CN111693827B - 一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法，对于存在水树缺陷的电缆，通过控制击穿电压幅值，击穿电压相位和击穿时间对水树的严重程度进行诊断。本发明将耐压试验与水树严重程度的诊断结合在一起，无需单独对水树诊断开展测试，极大的提升了试验的效率。本发明可被应用于现场电缆状态评估，从而为电缆检修维护或重新更换提供科学合理的决策。

Description

一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法

技术领域

本发明属于输配电电缆安全运行技术领域，具体涉及一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法。

背景技术

随着我国电力工业规模的快速发展，电网的互联程度、运行电压等级不断提高，电力网络的规模日益扩大，随之而来的问题是电网的运行环境变得更为复杂，对安全可靠的运行程度要求更为苛刻。电力电缆作为整体电网的重要构成部分，是电网输配电的主要途径，其运行状态直接关系着电力运输的稳定性、安全性以及持续性。然而，我国在20世纪70年代开始使用XLPE电缆，较早投运的电缆部分已经到了运行后期，开始出现了水树老化的问题；由于电缆制作工艺不佳，使得绝缘表面粗糙、中间接头接触不良，导致绝缘内部电场分布不均匀，进一步加速了水树老化；XLPE电缆多采取敷设和直埋的安装方式，运行中的电缆往往直接浸泡在污水中，绝缘长期受到水气侵蚀，受杂质、电场、热、水分等因素共同影响，极易加速电缆老化。

对水树严重程度进行诊断，有利于电缆状态的评估对于电缆的安全运行和状态检修有重大意义。

当前水树形成机理方面研究主要关注形态和生长特性。

部分学者利用加速水树老化实验的方法培育水树，以研究水树对XLPE绝缘性能的影响。但是研究中他们使用的方法各不相同，外施电压等级、频率的不同导致水树呈现了不同的生长特性。不同生长特性的水树在不同阶段的老化时间有会对绝缘造成不同影响，已有学者发现随着加速水树老化时间的增长，XLPE的交流击穿电压及其威布尔分布变化明显。对于水树的形成条件及生长特性的研究具有重要意义。有研究表明，当绝缘中有水分，在较低场强下即可诱发水树。目前有一些学者研究了在不同外施条件下水树生长情况。J.Sletbak对不同电压等级的XLPE电缆进行加速水树老化，发现外施电压由50Hz提高至5kHz时，水树诱发时间变短，生长速度变快；Peter werelius等人利用工频电压加速老化水树，发现随着水树老化时间增长，XLPE介电性能也发生变化；Sverre Hvidsten等人发现不同外施电压会产生不同形貌的水树，长且稀疏的水树和浓密不贯穿的水树；周凯等人发现在四种不同极性频率为400Hz的整流电压下交联聚乙烯材料水树尺寸和形态均存在明显差异。电压频率对水树生长具有加速作用，在同等条件下，50Hz下生长的水树长仅为6~10kHz下的4%~20%，而水树生长特性也会随着外施条件的改变而改变。由此可见，不同外施频率会导致不同生长特性、形貌特征的水树，从而对绝缘造成不同程度的影响。

当前水树的检测方法主要包括取样切片法和整缆检测法两大类。

切片取样法在需要评估的位置切断电缆，取样后，将电缆切片制成测试试样。将试样沿垂直刀口方向切取厚度约为200μm左右的薄片，浸泡在90℃的亚甲基蓝中染色4小时，待充分染色后，用无尘布擦拭，然后放在显微镜下观察水树枝生长情况，根据水树的长度诊断水树的严重程度。典型的水树图片如图1所示。

整缆检测法的方法众多，可分为传统介电性能测试法、超低频介损法、空间电 荷法、残余电荷法以及极化去极化电流法。

1）传统介电性能测试法

电缆绝缘中生成水树缺陷后，由于水树区域与周围XLPE基体的介电性能相差很大，将会引起绝缘材料宏观介电性能的变化。因此研究者通过对电缆绝缘的击穿电压、泄漏电流、介质损耗因数 （tanδ）、绝缘电阻等介电性能进行测试，对比新电缆样本的参数，评估电缆的相对老化程度。此外，由 于水树结构具有直流下的极性效应与交流下的整流效应，可以采用直流成分法、直流叠加法、谐波分量法、交流叠加法等检测水树老化电缆的特征信号，判断电缆是否发生了水树老化。 然而，传统的介电性能测试均存在着不同程度 的局限性，击穿电压测试对绝缘本体具有破坏性，泄漏电流、tanδ、绝缘电阻测试等能够间接反映绝缘 的整体状态，但不能直接反映电缆的局部水树老化。直流成分法、直流叠加法、谐波分量法、交流叠加法等获取的信号较弱，极易受到环境噪声与系统内部的干扰。因而，实际应用中仅采用上述检测方法辅助分析而非直观判断电缆的水树老化程度。

