上海锐测电子科技有限公司
Shanghai Infratest Electronics CO.,LTD.
Gregor CEJKA1, Edward GULSKI1, Ben QUAK2, Jaroslaw PARCIAK1, Aleksandra RAKOWSKA3
翻译：杨建4, 赵煦4
(1.onsite HV international ag; 2.Seitz Instruments AG; 3.Poznan University of Technology; 4. 上海锐测电子科技有限公司)
摘要
在国内外配电网试验与诊断实践中，阻尼交流振荡波试验和0.1Hz超低频正弦试验已广泛应用于中压电缆线路的敷设、维护和诊断试验。根据最新的IEEE 400指南可知，特别是IEEE400.4、IEEE400.2和一些国家标准和指南，这两种技术都是中压电缆试验和诊断的有效手段。本文结合实例，提出了一种新的振荡波和超低频相结合的配电电缆电压检测与诊断方案。
关键词
中压电力电缆，振荡波，0.1Hz超低频，现场诊断，状态评估，局部放电，介质损耗
引言
世界范围内配电网试验和诊断实践而言，振荡波和0.1Hz超低频试验已被广泛应用于中压电缆电路的敷设后维护和诊断试验[1]。在过去10年中，事实证明：
1）振荡波试验能够通过局部放电检测有效检测出多数绝缘薄弱点，且该方法与介损（tanδ）结合可以用来研究油浸绝缘的老化；
2）使用超低频正弦电压进行耐压试验，通过测量介损（tanδ）能够很好地诊断含水缺陷和电缆水树，虽然目前还无法明确缺陷位置。
因此，最近的IEEE 400指南（2012）和IEEE400.2、IEEE400.4表明，这两种技术都代表了中压电缆网络试验和诊断的有效手段，即多电压源技术将是现场试验和诊断的最佳的有效解决方案（见图1），然而目前绝大多数检测方案都是振荡波或超低频单系统解决方案，或者不是真正意识上振荡波与超低频正弦技术的集成。
图 1 40kV三合一系统在22kV电缆上进行现场电缆试验的示例，该系统能够同时产生振荡波电压和超低频正弦电压。
配电网故障检测与诊断的主要目是获取敷设后电缆的实际运行状态，或在维修过程中识别新的或老化过程中产生的缺陷，以预测电缆的剩余寿命，从而达到优化投资规划、消除计划外停机并实现状态检修的目的。
在绝缘可能失效的早期阶段，局部放电（PD，partial discharge）试验可用于识别、定位和评估各类中压电力电缆绝缘和附件中的薄弱点，为了获取更全面的绝缘状态，超低频正弦电压下的介损测量也常用于评估电缆绝缘状态。
基于现有的实际应用，本文提出一种创新的振荡波和超低频正弦电压相结合的可用于高达40kV电缆的试验和诊断方案。
1.振荡波试验
为了在近工频下产生几十个交流电压周期的阻尼交流（振荡波）电压，国际上采用已有20多年的实际应用的系统[2,3,12]用于现场测试，并根据IEC 60270测量和定位电力电缆中的局部放电，估计介损[4]。振荡波的工作原理决定其不需要很大的功率来补偿测试电力电缆过程中的电容性负载需求，因此其体积小、重量轻，成为现场应用的最优技术。由于大多数振荡波测试系统的工作频率（10~500 Hz）接近于工频，并且在局部放电测试期间，电源实际上未连接到谐振电路，因此不会引入噪声或干扰。振荡波的应用提供了理想的局部放电测试解决方案，得到的局部放电结果与实际电源频率相当，有助于可靠决策[9]。
1.1振荡波原理
振荡波系统一般由带保护电阻R的数控电源U、电感L和数控半导体开关组成，还有一个带有高压分压器/耦合电容器的控制单元，用于控制电压产生过程及记录最终施加的电压和局部放电[13]。
