謝 成，曹張潔，劉 黎，周成鋼

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速推進(jìn)，浙江配電網(wǎng)規(guī)模日益增長(zhǎng)，截止2017年8月底，浙江省電力有限公司共有中壓配網(wǎng)線路25 256條、228 634 km，總體電纜化率31%，其中全省A+與A區(qū)域的電纜化率分別已達(dá)99.2%，86.7%。然而，由于電纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、通道運(yùn)維管理相對(duì)困難、電纜網(wǎng)顯著的容性電流易引起系統(tǒng)操作過(guò)電壓，對(duì)設(shè)備絕緣造成不利影響[1]；電纜本體及附件質(zhì)量的參差不齊、缺陷眾多。浙江電網(wǎng)已發(fā)生多次接頭爆裂等配電電纜故障，終端故障極易引發(fā)開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜連鎖故障，對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

DAC（阻尼振蕩波）檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用阻尼交流電壓（俗稱振蕩波）來(lái)替代工頻交流電壓進(jìn)行局部放電激發(fā)，同時(shí)進(jìn)行局部放電量采集和定位的技術(shù)[2-3]?；谡袷幉夹g(shù)的OWTS（局部放電測(cè)試系統(tǒng)）在現(xiàn)場(chǎng)能夠有效發(fā)現(xiàn)電纜絕緣的潛在性缺陷，特別對(duì)于中間接頭、終端局部放電缺陷的檢出最為有效。近年來(lái)，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)竣工試驗(yàn)及預(yù)防性試驗(yàn)中得到快速推廣和應(yīng)用[4-6]。

然而，為保障用戶的供電可靠性，如何在復(fù)雜多變的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下、在有限的停電時(shí)間內(nèi)對(duì)電纜健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，并對(duì)檢修方案進(jìn)行科學(xué)決策，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)基于振蕩波局放檢測(cè)的缺陷判斷來(lái)說(shuō)，仍是一大難點(diǎn)。因此，有必要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)最重要的幾類缺陷建立典型的局放特征庫(kù)，優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的狀態(tài)評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)于提高配電電纜運(yùn)維效率具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

文中介紹了在實(shí)驗(yàn)室模擬的10 kV電纜典型絕緣缺陷，通過(guò)對(duì)含人工缺陷放電源的電纜試品系統(tǒng)進(jìn)行局部放電模擬及振蕩波局部放電測(cè)試，分析總結(jié)了典型絕緣缺陷的局部放電特征。結(jié)合在G20保供電期間開展的大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)發(fā)現(xiàn)的主要缺陷進(jìn)行了分析歸類，并對(duì)基于振蕩波局部放電測(cè)試的狀態(tài)評(píng)價(jià)依據(jù)及檢修策略進(jìn)行了優(yōu)化。

1 振蕩波局部放電檢測(cè)原理及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 基本原理

阻尼振蕩波下局部放電量測(cè)量利用局部放電頻譜中的較低頻段部分，一般為數(shù)十kHz至數(shù)百kHz。假設(shè)距離測(cè)試端x處發(fā)生局部放電，upd為放電脈沖電壓，為放電脈沖電流在測(cè)試端由檢測(cè)阻抗采集到的電壓，則放電點(diǎn)的局部放電量q為：

式中：a為電纜中波傳播常數(shù)；Z0為電纜特性阻抗；t0為放電脈沖的持續(xù)時(shí)間。

振蕩波電壓下的電纜局部放電定位采用時(shí)域反射法，根據(jù)電磁波傳輸反射原理，即在缺陷處產(chǎn)生局部放電脈沖向電纜兩端傳播，在電纜端頭處如果沒有匹配阻抗，局部放電脈沖將在端頭處反射。根據(jù)在測(cè)量端測(cè)量的第一個(gè)沿測(cè)量端傳輸?shù)拿}沖及經(jīng)另一端反射后傳回測(cè)量端脈沖的時(shí)間差，即可計(jì)算出缺陷距離測(cè)量端的距離，從而定位出缺陷部分。在振蕩波電壓下，每一個(gè)振蕩周期根據(jù)測(cè)量局部放電可測(cè)得放電幅值及此放電脈沖經(jīng)遠(yuǎn)端反射后的脈沖幅值，計(jì)算出放電距離測(cè)量端的位置，即可繪出局部放電幅值或局部放電密集程度與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

