0 引言

电力电缆在运行过程中受到电、热、生物、化学、机械等因素的作用,其绝缘状态会逐渐出现不可逆转的劣化,所以需要定期对其进行绝缘诊断^[1]。作为一种无损的检测方法,极化去极化电流法(polarization and depolarization current, PDC)逐渐得到了广泛应用。

为了证明PDC法的有效性,西班牙的Òrrit J等人研究了热刺激极化/去极化电流法(TSDC)和PDC法的关联,发现去极化电流部分与TSDC得到的绝缘材料测试结果具有高度的一致性^[2]。Kranz H G等人基于等温松弛陷阱理论分析了电缆老化过程中的陷阱参数变化,提出了利用PDC方法提取绝缘材料老化因子作为电缆老化判据的概念^[3]。澳大利亚昆士兰大学Oyegoke B S等人对长期运行并退役的电缆进行测试和分析,明确了老化因子A的不同计算方法^[4]。而Walter S. Zaengl在研究极化/去极化曲线后认为,曲线的斜率、形状和去极化电流与时间的乘积等信息在一定程度可以反映XLPE材料的老化状态^[5]。

在国内,研究者们采用PDC法在电力设备绝缘诊断方面进行了一些探索性研究,取得了显著的成果。上海交通大学的尹毅教授利用类似方法对绝缘材料的陷阱理论进行了初步研究^[6],在国内率先引入老化因子概念对电缆绝缘状态进行研究^[7],并长期应用于电缆的诊断上^[8]。四川大学周凯教授通过制作水树老化或者电老化样品为主、兼顾现场运行电缆测试的方式对PDC方法进行了应用和分

析^[9-10]。华南理工大学刘刚教授结合PDC法、逐级升压法和活化能等方法研究了退役电缆老化因子与剩余寿命之间的关系^[11-12]。目前,本课题组已利用PDC测试装置对不同热老化和冲击老化程度电缆样品的老化因子进行了研究^[13-14],评估了现场应用的可行性^[15]。

目前,主要研究对象集中于实验室和少量退役电缆,尚未深入涉及大量在运10 kV XLPE电缆的PDC检测及分析。随着国网公司对配网精益化管理要求标准的逐步提升,10 kV电缆线路的检测工作逐步成为重点,亟需根据现场实际情况制定有针对性的测试方案,并对测试结果进行深入分析。

基于此,课题组收集了8根退役电缆进行实测,证实了PDC法对现场电缆检测的有效性。在此基础上,重点选取了24条电力公司辖区内不同运行状态、运行年限的在运XLPE电缆进行现场PDC实测。根据实测结果计算得到老化因子,并采用斯皮尔曼秩相关系数法理论分析了电缆老化程度与运行年限、长度、敷设方式、负荷类型等台账参数之间的关系,最后在此基础上给出了潜在高危老化电缆线路的判断方法。

1 PDC测试过程及结果

1.1 退役电缆的基本情况及测试准备

本文共收集了8条不同运行年限、不同运行单位的退役XLPE电缆,详细信息如附录表A1所示。

8条电缆中有3条无明确投运时间和运行单位的记录,其中1条电缆绝缘状态正常,另2条经解体后发现了明显受潮现象。为方便后续对电缆老化程度和负荷强度的关系进行分析,依据电缆的运行单位进行了分类,分类标准为：市中心核心区为1类负荷,近郊为2类负荷,远郊为3类负荷。

由于退役电缆样品主要在实验室中进行测试,电磁屏蔽效果相对较好且测试时间较为充裕,因此采用去极化电流进行测量。为保证不损伤电缆绝缘,在样品两端施加200 V直流电压,极化/去极化时间均为1 000 s。

1.2 现场PDC测试流程及准备

由于现场测试时间有限,若极化/去极化时间均设置为1 000 s,三相测试完成总共就需要6 000 s,考虑到实际测试中还有其余辅助工作,单根电缆的测试时间就>2 h,耗时过长,所以在现场主要采用500 s的极化电流进行测试。

