浅析电力电缆绝缘性能检测方法

0　引言
由于交联聚乙烯电缆绝缘性能好,易于制造和安装方便,近年得到了迅速的发展。随着城网改造和农网改造的实施,电力电缆的利用比重也会越来越高,如何维护使用好已有的电力设备,提高供电可靠性就显得十分必要,电缆的运行状况直接关系到电力系统的安全运行及供电的可靠性。过去,我国广泛使用的预防性试验是采用定期停电进行试验的方法,属于离线检测。然而,随着电力供应的发展,这种停电试验的传统方法已愈来愈不能适应电力生产和供应的实际需要。因此研究电力电缆在线监测技术,可及时对电缆进行合理的维护、检修及更换,对保证电缆可靠运行具有重要的意义。近年来不少研究者提出了一些新的带电检查的测试方法,这些方法对预先发现电缆绝缘的下降状况很有作用。
1　电力电缆性能不带电检测方法
随着城市建设的发展,电力电缆在城网供电中所占的份量也越来越重,在一些城市的市区逐步取代架空输电线路;同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长,电缆的故障也越来越频繁。由于电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性等原因,使电缆故障的查找非常困难[1]。电力电缆故障按性质可分为串联（断线）故障及并联（短路）故障两种,后者按绝缘外是否有金属护套或屏蔽可分为主绝缘故障（外有金属屏蔽）,外皮（外护套）故障（无金属屏蔽）的故障。主绝缘故障根据测试方法不同,按故障点的绝缘电阻Rf大小可分为①金属性短路（低阻）故障,其中Rf不同仪器及方法选择各不同,一般Rf<10 Z0（Z0为电缆波阻抗）;②高阻故障;③间歇（闪络）故障三种。三者之间没有jue对的界限,主要由现场试验方法区分,与设备的容量及内阻有关。近十年来我国城市电网大量采用XLPE电力电缆,根据电缆的故障,国内外有各种不同的测试方法。
1.1　电桥法及低压脉冲反射法
20世纪70年代前,世界上广泛使用电桥法及低压脉冲反射法进行电力电缆故障测试,两者对低阻故障很准确,但对高阻故障不适用,故常常结合燃烧降阻（烧穿）法,即加大电流将故障处烧穿使其绝缘电阻降低以达到可以使用电桥法或低压脉冲法测量的目的。烧穿方法对电缆主绝缘有不良影响,现已很少使用。
1.2　高压直流闪测法和冲击闪测法
分别测试间歇故障及高阻故障,两者都均可分为电流闪测法和电压闪测法,取样参数不同,各有优缺点。电压取样法可测率高,波形清晰易判,盲区比电流法少一倍,但接线复杂,分压过大时对人及仪器有危险。电流取样法正好相反,接线简单,但波形干扰大,不易判别盲区大。两种方法目前是国产高阻故障测试仪的主流方法,主要有西安四方、山东科汇、苏州高压所等产品。高压电流、电压闪测法基本上解决了电缆高阻故障问题,在我国电力部门应用十分广泛,且应用十分丰富经验,但仪器有盲区,且波形有时不够明显,靠人为判断,有时未能成功,仪器的精度及误差相对较大。
1.3　二次脉冲法
这是二十世纪90年代出现的测试技术,因为低压脉冲准确易用,结合高压发生器发射冲击闪络技术,在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲,此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射,并将波形记忆在仪器中,电弧熄灭后,重新发一正常的低压测量脉冲到电缆中,此低压脉冲在故障处（高阻）没有击穿产生通路,直接到达电缆末端,并在电缆末端发生开路反射,将两次低压脉冲波形进行对比,非常容易判断故障点（击穿点）位置。仪器可自动匹配,自动判断计算出故障点距离。二次脉冲法的出现,使得电缆高阻故障测试变得十分简单,成为z先进的测试方法。
对于二次脉冲法,无论是奥地利的Baur公司,还是德国Seba公司的产品原理是一样的,只是在实现上有差异:前者强调起弧与触发脉冲配合,由内部通信装置对冲击电流进行阻尼,同时也增加了冲击电流的冲击宽度来实现;而后者则采用专门稳弧仪,强调延长电弧时间,保证低压脉冲在起弧期间到达。这种方法与国内生产高压电流或电压法测试仪相比具有以下优点:
①一体化设计,结构紧凑（compact）,只要接入电源,接好地线,连接被测电缆即可进行各种测试方法的操作,接线简单,切换容易,安全可靠。