基于振蕩波局部放電的電纜試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。振蕩波電壓的產(chǎn)生是利用直流電源先對(duì)電容充電，再閉合IGBT（高壓光觸開關(guān)），由測(cè)試儀器電感和被試電纜電容形成振蕩回路，對(duì)被試電纜逐級(jí)加壓測(cè)試并采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析得到電纜的局部放電特征參數(shù)和放電位置。

圖1 振蕩波局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)

在進(jìn)行振蕩波局放測(cè)量前后均應(yīng)開展絕緣電阻測(cè)試，對(duì)于10 kV電纜只有主絕緣電阻測(cè)試結(jié)果大于50 MΩ時(shí)才可以進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，以避免振蕩波電壓直接造成電纜絕緣擊穿。局部放電測(cè)試前應(yīng)采用TDR（波反射法）電纜故障定位儀測(cè)試電纜中間接頭、終端位置及電纜長(zhǎng)度。局部放電試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量減小環(huán)境噪音干擾，如有施工可要求暫停。盡量減小來(lái)自地線的干擾如電暈對(duì)電纜局部放電判定的影響。此外，為排除高壓測(cè)試電纜與被測(cè)電纜之間的接觸不良造成的人為干擾，高壓電纜與被測(cè)電纜的連接需要嚴(yán)密接觸完整。

2 典型缺陷模擬及局部放電特征分析

為提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率及缺陷判斷的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室制作了5種含典型絕緣缺陷的真型試品系統(tǒng)，如表1所示。開展模擬缺陷的典型局部放電特征采集，形成阻尼振蕩波電壓下典型絕緣缺陷局放圖譜庫(kù)。

表1 典型絕緣缺陷模型

（1）復(fù)合絕緣界面間導(dǎo)電顆粒缺陷模型。用于產(chǎn)生接頭內(nèi)部復(fù)合絕緣界面間的懸浮放電。電纜接頭制作需要?jiǎng)兿饕欢瓮獍雽?dǎo)電層，如果施工時(shí)外半導(dǎo)電層有殘留，或者有導(dǎo)電（半導(dǎo)電）雜質(zhì)附著在主絕緣表面，會(huì)產(chǎn)生懸浮電位，從而引發(fā)局部放電。該缺陷是在電纜本體主絕緣和接頭預(yù)制件絕緣的交界面上放置形狀大小不規(guī)則的金屬銅顆粒。

（2）主絕緣切向氣隙缺陷模型。用于產(chǎn)生接頭內(nèi)部電纜本體主絕緣存在氣隙所引發(fā)的放電。電纜接頭制作需要?jiǎng)兿饕欢瓮獍雽?dǎo)電層，為了使該段主絕緣上不殘留外半導(dǎo)電層，需要用砂紙沿著主絕緣切向打磨，如果打磨深度控制不良，會(huì)在主絕緣上形成長(zhǎng)條形氣隙，產(chǎn)生集中電場(chǎng)，從而引發(fā)局部放電。該缺陷在外半導(dǎo)電層斷口與金屬壓接管之間的電纜主絕緣表面上沿著切向劃出長(zhǎng)條形氣隙。

（3）外半導(dǎo)電層斷口處半導(dǎo)電尖端缺陷模型。用于產(chǎn)生接頭內(nèi)部復(fù)合絕緣界面間從主絕緣表面向?qū)w壓接管方向的沿面放電。電纜接頭制作剝削一段外半導(dǎo)電層時(shí)，斷口處如果處理不當(dāng)，可能會(huì)有半導(dǎo)電突起，產(chǎn)生集中電場(chǎng)，沿主絕緣表面向?qū)w壓接管方向爬電。該缺陷在處理好的外半導(dǎo)電層斷口處涂抹半導(dǎo)電漆并烘干形成尖端形狀。

（4）預(yù)制件安裝錯(cuò)位缺陷模型。用于產(chǎn)生因接頭應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層斷口間錯(cuò)位脫離引起的電場(chǎng)集中所造成的界面爬電。預(yù)制式接頭安裝時(shí)，其應(yīng)力錐端部應(yīng)與電纜外半導(dǎo)電層斷口緊密壓接，為保證安裝質(zhì)量，應(yīng)力錐相對(duì)位置都留有一定的余量，若使一端外半導(dǎo)電層斷口伸出應(yīng)力錐尾部，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)集中，在界面處產(chǎn)生爬電。該缺陷在接頭預(yù)制件安裝時(shí)，有意使一端外半導(dǎo)電層斷口伸出應(yīng)力錐一定距離形成錯(cuò)位。

