Gregor CEJKA¹, Edward GULSKI¹, Ben QUAK², Jaroslaw PARCIAK¹, Aleksandra RAKOWSKA³

翻譯：楊建⁴, 趙煦⁴

(1.onsite HV international ag; 2.Seitz Instruments AG; 3.Poznan University of Technology; 4. 上海銳測電子科技有限公司)

摘要

在國內外配電網試驗與診斷實踐中，阻尼交流振蕩波試驗和0.1Hz超低頻正弦試驗已廣泛應用于中壓電纜線路的敷設、維護和診斷試驗。根據最新的IEEE 400指南可知，特別是IEEE400.4、IEEE400.2和一些國家標準和指南，這兩種技術都是中壓電纜試驗和診斷的有效手段。本文結合實例，提出了一種新的振蕩波和超低頻相結合的配電電纜電壓檢測與診斷方案。

關鍵詞

中壓電力電纜，振蕩波，0.1Hz超低頻，現場診斷，狀態評估，局部放電，介質損耗

引言

世界范圍內配電網試驗和診斷實踐而言，振蕩波和0.1Hz超低頻試驗已被廣泛應用于中壓電纜電路的敷設后維護和診斷試驗^[1]。在過去10年中，事實證明：

1）振蕩波試驗能夠通過局部放電檢測有效檢測出多數絕緣薄弱點，且該方法與介損（tanδ）結合可以用來研究油浸絕緣的老化；

2）使用超低頻正弦電壓進行耐壓試驗，通過測量介損（tanδ）能夠很好地診斷含水缺陷和電纜水樹，雖然目前還無法明確缺陷位置。

因此，最近的IEEE 400指南（2012）和IEEE400.2、IEEE400.4表明，這兩種技術都代表了中壓電纜網絡試驗和診斷的有效手段，即多電壓源技術將是現場試驗和診斷的最佳的有效解決方案（見圖1），然而目前絕大多數檢測方案都是振蕩波或超低頻單系統解決方案，或者不是真正意識上振蕩波與超低頻正弦技術的集成。
                                                                                                                                                                                                                                                                                      

圖 1 40kV三合一系統在22kV電纜上進行現場電纜試驗的示例，該系統能夠同時產生振蕩波電壓和超低頻正弦電壓。

配電網故障檢測與診斷的主要目是獲取敷設后電纜的實際運行狀態，或在維修過程中識別新的或老化過程中產生的缺陷，以預測電纜的剩余壽命，從而達到優化投資規劃、消除計劃外停機并實現狀態檢修的目的。

在絕緣可能失效的早期階段，局部放電（PD，partial discharge）試驗可用于識別、定位和評估各類中壓電力電纜絕緣和附件中的薄弱點，為了獲取更全面的絕緣狀態，超低頻正弦電壓下的介損測量也常用于評估電纜絕緣狀態。

基于現有的實際應用，本文提出一種創新的振蕩波和超低頻正弦電壓相結合的可用于高達40kV電纜的試驗和診斷方案。

1.振蕩波試驗

為了在近工頻下產生幾十個交流電壓周期的阻尼交流（振蕩波）電壓，國際上采用已有20多年的實際應用的系統^[2,3,12]用于現場測試，并根據IEC 60270測量和定位電力電纜中的局部放電，估計介損^[4]。振蕩波的工作原理決定其不需要很大的功率來補償測試電力電纜過程中的電容性負載需求，因此其體積小、重量輕，成為現場應用的最優技術。由于大多數振蕩波測試系統的工作頻率（10~500 Hz）接近于工頻，并且在局部放電測試期間，電源實際上未連接到諧振電路，因此不會引入噪聲或干擾。振蕩波的應用提供了理想的局部放電測試解決方案，得到的局部放電結果與實際電源頻率相當，有助于可靠決策^[9]。

1.1振蕩波原理

振蕩波系統一般由帶保護電阻R的數控電源U、電感L和數控半導體開關組成，還有一個帶有高壓分壓器/耦合電容器的控制單元，用于控制電壓產生過程及記錄最終施加的電壓和局部放電^[13]。