②自动化程度高,实现自动匹配、自动保护、自动判断、自动计算,并可以进行打印或将图形存入软盘, 在计算机进行数据分析。③无盲区问题:考虑到仪器本身的馈线以及外接的高压电缆引线长度,因此进行仪器调试时,引入“tm”测试,首先测试每种方法中的脉冲波经过仪器到达引线末端所经历的时间“tm” 值,并输入记忆的系统中;测试电缆时,仪器会自动将原点（起点）定在该方法的“tm”时刻处,因“tm”为定值与波速度选择无关,无论波速度选多少,同一种方法中脉冲在仪器本身及引线所经历的时间“tm”是不变的;所测波形中tm时刻点即为所测电缆的始端,因此测量时没有盲区的概念。④精度高:采用 Baur公司IRG300回波仪采样频率已达200 MHz,以波速为=160 m/μs计算,精确度可达0.4 m。由于这套仪器的自动化程度高、精确,操作简单,克服了电流、电压冲击法的不足,有效解决了高阻故障测试的困难,只要波速度选择正确,测量结果非常准确。
2　电力电缆绝缘性能带电检测的方法[2-4]
现在,国内外广泛开展带电检测方法的研究,提出了多种方法。实际的运行过程中发现,大部分电力电缆故障是由电缆绝缘发生劣化引起的。引起这种电缆发生劣化的原因较多（有电劣化、热劣化、化学劣化、机械劣化甚至鼠虫害引起的劣化等）,但z主要仍是电劣化。其主要劣化形态为:①局部放电电劣化;②电树枝劣化;③水树枝劣化。研究表明33 kV以下的固体绝缘电缆中,引起绝缘劣化的主要是水树枝劣化。但无论哪种劣化都可能造成绝缘电阻的下降,泄漏电流的增加及介质损耗tgδ变大等现象。使得在工作电压下交流损失电流变大,使得流过绝缘的电流中所含的直流分量增大。因此,可以通过对电缆绝缘的在线监测来测定劣化信号,判定电缆绝缘是否能继续运行。电缆绝缘的劣化信号一般来说其微小,如因树枝状劣化产生的直流分量电流为nA级,z大的也只不过为μA级。因此, 国外在对高分子绝缘材料劣化的基础物理过程进行大量研究的基础上,针对劣化信号,研究并采取了相应的监测措施。电缆绝缘在线监测的方法有很多种,如直流电流法,直流电压迭加法,交流电压迭加法,低频交流迭加法等等。
2.1　直流电流法
电缆在交流电压作用下,若发生水树枝劣化,则电流中含有直流成分,且树枝劣化长度与直流分量电流存在一定关系,故研究采用直流电流分量监测法。但由于直流分量电流小（一般为nA级）,因此容易受到杂散电流的干扰。且在电缆端部表面泄露电阻因胀污或因雨而下降时,测量误差很大,故此必须要清拭端部且要在天气晴好时测量,所以这种方法的使用受到很大的限制。
2.2　直流电压迭加法
针对电缆中水树枝长度与绝缘电阻的关系,研究了直流电压迭加法。直流电压迭加法因散杂电流的变化或端部表面泄露电阻变低而产生较大的测量误差。且直流电压是经中性点接地的电压互感器旋加于电缆的,若互感器中长期流过直流电源会发生磁饱和现象而产生零序电压,可能使变电所内继电器误动作。
2.3　低频交流迭加法
针对电缆中水树枝长度与绝缘电阻的关系,研究了低频交流迭加法。低频交流迭加法是一种较好的方法,所监测的交流损失电流在原理上随着劣化的发展而变大的。但在使用中应认真确认电缆端部的工作状态,例如为调整端部电场分布而装有应力环时,即使电缆绝缘良好,交流损失电流也较大,那么仅根据在线监测的信号,就可能作出”绝缘不良”的误判断。
2.4　交流电压迭加法
交流电压迭加法的测量原理是:在电缆的屏蔽层上迭加101 Hz（即2倍工频+1Hz）的交流电压,监测树枝劣化而产生1Hz的劣化信号。由于树枝劣化的电缆上迭加工频+约1 Hz电压时,被测的劣化信号z大,可采用这种方法检测出1 Hz的劣化信号的强弱来判断电缆劣化的程度。这种监测方法的优点是:①可从电缆接地线处迭加电压,测定简单方便,不仅可作为在线监测,也可作带电监测,用一套设备监测多条电缆;②因迭加电压检测的是已知劣化信号,即1 Hz信号,故检测精度高,抗干扰能力强;③受铠装绝缘电阻及端部污损等因素影响较小。
3　结论
通过以上的分析比较,我们可以发现在不带电检测方法中,二次脉冲法是一种比较好的方法,在带电检测的方法中,交流电压迭加法是目前比较好的一种方法。虽然带电检测的方法还不很成熟,比如对绝缘劣化程度的判断等方面,还需要做大量的研究工作,但是这是电力电缆检测的一种发展方向。