（5）高電位尖端缺陷模型。用于產(chǎn)生接頭內(nèi)部裸露的高電位尖端因電場(chǎng)局部集中而引起的尖端放電。交聯(lián)電纜生產(chǎn)中，若導(dǎo)體線芯絞制工藝控制不良，導(dǎo)體表面就會(huì)出現(xiàn)較大的毛刺；接頭安裝時(shí)，電纜導(dǎo)體線芯間壓接用導(dǎo)體連接器表面未處理光滑，也會(huì)存在金屬毛刺、尖端或棱角。導(dǎo)體帶高壓電時(shí)，這些裸露的高電位尖端由于電場(chǎng)集中就會(huì)產(chǎn)生尖端放電[7-9]。該缺陷在導(dǎo)體壓接管外部的導(dǎo)體線芯上用細(xì)銅絲捆扎形成一個(gè)金屬尖端，同時(shí)電纜導(dǎo)體附近的絕緣退至接頭內(nèi)高壓屏蔽之外。

試驗(yàn)搭建了如圖2所示的含人工缺陷放電源的電纜試品系統(tǒng)，由長(zhǎng)455 m的成盤長(zhǎng)試樣，通過(guò)屏蔽波紋軟管和高壓導(dǎo)線，與長(zhǎng)約13 m的含人工模擬缺陷接頭的短試樣串聯(lián)而成。圖2中的ZD1，ZD2，ZD3和ZD4為裝有應(yīng)力錐和傘裙環(huán)的終端頭。對(duì)接頭1采取均壓處理以保證試驗(yàn)無(wú)局放。分別對(duì)5種缺陷模型進(jìn)行振蕩波局部放電試驗(yàn)，得到如表2所示的典型缺陷的放電特征。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的典型缺陷分析

3.1 杭州電網(wǎng)檢測(cè)概況

2016年杭州電網(wǎng)為確保G20峰會(huì)期間電纜運(yùn)行整體可靠性，對(duì)保供電重點(diǎn)區(qū)域及部分電網(wǎng)薄弱區(qū)域總計(jì)266回10 kV配電電纜開展了以振蕩波局部放電檢測(cè)為主的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并根據(jù)表1建立的典型缺陷放電特征輔助現(xiàn)場(chǎng)缺陷判斷。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)在運(yùn)電纜主要問(wèn)題為4類：

圖2 含人工模擬缺陷接頭的電纜試驗(yàn)樣品示意

表2 典型絕緣缺陷的局部放電特征描述

（1）熱縮電纜終端的老化問(wèn)題。部分熱縮式、預(yù)制式電纜終端運(yùn)行年限較長(zhǎng)，平均為10～15年，已經(jīng)嚴(yán)重老化，應(yīng)力控制材料出現(xiàn)明顯裂痕、劣化現(xiàn)象，常伴有明顯的放電燒灼痕跡。此類缺陷共計(jì)46起，在在運(yùn)電纜缺陷中占36%。

（2）冷縮式應(yīng)力管握力衰減問(wèn)題。冷縮式電纜終端采用應(yīng)力管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但其握緊力明顯不足，導(dǎo)致電纜半導(dǎo)電端口的應(yīng)力控制不足，電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，產(chǎn)生明顯的局放現(xiàn)象。此類缺陷共計(jì)28起，在在運(yùn)電纜缺陷中占22%。

（3）電纜附件施工工藝問(wèn)題。電纜附件在施工時(shí)造成的輕度絕緣劃傷、半導(dǎo)電剝離距離不足等，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行造成局放現(xiàn)象的產(chǎn)生。此類缺陷共計(jì)14起，在在運(yùn)電纜缺陷中占11%。

（4）電纜內(nèi)部及線芯進(jìn)水問(wèn)題。電纜線路浸水運(yùn)行致使電纜接頭內(nèi)部進(jìn)水，導(dǎo)致線路絕緣電阻降低以及因接頭內(nèi)部的電場(chǎng)變化而產(chǎn)生的局部放電。此類缺陷共計(jì)39起，在在運(yùn)電纜缺陷中占31%。

