基于寬頻阻抗譜的電纜診斷新技術(shù)研究及應(yīng)用

張 力，葉保璇，王康堅，余盛達，李 恒，汪進鋒,3，李興旺,3

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文昌供電局，海南 文昌 571300；2.北京振中建園電力技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100085；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080）

0 引 言

近年來，中國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，使得城市用地日益緊缺，而架空線路的安全環(huán)境問題促使電力電纜廣泛投用。相比于架空線路，電纜具有占地小、供電可靠性高以及輸電容量大等優(yōu)勢，但隨著電纜敷設(shè)量和運行年限的增加，電纜的故障和老化成為需要關(guān)注的重點問題[1-2]。在實際運行過程中，熱效應(yīng)、水分、外護套破損以及制造工藝問題都可能引起電纜老化，從而導(dǎo)致電纜故障[3]。然而，由于電纜大多敷設(shè)于地下，一旦發(fā)生故障，不能快速準(zhǔn)確地找到故障發(fā)生點，將增加維修時間和成本，甚至引發(fā)停電事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[4-5]。因此，監(jiān)測和診斷電纜的運行狀態(tài)，保證電纜的安全穩(wěn)定運行極為重要。

局部放電監(jiān)測是診斷電纜局部缺陷的一種常用方法。但大多局放試驗結(jié)果表明，該技術(shù)對制作工藝的缺陷更敏感，而對于電纜的老化隱患沒有十分有效的表現(xiàn)[6]。統(tǒng)計資料表明，水樹枝現(xiàn)象是造成電纜老化的主要原因之一，而電力電纜水樹枝的多少和劣化程度并不能靠局部放電的測試解決，而且耐壓實驗也會使大型水樹枝發(fā)展成電樹枝，從而徹底擊穿電纜絕緣層[7-9]。因此，需要一種能快速精確定位電纜故障的無損檢測技術(shù)，建立電纜運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

線性共振分析（LIRA）技術(shù)利用高頻下的電纜阻抗譜獲取電纜特征信息。通過先進算法實現(xiàn)電纜狀態(tài)評估、電纜故障定位以及電纜老化診斷。LIRA技術(shù)基于傳輸線理論，將電纜阻抗（振幅和相位）作為一個廣泛頻帶應(yīng)用信號的函數(shù)來計算和分析，通過監(jiān)測和定位電纜阻抗的變化，對電纜進行狀態(tài)監(jiān)測和故障定位[10]。本文介紹了一種基于寬頻阻抗譜的電纜診斷新技術(shù)。該技術(shù)可在線使用，以檢測由絕緣故障或性能下降而引起的電纜電氣參數(shù)的局部或全局變化，并結(jié)合某中壓電纜的現(xiàn)場試驗來驗證該技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 線性共振分析技術(shù)

1.1 傳輸線理論

LIRA技術(shù)是2003—2006年哈爾登反應(yīng)堆工程在傳輸線理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[11]。傳輸線是電路的一部分，提供發(fā)電機和負載之間的連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳輸線的特性取決于它的長度與進入傳輸線電信號的波長的比值。

圖1 傳輸線系統(tǒng)

波長定義為：

式中，v為電信號的傳播速度；f為信號的頻率。當(dāng)傳輸線的長度遠小于電信號波長時，傳輸線對電路響應(yīng)和輸入阻抗幾乎沒有影響。從發(fā)電機側(cè)看，任意時刻的輸入阻抗等于負載阻抗。但是，當(dāng)電纜長度足夠長或者信號源的頻率足夠高時，有L≥λ。此時傳輸線的線路特性會起到重要作用。從發(fā)電機看到的輸入阻抗與負載阻抗不匹配，因此可以利用高頻下傳輸線的輸入阻抗來獲取其運行特性。根據(jù)傳輸線理論，可將電纜等效為如圖2所示的分布參數(shù)模型[12]。

圖2 傳輸線等效分布參數(shù)電路

傳輸線電壓和電流遵循以下微分方程：

式中，R是導(dǎo)體電阻；L是電感；C是電容；G是絕緣電導(dǎo)率。這些均為單位長度下電纜的分布參數(shù)。這4個參數(shù)可以完全表征高頻信號通過傳輸線時的傳播特性。在傳輸線理論中，傳輸線的特性通常通過傳播系數(shù)γ和特征阻抗Z0來研究，可表示為[13]：

