10kV交联聚乙烯电缆绝缘老化超低频介损试验的研究

10kV交联聚乙烯电缆绝缘老化超低频介损
试验的研究
李宗辉陈林艳陈艺伟
（国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建泉州 362000）
摘要本文主要介绍超低频介损局放测试技术在10kV交联聚乙烯电缆的应用。

根据国际电工
委员会IEEE 400.2—2013屏蔽电缆超低频（小于1Hz）现场测试指南，对测试数据进行了分析，
并对泉州地区19条老旧电缆进行超低频介损局放试验。

结果显示，19个中的6个电缆处于关注或
者检修状态，部分电缆中发现水树枝。

这些电缆如果继续投运，将极有可能发生故障导致停电。

超低频介损测试可以有效评估交联聚乙烯电缆的绝缘老化状态，进而为配电检修提供指导，有助
于提升配电网的安全性和可靠性。

关键词：超低频介损；ccc电缆；水树；配电网
Study on ultra-low frequency dielectric loss detection of
10kV cross-linked polyethylene aged cable
Li Zonghui Chen Linyan Chen Yiwei
(State Grid Fujian Electric Power Company Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou, Fujian 362000) Abstract This paper mainly introduces the application of ultra-low frequency dielectric loss partial discharge test technology in 10kV XLPE cable. Through the ultra-low frequency dielectric loss partial discharge test of 19 old cables in Quanzhou area. According to IEEE 400.2—2013, the test data are analyzed. The results show that 6 of the 19 cables are in the state of concern or maintenance, and some of the cables are found with water branches. If these cables continue to be put into operation, there is a high probability of failure leading to power failure. Ultra low frequency dielectric loss test can effectively evaluate the insulation aging state of XLPE cable, provide guidance for distribution maintenance, and help to improve the safety and reliability of distribution network.
Keywords：ultra-low frequency (ULF) dielectric loss detection; cross-linked polyethylene (XLPE) cable; water-tree; power grid
随着城市发展和美化市容的需要，电缆线路已经越来越受到人们的青睐。

交联聚乙烯（cross- linked polyethylene, XLPE）电缆易于铺设，占地面积小，具有高工作温度、低介电损耗和高电气强度的特性。

然而，电缆在生产和敷设过程中的缺陷以及不合格的施工工艺将破坏电缆整体的绝缘水平，严重影响整条电缆线路的安全。

目前，泉州市在运电缆共6488回，合计164.7km。

近10年期间，泉州公司所辖配电电缆线路共发生故障437起，其中导致主线全线停电故障有150起，占比34.3%，外破101起，占比23.1%。

其中：电缆附件故障占配电电缆线路故障总数的比重为85.6%；电缆本体故障占比13.4%。

在电缆附件故障中，进水受潮及工艺不良是主要原因。

因此，为了保障供电可靠性，必要的交接试验和例行试验有助于供电企业了解这些电缆的绝缘水平和老化状态[1-2]。

2018年，国家电网公司开始注重配电电缆绝缘测试技术领域，并由各省公司对所辖区域配电电缆的绝缘状态进行技术分析和评估，主要采用振荡波（OWTS）以及超低频（ultra-low frequency, ULF）介质损耗测量方法 [3-4]。

随着技术的不断进步，现有的电缆绝缘性能检测方法也在不断更新。

目前应用较多的主要有介质
损耗因数（tanδ）法/直流叠加法/交流叠加法、局部放电法和直流泄露电流法等[5]。

国内外也有不少专家学者对电缆新型检测方法开展了相应的研究及探讨：如国内唐炬等利用局部放电法对高压电缆附件进行局放检测分析，并对检测传感器的安装位置进行了充分探讨和分析验证[6]；日本科学家S. TAKASHI等[7]通过在实验中叠加直流电压来测量电缆绝缘电阻，通过电桥配置来改善检测精度。

