齐齐哈尔师范高等专科学校学报稿件信息
XLPE电缆水树老化的介损检测方法研究
李鹏，董雪峰，李嫚，付婷婷
（郑州电力高等专科学校，郑州，450000）
摘要：分析了工频电压下电桥法、0.1Hz超低频电压下、串联谐振条件下现场测量XLPE电缆tanδ的适用性及优缺点。对比发现，0.1Hz超低频电压下测量tanδ的方法得到广泛研究和认同，但超低频时tanδ值不能表征XLPE电缆工频电压下的绝缘状况；工频电压下用电桥测量tanδ能够准确反映XLPE电缆的绝缘状况，电桥容量较小限制了该方法使用范围；串联谐振装置测量tanδ能基本反映XLPE电缆的绝缘状况，配套设备体积制约了其应用。
关键词：交联聚乙烯电缆；水树老化；介损正切tanδ；超低频；串联谐振
0 引言
交联聚乙烯（XLPE）电力电缆因具有多项优良的性能特点，现已在国内外大中城市输配电网中得到广泛应用。交联电缆在运行中，绝缘材料会受到电、热、机械、水分等因素作用而发生老化，影响电缆运行可靠性和使用寿命【1,2】。研究表明，交联电缆绝缘老化的主要原因是水树枝老化【2,3】，水分、电场是引起XLPE电缆绝缘早期水树枝老化的主要因素，杂质缺陷的存在会加速这种老化【4】。水树枝的产生和发展会导致XLPE电缆绝缘强度下降，最终绝缘寿命缩短，是XLPE电缆绝缘老化的主要方式【5】。
介质损耗的测量对监测XLPE电缆绝缘产生的水树老化十分有效【5~9】，国内外已有许多研究结果。本文针对检测XLPE电缆介质损耗的几种主流方法进行比较，探讨其检测有效性和实用性。
1 工频电压下西林电桥或自动介损电桥法测量介损
衡量介质损耗大小的常用指标是介质损失角正切tanδ，它反映了在交流电压下单位均匀介质内产生的介质损耗（主要包括极化损耗和电导损耗）大小，是衡量绝缘材料介电性能的重要参数。电气设备绝缘的tanδ值越大，其整体绝缘性能就越差。长期以来，电力系统中一直把tanδ测量作为评价电气设备绝缘状况的一个重要技术手段。
现场测量tanδ所用经典仪器是西林电桥和上世纪九十年代后出现的各种自动介损测试仪。主要应用于充油设备如变压器、互感器和套管等，用于交联电缆较少。主要原因在于高压电缆电容量较大，需要较大容量的试验电源供电，且西林电桥需要匹配高精度标准电容器。这些因素导致现场测量高压、长电缆的tanδ难以施行。此外西林电桥的平衡原理要求电源频率必须是严格的50Hz。
随着计算机技术和电子技术的发展而出现的各种数字自动介损测试仪，大部分产品还是采用内置标准电容器的电桥平衡原理，只是用自动调压达到调节电桥平衡的方法取代传统西林电桥的手动调压方式。为方便现场试验，该类仪器内置有小型试验变压器，也决定了这类仪器只能对小容量设备如中小变压器、互感器和较短的电缆进行tanδ测量。有些数字介损测试仪采用了基于离散傅里叶分析、相位差测量及容性电流补偿原理的测量技术，从原理上不再依赖标准电容器，对50Hz的试验频率也不再限制，应用于在线或离线测试中也有一定报道【10,11】。但内置小型试验变压器的现实依然是这类设备的瓶颈，制约着对大容量设备的tanδ测量。
交联聚乙烯电缆是挤塑成形的，其绝缘结构是整体介质型，充电电容及绝缘电阻较大，导致其正常状态时tanδ值很小，加之现场干扰，准确检测难度较高，一般仅在电缆整体绝缘老化较严重时才有意义。
2 0.1Hz超低频电压下测量介损
