配电电缆接头进水缺陷检测与定位技术研究

何光华 1，吕峰 1，王昱力 2，卞栋 1，庄裕 1

1. 国网江苏省电力有限公司无锡供电公司，江苏 无锡 214000; 2.中国电力科学研究院有限公司武汉分院，湖北 武汉 430074

摘要：10kV配电电缆接头在典型结构设计上不具备良好的阻水能力，但配电电缆通道管理难度较大，电缆线路长期浸水运行现象极为普遍，电缆中间接头复合界面受潮在运行的过程中会导致界面表面电阻下降，进而产生沿面放电，逐渐降低电缆的绝缘性能，甚至直接导致电缆中间接头绝缘击穿事故，给电缆线路的安全稳定运行带来严重隐患。本文通过不同状态检测手段对配电电缆进水缺陷的检测效果比对分析，提出了在高水位运行环境下配电电缆接头进水缺陷的检测手段应用方案。

关键词：配电电缆，接头进水，缺陷检测，宽频阻抗谱

中图分类号：TM855 文献标志码：A

基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目“高水位下电力电缆接头密封阻水性能提升技术研究”（GYW11201702523），国网公司科技项目“配网电缆及附件质量试验评价体系及检测平台关键技术研究”（5442GY180015）

0.引言

随着我国配电网大规模电缆化建设的开展，配网电缆在城市电网中的应用规模不断增大，安全稳定运行对于确保供电可靠性和用户满意度具有重要的意义。无锡市地处江南多雨地区，地下水位普遍较高，电缆线路运行环境典型特征是交联电缆敷设主要以排管+井的敷设方式为主，交联电缆及附件普遍浸水运行，存在电缆线路进水受潮及水树、电树产生的风险^[1]，对电缆线路的运行可靠性产生了严重的威胁。配电电缆接头在典型结构设计上不具备良好的阻水能力^[2]，进一步增加了作为用户主要供电线路的10kV-35kV电缆线路，特别是其中间接头在高水位运行环境下存在水分与杂质进入进而导致运行故障的风险。因此，提出有效的进水缺陷检测与评价手段是目前提升高水位环境下电力电缆线路运行可靠性亟待解决的关键技术难题。

1.配电电缆进水缺陷形成原因分析

结合典型配网电缆中间接头结构可知，导致运行中配电电缆接头进水故障形成的主要是由接头预制件抱紧力不足以及导体连接管连接处的线芯断面密封性不足引起^[3-4] 。

此外，由于中低压电缆接头种类繁多，所采用的结构与材料也存在较大差异，各种管材、带材的热膨胀系数均不一致，当电缆线路带负荷运行以及负荷变化时，电缆导体发热量带来电缆接头运行温度的变化，就有可能各复合界面或绕包带材的间隙增大，加之预制型硅橡胶电缆接头与电缆本体交联聚乙烯绝缘层之间应热胀冷缩所形成的呼吸效应，水分进入电缆接头内部的风险将进一步增大。

电缆接头进水后仍带电运行，可能带来故障风险主要包括水树老化与复合界面沿面放电击穿两类^[5-7]。

水树枝是在电场和水的共同作用下，绝缘材料中发生的一种老化现象，水树的产生将会造成绝缘介质损耗增加，降低绝缘电阻及绝缘击穿电压，湿度越高，温度越高，电压越高，水中所含离子越多，则水树发展越快，绝缘老化速度就越快，将导致绝缘寿命缩短。伴随水树的生长，很多时候会在尖端由水树结构转化为电树结构。一旦电树形成，可能造成电缆绝缘在短期内被击穿。但根据国内外研究提供的数据发现，50Hz频率时，10 kV电缆导体芯内有水时，在其它正常运行下，因为水树的发展导致的击穿至少要8年，并且击穿概率不足10%。很多工程实际中，电缆芯内有水，中间接头会在不长时间内击穿破坏。因此，可以认为中间接头击穿不是水树老化现象原因引起，水的扩散、渗透导致的复合界面沿面放电才是威胁配网电缆接头浸水运行安全可靠性的最主要因素。

水的渗透性、扩散性极强，接头内的水会纵向向外扩散、渗透，主要经过导体连接管、接头内半导电屏蔽层、接头主绝缘体、接头外半导电屏蔽层（与接地金属屏蔽层导通）。在高电压作用下，接头内带杂质的水很容易使接头产生沿面放电及闪络放电现象而击穿。同时，水在电场作用下，具一定的导电性，电压越高，水分越多，导电性越强。这样，中间接头每个结构部分通过水“导体”介质而连接起来，致使运行导体与地接通而放电击穿的情况出现。