在常规运检工作中,一线操作人员会提前1~2 h将待测线路断电并将导体的接地刀闸合上,该过程中电缆的残余电荷已经充分逸出,故进行PDC测试前无需额外放电。

测量极化/去极化电流时,需从开关柜中拔出两端电缆终端头,断开两端屏蔽和铠装的接地,测试过程中屏蔽和铠装需保持悬空状态。同时,将高压端接在电缆终端头,测量(接地)端接在电缆的屏蔽线上,如图1所示。

1.3 实验室和现场PDC测试分析

由于极化电流存在外施电压的作用,因此必须

图1 在运电缆测试接线图 Fig.1 Test wiring diagram of cable at field

考虑电导电流;而去极化电流没有外施电压,故不必考虑电导电流,对测试结果的处理也相对简单。同时实验室测试的时间相对比较充足,不仅能够对电缆进行充分的极化和去极化,而且可以对外界干扰起到良好的屏蔽和抑制作用,因此实验室中对PDC法的应用研究主要集中于去极化电流^[16]。

对在运电缆测试时,特别是对屏蔽与接地未断开的电缆线路测试时发现,外界环境对去极化电流的影响较大,采用极化电流能够在一定程度上改善测试效果,故现场主要利用极化电流进行测试。极化电流与去极化电流的优势及测试要求特点如图2所示。

1.4 退役电缆样品测试结果

将实验室中测得的去极化电流以双对数图的形式进行绘制,结果如图3所示。

绝缘相对良好电缆的极化过程主要为体极化,电流曲线的整体幅值较低,在曲线形式上应接近直线或凸函数,且极化过渡时间比较短,衰减速率较快,如M1—M5号电缆所示。M6号电缆虽然形状与正常电缆相近,但整体电流幅值更高,出现了明显受潮现象,这与台账记录相符。M7号电缆的电流幅值与M6号电缆接近且衰减速度较慢,呈现出凹函数的形态,故其受潮的现象更严重。从解体结果看,M7号电缆确实出现了严重受潮的现象。M8号电缆的电流曲线呈现出明显的凹函数形态,但其整体的电流幅值相较于M6和M7号电缆要低2~3个数量级,因此绝缘状态相对较好。

1.5 在运电缆测试结果

本文针对24条在运电缆进行现场测试,涉及的主要信息如表A2所示。基本覆盖了不同负荷类型、投运年限、长度和敷设类型的电缆,且表A2中负荷类型的分类方法与表A1一致。同时,采用的XLPE电缆型号均为YJV22-3×300,有以下电缆的情况较为特殊,主要包括：

1）N6号电缆和N19号电缆为同一根电缆,N6号电缆在初次检测发现受潮后对其受潮部位进行了修复处理,编号为N19号电缆,然后重新对其进行了测量。

2）N10号电缆为XLPE和油纸混合型电缆,其中XLPE电缆217 m,其余为油纸电缆。

在后续分析中,为了将敷设方式进行数值归一化,直埋、管井、沟道和隧道分别赋值为1、2、3和4。24条在运电缆的现场测试结果如图4所示。

图2 极化与去极化电流测试优势及要求框图 Fig.2 Advantages and requirements of PDC test

图3 去极化电流测量结果 Fig.3 Test results of depolarization current

由于在运电缆测试结果数据较多,为展现PDC法对典型受潮情况判定的准确性,选取了N6号和N19号电缆的测试结果进行对比,如图5所示。从图5可以看出,该电缆在修复前的整体极化电流超过了10^-6 A的量级,可以现场判定为有缺陷电缆。将该电缆中间接头换下,并经解剖后发现该中间接头发生了明显受潮。

对更换中间接头后的该电缆再次进行极化电流测量,发现其极化电流<10^-8 A,修复效果明显。该结果证明了PDC法不仅能够对电缆整体受潮进行有效检测,而且对于局部受潮、过度老化等缺陷的诊断也有较为明显的效果,从而拓展了PDC法的应用范围。