现有的在线检测方式方法存在易受环境干扰、精度不高、检测信号微弱等缺陷，远未达到可以大规模应用的条件。

相比其他绝缘测试方法，ULF介损测试主要是在20世纪90年代初在国外开始发展应用的。

M. Kuschel等[8]对中压绝缘材料XLPE、乙丙橡胶（EPR）等中压绝缘材料在0.1～50Hz工频电压下的tanδ值变化进行频谱分析，发现0.1Hz电压下的tanδ值明显大于50Hz下的tanδ值，说明绝缘材料在0.1Hz试验电压下更能反映出绝缘材料的老化水平。

0.1Hz的ULF介损测试相对于其他试验方式，可以有效降低设备容量，并且不存在空间电荷的注入与抽出问题。

ULF介损检测方法相对于其他检测方法，其功能更加全面。

该方法可以检测电缆的大部分缺陷（如因电缆受潮、接头老化、绝缘破坏、局部放电、水树枝、电树枝劣化等造成的电缆绝缘性能下降），可以衡量电缆整体老化状态，且由于其较低的频率对电缆伤害较小，是进行电缆交接试验、停电预试、诊断性试验时采用的有效测试方法，目前在世界上应用较为广泛。

近年来，ULF介损检测技术在国内应用也日趋广泛，相关理论与实际研究已有一定基础，但一般多针对单条或数条电缆进行诊断研究，在相关经验数据的积累方面仍存在不足[9-10]。

基于此，本文应用ULF介损检测技术，检测泉州市19条在运电缆的绝缘性能。

根据IEEE 400.2—2013[3]指南国际电气和电子工程师学会（IEEE）分析数据评估测量的电缆绝缘水平，对故障电缆进行解体诊断，并对引起故障的主要因素进行评估分析。

1 ULF介损
1.1ULF介损原理
tanδ称为介质损耗，一般是指绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应而在其内部引起的能量损耗。

tanδ只与材料特性有关[11]，电缆绝缘等效于电容和电阻并联模型。

根据tanδ的定义，其值等于在一定频率下电阻电流与电容电流的有效比值，即
1
tan R
C
I
I RC
δ
ω
==（1）式中：δ 为损耗角；I R为电阻泄露电流值；I C为容性电流值；R为直流泄露电阻；C为等效电容。

可以看出，随着频率的增加，tanδ值减少。

在工频电压下，XLPE电缆的绝缘电阻很高，可达到1014～1015Ω·m，即
1
R
C
ω
（2）tanδ值非常小，这使得它在工频电压下难以精确测量。

因此，考虑降低测量频率，较低频率下的测量有助于提高测量精度和灵敏度。

一些国内外研究表明，在0.1Hz频率下检测绝缘缺陷更有参考价值[12-13]。

1.2 ULF介损与电缆绝缘老化的关系
介质损耗不仅包括电导损耗，还包括极化过程中的内部损耗。

未老化的XLPE电缆的介电常数与频率无关，但如果绝缘层中有水树枝，介电常数就会在一定程度上发生变化。

结果表明，在交变电场中，由于极性端基的产生和微裂纹中导电离子的聚集，会导致分子与基团之间发生极化、去极化以及相互吸引。

水树枝的极化损耗在低频测试下将会出现[14]。

在工频电压下测量介电损耗时，水树中的极性组较不活跃，使得在工频电压下水树劣化引起的绝缘极化损耗不明显。

可以看出，0.1Hz ULF tan能较好地反映水树退化引起的极化损失[15-16]。

在一定的频率下，很难量化水树劣化过程中的绝缘极化损耗，但可以在不同的电压下进行检测，并通过水树非线性特性的差异来评价水树劣化的发展。

根据IEEE P400.2—2013[4]（有屏蔽层电力电缆系统绝缘层现场型试验与评估导则），XLPE电缆的老化状态可通过介损平均值、介损变化率和ULF介损随时间稳定性3个指标来评价，其评价标准具体见表1。