振荡波测试系统能通过数字控制电源在几秒钟内使被测电力电缆达到试验电压，单极电压通过电感器（通电阶段）持续升高至规定的测试电压水平，此时半导体高压开关使电感器的另一侧对地短路（高速开关切换阶段），形成一个包含电感和被测元件电容的谐振网络，从而产生双极阻尼交流电压信号（LC谐振阶段）。由于连续升压和达到最大电压后立即切换，所以电缆绝缘不会出现稳态，因此测试对象中不会出现直流分量。
在谐振阶段，振荡波电压是衰减的正弦波，其频率由被测电缆的电容和测试系统的电感决定。通过选择振荡波系统的补偿电容值，使振荡波电压频率保持在10~500Hz的近工频范围内。
振荡波系统能测试的最大电缆长度仅受通电时间和半导体开关最大电流能力的限制，因此振荡波系统适用于测试长达数十公里的电缆。
1.2振荡波耐压试验
根据实践经验，振荡波电压可用于耐压试验：在电力电缆上施加预设大小、预定时长的振荡波电压进行试验，如图2，如果电缆绝缘未发生击穿，则试验通过。由于振荡波系统中的可以同步测量局部放，所以所有耐压试验过程中均可同步检测PD信号，如有则可定位缺陷。同时，在试验期间测量局部放电和介损有助于确定电缆状况，并评估电缆的绝缘状态。
图 2具有升压阶段的振荡波电压试验的示例，其中试验电压逐步增加至最大试验电压电平，在每个电平进行若干振荡波激励。在耐压阶段，在最大测试电压水平（如1.7U0）下，对电缆进行一定时间的测试（如50 振荡波激励）。
1.3振荡波下的局部放电检测 (PD)
伴随阻尼交流耐压试验过程中的局部放电检测是一种非常有效的检测绝缘薄弱点的手段，可用于准确定位早期绝缘缺陷的位置。
1.4振荡波下的介损
振荡波系统能够根据LC谐振阶段衰减正弦波的阻尼估算介损[3]，从而研究中压电力电缆油浸绝缘的劣化问题。
已知介损与电压频率相关（见图3），绝缘材料具有多种会影响其总介电常数和介电损耗的极化效应，常见的与介质损耗相关的典型缺陷有以下四种：
1. 偶极子损耗
2. 导电损耗
3. 界面损耗
4. 局部放电损耗
图 3 与电压频率相关的典型损耗类型。在振荡波测试的频率范围内，偶极子损耗、界面损耗和局部放电损耗占主导地位；而在超低频正弦测试的频率范围内，电导损耗占主导地位。
图中解释：
超低频正弦测试：
1）用小于1Hz的介损可反应电导损耗（水树的表现形式）
振荡波测试：
1）用50/60Hz的介损可反映界面损耗以反映材料间的界面问题。
2）用大于10Hz的介损可反映偶极子损耗以判断绝缘老化程度。
3）用大于10Hz的介损可反映局部高强度放电缺陷。
2.超低频正弦试验
超低频试验使用最低至0.01Hz频率的电压测试中压电缆。选择较低的电压频率能够满足现场的测试需要，但是也与工频的可比性较差。目前市场上的超低频测试系统主要包括超低频正弦或超低频余弦矩形两种。
2.1超低频耐压试验
超低频正弦耐压试验用于验证被测电缆的完整性，将电缆系统作为一个整体进行试验，无法实现对缺陷的精确定位。如果在整个试验过程内没有发生故障，则认为试验通过。实际耐压试验电压和持续时间可从文献[7]获得。
2.2超低频正弦诊断试验
2.2.1 超低频正弦下的局部放电检测 (PD)
与50/60Hz工频电压相比，超低频似乎不太适合局部放电测量[5,8,11]。在聚合物绝缘的情况下，超低频电压导致不同的局部放电起始条件、局部放电强度和局部放电模式。由于超低频的频率较低，需要很长的测试时间才能产生类似于50Hz强度的局部放电模式。
2.2.2 超低频正弦下的介损
超低频正弦电压下的损耗机理与工频工作电压下的损耗机理不同（如图3所示），因此在评估试验结果时应考虑到这一点。诊断技术包括测量作为时间和测试电压函数的超低频正弦介损TD（tan delta）值与其他相比较，常通过DTD（delta tan delta）来实现：DTD= TD@1.5Uo -TD@1Uo