振蕩波測試系統能通過數字控制電源在幾秒鐘內使被測電力電纜達到試驗電壓，單極電壓通過電感器（通電階段）持續升高至規定的測試電壓水平，此時半導體高壓開關使電感器的另一側對地短路（高速開關切換階段），形成一個包含電感和被測元件電容的諧振網絡，從而產生雙極阻尼交流電壓信號（LC諧振階段）。由于連續升壓和達到最大電壓后立即切換，所以電纜絕緣不會出現穩態，因此測試對象中不會出現直流分量。

在諧振階段，振蕩波電壓是衰減的正弦波，其頻率由被測電纜的電容和測試系統的電感決定。通過選擇振蕩波系統的補償電容值，使振蕩波電壓頻率保持在10~500Hz的近工頻范圍內。

振蕩波系統能測試的最大電纜長度僅受通電時間和半導體開關最大電流能力的限制，因此振蕩波系統適用于測試長達數十公里的電纜。

1.2振蕩波耐壓試驗

根據實踐經驗，振蕩波電壓可用于耐壓試驗：在電力電纜上施加預設大小、預定時長的振蕩波電壓進行試驗，如圖2，如果電纜絕緣未發生擊穿，則試驗通過。由于振蕩波系統中的可以同步測量局部放，所以所有耐壓試驗過程中均可同步檢測PD信號，如有則可定位缺陷。同時，在試驗期間測量局部放電和介損有助于確定電纜狀況，并評估電纜的絕緣狀態。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

圖 2具有升壓階段的振蕩波電壓試驗的示例，其中試驗電壓逐步增加至最大試驗電壓電平，在每個電平進行若干振蕩波激勵。在耐壓階段，在最大測試電壓水平（如1.7U0）下，對電纜進行一定時間的測試（如50 振蕩波激勵）。

1.3振蕩波下的局部放電檢測 (PD)

伴隨阻尼交流耐壓試驗過程中的局部放電檢測是一種非常有效的檢測絕緣薄弱點的手段，可用于準確定位早期絕緣缺陷的位置。

1.4振蕩波下的介損

振蕩波系統能夠根據LC諧振階段衰減正弦波的阻尼估算介損^[3]，從而研究中壓電力電纜油浸絕緣的劣化問題。

已知介損與電壓頻率相關（見圖3），絕緣材料具有多種會影響其總介電常數和介電損耗的極化效應，常見的與介質損耗相關的典型缺陷有以下四種：

1. 偶極子損耗

2. 導電損耗

3. 界面損耗

4. 局部放電損耗
                                                                                  

圖 3 與電壓頻率相關的典型損耗類型。在振蕩波測試的頻率范圍內，偶極子損耗、界面損耗和局部放電損耗占主導地位；而在超低頻正弦測試的頻率范圍內，電導損耗占主導地位。

圖中解釋：

超低頻正弦測試：

1）用小于1Hz的介損可反應電導損耗（水樹的表現形式）

振蕩波測試：

1）用50/60Hz的介損可反映界面損耗以反映材料間的界面問題。

2）用大于10Hz的介損可反映偶極子損耗以判斷絕緣老化程度。

3）用大于10Hz的介損可反映局部高強度放電缺陷。

2.超低頻正弦試驗

超低頻試驗使用最低至0.01Hz頻率的電壓測試中壓電纜。選擇較低的電壓頻率能夠滿足現場的測試需要，但是也與工頻的可比性較差。目前市場上的超低頻測試系統主要包括超低頻正弦或超低頻余弦矩形兩種。

2.1超低頻耐壓試驗

超低頻正弦耐壓試驗用于驗證被測電纜的完整性，將電纜系統作為一個整體進行試驗，無法實現對缺陷的精確定位。如果在整個試驗過程內沒有發生故障，則認為試驗通過。實際耐壓試驗電壓和持續時間可從文獻^[7]獲得。

2.2超低頻正弦診斷試驗

2.2.1 超低頻正弦下的局部放電檢測 (PD)

