趙麗惠 姜 幸 錢 偉 張 勇 王風華

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司曲靖麒麟供電局，云南 曲靖 655000； 2.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430070）

0 引言

20世紀80年代期間，交聯(lián)聚乙烯電纜（cross- linked polyethylene, XLPE）在我國多個省市地區(qū)得到較為廣泛的使用[1]。交聯(lián)聚乙烯電纜在長期使用過程中，受發(fā)熱、潮濕、化學及其他機械因素的影響，會發(fā)生物理或化學變化，導致其絕緣水平降低，容易發(fā)生絕緣擊穿等事故，進而導致突發(fā)停電的情況增加，造成較大的經(jīng)濟損失[2-3]。進入21世紀后，國內(nèi)第一批投運的交聯(lián)聚乙烯電纜已經(jīng)連續(xù)運行25年以上。這批電纜已經(jīng)逐步老化，接近其設(shè)計壽命，并且進入了故障高發(fā)期。為了避免這種情況的發(fā)生，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，對絕緣電纜進行壽命預測成為必不可少的工作。大量試驗表明，超低頻高壓下所測得的電纜介質(zhì)損耗比工頻下測得的電纜介質(zhì)損耗能更靈敏、正確地反映絕緣電纜的老化程度。因此，國內(nèi)基本選擇采用超低頻高壓發(fā)生器對絕緣電纜進行介損測量[3]，并根據(jù)國際規(guī)程IEEE 400.2—2013，對所測得的試驗結(jié)果進行判斷，這樣可以初步分析出電纜的老化程度[4]。

本文首先分析超低頻介損檢測原理，以及通過介損測量反映電纜老化程度的可行性。之后，結(jié)合某地所得到的多組試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)國際規(guī)程IEEE 400.2—2013，對電纜的老化程度做出初步判斷，且分析處于不同狀態(tài)下的電纜介損值的規(guī)律及其原因，得出該判斷規(guī)程僅適用于沒有局部劣化的電纜。由于我國電纜制造材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝與國外產(chǎn)品存在差異，采用國際規(guī)程判斷電纜老化程度有時會變得不準確。為解決此類問題，提出更全面的判據(jù)體系及最優(yōu)分級判斷閾值的確定方法，并以威布爾分布為例，求出基于該地區(qū)電纜試驗數(shù)據(jù)的分級判斷閾值，通過與國際規(guī)程IEEE 400.2—2013對比，得出新的分級判斷閾值的優(yōu)勢，以期為建立符合我國電纜實情的評價規(guī)程提供參考。

1 超低頻介損檢測原理

1.1 電纜介質(zhì)損耗的定義

交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣介質(zhì)在一定的電壓作用下，會產(chǎn)生能量損耗，這部分損耗被定義為介質(zhì)損耗，簡稱為介損，主要由電解質(zhì)電導、局部放電和極化所引起。一般將介質(zhì)損耗角δ的正切值稱為介質(zhì)損耗，用tanδ表示。它的值只與材料的特性有 關(guān)[5]。電纜的等效模型為電容與電阻的并聯(lián)模型，其介損值為

式中：δ為介質(zhì)損耗角；P為介質(zhì)損耗的有功功率；Q為介質(zhì)損耗的無功功率；RI為電阻泄漏電流；CI為等效電容電流；R為直流泄漏電阻；C為等效電容；ω為角頻率。

由式（1）可得，隨著頻率的升高，介損值將會降低。電纜處于正常運行狀態(tài)時，電纜的電導率可以達到 10-16S/m。但隨著運行時間的增加，電纜絕緣可能出現(xiàn)局部老化問題，這將導致缺陷處的電阻值變得很小，可忽略不計，記作R′。則整體電纜的tanδ增量可以表示為

由式（2）可以看出，絕緣電纜在老化后的介損值比正常狀態(tài)的介損值大得多。因此，可據(jù)此來判斷絕緣老化情況，說明通過測量介損判斷XLPE電纜的老化程度是可行的。