总而言之，TD/DTD的值较高或是TD（TSSD）随时间不稳定表明电缆中产生水树现象，进一步对被测电缆进行评估。
3.振荡波与超低频集成技术
3.1振荡波与超低频集成技术路线
如上所述，从技术角度来看，振荡波系统中的一个重要部分是使电感器对地短路的开关。早期曾尝试使用全机械开关（导致电弧和高电磁（噪声）），之后一般采用由一个或多个半导体组成的固态开关（如IGBTs和LTTs）与二极管结合使用，以避免开关时刻的噪声。开关在切换阶段闭合，在整个LC谐振阶段保持闭合。
改变该开关的设计，从而使其在LC谐振阶段也能打开，并且该开关可以起双极作用，从而扩展了振荡波系统的能力，使用正确的数字控制电源（即超低频）可以方便地产生正弦波形。
图 4 振荡波NLF多模式正弦系统的示意图
这些修改不会导致系统体积和重量增大，基于上述原理开发了一种新的单体设备解决方案，具有以下功能：
1）在10~500Hz的频率范围内，借助1.4H的电感产生高达40kV峰值或28.3kV有效值的振荡波电压，满足试验电容从70nF~10μF的变化（即可对长达数十公里的中压电缆进行振荡波试验），同时根据IEC 60270测量局部放电、定位局部放电源并估计介损；
2）产生40kV峰值/28.3kV有效值的超低频正弦电压，可以实现在最低0.01Hz频率下测量5μF电容（即高达数十公里的中压电缆进行超低频试验）的介损和DTD。
这种单体系统成本低于单独振荡波和超低频两套系统的成本，同时只需要运输一个单元，而操作员可以在统一的用户界面上实现这两种检测。
(a) 振荡波测试界面 (b)超低频测试界面
图 5 集成系统用户界面，使操作员能够在现场产生振荡波和超低频试验电压之间轻松切换
3.2振荡波与超低频集成技术参数
用于测试高达40kV的振荡波-超低频集成系统具有以下技术规范（见表1），集成系统为电缆测试和诊断提供以下功能：
1）耐压试验振荡波和/或超低频正弦
2）微弱局部放电测量；
3）振荡波和/或超低频正弦估算/测量介损
根据测试电缆的类型，例如新安装、老化待安装，多模式系统可以向决策者提供完整的电缆特征及有关电缆状态的所有相关信息。例如，对于使用老化的PILC电缆，操作员可以选择监测振荡波耐受试验，其中PD测量自动给出绝缘薄弱点的信息，损耗因数估计给出被测电缆的整体完整条件。如果被试电缆是新的XLPE电缆，可以通过超低频耐压试验和振荡波局部放电试验来识别薄弱点；如果是使用老化的XLPE电缆，则可以通过超低频 DTD测量获取电缆中湿气（水树）相关问题的概览。
表 1 40 kV 振荡波与超低频集成测试系统技术规范。
|
最大输出电压振荡波/超低频正弦 |
40.0 kV峰值 / 28.3 kV有效值 |
|
振荡波频率范围 |
10 – 500 Hz |
|
超低频频率范围 |
0.1 – 0.01 Hz |
|
振荡波测试对象电容范围 |
5 μF at 40 kV, 10 μF max |
|
超低频测试对象电容范围 |
0.5 μF at 0.1 Hz, 5 μF at 0.01 Hz |
|
高压通电电流 |
15 mA |
|
局部放电测量范围 |
1 pC – 150 nC |
|
局部放电测量带宽 |
根据IEC 60270 |
|
局部放电定位带宽 |
150 kHz – 50 MHz自适应 |
|
振荡波积分损耗因子(tanδ)测量 |
1x10-3 – 5x10-2 |
|
超低频积分损耗因子(tanδ)测量 |
1x10-4 – 1x10-2 |