與50/60Hz工頻電壓相比，超低頻似乎不太適合局部放電測量^[5,8,11]。在聚合物絕緣的情況下，超低頻電壓導致不同的局部放電起始條件、局部放電強度和局部放電模式。由于超低頻的頻率較低，需要很長的測試時間才能產生類似于50Hz強度的局部放電模式。

2.2.2 超低頻正弦下的介損

超低頻正弦電壓下的損耗機理與工頻工作電壓下的損耗機理不同（如圖3所示），因此在評估試驗結果時應考慮到這一點。診斷技術包括測量作為時間和測試電壓函數的超低頻正弦介損TD（tan delta）值與其他相比較，常通過DTD（delta tan delta）來實現：DTD= TD@1.5U_o -TD@1U_o

總而言之，TD/DTD的值較高或是TD（TSSD）隨時間不穩定表明電纜中產生水樹現象，進一步對被測電纜進行評估。

3.振蕩波與超低頻集成技術

3.1振蕩波與超低頻集成技術路線

如上所述，從技術角度來看，振蕩波系統中的一個重要部分是使電感器對地短路的開關。早期曾嘗試使用全機械開關（導致電弧和高電磁（噪聲）），之后一般采用由一個或多個半導體組成的固態開關（如IGBTs和LTTs）與二極管結合使用，以避免開關時刻的噪聲。開關在切換階段閉合，在整個LC諧振階段保持閉合。

改變該開關的設計，從而使其在LC諧振階段也能打開，并且該開關可以起雙極作用，從而擴展了振蕩波系統的能力，使用正確的數字控制電源（即超低頻）可以方便地產生正弦波形。
                                                                                                                                                                                                                                                                                            

圖 4  振蕩波NLF多模式正弦系統的示意圖

這些修改不會導致系統體積和重量增大，基于上述原理開發了一種新的單體設備解決方案，具有以下功能：

1）在10~500Hz的頻率范圍內，借助1.4H的電感產生高達40kV峰值或28.3kV有效值的振蕩波電壓，滿足試驗電容從70nF~10μF的變化（即可對長達數十公里的中壓電纜進行振蕩波試驗），同時根據IEC 60270測量局部放電、定位局部放電源并估計介損；

2）產生40kV峰值/28.3kV有效值的超低頻正弦電壓，可以實現在最低0.01Hz頻率下測量5μF電容（即高達數十公里的中壓電纜進行超低頻試驗）的介損和DTD。

這種單體系統成本低于單獨振蕩波和超低頻兩套系統的成本，同時只需要運輸一個單元，而操作員可以在統一的用戶界面上實現這兩種檢測。
                                                                               

     (a) 振蕩波測試界面            (b)超低頻測試界面

圖 5 集成系統用戶界面，使操作員能夠在現場產生振蕩波和超低頻試驗電壓之間輕松切換

3.2振蕩波與超低頻集成技術參數

用于測試高達40kV的振蕩波-超低頻集成系統具有以下技術規范（見表1），集成系統為電纜測試和診斷提供以下功能：

1）耐壓試驗振蕩波和/或超低頻正弦

2）微弱局部放電測量；

3）振蕩波和/或超低頻正弦估算/測量介損

根據測試電纜的類型，例如新安裝、老化待安裝，多模式系統可以向決策者提供完整的電纜特征及有關電纜狀態的所有相關信息。例如，對于使用老化的PILC電纜，操作員可以選擇監測振蕩波耐受試驗，其中PD測量自動給出絕緣薄弱點的信息，損耗因數估計給出被測電纜的整體完整條件。如果被試電纜是新的XLPE電纜，可以通過超低頻耐壓試驗和振蕩波局部放電試驗來識別薄弱點；如果是使用老化的XLPE電纜，則可以通過超低頻 DTD測量獲取電纜中濕氣（水樹）相關問題的概覽。