3.2 典型缺陷局部放電特征

（1）熱縮式終端復(fù)合界面混合缺陷。某運(yùn)行15年、總長(zhǎng)為413 m的配電電纜，測(cè)試端為熱縮戶內(nèi)終端，對(duì)端為冷縮戶內(nèi)終端。A、B兩相均在1.5U0下開始檢測(cè)到局部放電信號(hào)，放電幅值最大分別為2 052 pC、1 929 pC，且均在1.7 U0下放電量達(dá)到最大，放電幅值最大均為2 245 pC；C相在1.2 U0下開始檢測(cè)到局部放電信號(hào)，放電幅值最大為2 210 pC，在1.7 U0下放電幅值最大為2 122 pC。三相放電源均定位于測(cè)試站電纜終端處。對(duì)放電譜圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，三相放電均集中在 10°～80°， 落在第一象限， 90°～360°相位下沒有發(fā)現(xiàn)放電信號(hào)。解剖測(cè)試端電纜終端后發(fā)現(xiàn)：該熱縮式終端用老式剝削工藝處理外屏蔽層，半導(dǎo)電屏蔽層剝削斷口參差不齊，絕緣表面極度不平滑，應(yīng)力管及主絕緣有明顯老化裂痕與褶皺，如圖3所示。

圖3 絕緣老化裂痕及應(yīng)力管內(nèi)部褶皺

（2）冷縮式終端應(yīng)力管管握力衰減缺陷。某運(yùn)行1年、總長(zhǎng)為485 m的配電電纜，測(cè)試端為冷縮戶戶內(nèi)終端。A、C兩相均在1.5 U0下開始檢測(cè)到局部放電信號(hào)，放電幅值最大分別為562 pC與1 587 pC，且均在1.7 U0下放電量達(dá)到最大，分別為827 pC與1 600 pC。A、C兩相放電源均定位于測(cè)試端終端處，B相未檢測(cè)到局部放電信號(hào)。對(duì)放電譜圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，A相放電主要集中在 0°～90°與 180°～270°， 其中在 30°～80°，220°～230°放電量最大，正負(fù)半周放電密度明顯不對(duì)稱，正半周放電密度、幅值都大于負(fù)半周，最大放電量也大于負(fù)半周。C相放電主要集中在10°～90°， 200°～270°， 其中在 40°～60°與 80°～90°放電量最大，正負(fù)半周放電密度明顯不對(duì)稱，正半周放電密度、幅值都遠(yuǎn)大于負(fù)半周，最大放電量也遠(yuǎn)大于負(fù)半周?，F(xiàn)場(chǎng)解剖后分析發(fā)現(xiàn)，冷縮式終端由于應(yīng)力管握緊力不足，如圖4所示，導(dǎo)致電場(chǎng)畸變出現(xiàn)局部放電，采用23號(hào)絕緣帶繞包纏繞增加握緊力后重新開展振蕩波試驗(yàn)，則未檢測(cè)到異常放電信號(hào)。

圖4 應(yīng)力管繞包修復(fù)強(qiáng)化握緊力前后比對(duì)

（3）T型終端主絕緣未打磨缺陷。某運(yùn)行5年、總長(zhǎng)為1 833 m的配電電纜，測(cè)試端及對(duì)端均為T型終端。A與C兩相均在1.7 U0開始檢測(cè)到局部放電信號(hào)，放電幅值最大分別為6 136 pC與3 106 pC，兩相放電源均定位于測(cè)試端電纜終端處。放電譜圖分析發(fā)現(xiàn)A相放電主要集中在10°～90°與 190°～270°， 其中在 10°～90°的放電次數(shù)明顯多于190°～270°，正負(fù)半周放電密度明顯不對(duì)稱，正半周放電密度、幅值均大于負(fù)半周，最大放電量也大于負(fù)半周；C相放電主要集中在10°～90°， 180°～200°和 230°～240°， 其中在 50°～70°放電次數(shù)最多，正負(fù)半周放電密度明顯不對(duì)稱，正半周放電密度、幅值均大于負(fù)半周。經(jīng)解剖測(cè)試站電纜終端后發(fā)現(xiàn)該終端主絕緣未打磨光滑，表面粗糙，為典型的施工工藝不到位引起的絕緣缺陷，如圖5所示。