由于高压大容量交联电缆的交流耐压试验所需电源太大，直流耐压试验又一致被认为会在XLPE绝缘中聚集空间电荷而对绝缘有损伤，早在上世纪九十年代，德国、奥地利、日本等国就开始研究采用0.1Hz超低频电压对中压XLPE电缆现场耐压试验的适用性【12】。德国经多年研究和现场试验，结论最终反映在对中压电力电缆试验的VDE DIN 0276 Part 1001（1995年5月）德国标准上。其他国家和我国也进行了大量基于0.1Hz超低频电压下交联电缆的试验研究【5-8】，国际大电网会议第21.09工作组研究报告集成了各国研究成果，得出目前几乎共同的认识为：
（1）0.1Hz超低频耐压试验推荐用于中压XLPE绝缘电力电缆试验。正弦方波型比余弦方波型超低频耐压试验设备更适合电缆的耐压试验。
（2）与工频耐压试验比较，超低频耐压试验具有较低的水树缺陷局部放电起始电压，容易检出交联电缆的水树枝缺陷。
（3）0.1Hz正弦方波型电源可用作XLPE电缆介损正切的测试电源，作为评估电缆绝缘老化状况的无损试验手段。
德国关于0.1Hz正弦方波下电缆介损试验的研究结果为【12】：
试验室条件下对新的、运行中老化的试样和人为缺陷的电缆试样进行测量，得出0.1Hz下介损正切随水树枝老化时间的延长而增高，随电压的升高而增大的结论。
现场测试方法为自0.5u0起，电压递增+0.5u0，若tanδ（u0）值未明显超过新电缆值（0.002）则继续测到2u0；若tanδ（u0）、tanδ（1.5u0）明显超过比较值，则停止测量，以免电缆击穿。研究结果为【13,14】：
a．新XLPE电缆的0.1Hz下介损正切测量值不超过0.002；
b．正常老化电缆介损正切测量值在0.002~0.0039范围内。超过0.004的电缆继续运行出现事故的几率较大且频繁；
c．多数情况0.1Hz下介损正切测量值随电压的升高而增大，可作为水树枝引起损伤的可能量度；
d．0.1Hz介损正切值和电缆的水树枝缺陷有密切关系，而和绝缘含水量关系不大。
目前以上结论已经普遍被各国接受，我国部分省市供电公司参考上述结论确定了自己的试验标准。
似乎对交联电缆进行现场tanδ测量难以进行、结果难以判断的问题已经解决。但随着研究的进展，新的结果带给我们不同的认识。有些文献【15】根据经典介质损耗理论详细分析了交联电缆绝缘不同部分产生介质损耗的机理，并进行了仿真和试验，提出交联聚乙烯电缆介质损耗主要有三种来源：电导损耗、极化/松弛损耗和半导电层产生的电阻损耗，并分别在低频、中频和高频段起主导作用，在50Hz工频下三种损耗都对介质损耗有贡献。可见，介质损耗值与外施电压频率具有很大关联性。
采用0.1Hz超低频介损测量技术能够减小被试电缆的容性电流，从而减小试验电源的容量以利于测量长电缆及提高测量精度，也能很有效地检出交联电缆绝缘中的水树枝缺陷，但根据文献【15】结论：0.1Hz电压下介损正切测量值含有较大的电导损耗分量，而极化损耗和半导电层损耗的分量较小，而代表XLPE绝缘状况的是极化损耗分量的大小。因此，非工频条件下介损正切测量值不能反映交联电缆工频条件下起主要作用的极化损耗分量大小，故该tanδ值也不能准确表征工频条件下交联电缆的绝缘状况。超低频电源下tanδ值测量结果只有一定参考意义，无法与工频电源下的测量结果直接比较。
3 串联谐振系统测量介损
为适应长距离高压电缆的耐压试验和其他试验，现场中串联谐振试验设备的使用越来越多。串联谐振耐压时电源频率一般在20~100Hz频段内，其作用效果与50Hz工频耐压试验的等效性已经得到广泛认可。
因此，串联谐振系统也可以应用在交联电缆的介损测量中，只需选择配套的介损测量仪器即可，成为电缆绝缘诊断技术的一个选项。文献[15]的测试结果表明，串联谐振诊断系统得出的介损值在整个试验频率范围内比较稳定，能够较准确地反映工频条件下的绝缘状态，且受温度影响较小。目前的问题是，很多现场使用的介损仪器是基于电桥法的测量原理，配套的标准电容器等设备体积较大，且价格昂贵，制约了其应用。有研究者提出了基于相位差技术的直接测量法【16】，原理上可以缩减电桥平衡法中介损测量系统的体积、重量，值得进一步进行研究。
