调制器以及数字化仪（任何电缆类型和长度都可以建模），可用于推断真实的实验结果，并执行假设分析。LIRA数据库允许以结构化的方式存储测量值[19]。

2.2 测试原理及方法

当电缆受到机械应力、进水受潮、电老化以及热老化等外界因素的影响，将会引起电缆分布参数的变化，尤其是电容C的改变会导致阻抗急剧变化[20]。在被测电缆上施加一个5 V的交流电压，将阻抗频谱（振幅和相位）作为宽频（0.1～100 MHz）的应用信号函数来计算和分析。基于高频谐振效应宽带频域的分析方法，检测对电缆细微变化非常敏感的电气参数，如绝缘介电常数、形状物理参数、电流方向、电流强度、湿度以及绝缘缺陷等重要状态指标，分析和计算出复杂的阻抗线性变化。利用强大的放大系数来改善阻抗图的相位和幅度的某些特性，定位出发生明显异常变化的缺陷点。LIRA中线共振效应的频谱分析原理如图5所示。

图5 LIRA中线共振效应的频谱分析

2.3 现场测试

根据供电公司安排，分析某条10 kV XLPE电缆进水或水树异常点。本次测试采用LIRA线性宽频阻抗测试系统，如图6所示。对被测电缆施加5 V的信号，采集电缆全长和全部接头位置，并通过阻抗频谱分析的方式，找出电缆异常点，分析电缆的形变、阻抗幅值以及电缆缺陷的正负极性，给出指导建议。现场测试如图7所示。

图6 LIRA测试系统

图7 LIRA现场测试

先对电缆进行绝缘测试，使用2 500 V绝缘摇表对A、B、C三相进行绝缘测试，A、B、C对地绝缘电阻分别为175 MΩ、500 MΩ以及15 MΩ。然后使用介损老化状态评价设备对电缆进行老化状态评价，基本掌握介损老化状态的各个指标。

造成电缆绝缘电阻低的主要原因可能是电缆产生了水树老化或者使接头进水受潮，从而引起电缆绝缘下降[21]。在此尝试根据LIRA测试系统生成的DNORM图形查找出老化或进水缺陷位置。确保被测电缆处于断电状态，被测电缆的近端和远端与电网完全断开，而且远端三相悬空，并互相保持足够的安全距离。将同轴电缆测试线与设备的L1插孔相连接，红黑夹子分别接到被测电缆的导体与屏蔽层。采用计算机软件控制硬件的方式，输入电缆信息。根据电缆长度3 445 m设定好测试频率为10 MHz，测试端口L1，输出阻抗50 Ω，测试模式选择AVG模式，然后开始依次测试A、B、C相。

3 试验结果及分析

A相DNORM图如图8所示，关键位置、缺陷方向及严重程度如表1所示。

图8 A相DNORM图

表1 A相关键位置、缺陷方向及严重程度

在DNORM的关键位置定位图中，红色代表超出正常阻抗20%及以上，被认为是警告标志，应进行紧急处理，但若是接头位置，则属于正常的阻抗变化。黄色代表超出正常阻抗的10%及以上，应该在一年内对此位置进行关注监测，对比其参数变化。绿色代表正常的阻抗波动，无需处理。由A相DNORM图形可知，电缆存在6处阻抗变化点分别位于电缆368 m、602 m、1 233 m、1 528 m、2 053 m以及2 348 m处。其中，电缆2 053 m处阻抗变化波动超出正常阻抗29.20%，且呈负极性，因此考虑该位置可能存在缺陷。

B相DNORM图如图9所示，其关键位置、缺陷方向及严重程度如表2所示。C相DNORM图如图10所示，其关键位置、缺陷方向及严重程度如表3所示。

图9 B相DNORM图

图10 C相DNORM图

表2 B相关键位置、缺陷方向及严重程度

表3 C相关键位置、缺陷方向及严重程度

经对比可知，B、C两相DNORM图阻抗幅值变化和关键位置与A相基本一致。将电缆三相阻抗测试图合并比较，如图11所示。电缆的A、B、C三相等长，全长3 449 m左右。使用自动带宽调整，从三相对比图中可以得出测试电缆A、B、C三相阻抗变化位置基本重合，分别位于368 m、602 m、1 235 m、1 527 m、2 053 m以及2 348 m左右。

根据上述测得的LIRA数据，在距离电缆首端2 053 m位置处发现显著负极性阻抗变化。其中，A相阻抗变化波动超出正常的29.2%，B相超出正常的27.43%，C相超出正常的28.21%，因此此处可能存在老化或进水缺陷。结合电缆的绝缘状况以及现场环境和基本情况，两电缆终端和2 053 m处的接头已经进行更换，但更换前两侧摇绝缘，绝缘阻值都达到千兆欧级，做完接头后绝缘下降极为明显，最低只有几十兆欧，因此谨慎建议2 053 m处的接头为缺陷隐患点。

如图11所示，电缆首端和末端均出现了尖端区域，这是由于测试夹具连接处与电缆末端阻抗不匹配所造成的。当电缆局部缺陷处于电缆首末两端附近时，测试系统的空间分辨率与识别灵敏度将会受到影响，可以通过增加最高测量频率来改善此类问题[22]。

图11 三相全长及阻抗比较测试图

4 结 论

本文提出了一种基于宽频阻抗谱的电缆诊断新技术，可以显示电缆阻抗的变化，精确定位电缆故障。使用LIRA宽频阻抗测试系统对10 kV电缆进行现场试验验证，测试结果表明该技术可以检测电缆全长和接头位置，精确定位电缆的水树和进水受潮缺陷，而且误差可控制到0.3%以下。此测试方法目前在国内处于现场经验和测试数据大量积累的阶段，因此针对分析数据应审慎对待。