另外,由于PDC法在测试过程中将高压端接于电缆的线芯,测量端接于电缆的铜屏蔽部分,相当于将被测电缆的绝缘电阻并联,所以从测试的电流幅值看,随着电缆长度的增加,测得的PDC电流幅值增大,更有利于对电缆绝缘状态进行准确判定。

根据PDC的测量曲线能够定性地诊断电缆的绝缘状态,但为了帮助现场工作人员快速准确地进行评估,仍需要有定量的判据作为支撑。

2 定量实验结果分析

2.1 基于PDC法老化因子的计算

为定量确定各类极化类型在不同老化程度下的变化趋势,引入了扩展德拜模型对极化和去极化电流进行解谱分析,极化电流i_p和去极化电流i_d可以分别表示为：

\({{i}_{p}}(t)={{i}_{0}}+\sum\limits_{j=1}^{3}{{{\alpha }_{j}}{{\text{e}}^{-\frac{t}{{{\tau }_{j}}}}}}\) (1)

\({{i}_{\text{d}}}\text{(}t\text{)}=\sum\limits_{j=1}^{3}{{{\alpha }_{j}}{{\text{e}}^{-\frac{t}{{{\tau }_{j}}}}}}\) (2)

式中：i₀为电导电流,A;t为变化时间,s;j为不同极化类型,而XLPE中主要包含3种类型,j=1,2,3;\({{\alpha }_{j}}\)为不同极化类型的拟合系数;τ_j为不同极化的时间常数,s;极化电流i_p相较于去极化电流i_d多出了电导电流i₀,在不考虑电导电流的情况下,i_p=i_d。

电缆在运行过程中受环境的影响会逐渐劣化,其绝缘材料的陷阱密度将随之增加且深度变深,这使得绝缘材料的极化电流和去极化电流也会发生变化。具体地,由于电缆绝缘层中本身存在的载流子分为电子和空穴,因此根据J. G. Simmons理论推导可以得到其等温去极化过程(又称为等温松弛过程)中因空穴和电子迁移引起的电流为^[17]：

\({{I}_{\text{n}}}=(qLkT/2t){{f}_{0}}(E)N(E)\) (3)

\({{I}_{\text{p}}}=(qLkT/2t)(1-{{f}_{0}}(E))N(E)\) (4)

式中：I_n和I_p分别表示电子和空穴产生的电流,A;q为元电荷量,C;L为绝缘的厚度,m;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度,K;E为能量,eV;f₀(E)

图4 在运电缆PDC测试结果汇总 Fig.4 PDC results of on-site cable

图5 受潮电缆修复前后极化电流测量结果 Fig.5 Experiment results of polarization current before and after repairing

为电子陷阱激发的初始概率;N(E)为陷阱能级的

分布。

值得注意的是,对于电子和空穴来说,其激发时要求目前所在能级超过阈值能级E_m,高于E_m能级的载流子会从陷阱中逃逸出来,低于E_m能级的载流子还将留在陷阱中。同时,由于目前仪器并不能分开电子和空穴,因此实际测得的去极化电流I_d是两种载流子迁移产生的电流之和(I_n+I_p),故代入E_m并将式(3)和式(4)相加可以得到去极化电流I_d,当等式的两边同乘t后,可以得到

\({{I}_{\text{d}}}t=(qLkT/2)N({{E}_{\text{m}}})\) (5)

式(5)左边为去极化电流与去极化时间之积,当温度、被试样品尺寸不变时,去极化电流与去极化时间之积与陷阱能级分布函数N(E_m)成正比,反映了这些能级的分布情况。

由式(1)、(2)可看出,德拜模型支路与存在的极化类型数量有关,现有研究主要认为电缆的极化类型主要包括体极化(α_b,τ_b),晶态与非晶态之间的界面极化(α_c,τ_c)和劣化后各类离子、基团之间的杂质界面极化(α_s,τ_s)等。利用式(1)、(2)进行L-M法拟合后可以得到不同极化类型的时间常数,并据此提出反映劣化发展程度的A值,计算式为