|
电源 |
110 – 240 V, 48 – 63 Hz, 700 VA |
|
总重量 |
72 kg |
|
尺寸 |
Φ 600*650 mm |
4.现场案例
集成系统的现场测试和诊断为中压电力电缆绝缘系统的潜在内部缺陷提供了有用的信息，有助于故障位置随后的目视检查，有助于对不同类型绝缘缺陷提供有价值的信息。下面典型例子显示了使用上述集成技术（振荡波和超低频正弦电压）发现的绝缘缺陷。
(a) 缺陷检出示意图 (b)复测结果
图 6 用以识别1300m 22 kV XLPE电缆上局部放电来源的电缆局部放电图，可见局部放电位于接近终端的两个接头位置。在更换两个接头位置后重复测量，局部放电图中没有局部放电活动。
4.1振荡波
局部放电通常发生在电缆附件中，集成系统振荡波试验绘制了易于解读的电缆局部放电图，并将测量到的局部放电精确定位到特定的电缆组件。图6为关于XLPE电缆的示例，该案例通过局部放电检测发现制造缺陷，通过更换接头修复。在PILC电缆方面也有较多的经验[8-11]，例如在放电值10 nC以下的充油接头中，局部放电长时间作用下大多不是导致击穿的关键，但如图7，纸绝缘层中的集中局部放电可能在一定时间内导致击穿。
图 7 1790 m的三相有带电缆纸绝缘局部放电检测示例。
4.2超低频正弦
超低频正弦能正确测量接受你以评估电缆绝缘的整体状况。图8为2100m 20 kV XLPE电缆上介损和DTD的结果，可见额定工作电压Uo下的介损值仍然可以接受，但电缆的L3相在电压为额定工作电压的1.5倍显示出相对较高的上升斜率。
图 8 超低频-DTD在相对较新的20kV XLPE电缆电路上进行的超低频正弦测试结果
下例为在两相中具有较高TD值的三相电缆，其中1相的不同电压下介损值变化相对较大，表明电缆本身或其附件中的一段绝缘层严重损坏，如图9所示。
图 9 老化20kV XLPE电缆的TD测量示例。
5评估准则
IEEE 400系列文件和多份出版物[1-11]表明，本文中，两种电压都适用于所有类型的配电电缆网络，是对新电缆和使用老化电缆进行现场测试和诊断的成熟方法。超低频正弦和振荡波技术使在一定时间内进行耐压试验成为可能。基于测试期间是否发生故障，试验结果简单地表达为通过/未通过。然而该测试也可以扩展为监测测试：对超低频正弦试验来说包括在不同电压水平上测量介损（超低频-介损）；对振荡波测试来说包括介损（振荡波-介损，）和局部放电（PD）监测试验。两种电压形态的监测试验结果需要根据现有知识进一步分析。
5.1新安装电缆的评估标准
5.1.1 超低频-介损
为了评估基于超低频-介损的XLPE/EPR电缆的状态，对于新电缆，表2给出了状态评估的边界值。
表 2 新电缆的超低频-介损评估标准
|
状态评估 |
超低频-介损 [10-3] TSSD at U0 |
超低频-介损 [10-3] 0.5U0 – 1.5U0 |
超低频-介损 [10-3] at U0 |
||
|
无需处理 |
<0.1 |
和 |
<5 |
和 |
<10 |
|
进一步研究 |
>0.1 |
或 |
>5 |
或 |
>10 |
5.1.2 振荡波-介损和局部放电
在振荡波耐压试验期间，可以测量介损和局部放电，还可能对局部放电进行定位，从而在此基础上进行适当的处理。表4给出了通过振荡波试验的临界局部放电幅值。
表 3 新XLPE/EPR电缆的振荡波-介损评估标准。
|
状态评估 |
超低频-介损 [10-3] at U0 |
超低频-介损 [10-3] （0.5U0 – 1.5U0） |
介损 Diff. 3 phases [%] |
|
无需处理 |
<0.2 |
