電力電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測研究進展

高澤賢

摘? 要：近年來，我國對電能的需求不斷增加，電力工程建設(shè)越來越多。電力電纜由于制作、安裝及超長年限服役等原因，易出現(xiàn)絕緣故障及異常發(fā)熱等現(xiàn)象。根據(jù)不同的故障原因、故障特征、故障檢測方法，本文就電力電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測技術(shù)進行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：電力電纜;絕緣狀態(tài);在線監(jiān)測

引言

現(xiàn)階段，電力電纜在城市建設(shè)中占比越來越高，供電部門為使電力電纜穩(wěn)定運行，在電纜上安裝了大量在線監(jiān)測傳感器，用于監(jiān)測線路運行狀態(tài)。然而，受到在線監(jiān)測裝置運行環(huán)境限制，通常需要采用220V交流或低壓直流進行供電，但是電力電纜在敷設(shè)過程中極少專門敷設(shè)監(jiān)測設(shè)備供電電源。多數(shù)情況下，只能采用電池作為主要供電電源，并配合防水、防電場干擾等防范措施，確保在線監(jiān)測裝置長期運行。隨著饋線電纜敷設(shè)里程迅速攀升，加之前期投運電纜運行時間增加，運行電纜絕緣故障導(dǎo)致的停電事故呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，目前已成為影響鐵路饋線正常運行的一大突出問題。

1直流耐壓試驗

對于中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的絕緣耐壓試驗，GB50150 —2016《交接和驗收試驗標(biāo)準(zhǔn)》和DL/T596—2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》均規(guī)定應(yīng)進行直流耐壓試驗和按泄漏電流測評。但交聯(lián)聚乙烯電力電纜絕緣介質(zhì)的體積電阻率達(dá)到1017·m以上，直流電場的作用會導(dǎo)致絕緣層內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷聚集，交聯(lián)聚乙烯絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙、雜質(zhì)等局部缺陷處會發(fā)生電場畸變，局部電場強度可能上升至30kV/mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過交聯(lián)聚乙烯絕緣介質(zhì)的擊穿場強，從而導(dǎo)致絕緣材料內(nèi)部發(fā)生局部放電，形成不可逆的樹枝狀早期劣化，甚至發(fā)生擊穿故障。此外，在直流耐壓試驗過程中，會有電子不斷注入到交聯(lián)聚乙烯電纜介質(zhì)聚合物的內(nèi)部，在半導(dǎo)電層內(nèi)部微小空隙等處產(chǎn)生空間電荷積累，在電纜重新投運后，電荷積聚產(chǎn)生的電場與加載的交流電壓相互迭加，發(fā)生絕緣擊穿。目前根據(jù)GB50150—2016《交接和驗收試驗標(biāo)準(zhǔn)》的17.0.2條規(guī)定，直流耐壓試驗及泄漏電流測量僅限用于額定電壓U0/U為18/30kV及以下橡塑絕緣電力電纜，單相27.5kV（U0）交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜不在其規(guī)定的范圍內(nèi)，直流耐壓試驗及泄漏電流測量已不再被允許。

2現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)總結(jié)

從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電纜屏蔽層、鎧裝層接地方式按照規(guī)定一端直接接地，另一端經(jīng)護層保護器接地（或懸空，懸空不影響接地電流測試數(shù)據(jù)）時，在電纜絕緣良好情況下，接地電流波動范圍小，不隨負(fù)荷電流大小改變而改變，接地電流大小與電纜長度基本呈正比關(guān)系，電纜越長，接地電流越大。如果接地電流大小隨著負(fù)荷改變而改變，那么在電纜鎧裝層沒有破損接地情況下，一種可能是鎧裝層屏蔽層兩端都直接接地，另一種可能是電纜絕緣不好。電纜絕緣不好的接地電流波動范圍特別大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩端直接接地的環(huán)流。

3局部放電源定位

對于電力電纜局部放電的監(jiān)測，方法多樣且各有優(yōu)劣。在監(jiān)測到局放信號后，還應(yīng)對局放源進行精確定位，才能更有效地開展電力電纜的故障處理工作。目前，應(yīng)用較多的局放源定位方法，是時域反射法（TDR），該方法通過計算同一脈沖在初次到達(dá)和反射到達(dá)電纜一端的時間差，并結(jié)合局部放電脈沖信號在電纜中的傳播速度等參數(shù)，對局部放電源進行定位。但由于局放信號在電纜傳播過程中受到衰減、頻散、反射等因素的影響，且隨著電纜系統(tǒng)連接日趨復(fù)雜，局放信號的傳輸路徑受到影響，使得TDR法在實際電纜網(wǎng)中局放定位效果并不理想，一般只適用于短距離電纜局放定位。