\(A=\frac{{{I}_{\text{d}}}({{\tau }_{\text{s}}}){{\tau }_{\text{s}}}}{I{{}_{\text{d}}}({{\tau }_{\text{c}}}){{\tau }_{\text{c}}}}\) (6)

从式(6)可以看出,老化因子A的取值范围与电缆的长度、截面积等尺寸参数无关。在现场应用极化电流进行测量时,在求解A因子前需要去除电导电流部分。

2.2 基于PDC法老化因子的计算

随着劣化程度的加重,XLPE材料对外流过的电荷量会增多。因此,通过PDC电流法反映极化电荷的积聚与消散特性也能表征电缆的老化程度。

根据这一原理,将去极化电流以时间为变量进行积分并归一化可以得到老化因子Q。在已知α_j和τ_j的情况下,老化因子Q的计算式为

\(Q=\frac{\left| \sum\limits_{j=1}^{3}{{{\alpha }_{j}}{{\tau }_{j}}(1-{{\text{e}}^{-\frac{{{t}_{0}}}{{{\tau }_{j}}}}})} \right|}{2\sqrt{S\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}L}\) (7)

式中：t₀为测试时长;S为电缆线芯的截面积,m²;L为待测电缆的总长度,m。同样,在现场应用极化电流进行测试时不需要考虑电导过程产生电流,只需考虑极化过程产生的电流即可。

2.3 实验室中和值计算结果及分析

根据式(6)和式(7)计算得到了8根退役电缆的A和Q值,如图6所示。

从图6可以发现,随着电缆运行年限的增加(箭头所示方向),其A和Q值变化趋势无明显规律。而同样运行15 a的M1、M2、M3号电缆的A和Q值差别较大,这与不同电缆的运行负荷及周围环境情况有关。

M6号电缆在解体后发现出现了受潮情况,从Q值来看效果很明显,而A值不明显。前述M7号电缆得到的A和Q值均为最大,与台账记录结果一致,

该电缆的绝缘劣化情况最严重。M8号电缆是正常电缆,作为对照组可以发现,其A和Q值都低于受潮电缆。

图6 退役电缆A和Q值计算结果 Fig.6 Calculation results of A and Q for retired cables

整体上看,Q值在反映电缆绝缘状态上与A值有一定的区别。Q值反映电缆受潮状况比较明显,所有未受潮电缆的Q值均<2×10^-8;而A值作为表征电介质陷阱参数的一种判据,用来反映电缆老化程度比Q值更好。

Birkner P基于德国电缆状况给出了XLPE电缆的A值与绝缘状况的关系和判据^[18]。根据这一判据,运行15 a的M1号电缆应该直接退役,而运行12 a M4号电缆也已经进入中度老化的状态。但通常认为电缆的预期使用寿命在30 a左右,按照电力设备故障率的“澡盆曲线”来看,M1和M4号电缆应该正处于故障率最低的阶段^[19]。按照文献[13]中人工加速热老化结果推算,运行15~17 a的电缆若一直保持90 ℃的线芯温度运行,其A值可能会达到1.74左右,而运行20 a左右电缆就需要退役,这也与国内电缆30 a的生命周期有所区别。

2.4 在运电缆和值计算结果及分析

同样地,根据式(6)和式(7)对24条在运电缆的A和Q值进行了计算,结果如图7所示。

部分绝缘较好的电缆在测试过程中的极化分量并不明显,这部分电缆的测试结果难以分解出不同极化过程对应的时间常数,故无法求解其A和Q值,从而形成了空白数据。但是,为了后续分析A和Q值与电缆信息的相关性,需要对空白数据进行填充,填充时将A值设置为1,Q值设置为10^-9,主要包括N1,N20,N21和N22号电缆。此外,N10号电缆由于Q值超标,运维人员在后续缺陷处理工作中结合了线路改造计划将油纸部分的电缆全部更换为XLPE电缆,缺陷处理完成后该电缆顺利通过了超低频介损和耐压试验。