<0.02 |
<0.05 |
|
进一步研究 |
>0.2 |
>0.02 |
>0.05 |
表 4 新电缆不同部件的振荡波临界局部放电值
|
状态评估 |
电缆绝缘 |
接头 |
终端 |
|
无需处理 |
<200pC PDIV>1.7U0 |
<200pC PDIV>1.7U0 |
<200pC PDIV>1.7U0 |
|
进一步研究 |
>200pC 1.3U0 无局部放电集聚 |
>200pC
1.3U0 |
>200pC
1.3U0 |
|
需采取措施 |
>200pC PDIV<1.3U0 局部放电集聚 |
>200pC PDIV<1.3U0 |
>200pC PDIV<1.3U0 |
5.2老旧电缆的评估标准
基于现有的知识，可以进一步分析两种电压形态的监测诊断试验的结果。
5.2.1 超低频-介损
为了评估基于超低频-介损的老旧XLPE/EPR电缆的状态，表5给出了状态评估的边界值。
表 5 老旧电缆的超低频-介损评估标准
|
状态评估 |
超低频-介损 [10-3] TSSD at U0 |
超低频-介损 [10-3] 0.5U0 – 1.5U0 |
超低频-介损 [10-3] at U0 |
||
|
无需处理 |
<0.1 |
和 |
<5 |
和 |
<10 |
|
进一步研究 |
0.1-1.3 |
或 |
5100 |
或 |
35-120 |
|
需采取措施 |
>1.3 |
或 |
>100 |
或 |
>120 |
5.2.2 振荡波-介损和局部放电
通过振荡波电压测量介损，获得电缆状态评估，表6给出了振荡波-介损的边界值。
在振荡波耐压试验期间，可以测量介损和局部放电，还可能对局部放电进行定位，从而在此基础上进行适当的处理。表7给出了通过振荡波试验的临界局部放电幅值。
表 6 老旧电缆的振荡波-介损评估标准
|
状态评估 |
超低频-介损 [10-3] TSSD at U0 |
超低频-介损[10-3] 0.5U0 – 1.5U0 |
超低频-介损 [10-3] at U0 |
|
无需处理 |
<0.3 |
<0.05 |
<0.1 |
|
进一步研究 |
0.3-1.0 |
0.05-0.5 |
0.1-0.3 |
|
需采取措施 |
>1.0 |
>0.5 |
>0.3 |
表 7 老化电缆本体和附件的振荡波临界局部放电值
|
状态评估 |
电缆绝缘 |
接头 |
终端 |
|
无需处理 |
<500pC PDIV>1.3U0 |
<500pC PDIV>1.3U0 |
<500pC PDIV>1.3U0 |
|
进一步研究 |
<500pC-100pC
1.0U0 无局部放电集聚 |
<500pC-100pC
1.0U0 |
<500pC-100pC
1.0U0 |
|
需采取措施 |
>1000pC PDIV<1.0U0 局部放电集聚 |
>1000pC PDIV<1.0U0 |
>1000pC PDIV<1.0U0 |
6.结论
本文提出了一种基于振荡波和超低频正弦电压的小型化、集成化中压电力电缆现场诊断与测试方案，得出以下结论：
1、利用振荡波电压进行的局部放电监测耐压试验能有效检测大多数绝缘薄弱点。
2、振荡波电压下估算的介损，可用于研究油浸绝缘的老化。
3、超低频正弦耐压试验能灵敏显示绝缘薄弱状态。
4、超低频正弦电压的介损可有效识别含水缺陷和电缆水树现象。
为了充分利用这两种测试方案的优点，提出了一种集成系统，从而能够将中压电缆试验中的振荡波和超低频正弦检测技术集成在一套系统实现。
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