表 1 40 kV 振蕩波與超低頻集成測試系統技術規范。

最大輸出電壓振蕩波/超低頻正弦	40.0 kV峰值 / 28.3 kV有效值
振蕩波頻率范圍	10 – 500 Hz
超低頻頻率范圍	0.1 – 0.01 Hz
振蕩波測試對象電容范圍	5 μF at 40 kV, 10 μF max
超低頻測試對象電容范圍	0.5 μF at 0.1 Hz, 5 μF at 0.01 Hz
高壓通電電流	15 mA
局部放電測量范圍	1 pC – 150 nC
局部放電測量帶寬	根據IEC 60270
局部放電定位帶寬	150 kHz – 50 MHz自適應
振蕩波積分損耗因子(tanδ)測量	1x10-3 – 5x10-2
超低頻積分損耗因子(tanδ)測量	1x10-4 – 1x10-2
電源	110 – 240 V, 48 – 63 Hz, 700 VA
總重量	72 kg
尺寸	Φ 600*650 mm

4.現場案例

集成系統的現場測試和診斷為中壓電力電纜絕緣系統的潛在內部缺陷提供了有用的信息，有助于故障位置隨后的目視檢查，有助于對不同類型絕緣缺陷提供有價值的信息。下面典型例子顯示了使用上述集成技術（振蕩波和超低頻正弦電壓）發現的絕緣缺陷。
               

(a) 缺陷檢出示意圖          (b)復測結果

圖 6 用以識別1300m 22 kV XLPE電纜上局部放電來源的電纜局部放電圖，可見局部放電位于接近終端的兩個接頭位置。在更換兩個接頭位置后重復測量，局部放電圖中沒有局部放電活動。

4.1振蕩波

局部放電通常發生在電纜附件中，集成系統振蕩波試驗繪制了易于解讀的電纜局部放電圖，并將測量到的局部放電精確定位到特定的電纜組件。圖6為關于XLPE電纜的示例，該案例通過局部放電檢測發現制造缺陷，通過更換接頭修復。在PILC電纜方面也有較多的經驗^[8-11]，例如在放電值10 nC以下的充油接頭中，局部放電長時間作用下大多不是導致擊穿的關鍵，但如圖7，紙絕緣層中的集中局部放電可能在一定時間內導致擊穿。
                                                                                                                                                                                                                                                                                

圖 7 1790 m的三相有帶電纜紙絕緣局部放電檢測示例。

4.2超低頻正弦

超低頻正弦能正確測量接受你以評估電纜絕緣的整體狀況。圖8為2100m 20 kV XLPE電纜上介損和DTD的結果，可見額定工作電壓U_o下的介損值仍然可以接受，但電纜的L3相在電壓為額定工作電壓的1.5倍顯示出相對較高的上升斜率。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

圖 8 超低頻-DTD在相對較新的20kV XLPE電纜電路上進行的超低頻正弦測試結果

下例為在兩相中具有較高TD值的三相電纜，其中1相的不同電壓下介損值變化相對較大，表明電纜本身或其附件中的一段絕緣層嚴重損壞，如圖9所示。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

圖 9 老化20kV XLPE電纜的TD測量示例。

5評估準則

IEEE 400系列文件和多份出版物^[1-11]表明，本文中，兩種電壓都適用于所有類型的配電電纜網絡，是對新電纜和使用老化電纜進行現場測試和診斷的成熟方法。超低頻正弦和振蕩波技術使在一定時間內進行耐壓試驗成為可能?；跍y試期間是否發生故障，試驗結果簡單地表達為通過/未通過。然而該測試也可以擴展為監測測試：對超低頻正弦試驗來說包括在不同電壓水平上測量介損（超低頻-介損）；對振蕩波測試來說包括介損（振蕩波-介損，）和局部放電（PD）監測試驗。兩種電壓形態的監測試驗結果需要根據現有知識進一步分析。

5.1新安裝電纜的評估標準

5.1.1 超低頻-介損

為了評估基于超低頻-介損的XLPE/EPR電纜的狀態，對于新電纜，表2給出了狀態評估的邊界值。

表 2 新電纜的超低頻-介損評估標準

狀態評估	超低頻-介損 [10-3] TSSD at U0		超低頻-介損 [10-3] 0.5U0 – 1.5U0		超低頻-介損 [10-3] at U0
無需處理	<0.1	和	<5	和	<10
進一步研究	>0.1	或	>5	或	>10