当接头部分密封不严或呼吸作用引入的潮气或迁移水分，易进入至硅橡胶接头与电缆本体交联聚乙烯主绝缘的复合绝缘介质界面处。此外，当电缆外护套破损时，水分亦可能沿铜屏蔽层内侧沿轴向浸入

2.配电电缆接头进水模拟缺陷检测分析

模拟试验采用50米10kV交联聚乙烯绝缘电缆（截面185mm²），两端分别安装户外终端，在距测试端20米处安装带有模拟进水缺陷的冷缩式电缆接头，缺陷试制及试验方案情况如下所示。

表1模拟进水缺陷试验样品试制及实验方案

Table 1 Sample trial-manufacture and experimental program of simulated water inlet defects

图1 接头进水缺陷模拟

Figure.1 The simulation of water inlet defect joint

比对试验中振荡波局放检测与超低频介损检测是目前常用的配电电缆状态检测技术手段，也是本次比对试验中的标准试验手段，其中振荡波局放检测参考国家电网公司企业标准Q/GDW 11316-2014《电力电缆线路试验规程》^[10]及电力行业标准DLT 1576-2016《6kV~35kV电缆振荡波局部放电测试方法》^[8-9,11]。超低频介损检测判据IEEE400.2-2013《有屏蔽层电力电缆系统绝缘层现场型试验与评估导则》^[12]。

表2 振荡波局放与超低频介损检测数据汇总表

Table 2 Data summary of OWTS PD and VLF tanδ

图2 B相模拟进水缺陷介损测试图

Figure 2. Dielectric loss test diagram of simulated water defect in B-phase

图3 C相模拟进水缺陷介损测试图

Figure 3. Dielectric loss test diagram of simulated water defect in C-phase

图4 C相振荡波局放检测图

Figure 4. PD test diagram of simulated water defect in C-phase

由振荡波局放、超低频介损在配电电缆接头模拟进水缺陷的检测数据分析来看，水分对电缆接头内部复合绝缘界面的影响客观存在，但由于试验研究对象为新制作缺陷，接头抱紧力较强，此时复合绝缘界面压力较大而水分含量较低，此时复合绝缘界面的沿面耐受场强较高，因此在注入纯净水时电缆接头的缺陷特征尚不显著，而在注入含导电介质的饱和盐水后，接头绝缘性能发生了明显劣化。

从检测手段上来看，振荡波局放检测对电缆接头进水缺陷的检测效果不理想，这是由于配电电缆附件设计裕度较大且微弱水分在复合绝缘界面存在时，并无法显著地畸变绝缘界面电场，产生局放现象。而当水分含量或所含介质导电性进一步加剧时，沿面绝缘能力降低，产生的沿面放电急剧增大，振荡波局放检测采用的脉冲电流检测手段又难以通过频带选择适应，因此检测数据难以有效支撑缺陷检测与定位。

超低频介损检测在接头进水缺陷的检测效果上由于振荡波局放检测，但同样在接头进水缺陷尚不严重时，介损检出指标并未达到缺陷认定阈值，此外介质损耗这一状态特征量的测试影响因素较多，仅依赖绝对检出值进行状态评价，易造成风险隐患的误判。此外，超低频耐压试验并未击穿模拟进水缺陷接头，其检测灵敏度最低，而绝缘电阻检测数据表明，虽该项指标尚无明确的评价阈值，但其数据特征趋势复合模拟缺陷的劣化程度，对进水缺陷具有一定的表征能力。

3. 宽频阻抗谱检测技术应用分析

宽频阻抗谱检测技术是利用阻抗分析仪测量电缆首端输入阻抗随频率变化的曲线（宽频阻抗谱），以获取电缆运行状态信息，并通过引入快速傅里叶反变换（IFFT）来分析所测量到的阻抗谱数据实现电缆局部缺陷的定位，进而电缆局部缺陷诊断的一种新兴状态检测方法^[13-17]。