2 ULF介损试验
2.1测试方法简介
ULF介损测量可以使用正弦波和余弦方波两种波形，各有利弊。

余弦方波的优点是兼有直流和交流的特点，当极性发生变化时，利用谐振原理可
表1 IEEE 400.2—2013评价标准
电缆绝缘层老化状态评价结论
介损变化率
[1.5U o与0.5U o ULF介损
平均值的差值（10−3）]
条件
关系
ULF介损随时间稳定性
[U o下测得的标准偏差（10−3
）]
条件
关系
介损平均值
U o下（10−3）
健康级设备，无需采取检修行动＜5 And＜0.1 And ＜4
关注级设备，建议进一步测试5～80 Or0.1～0.5 Or 4～50
检修级设备，需要采取检修行动＞80 Or＞0.5 Or ＞50
以实现能量循环利用，因此功耗较低。

然而，余弦
方波需要复杂的数据处理，如傅里叶变换或哈蒙近
似，从而才能得到tanδ的值。

正弦波波形的优点是
兼容电网波形，测量介质损耗值时同时激发电缆局
放，但频率为工频的1/500，相对于工频电压的对试
品伤害较小。

文献研究表明，通过哈蒙近似方法得
到的tanδ值与正弦波测量结果[17]有很好的一致性。

因此这两种方法对电缆绝缘老化状态的评价几乎没
有差别（余弦波最高试验电压较低）。

本文采用
Onsite ULF介质损耗测试仪，输出电压为标准正弦
波。

现场测试如图1所示。

图1现场测试图
2.2试验准备
1）电缆测距。

采用测距仪对电缆线路的长度、
接头位置与数量进行测试。

2）绝缘电阻测量。

在ULF介损测试前，采用
5000V绝缘摇表测量电缆的绝缘电阻。

3）试验接线。

检查电缆终端是否清洁并处于良
好状态，在电缆终端鼻子处套上均压环，将高压连
接电缆一端与被测电缆终端连接，另一端与测试主
机连接，将其他相电缆终端与检测装置接地。

4）参数设置。

测试前在测试主机上输入电缆名
称、长度、电缆绝缘类型、敷设方式等信息，选择
油纸电缆或者交联电缆测试程序。

5）介损测试。

点击开始测试按钮，对被测电缆
进行加压，分别测试在0.5U o、1.0U o、1.5U o这3个
电压下的相关介损数据，得到介损值以及测试曲线。

6）数据保存。

将测试结果与测试报告通过USB
接口保存至PC。

2.3试验结果
本次试验试品为泉州市配电网19条在运电缆。

其中，8条电缆线路测试结果为健康级别，6条电缆
线路处于关注级别，5条电缆线路为检修级别。

具
体结果分别见表2—表4。

表2电缆ULF介损测试结果（健康级）
介损变化率
[1.5U o与0.5U o ULF介损
平均值的差值（10−3）]
ULF介损随时间稳定性
[U o下测得的标准偏差（10−3）]
介损平均值
U o下（10−3）
电缆
标号
投运年月
A B C A B C A
B
C
1 2010年11月 2.61 3.06 3.5
2 0.04 0.05 0.05 1.55
3.18
2.11
2 2011年10月0.49 0.16 0.91 0.0
3 0.01 0.02 0.51
0.38
0.50
3 2011年12月0.58 0.25 0.18 0.01 0.01 0.01 0.33
0.32
0.29
4 2012年12月0.21 0.20 0.20 0.01 0.01 0.01 0.08
0.10
0.09
5 2014年11月0.20 0.20 0.13 0.01 0.01 0.01 0.09
0.10
0.08
6 2015年11月0.62 0.68 0.76 0.01 0.01 0.01 0.52
0.50
0.69
7 2016年6月0.06 0.01 0.11 0.01 0.02 0.01 0.15
0.07
0.21
8 2016年11月0.16 0.06 0.08 0.01 0.01 0.01 0.03
0.01
0.01
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收稿日期：2020-03-12
作者简介
李宗辉（1988-），男，硕士，工程师，主要从事配网电气检修、电力电缆检测工作。