1.2 超低頻測試的必要性

電纜的介損包括電導損耗、極化損耗及局部放電損耗。正常狀態(tài)下，電纜的介電常數(shù)與施加電壓頻率無關(guān)，但如果電纜內(nèi)部老化，則電介質(zhì)中需要一定的能量在帶電質(zhì)點位移時克服內(nèi)摩擦力做功，進而導致介電常數(shù)會發(fā)生變化。研究表明，在工頻電壓下測量介電損耗，電纜水樹中的極化現(xiàn)象并不明顯，使介質(zhì)損耗變化亦不大。但若采用0.1Hz的超低頻電壓，介質(zhì)損耗變化十分明顯。介質(zhì)損耗隨頻率變化曲線如圖1所示。因此，采用0.1Hz超低頻電壓檢測電纜介質(zhì)損耗具有重要意義[6-8]，有助于快速發(fā)現(xiàn)電纜的機械損傷及內(nèi)部老化。

圖1 介質(zhì)損耗隨頻率變化曲線

2 10kV電纜超低頻介損現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析

2.1 超低頻介損現(xiàn)場測試方法

中國電力科學研究院武漢高壓研究所于2018年起草了《35kV及以下交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜超低頻（0.1Hz）耐壓試驗方法》，該測試方法基于國際規(guī)程，結(jié)合我國電纜具體實際情況而制定。大量試驗證明，使用該測試方法并使用超低頻高壓發(fā)生器，可以較好地完成測試工作，本文采用該測試方法。在進行試驗之前，自行設(shè)置0.1Hz主機的試驗參數(shù)，使儀器可以產(chǎn)生正確的超低頻高壓正弦波。此外，需按圖2連接試驗設(shè)備[9]。

圖2 超低頻介損試驗現(xiàn)場設(shè)備連接

給被測試品電纜施加低頻高壓，將采集所得到的數(shù)據(jù)保存于主機，也可以通過USB接口保存于PC端，使試驗數(shù)據(jù)可觀，具體的測量過程如下：

1）在試驗前，首先確保電纜的近遠端與電網(wǎng)完全斷開，使待測電纜的遠端保持懸掛狀態(tài)，留有一定的安全距離。

2）用兆歐表測量待測電纜的絕緣電阻，為了保證試驗的安全，測量結(jié)束后，要進行放電操作。

3）待測電纜的近端通過連接線與主機箱連接，并保證可靠接地。

4）在0.5U0、1.0U0、1.5U0三個電壓等級下對待測電纜進行介損測量，U0代表待測電纜的額定電壓。以本試驗為例，10kV的交流電路，選定電纜的額定運行電壓U0為8.7kV。在三個電壓等級下依次測量8個周期的介損，完成超低頻介損判據(jù)的計算。按照該流程完成電纜三相L1（A）、L2（B）及L3（C）的介損測試。

測試結(jié)果根據(jù)IEEE 400.2—2013標準進行評估，評估判據(jù)見表1。

表1 IEEE 400.2—2013交聯(lián)聚乙烯電纜老化狀態(tài) 評估判據(jù)

三種等級分別代表電纜風險等級為低、中、高，需要根據(jù)評估等級決定是否進一步采取檢修措施。

2.2 測試結(jié)果及分析

對某地區(qū)的多條10kV配電電纜線路開展超低頻介損值測試，現(xiàn)場測試如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測試

針對得到的電纜實測數(shù)據(jù)，按照IEEE 400.2—2013標準進行評估，取處于無需采取檢修行動狀態(tài)、建議進一步測試狀態(tài)、需要采取檢修行動狀態(tài)的線路各10條，進行繪圖并總結(jié)規(guī)律。電纜介損變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 電纜介損變化規(guī)律

分析所繪制的圖形，隨著測量時間的增加，處于無需采取檢修行動狀態(tài)的電纜及處于需要采取檢修行動狀態(tài)的電纜的介損值大多處于緩慢上升或基本不變的狀態(tài)；處于建議進一步測試狀態(tài)的電纜的介損數(shù)據(jù)比處于無需檢修行動狀態(tài)的電纜增幅大，這是由于電纜進水潮化后形成水樹，隨著電壓的升高，絕緣電纜的絕緣化學鍵發(fā)生斷裂，加速水樹生長，導致介損值升高[10]。這也反映了IEEE 400.2—2013標準中的介損變化率判據(jù)的合理性。