当频率足够高时，电缆宽频阻抗谱将出现周期性、迅变性以及衰减性^[18]，这三大特性主要由电缆本身的传播系数所决定。阻抗幅值频谱的极大值附近，以及阻抗相位频谱的过零点附近，阻抗的变化十分迅速，这类点能够十分敏感的反映电缆的传播系数的变化，因此可以利用宽频阻抗谱获取电缆运行状态信息。电缆宽频阻抗谱可用阻抗分析仪测量获得，测量最低频率可用电缆阻抗相位谱第一个过零点的频率加以确定。

为满足各类电缆的阻抗谱测量要求，电缆阻抗谱测量仪器频率上限应达到5.5MHz以上^[19],基于自动平衡桥法的阻抗分析仪测量精度高，且最高测量频率可达120MHz，满足电缆阻抗谱的测量需求。

根据传输线理论，一定长度的电缆线路可以用分布参数模型来表示，均匀传输线设想为许多个无穷小长度元dx，由于长度元dx是无穷小量，在这些长度元的范围内参数可以集中，于是每个长度元可以抽象成一个集总参数电路，而这些集总参数电路级联而成的链形电路就成为整个均匀传输线的电路模型。如图5所示，R，L，C和G分别为单位长度的线路电阻，电感，电容和电导。由基尔霍夫电压电流定律可得如下方程组，在已知电缆物理参数的情况下，电缆单位长度的电阻，电感，电容和电导可由式（3）-（5）计算得到，由此可以看出电缆分布参数中电阻和电感大小不能反映出电缆绝缘状态，电导和电容直接关系到电缆绝缘材料的相对介电常数ε，可以直接反映出电缆绝缘的状态。

（1）

（2）

图5 电缆线路分布参数模型

Figure 5. Cable line distribution parameter model

（3）

（4）

（5）

式中：rc和rs分别是电缆芯线和金属护层的内半径，ρc和ρs分别是电缆芯线和绝缘的电阻率，μ0是真空磁导率，ε是绝缘的相对介电常数。由此可以看出电缆单位长度的电阻与电感与电缆绝缘的介电性能ε无关，仅电缆单位长度的并联电导和电容与电缆的介电性能ε相关，电缆绝缘的状态会直接反映在这两个参数上。

通过求解传输先方程，结合边界条件可以确定传输先任意一处的电压与电流。将式（1）带入式（2）可以得到关于电压相量的二阶微分方程，令 ， ，则上述方程组可以改写为：

（6）

（7）

式中：ϒ为线路的传播系数，Z₀为线路的波阻抗。

根据行波的折返射定律，当电压波活电流波沿传输线传播时，遇到线路参数的突然改变，即在波阻抗发生突变的节点处，节电前后都必须保持单位长度的电场能量和磁场能量总和相等的规律，必然存在着电磁场能量的重新分配的过程，即在节点上必然产生折射和反射。因此根据彼德逊法则，在电缆与负荷ZL连接处的反射系数如式（8）所示。对于一段长度为l 的电缆，在x处的电缆阻抗可以由式（9）计算得到，它是关于频率的函数，通过在不同频率下所得到的电缆阻抗，便可以获得电缆的阻抗谱，它包括阻抗幅频特性和阻抗相频特性，如图6所示。

（8）

= （9）

(a) 阻抗幅频特性 (b) 阻抗相频特性

（a）Amplitude-frequency characteristics （b）Phase frequency characteristics

图6 10kV XLPE电缆首端阻抗谱

Figure 6. Impedance spectrum at the head end of 10kV XLPE cable

由图6可以看出绝缘的介电性能的改变能够导致电缆首端阻抗谱幅频特性和相频特性的变化和位移，除此之外电缆宽频阻抗谱具有以下几个特征：

1）周期性：电缆首端阻抗谱的幅频特性和相频特性周期性出现极大值和极小值，且幅频特性的极大值和极小值对应相频特性的过零点；

2）迅变性：在幅频特性的极大值和极小值以及相频特性的过零点附近，阻抗的变化十分迅速，因此能有表征电缆状态的宽频阻抗谱应该包含若干幅频特性的极大值和极小值以及相频特性的过零点；