图7 在运电缆A和Q值计算结果 Fig.7 Calculation results of A and Q for in-service cables

从现场测试结果可以看出,老化因子A和Q值具有一定的正相关性,但部分电缆中两者在判定电缆的老化程度时也有一定的区别,这一现象与2.3节的分析相一致。因此,两种老化因子同时使用能更全面反映电缆的老化受潮情况。

考虑到本次测试中选取的电缆均为电力公司日常维护中认为的潜在故障率较高的电缆,实际计算得到的在运电缆A和Q值仍相对较大,若按照德国对A值的计算标准,则其中42%的电缆均需要退役。但由于国内外电缆在工艺、日常维护、运行环境等方面均有不同,具体应用的老化因子A值判定范围也应有所不同,因此有必要扩大国内电缆的PDC测试范围,完善诊断数据库。

3 潜在高危老化电缆的判定方法

3.1 绝缘状态与台账信息的相关性分析基础

目前配网XLPE电缆在大中城市中使用量非常大,而按照现有作业流程,每个工作日最多完成2~3段电缆的测试工作,导致在实际检修中不可能对所有电缆都进行检测。因此,亟需提出一种对潜在高危电缆的筛选方法,明确重点检测的电缆线路特征,减轻现场测试的工作负担。

为了制定合理的筛选方法,本文引入了相关性分析的方法^[20],建立了台账信息和电缆绝缘状态的统计关系。

目前,最常用的相关性分析方法包括皮尔森相关系数法和斯皮尔曼相关系数法,其中皮尔森相关系数法的分析结果对少数异常点和缺失点极为敏感,且只对线性分布的数据分析较为有效^[21]。而在现场实测的绝缘性能数据和电缆台账信息并非是严格的线性关系,因此在本文中不适宜应用皮尔森相关系数法。故本文主要应用了斯皮尔曼秩相关系数法进行分析,其基本计算式为^[22]

\(\rho =1-\frac{6\sum\limits_{z=1}^{n}{{{d}_{z}}}}{n({{n}^{2}}-1)}\) (8)

式中：ρ为相关系数;d_z为秩的差值;n为样本数量。

ρ越大表明相关性越强,ρ为正值表示正相关,为负值则表示负相关,且ρ的取值范围为[-1, 1]。分析样本为退役电缆与现场测试电缆之和,样本总量超过30,分析结果具备统计意义^[23]。

根据式(8)计算得到各台账信息与绝缘状态的相关性系数后,可以求得各参量的敏感度系数r_z为^[24]

\({{r}_{z}}=\frac{\rho _{z}^{2}}{\sum\limits_{z=1}^{m}{\rho _{z}^{2}}}\) (9)

式中：z为台账信息对应的编号;m为待分析台账信息的种类。

得到各台账信息的敏感度系数后可以直观看出绝缘状态受相应台账信息影响的敏感性,但必须指出这并非等价于受影响的程度。当敏感度系数较小时,若台账信息数据本身变化较大,仍可能对电缆绝缘状态产生较大影响。因此需要针对相应台账信息数据的变化范围进行表征,主要通过对其最大和最小值进行初值化处理来实现,处理后的台账信

息参数和变化范围F_z的计算式为：

\({{F}_{z}}=\frac{{{x}_{z,\max }}}{{{x}_{z,\min }}}\) (11)

绝缘状态受台账信息的影响程度Y_z为

\({{Y}_{z}}={{F}_{z}}{{r}_{z}}\) (12)