圖5 終端內(nèi)電纜主絕緣未打磨缺陷

（4）中間接頭進(jìn)水缺陷。某運(yùn)行2年、總長(zhǎng)為1 359 m的配電電纜在進(jìn)行振蕩波局放測(cè)試時(shí)，B相在1.1 U0下開始檢測(cè)到疑似局部放電信號(hào)，放電幅值最大為716 pC，在1.7 U0下放電量達(dá)到最大，放電幅值最大為12 075 pC，定位于距離測(cè)試端381 m中間接頭處。通過(guò)放電譜圖分析發(fā)現(xiàn)，放電主要集中在 0°～90°與 180°～270°， 其中在 30°～40°與 220°～230°放電量最大， 正負(fù)半周放電密度明顯不對(duì)稱，正半周放電幅值大于負(fù)半周，最大放電量也大于負(fù)半周。解剖距離測(cè)試端381 m的中間接頭發(fā)現(xiàn)，繞包阻水鎧裝帶內(nèi)有嚴(yán)重進(jìn)水，接頭冷縮應(yīng)力件內(nèi)有輕微進(jìn)水后放電痕跡，如圖6所示。

圖6 中間接頭進(jìn)水缺陷解剖

4 狀態(tài)評(píng)價(jià)策略優(yōu)化

目前，浙江電網(wǎng)開展配電電纜振蕩波現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要參考執(zhí)行文獻(xiàn)[7-9]，這些標(biāo)準(zhǔn)給出了電纜本體、接頭以及終端分別對(duì)于投運(yùn)年限1年以內(nèi)以及1年以上的典型的參考臨界局部放電量，如表3所示。

表3 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中典型的參考臨界局部放電量

然而，實(shí)際運(yùn)行的電纜符合電力設(shè)備故障率的浴盆曲線規(guī)律[10]，即在投運(yùn)初期由于設(shè)計(jì)、制造及安裝的缺陷易導(dǎo)致電纜故障較多，而后故障率降低并基本保持穩(wěn)定，隨著投運(yùn)年限的增長(zhǎng)，由于環(huán)境的長(zhǎng)期影響、材料老化等引起的絕緣劣化等將使故障率升高。因此，基于電纜故障率的客觀規(guī)律以及杭州地區(qū)對(duì)于電纜供電可靠性的特殊要求，對(duì)存在局部放電的電纜線路，綜合考慮局部放電位置、投運(yùn)年限和放電量水平，優(yōu)化并提出了如表4所示的基于振蕩波局放檢測(cè)的狀態(tài)評(píng)價(jià)依據(jù)。該評(píng)價(jià)依據(jù)目前已在杭州電網(wǎng)試行，有效指導(dǎo)了基于現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)的配電電纜狀態(tài)評(píng)價(jià)工作，推進(jìn)了電纜運(yùn)行維護(hù)檢修的科學(xué)決策。

表4 優(yōu)化后的基于振蕩波局放檢測(cè)的狀態(tài)評(píng)價(jià)依據(jù)

5 結(jié)論

通過(guò)開展實(shí)驗(yàn)室典型絕緣缺陷的模擬及局部放電特征分析，結(jié)合大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，研究了基于振蕩波局部放電檢測(cè)的10 kV配電電纜典型缺陷與狀態(tài)評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論。

（1）復(fù)合絕緣界面間導(dǎo)電顆粒、主絕緣切向氣隙、半導(dǎo)電尖端、預(yù)制件安裝錯(cuò)位和高電位尖端等電纜絕緣缺陷具有典型局部放電特征，通過(guò)典型特征分析及總結(jié)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的缺陷類型判斷具有很大幫助。

（2）熱縮電纜終端的老化問(wèn)題、冷縮式應(yīng)力管握力衰減、電纜附件施工工藝、電纜內(nèi)部及線芯進(jìn)水，為目前杭州電網(wǎng)配電電纜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最主要缺陷原因。

（3）綜合考慮局部放電位置、投運(yùn)年限和放電量水平，細(xì)化、優(yōu)化基于振蕩波局部放電檢測(cè)的狀態(tài)評(píng)價(jià)依據(jù)，能夠有效指導(dǎo)配電電纜運(yùn)行維護(hù)的決策。

基于振蕩波局放檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法能夠有效發(fā)現(xiàn)配電電纜的絕緣放電缺陷，然而對(duì)于電纜進(jìn)水、受潮引起的水樹枝及絕緣老化尚未形成局部放電的缺陷檢測(cè)存在一定的局限性。因此，后續(xù)在開展振蕩波局部放電的同時(shí)，將研究如何結(jié)合介損測(cè)量等其他手段來(lái)擴(kuò)大缺陷檢出的范圍，提升基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的電纜狀態(tài)評(píng)價(jià)的有效性。