3）衰减性：幅频特性和相频特性的极大值存在着随着频率增高而减小的特性。

将传播系数代入式（9），对于电缆全长为l的电缆，取 ， ，其手段阻抗可以表示为：

（10）

则可以得到首端的阻抗幅值与相位分别为：

（11）

（12）

对于电缆，其特征阻抗 几乎与频率无关，因此当 =1.0时，电缆首端阻抗幅值将出现极大值：

（13）

此时 ，k为整数；由于相位常数，则有 ，则有：

（14）

因此电缆首端阻抗幅值极大值出现的频率 为：

（15）

同理，当 =0时，阻抗的相角过零，其过零点的频率 为：

（16）

电缆阻抗谱的周期为

（17）

可见一定长度的电缆的阻抗谱周期仅与电缆的波速有关，与线路所连接的负载无关。一定长度的电缆，其宽频输入阻抗谱的周期性、迅变性和衰减性主要与电缆本身的传播系数有关。

由电缆分布参数模型与电缆首端阻抗谱的特性分析，结合以上因素可以看出电缆的局部缺陷能够造成局部电应力增强，电缆局部绝缘性能下降，单位长度的线路电容和电导发生变化，线路的分布式模型中的参数需要改变，电缆作为宽频信号传递媒介，其传递函数将随之改变，其输出信号也将发生变化；其次局部缺陷会降低局部绝缘的介电性能，电缆的介质损耗正切角下降，参照图6，电缆的阻抗谱幅值会有所增加，相位会向右偏移，可见电缆局部缺陷的的信息可以表征在电缆的宽频阻抗谱上，对比同一电缆数次测量的电缆首端阻抗谱的变化，可以判断电缆局部缺陷的状态和发展趋势；但只有当电缆宽频阻抗谱转换为关于电缆长度的函数后，才能够根据该阻抗谱进行电缆的局部缺陷的定位，这也是本项目的难点之一。

通过对电缆阻抗谱进行积分变换后可以获得反映电缆传播系数随位置变化的函数曲线，其函数图像中突变峰的位置可精确定位电缆局部老化点。电缆出现局部老化后将导致其首端阻抗谱发生变化，积分变换法将阻抗谱从频域转换为空间域的同时，利用广义函数的正交性使得积分值在老化处与其他部分差别很大，从而将各个频率点下阻抗的改变量在老化点处集中起来，从而实现局部老化定位。因此，电缆老化后的阻抗谱变化量越大，则积分变换后所得诊断函数的突变峰值越大。局部老化段的长度越长，局部老化程度越严重（等效为老化后介电函数变化越明显），将导致电缆首端阻抗谱的变化量越大。

利用该设备对模拟进水缺陷试验样品进行检测，得到检测谱图如下：

图7 宽频阻抗谱检测数据及缺陷定位图

Figure 7 Detection data and defect location diagram of broadband impedance spectrum

由检测图谱可看出，在20.0m处出现明显的振荡峰，其突变峰值为0.23，峰值所在位置精确的定位了C相电缆进水接头的缺陷点，对比B相电缆检测结果，C相电缆进水接头峰值约为B相电缆进水接头峰值4倍，因此诊断曲线的峰值与老化程度度成正比。振荡脉冲与稳定状态的两交点间的振荡脉冲宽度约有1-2m，与电缆接头的尺寸并不匹配，因此也可认为，电缆阻抗畸变长度并不能从积分变换诊断图中直接获得。

4 结论

本文通过模拟10kV电缆冷缩接头进水缺陷，采用振荡波局放检测、超低频介损测量、超低频耐压试验、工频耐压试验、宽频阻抗谱检测等手段对进水缺陷分别进行检测，依据试验结果与数据分析，得到以下结论：

1. 绝缘电阻测量对进水缺陷具有一定敏感性，与超低频介损、宽频阻抗谱检测结果具有一致性，试验中应充分关注绝缘电阻值及测试过程中电阻值变化。

2. 振荡波局放检测对于接头或终端严重进水虽可检出异常放电信号，但无法通过振荡波局放检测进行定位，此外，轻微受潮时不易检出，该技术手段在接头进水缺陷的检测上具有较大局限性。

3. 超低频介损对于电缆附件进水缺陷具有很高的敏感度，检出能力可以满足配电电缆线路状态检测要求，但应强化历史数据及横向数据比对，其能进一步优化检测效果，提升对潜在缺陷隐患的检出能力。

4. 宽频阻抗谱检测在模拟进水缺陷的检测中不仅有效表征了缺陷劣化趋势，灵敏度相对于超低频介损更优，宽频阻抗谱检测更能对进水缺陷部位进行准确定位，虽然该方法的研究尚属于起步阶段，但具有较大的应用价值，应进一步深化研究。

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