通常，傳播系數(shù)還可寫成：

式中，實部α為線路衰減常數(shù)，虛部β為相位常數(shù)。β與相速度和波長有關(guān)，關(guān)系為：

1.2 電纜寬頻阻抗特性研究

利用式（4）和式（5）求解微分方程（2）和（3），可得距離電纜末端距離為d處的輸入阻抗Zd為：

式中，ΓL是負載反射系數(shù)，ZL為線路末端的負載阻抗。

當(dāng)d等于電纜全長L時，電纜首端輸入阻抗的表達式為：

電纜的特征參數(shù)γ和Z0是頻率的函數(shù)，首端輸入阻抗也會隨著電源頻率的變化而改變。首端阻抗的頻率變化曲線稱為電纜的寬頻阻抗譜[14]。電纜寬頻阻抗譜分為阻抗幅值頻譜和相位頻譜[15]。圖3為某一個10 kV電纜在頻率范圍為0～50 MHz內(nèi)的輸入阻抗頻譜和相位頻譜。可以看出，在阻抗幅值頻譜的極大值點附近和相位頻譜的過零點處，線路的輸入阻抗變化十分迅速。在此類諧振點附近，阻抗對線路狀態(tài)信息的變化十分敏感。當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時，其傳輸特性將發(fā)生改變，輸入阻抗也會隨之變化[16]。因此，可以通過測量寬頻阻抗譜來診斷電纜的運行狀態(tài)，判斷故障的發(fā)生位置[17]。

圖3 某10 kV電纜的輸入阻抗頻譜和相位頻譜

2 LIRA寬頻阻抗測試系統(tǒng)

LIRA技術(shù)起初是根據(jù)核電站電纜診斷和狀態(tài)評估的需要而提出的，是一種無損檢測方法，不會對電纜和與電纜連接的設(shè)備造成損害。該技術(shù)將阻抗譜作為應(yīng)用信號頻率函數(shù)來進行計算分析，可以測量出電纜的長度、接頭位置以及阻抗變化的異常點。此外，利用LIRA技術(shù)，采用硬件和WS軟件結(jié)合的方式，搭建LIRA寬頻阻抗測試系統(tǒng)對電纜進行狀態(tài)評估和故障定位。系統(tǒng)的測試電壓僅為5 V，適用于電纜所有電壓等級，測試長度可達300 km。

LIRA測試系統(tǒng)對絕緣材料的微小變化十分敏感，如進水受潮、水樹老化以及機械受損等。它可以診斷由惡劣環(huán)境條件（高溫、濕度以及輻射）引起的電纜絕緣老化，并檢測絕緣材料因機械沖擊或熱降解而發(fā)生的局部缺陷[18]。運維部門可以借助此系統(tǒng)及時定位缺陷位置，并判斷缺陷的嚴(yán)重程度。

2.1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LIRA由幾部分軟件和硬件模塊組成，如圖4所示。其中，電纜連接到LIRA射頻測量板。

圖4 LIRA測試系統(tǒng)邏輯圖

LIRA發(fā)生器控制注入電纜的模擬信號，向系統(tǒng)提供帶寬可配置的低電壓（5 V）掃描信號。LIRA分析儀是系統(tǒng)核心，分析信號并評估電纜運行狀態(tài)。LIRA模擬器包含一個電纜模型、調(diào)制器以及數(shù)字化儀（任何電纜類型和長度都可以建模），可用于推斷真實的實驗結(jié)果，并執(zhí)行假設(shè)分析。LIRA數(shù)據(jù)庫允許以結(jié)構(gòu)化的方式存儲測量值[19]。

2.2 測試原理及方法

當(dāng)電纜受到機械應(yīng)力、進水受潮、電老化以及熱老化等外界因素的影響，將會引起電纜分布參數(shù)的變化，尤其是電容C的改變會導(dǎo)致阻抗急劇變化[20]。在被測電纜上施加一個5 V的交流電壓，將阻抗頻譜（振幅和相位）作為寬頻（0.1～100 MHz）的應(yīng)用信號函數(shù)來計算和分析?；诟哳l諧振效應(yīng)寬帶頻域的分析方法，檢測對電纜細微變化非常敏感的電氣參數(shù)，如絕緣介電常數(shù)、形狀物理參數(shù)、電流方向、電流強度、濕度以及絕緣缺陷等重要狀態(tài)指標(biāo)，分析和計算出復(fù)雜的阻抗線性變化。利用強大的放大系數(shù)來改善阻抗圖的相位和幅度的某些特性，定位出發(fā)生明顯異常變化的缺陷點。LIRA中線共振效應(yīng)的頻譜分析原理如圖5所示。

圖5 LIRA中線共振效應(yīng)的頻譜分析

2.3 現(xiàn)場測試

根據(jù)供電公司安排，分析某條10 kV XLPE電纜進水或水樹異常點。本次測試采用LIRA線性寬頻阻抗測試系統(tǒng)，如圖6所示。對被測電纜施加5 V的信號，采集電纜全長和全部接頭位置，并通過阻抗頻譜分析的方式，找出電纜異常點，分析電纜的形變、阻抗幅值以及電纜缺陷的正負極性，給出指導(dǎo)建議。現(xiàn)場測試如圖7所示。

圖6 LIRA測試系統(tǒng)

圖7 LIRA現(xiàn)場測試

先對電纜進行絕緣測試，使用2 500 V絕緣搖表對A、B、C三相進行絕緣測試，A、B、C對地絕緣電阻分別為175 MΩ、500 MΩ以及15 MΩ。然后使用介損老化狀態(tài)評價設(shè)備對電纜進行老化狀態(tài)評價，基本掌握介損老化狀態(tài)的各個指標(biāo)。