5.1.2 振蕩波-介損和局部放電

在振蕩波耐壓試驗期間，可以測量介損和局部放電，還可能對局部放電進行定位，從而在此基礎上進行適當的處理。表4給出了通過振蕩波試驗的臨界局部放電幅值。

表 3  新XLPE/EPR電纜的振蕩波-介損評估標準。

狀態評估	超低頻-介損 [10-3] at U0	超低頻-介損 [10-3] （0.5U0 – 1.5U0）	介損 Diff. 3 phases [%]
無需處理	<0.2	<0.02	<0.05
進一步研究	>0.2	>0.02	>0.05

表 4 新電纜不同部件的振蕩波臨界局部放電值

狀態評估	電纜絕緣	接頭	終端
無需處理	<200pC PDIV>1.7U0	<200pC PDIV>1.7U0	<200pC PDIV>1.7U0
進一步研究	>200pC 1.3U0 無局部放電集聚	>200pC 1.3U0	>200pC 1.3U0
需采取措施	>200pC PDIV<1.3U0 局部放電集聚	>200pC PDIV<1.3U0	>200pC PDIV<1.3U0

5.2老舊電纜的評估標準

基于現有的知識，可以進一步分析兩種電壓形態的監測診斷試驗的結果。

5.2.1 超低頻-介損

為了評估基于超低頻-介損的老舊XLPE/EPR電纜的狀態，表5給出了狀態評估的邊界值。

表 5 老舊電纜的超低頻-介損評估標準

狀態評估	超低頻-介損 [10-3] TSSD at U0		超低頻-介損 [10-3] 0.5U0 – 1.5U0		超低頻-介損 [10-3] at U0
無需處理	<0.1	和	<5	和	<10
進一步研究	0.1-1.3	或	5100	或	35-120
需采取措施	>1.3	或	>100	或	>120

5.2.2 振蕩波-介損和局部放電

通過振蕩波電壓測量介損，獲得電纜狀態評估，表6給出了振蕩波-介損的邊界值。

在振蕩波耐壓試驗期間，可以測量介損和局部放電，還可能對局部放電進行定位，從而在此基礎上進行適當的處理。表7給出了通過振蕩波試驗的臨界局部放電幅值。

表 6 老舊電纜的振蕩波-介損評估標準

狀態評估	超低頻-介損 [10-3] TSSD at U0	超低頻-介損[10-3] 0.5U0 – 1.5U0	超低頻-介損 [10-3] at U0
無需處理	<0.3	<0.05	<0.1
進一步研究	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  老化電纜本體和附件的振蕩波臨界局部放電值

狀態評估	電纜絕緣	接頭	終端
無需處理	<500pC PDIV>1.3U0	<500pC PDIV>1.3U0	<500pC PDIV>1.3U0
進一步研究	<500pC-100pC 1.0U0 無局部放電集聚	<500pC-100pC 1.0U0	<500pC-100pC 1.0U0
需采取措施	>1000pC PDIV<1.0U0 局部放電集聚	>1000pC PDIV<1.0U0	>1000pC PDIV<1.0U0

6.結論

本文提出了一種基于振蕩波和超低頻正弦電壓的小型化、集成化中壓電力電纜現場診斷與測試方案，得出以下結論：

1、利用振蕩波電壓進行的局部放電監測耐壓試驗能有效檢測大多數絕緣薄弱點。

2、振蕩波電壓下估算的介損，可用于研究油浸絕緣的老化。

3、超低頻正弦耐壓試驗能靈敏顯示絕緣薄弱狀態。

4、超低頻正弦電壓的介損可有效識別含水缺陷和電纜水樹現象。

為了充分利用這兩種測試方案的優點，提出了一種集成系統，從而能夠將中壓電纜試驗中的振蕩波和超低頻正弦檢測技術集成在一套系統實現。