4溫水交聯(lián)溫度與交聯(lián)時間

硅烷交聯(lián)絕緣經(jīng)擠塑機擠出成型后，材料只是熱塑性材料，必須在水的參與下，經(jīng)水解縮合變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為交聯(lián)聚乙烯。這一過程是把盛裝有絕緣線芯的電纜盤放入90℃以上的溫水中一定時間，水分子充分滲入聚乙烯分子之間，硅烷支鏈的聚乙烯分子發(fā)生水解縮合反應(yīng)，生成交聯(lián)聚乙烯，這一過程即通常所說的溫水交聯(lián)。因為線芯絕緣厚度不同，水分滲入絕緣內(nèi)部的時間也不同，所需交聯(lián)時間也不同，絕緣厚度越大，交聯(lián)時間越長。也有采用常壓蒸汽代替溫水，把裝有絕緣線芯的電纜盤放入蒸汽房（類似于蒸汽浴的桑拿房）中一定時間，使絕緣充分交聯(lián)。采用蒸汽法比溫水法的交聯(lián)時間要長1～3h。一般而言，1kV溫水交聯(lián)電纜的交聯(lián)條件為（90±5）℃的水中加熱4～6h。而對于10kV溫水交聯(lián)電纜，由于絕緣較厚，水分滲入絕緣內(nèi)部的時間較長，同時由于絕緣外屏蔽材料的耐熱性較差，在（90±5）℃的水中加熱可導(dǎo)致外屏蔽粘連的問題，因此一般將水溫控制在（75±5）℃之間，因此交聯(lián)反應(yīng)所需的時間進一步增長，交聯(lián)速度較慢，效率較低。需要指出的是，硅烷交聯(lián)聚乙烯料即使水煮交聯(lián)工藝不充分，在室溫下也將慢慢地進行交聯(lián)，這是因為材料中含有催化劑、微量的水分引起的，因此其交聯(lián)程度是在隨時間變化的。隨著絕緣材料技術(shù)的進步，還出現(xiàn)了免水煮硅烷交聯(lián)聚乙烯料，是在普通二步法硅烷交聯(lián)聚乙烯電纜料的基礎(chǔ)上進一步改性而來的，可在常溫常壓下自然交聯(lián)。它在擠出工藝不變的基礎(chǔ)上，免去了電纜成型后水煮這一工序，特別適用于沒有低壓蒸氣源和溫水池的情況。

5與時域反射法相結(jié)合的振蕩波電壓法

振蕩波電壓法的實驗原理合理利用了測試對象的電容屬性，通過對試樣預(yù)施加直流電壓，然后與諧振電感構(gòu)成串聯(lián)諧振電路實現(xiàn)直流到交流振蕩波的轉(zhuǎn)換，該電路結(jié)構(gòu)使得振蕩波法具備了直流電壓法靈巧和交流電壓法等效性的特點，因此振蕩波電壓法能夠適應(yīng)更大容量的電力設(shè)備和更長距離的電力電纜（或同回路的多根電纜同時檢測，有效提高檢測效率），同時也能更有效地激發(fā)電纜缺陷處的局部放電。此外，振蕩波還具備阻尼衰減的特性，在測試過程中對電纜注入的能量不足以激發(fā)缺陷進一步的發(fā)展，屬于非破壞性試驗。因此，國內(nèi)各研究機構(gòu)和各制造業(yè)大力發(fā)展振蕩波技術(shù)。振蕩波局部放電測試技術(shù)在配網(wǎng)電纜預(yù)防性試驗中得到了廣泛應(yīng)用，并能有效檢測出部分重要缺陷，為城市供電系統(tǒng)運行可靠性提供保障。同時在鐵路電纜領(lǐng)域，采用振蕩波方法對電纜絕緣狀態(tài)進行檢測也有大量的應(yīng)用。振蕩波電壓法與近年來廣泛應(yīng)用的時域反射法相結(jié)合，形成了用于長電纜缺陷定位的振蕩波測試系統(tǒng)，振蕩波電壓能夠有效施加在長電纜上，為長電纜中缺陷的探測和定位奠定有效基礎(chǔ)。例如，目前川藏鐵路電纜面臨最迫切的問題是在高寒高海拔環(huán)境下頻繁沖擊負(fù)荷與外界極低溫度協(xié)同作用對電纜絕緣特性的影響，在這種環(huán)境下，電纜附件復(fù)合界面局放發(fā)展將更加劇烈。針對電氣化鐵路，通過振蕩波電壓法與時域反射法相結(jié)合實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的檢測具有廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)語

綜上所述，本文就現(xiàn)有的電纜絕緣狀態(tài)現(xiàn)場檢測評估方法的特點和原理進行闡述，提出將目前工程領(lǐng)域廣泛采用的振蕩波電壓法與時域反射法相結(jié)合的方法，可以實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的有效檢測，該方法已多次應(yīng)用于鐵路饋線電纜絕緣狀態(tài)檢測，具有廣闊的發(fā)展前景。

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