基于振荡波电压的电力电缆绝缘检测方法研究

基于振荡波电压的电力电缆绝缘检测方法研究

骆相材

国网四川省电力公司内江供电公司

电力电缆因其良好的电气绝缘性能和机械性能广泛应用于城市输配电网络中，但在电力电缆的生产、运输、敷设和运行过程中不可避免的会产生各种缺陷，从而成为电力系统安全运行的隐患。对电缆进行绝缘缺陷诊断，可以及早发现其缺陷，确定绝缘状态，对于提高电力系统运行可靠性具有重要意义。

一、电力电缆故障常见原因

（一）外力破坏

外力破坏是电缆故障的主要原因，城市规划工作中自来水、煤气、通讯、市政、路桥、房地产、绿化等施工中造成电缆损坏约占电缆故障的58%。主要表现为机械开挖、人工打桩施工，安装、固定不牢，电缆错位、摩擦、变形，车辆辗压，地面沉降，造成电缆错位、变形，，上述外力作用往往造成电缆护套局部破损及铠装钢带变形嵌入绝缘，再加上土壤中的潮气或水分会从损伤部位侵入到电缆绝缘中，最终就会导致运行故障。

（二）电缆安装、施工的问题

据统计，10kV及以上电缆有约12%的运行故障与安装和施工质量问题有关。电缆在小于正常寿命期l/4的时间就被更换。电缆敷设未执行规范要求或施工时地理环境、天气条件影响，为电缆投入运行后留下众多隐患。

（三）电缆本体质量问题

电缆本体质量缺陷常会引起绝缘进潮，绝缘强度下降，从而发生击穿事故。通过运行经验，我们发现电缆本体绝缘缺陷是造成电缆故障的主要因素，其中绝缘进水是绝缘问题中的常见现象。近年来由于面临激烈的市场竞争，部分电缆厂家常在电缆制造过程中尽可能地取负公差尺寸以降低成本，使生产过程中稍有不慎或管理疏漏便导致电缆本体制造缺陷。

（四）过负荷运行

根据统计，约有72%的电缆线路长期运行在过负荷且缺少及时维护的状态，加之较差的散热环境，使得夏季环境温度较高时，过负荷运行的电缆本体热量无法散出温度过高，加剧整根电缆的绝缘老化，留下事故隐患。

二、电力电缆常见检测方法对比

对电缆进行一系列的非破坏试验(绝缘电阻、试验、直流泄漏试验)，能发现一部分绝缘缺陷，但是因为这些试验的试验电压比较低，对电缆某些局部缺陷反映不灵敏，而这些局部缺陷在实际运行中可能会逐渐发展成为影响安全运行的严重隐患。耐压试验可以发现电缆某些局部缺陷和集中性缺陷，但是由于检测设备等问题的局限性，在现场进行交流耐压试验很困难而且很不经济。直流耐压试验可以大大降低电源的要求，但对XLPE电力电缆，由于其绝缘电阻较高，且交流和直流下电压分布差别较大，直流耐压试验后，在XLPE电缆中，特别是电缆缺陷处会残留大量空间电荷，电缆投运后，这些空间电荷常造成电缆的绝缘击穿事故。会对XLPE电力电缆造成损伤，减短电缆的使用寿命。研究发现，电缆的局部放电量与其绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘可能存在危害电缆安全运行的缺陷，因此准确测量电缆局部放电量是判断电缆绝缘品质的最直观、理想、有效的方法。国内外的专家学者以及IEEE、CIGRE等国际电力权威机构组织一致推荐局部放电试验是电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。

振荡波试验系统(OSWT)是近几年国内外供电单位尝试使用并替代交流耐压的一种新兴试验技术。近几年，由于快速关断开关等技术得到解决，美国、荷兰、日本、新加坡及中国北京、济南、上海等地的电力部门才开始引入这种方法，也先后证明该方法在检测电力电缆尤其是中压电缆系统绝缘状态的有效性。振荡波测试电源与交流电压等效性好,作用时间短、操作方便、轻便灵活、便于携带运输,可发现电力电缆中的各种缺陷并且可以进行故障定位,而且试验中不会对电缆造成损伤。