此外，從圖4中可以觀察出，處于需要采取檢修行動狀態(tài)的電纜的介損值隨著電壓升高，介損值增加更加明顯，這是由于當電纜老化后，水分滲入電纜，使電纜的電導率發(fā)生變化，隨著施加電壓的增加，水分子劇烈震動，導致電纜的導通程度進一步降低，從而使損耗進一步增加，且電纜老化程度越嚴重，介損值越大。

進一步分析所得到的數(shù)據(jù)，選取三條投運年限分別為14年、6年和1年的電纜進行分析，其測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 0.1Hz超低頻介損測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，并依據(jù)IEEE 400.2—2013國際規(guī)程進行判定，只有3號電纜的各項指標均落在需要盡快采取檢修行動的范圍內(nèi)，表明該電纜發(fā)生較為嚴重的老化。但該電纜的運行時間僅為一年，電纜整體老化的可能性不大。對電纜進行絕緣電阻檢測后，發(fā)現(xiàn)電阻阻值遠低于正常值，由式（2）不難看出，此時，tanδ受到局部劣化影響也會導致電纜整體tanδ發(fā)生較大變化，因而可以初步判定絕緣電纜可能是局部發(fā)生嚴重降解而導致局部損耗增加。因此，要正確得出絕緣電纜整體的運行狀態(tài)，需要滿足電纜沒有局部劣化的前提。

3 超低頻介損評價規(guī)程研究

3.1 國際評價規(guī)程

目前，IEEE 400.2—2013國際規(guī)程的判據(jù)有三個，分別為介損隨時間穩(wěn)定性、介損變化率及介損平均值，它們的判斷閾值見表1。采用該國際規(guī)程，可以初步判斷交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣老化程度。但需要指出的是，IEEE 400.2—2013的評價標準是根據(jù)幾千份北美電纜的實測數(shù)據(jù)，運用經(jīng)驗累積分布函數(shù)得到判斷閾值，從而建立起來的。現(xiàn)階段已有的結(jié)論表明，電纜的結(jié)構(gòu)因素也會對介損的測量有影響，包括電纜采用屏蔽型還是鎧裝型、絕緣層材料的選用、電纜制造的年份等[11]。而國內(nèi)的電纜設(shè)計必然與北美的電纜設(shè)計有所區(qū)別，故這一套評價規(guī)程不能完全套用在我國。以IEEE 400.2—2013判據(jù)作為參考，建立適合于我國的評判體系，是非常關(guān)鍵的一步。

3.2 超低頻介損判據(jù)體系

為了解決國際規(guī)程判斷交聯(lián)聚乙烯電纜時所存在的問題，需要有新的判據(jù)來補充現(xiàn)有的IEEE判據(jù)不足的現(xiàn)象。因此，在吸納Skirt判據(jù)的基礎(chǔ)上，提出反向介損變化率和介損極差兩種判據(jù)。

反向介損變化率指的是0.5U0和1.5U0下的介損平均值之差，它所表征的含義是介損的電壓穩(wěn)定性，可以進一步補充電纜介損變化率的負值特性；介損極差指的是3個測試電壓24個測量周期介損的最大值與最小值之差，它所表征的含義是介損的電壓和時間綜合穩(wěn)定性，可以補充IEEE判據(jù)只能對單個因素影響的判斷；對于Skirt判據(jù)，它已在韓國應用近十年，它與介損極差的意義相近，指的是1.5U0下所測8個周期介損的最大值與最小值之差，它表征的也是介損的時間穩(wěn)定性。這樣，完善的判據(jù)體系包括介損平均值、介損變化率、介損隨時間穩(wěn)定性、反向介損變化率、介損極差及Skirt，可以更全面地描述介損的老化情況[9]。這一超低頻介損判據(jù)體系，可以為國內(nèi)建立完善全面的評價標準提供一定的參考。