Y_z越大,则说明该参数对电缆绝缘状态的影响程度越高,在日常运维中需要重点关注。

3.2 相关性分析结果

根据式(8)对各台账数据与A/Q值的相关性进行分析,计算结果如表1所示,其中p值为显著系数,该系数越小则证明相关性的判定可信度越高。

A和Q间的相关性系数为0.479,显著系数为0.006,A和Q值具有中等强度的正相关性,且可信度非常高,说明两者在绝缘状态诊断中的一致性非常好。

从负荷类型看,A/Q值与负荷区域类型呈现了较弱的负相关性,说明远郊区域电缆好于市中心核心区的电缆,这种情况主要是由远郊区域负荷较轻、电缆通道超容率低等因素造成的。

投运年限和A/Q值基本未呈现相关性,说明运行年限和电缆绝缘状态关系不大,这一点可能与常规认知有所区别。但进一步分析后发现,运行年限较短的电缆在关注程度、日常维护频次方面都不如年限较长电缆,再加之目前配电电缆生产厂家越来越多,生产质量参差不齐,结果就导致新电缆出现绝缘老化受潮现象也层出不穷。

电缆长度和A值基本未呈现相关性,但却与Q值具有中等强度的正相关性,这说明随着电缆长度的增加,电缆老化的概率基本不变,但受潮概率却不断增加。长电缆出现受潮后,在缺陷处理过程中寻找受潮点的难度更大、耗时更长,更换维修的工程量也更大。因此在日常电缆运维及建设过程中,若条件允许则应考虑增加环网柜、开闭所、配电室等设施,缩短电缆的敷设长度,从而提高电缆整体的可靠性并降低检修工作量。

敷设方式和A值基本未呈现相关性,但却与Q值具有中等强度的正相关性,说明直埋敷设的电缆受潮概率较低,管井、沟道和隧道电缆受潮概率更高,这种现象主要是因为在这3种敷设下若通道防潮工作不到位,则极易出现渗水情况,甚至在通道内产生积水,进而影响整体绝缘性能。直埋敷设电缆在日常运行过程中由于负荷电流的作用导致导体、绝缘层等出现温升现象,而这类温升现象会造成土壤水分迁移,使局部土壤出现干燥的情况^[25],进而有利于电缆的防潮。

根据式(9)—式(12)求解可得到电缆台账信息参数对A和Q因子的敏感度和影响程度,如表2所示。

结合相关性分析结果,本文重点考虑老化因子Q敏感度和影响程度的计算结果,可以发现长电缆和敷设方式最易影响电缆的绝缘状态,这与前述相关性分析结果一致,验证了统计分析的正确性。综上所述,在日常运维工作中应重点关注和检测非直埋敷设的位于市中心的长电缆。

4 结论

1）PDC法不仅可以反映电缆整体的老化受潮情况,也能判定电缆局部的老化受潮,这一现象扩大了本方法的应用范围。

2）本文采用了反映介质内部陷阱的参数A和极化过程中电荷量迁移的参数Q进行评估,随着劣化程度的增加,A和Q值总体呈现了增加的趋势,受潮电缆的A和Q值明显高于绝缘正常的电缆。Q值判断电缆受潮程度效果更好,未受潮电缆的Q值均<2×10^-8。

表1 A和Q与电缆信息的相关性 Table 1 Correlation between A and Q and cable information

表2 电缆信息参数对绝缘状态的敏感度和影响程度 Table 2 Sensitivity and influence degree of cable parameters on insulation state

3）本文利用斯皮尔曼秩相关系数法建立A/Q值与电缆信息相关性并求解敏感度、影响程度后发现：远郊电缆状况好于市中心电缆;电缆绝缘状态和运行年限关系不大;且随着电缆长度增加,电缆老化的概率基本不变,但受潮概率不断增加;直埋敷设的电缆受潮概率较低,管井、沟道和隧道电缆受潮概率较高。

附录见本刊网络版(http://hve.epri.sgcc.com.cn/ CN/volumn/current.shtml)。

编辑 何秋萍 余洋洋

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