基于振荡波检测的电力电缆绝缘老化与定位

刘思议 李鸿南 洪 杰 黄心怡 林颖锐 邱才元 郭丽云 苏 贤

(国网福建省电力有限公司漳州供电公司，福建 漳州 363000)

1 概述

随着城市建设的快速发展，架空线路被更多的电缆所取代，配电网的缆化率越来越高，电力电缆的稳定安全运行直接关系到城市的可靠用电[1-2]。然而在电缆的实际运行中，受到外在环境及施工工艺等因素影响，现场电缆绝缘老化的情况常有发生[3-4]。主要原因为：①电缆生产制造环节，由于加工技术和原料不纯，致使电缆绝缘层存在气泡、间隙、微孔和有害杂质，在气隙、杂质的尖端处、半导电层突起处易发生；②电缆施工环节，电缆敷设、电缆附件安装等造成绝缘局部损伤，附件安装工艺不良产生气隙、进入杂质、半导电层尖端放电等；③电缆运行环节，交联聚乙烯材料在高压电场的长期作用下，绝缘不断老化，在不同运行环境下形成水树，水树发展为电树，最终导致绝缘击穿，发生配电线路故障，影响居民正常生活用电。对电缆开展常规检测，及早发现电缆缺陷，安排计划消缺，是减少配网故障，提高供电可靠性的关键[5-7]。

电缆常规试验方法有三种[8-10]：0.1Hz交流耐压试验、低频介损诊断试验、振荡波局放试验。0.1Hz交流耐压试验的优点在于试验设备体积小、功耗小，目前很多供电公司10kV电缆耐压试验基本采用该方法取代直流耐压试验，其缺点是只能检测电缆承受电压的情况，无法发现和定位电缆绝缘局部放电隐患；低频介损诊断试验的优点是可检测电缆绝缘介质老化情况，从而对电缆绝缘性能进行整体评估，缺点是仅对整体情况进行评估，无法定位介质老化严重点的位置；振荡波局放试验利用阻尼振荡电压可激发电缆内部潜在的局部放电，有效发现电缆接头等位置的隐患点，并对局放隐患点进行定位，同时该方法为非持续性加压，加压时间短，因此对电缆绝缘的破坏性小，是近年来被广泛应用的一种电缆检测方法。

基于此，本文针对电缆振荡波局部放电检测技术开展研究，从局放检测原理、现场应用等展开研究，并结合现场试验案例采用不同的电力电缆试验方法证明振荡波局部放电诊断的有效性。

2 振荡波局部放电检测原理

2.1 局部放电的激发

振荡波产生的原理图如图1所示。整个振荡波的电路图分为两个单位：一是高压直流发生单元，二是局部测试单元，两个单元之间通过高压开关实现快速转换。检测时，第一个单元通过电感对被试电缆充电，高压开关并联在直流电源两端，当所加电压逐渐升高到设定值时，高压开关闭合，直流电源退出回路，电感和被试电缆此时变成LC阻尼振荡回路，产生相应的振荡波电压，电缆缺陷处会被激发出局部放电信号。

图1 振荡波产生原理

2.2 局部放电的测量

(1)

其中，γ为电缆中波传播常数，z0为电缆特效阻抗，t0为放电脉冲的持续时间。

2.3 局部放电的定位

电缆局部放电的定位是利用局部放电脉冲在电缆上的传播特性，用10MHz以上的高频扫描示波器进行定位测量的方法[12]。其原理如图2所示，具体的求解局部放电缺陷位置x如式(2)所示。

(2)

其中，t1表示第一个放电脉冲传至检测装置的时间，t2表示发电脉冲传至对侧再反射传至检测设备的时间，脉冲传播速度为v，电缆长度为l。

图2 局部放电定位原理

3 振荡波局部放电检测现场应用

3.1 某配电站电缆局部放电检测

基于以上分析，对现场某配电站结合停电检修进行振荡波局部放电检测进行验证。以某变电站10kV出线至某配电站进线之间的电缆进行分析，振荡波局部检测的接线图如图3所示。

图3 振荡波局部检测的接线图

采用仪器对电力电缆进行检测，仪器的发射端位于某配电站内，振荡波局部放电检测结果如图4所示，图中黄、绿、红分别代表电力电缆的A、B、C相。检测结论如下：

①电缆A、B、C三相绝缘阻值分别为34.9GΩ、38.9GΩ、40.1GΩ；

②距配电站179m位置L1(A相)出现成簇状的局部放电信号，L1(A相)最高放电量约为22285pC；

③距配电站330m位置电缆三相均出现成簇状的局部放电信号。其中，L1(A相)最高放电量约为5177pC，L2(B相)最高放电量约为6046pC，L3(C相)最高放电量约为5019pC；

④根据波形定位，判定两处局放超标位置为中间接头。

图4 电缆振荡波局部放电检测结果

对缺陷电缆中间接头进行解体分析，如图5所示。发现两处问题：一是材料使用错误，导体连接管错误缠绕了PVC绝缘胶带，造成悬浮电位引起局部放电；二是施工工艺不良，外半导电层断口不平整，尖端引起放电。

图5 电缆中间接头解体照片

对电缆中间接头切除并进行重新制作，消缺完成后，再次进行电缆振荡波检测，检测结果如图6所示。

图6 消缺后电缆振荡波局部放电检测结果

消缺后振荡波检测结论如下：①电缆接头更换后，A、B、C三相绝缘阻值分别为1000GΩ、916GΩ、1000GΩ，电缆绝缘水平显著提高。②距离配电站179m和330m的局放簇均消失，电缆恢复健康状态。

3.2 不同电缆试验方法对比分析

电缆的常见缺陷可以分为两大类:一类为电缆附件安装(施工)缺陷，有终端握紧力不足、接头主绝缘层刀痕、接头导体压接绕包绝缘带、接头半导电尖端；另一类是典型运行缺陷，有终端电晕、终端受潮、污秽接头进水、局部受潮，常见缺陷如图7所示。

图7 电缆常见缺陷

采用0.1Hz交流耐压试验、低频介损诊断试验、振荡波局放试验对这8种缺陷进行试验，试验结果如表1所示。从表1可见，振荡波局部检测能够检出所有的缺陷情况，优势明显。

表1 采用三种电缆试验方法的检测结果

4 结论

电力电缆由于施工条件及外在环境的干扰，绝缘老化现象时有发生，如何检测出电缆的绝缘老化并找到局部放电的放电点至关重要。基于此，本文对振荡波检测技术的相关原理进行介绍，并采用振荡波检测技术对电力电缆进行检测，结果表明本文振荡波检测能够有效检出并精准找出电力电缆的局部放电点，为消缺奠定了重要的基础；另外采用振荡波检测技术与传统的交流耐压试验、超低频介损对8种类型电缆缺陷进行检测，结果显示振荡波检测更具优势。