2）超低频介损法

在阻性损耗为主的情况下，tanδ在频率较低时具有更大的数值，因此在低频下测量电缆的介损能够更灵敏地反映其绝缘状态。通常测试电压范围 为 0.5U₀～1.5U₀，测 试频 率 为 0.1 Hz，研 究 发 现 0.1 Hz下的介损值与电缆的交流击穿电压密切相关，同时介损值随着最长水树长度的增加而增大。IEEE Std 400.2TM-2013也将0.1 Hz下的介损测试列入电缆现场实验和评估的手段之一。 然而，需要指出的是，超低频下的介损能否等效代替工频介损，用以反映工频下运行电缆的绝缘状态仍然值得进一步研究。其次，由于采用的是高达1.5U₀的0.1 Hz超低频电压，极有可能激发绝缘中的潜在缺陷对电缆造成二次伤害。

3）空间电荷法

近年来，有研究者通过测量空间电荷来表征水树老化程度，取得了良好的效果。空间电荷法作为一种非破坏性测试，能够获取介质内部空间电荷分 布等诸多信息。空间电荷的测试方法主要有3 种：电声脉冲法（PEA）、压力波法（PWP）与热脉冲法（TSM）。这3种方法分别以电脉冲、压力波以及热 脉冲作为虚探针深入固体介质内部引起外电路回路的相应变化，通过测量外电路中的响应来获得固体介质中的电荷分布信息。测试结果显示，水树的存在使得空间电荷在水树尖端逐渐积累，且其极性 与水树生长点的电压极性相一致。目前空间电荷测试中，PEA法由于受干扰相对较小、测试简单等优点而使用较多，而TSM法由于能够针对实际全尺寸电缆测试，最具实际应用前景。基于PEA法的空间电荷测试分辨率与灵敏度较高，能够实现薄片XLPE试样空间电荷的无损、精确测量，但目前针对绝缘较厚的实际全尺寸电缆进行测量存在困难。除此之外，PEA法对压电传感器精度、信号处理与重构算法等有较高要求。基于 PWP法测试系统的分辨率与PEA法处于同一数量级，但PWP法的高压回路与信号回路只存在耦合电离，其信号极易受到外部干扰噪声的影响。TSM法则能够针对实际全尺寸电缆进行测量，但实际测试 过程中脉冲电流幅值往往较小，信号的抗干扰与后续处理等需要进一步研究。

4）残余电荷法

残余电荷法诊断水树老化电缆的研究最早始于日本，传统的残余电荷法首先向水树老化电缆施加直流电压，这时水树区域会积累空间电荷，一段时间后接地，此时仍有部分被深陷阱捕获的空间电荷（即残余电荷）存在于绝缘中，随后向电缆施加交流电压，残余电荷得以释放，通过对比不同电缆样本在此过程中的直流成分及其对时间积分的差 异，可以评价绝缘水树的老化程度。 传统的残余电荷法由于检测干法交联的XLPE 电缆中的水树精度不高，同时施加的直流电压有可能导致与电缆相联结的GIS设备放电，也并不适用于与GIS设备相连的电缆线路，因此在实际检测应用上存在难题。残余电荷法的相关研究虽然较多，但实际工业应用却未见相关报道。其次，残余电荷法的测试设备体积较大、如何去除直流杂散电流的干扰以及建立不同长度电缆的测试数据库以准确评估电缆的 水树老化程度等问题也有待进一步研究。此外，在直流电压预压下，电缆绝缘内部注入的空间电荷是否会对绝缘造成二次损伤也未有相关评估。

5）极化去极化电流法

XLPE绝缘层中出现水树老化现象时，通常伴随着水分侵入和材料自身结构的改变，绝缘材料的 介电性能也会随之发生变化，水树老化电缆在电场 作用下将产生有别于新电缆的极化、电导以及损耗现象。极化去极化电流法（polarization anddepolarization current，PDC）是一种非破坏性并且可靠 的测试手段，通过测量材料的介电响应并从中提取 相应的老化特征参数，能够有效诊断电缆绝缘的水 树老化程度。 PDC测试通常对测试样本施加直流电压，一段时间后将样本短接，通过测试回路中产生的极化与去极化电流，分析绝缘的直流电导率、 非线性系数、老化因子等特征参数，以此衡量绝缘的老化程度。此外，可以通过傅里叶变换将PDC测量的时域电流信号变换到频域，从而获得绝缘频域 下的介电特性。

需要指出的是，PDC法虽然能够较好地判断水树老化电缆的劣化程度，但目前并不能对未知电缆的具体老化形式（水树老化、热老化、绝缘受潮等） 作出准确判断。其次，由于水树通常被视为非线性元件，水树老化电缆绝缘的介电响应往往也是非线性的，即其测试结果（电导率、介电常数、介质损耗 因数等）通常随测试电压的不同而呈现较大的差别，因此进一步研究测试电压对这些参数的影响成 为该方法能否工业化应用的关键。

取样切片法简单明了，但需要对电缆进行破坏，重新制作接头。整缆检测法无需切片，但需要进行单独的测试，灵敏度，负载能力和有效性都存在不足。因此，亟需开展新型水树严重程度诊断方法的研究。