造成電纜絕緣電阻低的主要原因可能是電纜產(chǎn)生了水樹老化或者使接頭進水受潮，從而引起電纜絕緣下降[21]。在此嘗試根據(jù)LIRA測試系統(tǒng)生成的DNORM圖形查找出老化或進水缺陷位置。確保被測電纜處于斷電狀態(tài)，被測電纜的近端和遠端與電網(wǎng)完全斷開，而且遠端三相懸空，并互相保持足夠的安全距離。將同軸電纜測試線與設(shè)備的L1插孔相連接，紅黑夾子分別接到被測電纜的導(dǎo)體與屏蔽層。采用計算機軟件控制硬件的方式，輸入電纜信息。根據(jù)電纜長度3 445 m設(shè)定好測試頻率為10 MHz，測試端口L1，輸出阻抗50 Ω，測試模式選擇AVG模式，然后開始依次測試A、B、C相。

3 試驗結(jié)果及分析

A相DNORM圖如圖8所示，關(guān)鍵位置、缺陷方向及嚴(yán)重程度如表1所示。

圖8 A相DNORM圖

表1 A相關(guān)鍵位置、缺陷方向及嚴(yán)重程度

在DNORM的關(guān)鍵位置定位圖中，紅色代表超出正常阻抗20%及以上，被認為是警告標(biāo)志，應(yīng)進行緊急處理，但若是接頭位置，則屬于正常的阻抗變化。黃色代表超出正常阻抗的10%及以上，應(yīng)該在一年內(nèi)對此位置進行關(guān)注監(jiān)測，對比其參數(shù)變化。綠色代表正常的阻抗波動，無需處理。由A相DNORM圖形可知，電纜存在6處阻抗變化點分別位于電纜368 m、602 m、1 233 m、1 528 m、2 053 m以及2 348 m處。其中，電纜2 053 m處阻抗變化波動超出正常阻抗29.20%，且呈負極性，因此考慮該位置可能存在缺陷。

B相DNORM圖如圖9所示，其關(guān)鍵位置、缺陷方向及嚴(yán)重程度如表2所示。C相DNORM圖如圖10所示，其關(guān)鍵位置、缺陷方向及嚴(yán)重程度如表3所示。

圖9 B相DNORM圖

圖10 C相DNORM圖

表2 B相關(guān)鍵位置、缺陷方向及嚴(yán)重程度

表3 C相關(guān)鍵位置、缺陷方向及嚴(yán)重程度

經(jīng)對比可知，B、C兩相DNORM圖阻抗幅值變化和關(guān)鍵位置與A相基本一致。將電纜三相阻抗測試圖合并比較，如圖11所示。電纜的A、B、C三相等長，全長3 449 m左右。使用自動帶寬調(diào)整，從三相對比圖中可以得出測試電纜A、B、C三相阻抗變化位置基本重合，分別位于368 m、602 m、1 235 m、1 527 m、2 053 m以及2 348 m左右。

根據(jù)上述測得的LIRA數(shù)據(jù)，在距離電纜首端2 053 m位置處發(fā)現(xiàn)顯著負極性阻抗變化。其中，A相阻抗變化波動超出正常的29.2%，B相超出正常的27.43%，C相超出正常的28.21%，因此此處可能存在老化或進水缺陷。結(jié)合電纜的絕緣狀況以及現(xiàn)場環(huán)境和基本情況，兩電纜終端和2 053 m處的接頭已經(jīng)進行更換，但更換前兩側(cè)搖絕緣，絕緣阻值都達到千兆歐級，做完接頭后絕緣下降極為明顯，最低只有幾十兆歐，因此謹(jǐn)慎建議2 053 m處的接頭為缺陷隱患點。

如圖11所示，電纜首端和末端均出現(xiàn)了尖端區(qū)域，這是由于測試夾具連接處與電纜末端阻抗不匹配所造成的。當(dāng)電纜局部缺陷處于電纜首末兩端附近時，測試系統(tǒng)的空間分辨率與識別靈敏度將會受到影響，可以通過增加最高測量頻率來改善此類問題[22]。

圖11 三相全長及阻抗比較測試圖

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于寬頻阻抗譜的電纜診斷新技術(shù)，可以顯示電纜阻抗的變化，精確定位電纜故障。使用LIRA寬頻阻抗測試系統(tǒng)對10 kV電纜進行現(xiàn)場試驗驗證，測試結(jié)果表明該技術(shù)可以檢測電纜全長和接頭位置，精確定位電纜的水樹和進水受潮缺陷，而且誤差可控制到0.3%以下。此測試方法目前在國內(nèi)處于現(xiàn)場經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)大量積累的階段，因此針對分析數(shù)據(jù)應(yīng)審慎對待。