三、振荡波电压试验检测能力

振荡波电压与交流电压的绝缘试验等效性较好，前者作用时间短，操作方便,即使耐压试验时所加电压超过电缆的额定电压一定幅值，也不会在电缆中引发新的缺陷。应用振荡波电压检测电力电缆中的气隙缺陷及施工中留下的缺陷很有效，在检测电缆中的电树枝时，电树枝起始电压与电缆击穿电压有一定差距。因此应用振荡波电压进行电力电缆竣工或维修后的交接试验是较理想的实验方法。

振荡波电压和50Hz交流电压下的局放定位结果一致，说明了振荡波电压和交流电压的等效性。振荡波电压下电缆局放起始电压与振荡波电压频率无关，而局放量随振荡波电压频率降低而增加,通过合理选择振荡波频率，可检测电力电缆局放。利用振荡波电压进行XLPE电缆耐压试验时结合局放检测，可更加有效发现电缆缺陷，且系统具有轻便、灵活、易于实现的特点，较适合于现场试验,具有广阔的应用前景。

四、电力电缆振荡波电压绝缘检测方法与仿真

电力系统中存在大量的暂态电压信号，暂态电压和电流中含有反映电气设备绝缘缺陷的更多信息。利用振荡波电压的暂态电压和电流进行电力电缆绝缘缺陷的诊断，以振荡波电压下的暂态电压和电流为信息源，以依赖于电压和电流的判别函数为诊断依据，实施对试品有无绝缘缺陷(含严重程度)的诊断。

（一）振荡波电压模型

现场调查表明，电力系统中的电气设备上的暂态电压波形是一种冲击振荡波。这种冲击振荡波主要由系统的正常操作、雷电、故障等原因产生。主要是雷电和操作冲击振荡波。对于每个变电站来说，平均每天产生一次系统的操作波,平均每年有10次雷电波，每个GIS站平均每年有几次快速暂态过电压(VFTO)。

由于振荡波测试试验的电压源同样为冲击振荡波，我们可以充分利用振荡波测试试验(OWTS)测取暂态电压和电流信号。本文提出的检测方法并不影响现有的振荡波试验的所有判别项目，但可以充分利用现有振荡波测试试验提供的信息，提高检测和诊断方法的灵敏度和效率，有助于现有振荡波局部放电试验检测和诊断方法的扩展和创新。

（二）检测方法的仿真验证

1、仿真模型

电缆长度为10公里，ATP仿真的两种故障类型分别为电缆对地电容分别增加10倍和500倍。在电缆每100m处分别设置上述两种故障，并测得该位置处的电压、电流信号数据作为参考数据库。不同频率的稳态功率是用来模拟在50Hz，100Hz，150Hz等谐波下的暂态信号。

2、仿真验证

在电缆2km处设置对地电容增加10倍。从A处测量故障时瞬时暂态电压和电流信号。显示了在2km处测试故障与数据库故障的相异系数。

蓝线代表了测试故障与数据库中故障对地电容增加10倍时的相异系数，同样，红线对应数据库中故障对地电容增加500倍时的相异系数。相异系数越小，相关系数越大，表示故障越接近相应的故障数据库。测试故障更像是数据库中故障点的对地电容增加10倍。

事实上，在工程实践中，故障定位是未知的，但也需要确定。假设该位置是未知的，对应故障数据库中不同位置时的相异系数。

五、总结

通过模拟10公里的电缆，该方法已证明有效的诊断和定位电缆故障,可以充分利用电力系统中的振荡电压波，测得的暂态信号与相关的数据库可以实现故障诊断。如果丰富并完善更加准确的故障数据库，将得到更准确的诊断结果。同时，本文提出的检测方法并不影响现有的振荡波试验的所有判别项目，但可以充分利用振荡波试验提供的信息，提高检测和诊断方法的灵敏度和效率，有助于现有振荡波试验检测和诊断方法的扩展和创新。