4 结语
测量tanδ值对监测XLPE电缆绝缘中水树老化的有效性已得到广泛认同，关键是tanδ值能否真实反映XLPE电缆运行时产生的损耗。根据最新研究结果可得到以下结论。
（1）用各种介损电桥在工频下测量tanδ值与电缆正常运行时外施电压频率一致，而频率对极化损耗的影响最大，因此能够反映XLPE电缆真实绝缘状况。制约该方法在现场应用的原因主要是电桥本身电源或与其配套电源容量较小，只适合电压较低、长度较短电缆的介损测量。如果解决了电源容量问题，该方法最适合于现场应用。
（2）0.1Hz超低频电源测量tanδ的方法在近三十年内得到广泛研究和认同，但超低频时绝缘中极化损耗远小于工频时的值，而电导损耗较大，因此所测tanδ值不能准确表征运行在工频电压下XLPE电缆的绝缘状况。目前广泛应用的根据0.1Hz超低频电压下tanδ值判断XLPE绝缘水树老化状况的判据只具有参考意义。
（3）串联谐振试验时电源频率一般在20~100Hz范围内，该频段下XLPE绝缘中极化损耗与工频下绝缘中产生的极化损耗基本相当，因此测得的tanδ值能基本反映XLPE电缆的绝缘状况，配套设备的体积制约了其在现场的应用。
参考文献
[1] 马丽婵，郑晓泉，谢安生，交联聚乙烯电缆中电树枝的研究现状[J]，《绝缘材料》，2007年10月第5期。
[2] 王立，交联聚乙烯电力电缆树枝老化诊断方法研究[D]，天津：天津大学，2008年。
[3] 贺景亮，交联聚乙烯绝缘中树状放电的试验研究[J]，《中国电机工程学报》，1996,16年1月。
[4] 史济康，朱海钢，徐永铭等，35kV及以下XLPE绝缘电力电缆品质分析[J]，《高电压技术》，第31卷第11期，2005年11月。
[5] 钟志毅，欧景茹，郭铁军等，交联聚乙烯绝缘电力电缆交流耐压试验研究[J]，《电网技术》，第31卷增刊1，2007年6月。
[6] 罗俊华，马翠姣, 邱毓昌等，35 kV及以下XLPE电力电缆试验方法的研究[J]，《电网技术》，第24卷第12期，2000年12月。
[7] 王永红，何丽娟等，0.1Hz超低频下XLPE/PE电缆tanδ测量[J]，《高电压技术》，第26卷第2期，2000年4月。
[8] 李祥中，0.1Hz下电缆介损测量技术的进展[J]，《广东电力》，第11卷第3期，1998年6月。
[9] 饭田芳一，地下电缆绝缘老化的诊断方法[J]，《电线电缆》，1988年第2期。
[10] 邹艳平，测量高电压绝缘介质损耗的方法[J]，《宁夏电力（增刊）》，2002年。
[11] 吴云飞，陈俊武，彭潜，XLPE电缆交流耐压试验中阻性电流的检测[J]，《电工技术》，2004年第12期。
[12] 德国交联聚乙烯电力电缆的0.1Hz交流耐压和tgδ试验[J]，《西北电力技术》，1998年2月第1期。
[13] Martin Baur. 用最新的超低频方法进行PE/XLPE电缆的试验，《SAIEE电缆试验会议》，NASREC，1993.
[14] Karl-Heinz Krelter. 用于中压电网的塑料电缆的试验方法的经验，VDEW（德国电厂联合会）1993年电缆会议，1993。
[15] 刘通，John Fothergill，Steve Dodd等，交联聚乙烯电力电缆的介电损耗机理[J]，《南方电网技术》，第4卷 第5期，2010年。
[16] 陈天翔，张保会，陈天韬等，基于电桥平衡原理的高准确度tanδ在线测量[J]，《高电压技术》，第31卷第1期，2005年1月。