3.3 最優(yōu)判斷閾值的確定

目前，IEEE 400.2—2013國際規(guī)程對電纜運行狀態(tài)的分級依賴威布爾分布及帕累托法則。通過威布爾分布建立電纜的壽命分布模型，通過帕累托法則，以80%和95%為界限，對其進行分級，從而形成國際評價規(guī)程。為了進一步建立更加符合該地區(qū)的評價規(guī)程，選取200組實測數(shù)據(jù)，對介損平均值、介損變化率、介損隨時間穩(wěn)定性三個指標進行威布爾分布擬合，并進行狀態(tài)分級，選取最優(yōu)分級判斷閾值，圖5為數(shù)據(jù)擬合流程。

圖5 數(shù)據(jù)擬合流程

根據(jù)圖5所示的評價規(guī)程的確定步驟，將試驗數(shù)據(jù)進行威布爾分布擬合，所得到的表達式分別為

式（3）～式（5）代表的分別為介損平均值、介損變化率、介損隨時間穩(wěn)定性的威布爾分布函數(shù)，其威布爾分布函數(shù)擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 威布爾分布函數(shù)擬合結(jié)果

進行分布擬合后，觀察擬合曲線，擬合效果較好。選擇狀態(tài)區(qū)間后，確定其分級判據(jù)閾值，對比見表3。

表3 0.1Hz超低頻介損測試數(shù)據(jù)匯總

分析表3，利用威布爾分布新確定的分級閾值與IEEE國際規(guī)程分級閾值有較大差距，80%的分級判斷閾值中，介損平均值新的分級判斷閾值與國際規(guī)程的判斷閾值相差31.23%，介損變化率相差26%，介損隨時間穩(wěn)定性相差7.98%；在95%的分 級判斷閾值中，介損平均值新的分級判斷閾值與國際規(guī)程的判斷閾值相差53.24%，介損變化率相差18.2%，介損隨時間穩(wěn)定性相差57.01%，且新的分級判斷閾值均小于IEEE國際規(guī)程中的值。

綜上所述，新的80%的分級判斷閾值與IEEE國際規(guī)程中的值差距不大，造成誤判的情況較少；但新的95%的分級判斷閾值遠小于IEEE國際規(guī)程，在試驗數(shù)據(jù)分析時，若采用IEEE國際規(guī)程進行判斷，易將處于需要采取檢修行動狀態(tài)的電纜判斷為處于建議進一步測試狀態(tài)，造成測試時間的增加，嚴重時可能導致電纜運行的危險程度增加。

根據(jù)上述步驟所確定的新的分級判斷閾值，可以更加準確、快速地反映出當?shù)仉娎|的實際運行情況，較IEEE國際規(guī)程有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1）交聯(lián)聚乙烯電纜老化特性可以由介質(zhì)損耗反映，兩者之間具有較強的聯(lián)系，傳統(tǒng)的工頻電壓難以反映電纜測試的相關(guān)信息，超低頻高壓測試介質(zhì)損耗是現(xiàn)在流行的一種高效的測試方法。

2）介質(zhì)損耗是反映電纜老化特性的重要指標，但當電纜發(fā)生較為嚴重的局部劣化時，會使測量得到的介質(zhì)損耗值增大，使介質(zhì)損耗難以準確反映整條電纜的老化、劣化情況。因此在采用介質(zhì)損耗評判整條電纜的運行情況時，需要保證電纜沒有嚴重的局部劣化。

3）在IEEE的評價標準下，按照介損隨時間穩(wěn)定性、介損變化率及介損平均值三項指標對我國電纜的老化程度進行評定，其評價標準是否適用仍值得商榷。因此，在現(xiàn)有的三種判據(jù)之外，再加入反向介損變化率、介損極差及Skirt判據(jù)，形成了更為全面的介損判據(jù)。在此基礎(chǔ)上，可以運用威布爾分布等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法來對我國現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行擬合分析，并確定分級閾值，從而確定適合我國的超低頻介損評判標準。新的分級判斷閾值可以更加準確地反映電纜的運行狀態(tài)。該方法可以為我國建立更加完善全面的電纜評價標準提供參考。