发明内容

水树是导致电缆绝缘劣化的重要原因，如何发现水树并对其严重程度进行诊断是电缆测试工作的重要内容。电缆的耐压试验是考核其绝缘性能的重要手段，可采用的电压包括谐振电压，超低频正弦电压和超低频余弦方波电压。耐压试验目前仅有通过和不通过两种结果，无法对水树的严重程度进行诊断。为此，提出了一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法，对待测电缆开展余弦方波耐压试验，根据击穿结果判定水树严重程度。

方法中，余弦方波耐压试验装置输出0.1Hz的余弦方波波形。

方法中，所述余弦方波耐压试验中的余弦方波的波形参数符合IEEE400.2的标准要求。

方法中，余弦方波耐压试验装置的最高输出电压不低于3U₀。

方法中，余弦方波耐压试验中的升压方式为逐级升压法。

方法中，余弦方波耐压试验中，按0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀，3U₀逐级加压，0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀各级电压的施加时间为10分钟，3U₀的施加时间为1小时。

方法中，整个耐压过程中无击穿现象，则判定水树严重程度为轻度。

方法中，满足下列条件之一的则判定水树严重程度为重度：

1）0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀的耐压过程中发生了击穿；

2）3U₀耐压的前10分钟内发生了击穿；

3）在极性变换过程中发生击穿。

方法中，其他情况发生击穿时，则判定水树严重程度为中度。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法可以在使用余弦方波进行耐压试验的同时完成水树严重程度的检测和诊断，通过击穿电压幅值，击穿电压相位和击穿时间共同判断水树的严重程度。本发明将耐压试验与水树严重程度的诊断结合在一起，无需单独对水树诊断开展测试，极大的提升了试验的效率。

本发明可被应用于现场电缆状态评估，从而为电缆检修维护或重新更换提供科学合理的决策。

附图说明

图1为切片法测量的典型水树形貌图。

图2为本发明的流程示意图。

图3为水树严重程度划分示意图。

图4为余弦方波的典型波形图。

图5为极性变换中发生的击穿图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明所提供的一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法实施的整体框架如图2所示。

首先对需要进行水树严重程度诊断的电缆开展余弦方波耐压试验，在整个试验过程中如未发生击穿，则可认定水树严重程度为轻度；如果发生了击穿，若击穿电压幅值，击穿电压相位和击穿时间符合重度条件，则认为水树严重程度为重度，否则水树严重程度为中度。

典型水树缺陷的切片示意如图3所示。将图中D₂/D₁*100%定义为水树缺陷的长度占比，根据长度占比划分水树严重程度，如表1所示。

表1 水树严重程度占比划分

。

余弦方波耐压试验装置的输出电压应为0.1Hz的余弦方波波形，余弦方波的波形参数符合IEEE400.2的标准要求，最高输出电压不低于3U₀，见图3。

余弦方波耐压试验的升压采用逐级升压法，按0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀，3U₀逐级加压，0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀各级电压的施加时间为10分钟，3U₀的施加时间为1小时。施加余弦方波的典型波形图如图4所示。

在整个试验过程中如未发生击穿，则可认定水树严重程度为轻度；如果发生了击穿，若击穿电压幅值，击穿电压相位和击穿时间符合重度条件，则认为水树严重程度为重度，否则水树严重程度为中度。

具体的，满足下列条件之一的则判定水树严重程度为重度：

1）0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀的耐压过程中发生了击穿；

2）3U₀耐压的前10分钟内发生了击穿；

3）在极性变换过程中发生击穿（如图5所示）。

一种终端设备，其包括上述的装置，将方法的程序文件装入终端设备，实现判定水树严重程度测试装置的便携性，便于工作人员携带至现场。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述判定水树严重程度测试方法。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法，其特征在于，对待测电缆开展

余弦方波耐压试验，根据击穿结果判定水树严重程度；

余弦方波耐压试验中的余弦方波耐压试验装置的输出为0.1Hz的余弦方波波形；

所述余弦方波耐压试验中的余弦方波的波形参数符合IEEE400.2的标准要求；

余弦方波耐压试验中的余弦方波耐压试验装置的最高输出电压不低于3U₀；

余弦方波耐压试验中的升压方式为逐级升压法；

余弦方波耐压试验中，按0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀，3U₀逐级加压，0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀各级电压的施加时间为10分钟，3U₀的施加时间为1小时；

整个耐压过程中无击穿现象，则判定水树严重程度为轻度；

满足下列条件之一的则判定水树严重程度为重度：

1)0.5U₀，1U₀，1.5U₀，2U₀，2.5U₀的耐压过程中发生了击穿；

2)3U₀耐压的前10分钟内发生了击穿；

3)在极性变换过程中发生击穿；

其他情况发生击穿时，则判定水树严重程度为中度。

2.一种计算机可读存储介质，其特征在于所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的基于余弦方波耐压试验电缆水树严重程度诊断方法。

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