配电电缆缺陷诊断与定位技术面临哪些挑战？华电学者发表研究成果

交联聚乙烯（XLPE）电缆性能优异，在城市配电系统应用广泛。目前部分配电电缆即将达到或已超过其设计寿命，如何准确诊断“老龄化”电缆的状态继而保障配电网运行可靠性是一项重大挑战。

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员单秉亮、李舒宁、杨霄、王伟、李成榕，在2021年第22期《电工技术学报》上撰文，深入分析现有电缆典型缺陷诊断方法和定位技术应用于XLPE配电电缆状态诊断过程中的有效性，指出长电缆中缺陷诊断灵敏度和定位准确性、电缆老化段与集中性缺陷的辨识与定位等存在的关键问题。在此基础上，从提高电缆中集中性缺陷诊断灵敏度、实现对长电缆中缺陷的准确定位、开展电缆中局部老化段的定位与诊断研究等方面给出了建议。

交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆由于耐热性能和绝缘性能十分优异，且具有质量轻、传输容量大、易敷设维护等优点，自20世纪80年代起便被大规模应用于我国城市配电网的建设与改造中。截至2020年初，国家电网公司在运配电电缆277.9万段，总长度76.7万km，同比增长13.5%。

与此同时，早期投入的部分电缆已进入“老龄化”阶段，正接近或已超过其设计寿命。如何准确诊断其绝缘状态并据此实现科学运维，这对于保证配网运行可靠性尤为重要，相关研究刻不容缓。

研究表明，XLPE配电电缆在投入运行后，其主绝缘层会在电、热、机械和环境等多因素作用下发生非可逆绝缘老化、产生绝缘缺陷，极易诱发电缆故障，威胁电网的安全稳定运行。CIGRE报告中同样指出，老化缺陷是中压电缆发生故障的最重要原因，问题不可忽视。

2009~2011年国家电网公司对已投运的6~500kV电力电缆线路故障按原因进行统计，设备老化故障为2 055次，故障占比21.1%，其中主绝缘老化故障占设备老化故障总量的60.9%。此外，相较高压电缆而言，中低压电缆的故障率更高。

对于实际运行XLPE配电电缆而言，其空间敷设跨度大、运行环境复杂，长期运行后电缆中形成的缺陷沿电缆并非呈均匀分布，如何对其进行有效诊断和定位是一大难题。国内外学者对此开展大量研究工作，虽已取得一定成果，但仍存在一些问题和薄弱环节亟待解决。此外，出于经济性考虑XLPE配电电缆一般不配备状态实时监测装置，历史运行数据的缺乏进一步增加了XLPE配电电缆老化状态诊断的难度。

鉴于此，华北电力大学的科研人员总结了现有XLPE电缆典型缺陷诊断方法与定位技术的发展及其优势，探讨了这些方法和技术应用于实际XLPE配电电缆状态诊断过程中存在的不足，指出现有方法对于电缆集中性缺陷诊断存在灵敏度不高、频域反射定位技术测量信号中高频分量的衰减问题限制其实现较长电缆中的缺陷定位、现有技术尚未实现电缆中老化段与集中性缺陷的辨识与定位等关键问题。

图1 含缺陷电缆结构示意图

在此基础上，科研人员建议从以下几个方面开展深入研究。

1 提高对电缆中集中性缺陷诊断的灵敏度

现有介电响应分析方法更倾向于表征电缆整体平均老化情况，局部缺陷较短时可能会由于诊断方法灵敏度过低而无法被及时检出，威胁电网安全，因而亟需提高检测方法对于集中性缺陷的诊断灵敏度。

由前文分析得知，频域介电谱法相较0.1Hz超低频介损检测和极化/去极化电流法而言，诊断电缆中的缺陷更具优势。因此主要建议从以下两个方面来提高集中性缺陷诊断的灵敏度：

（1）降低频域介电频谱检测频率下限，进一步拓宽频率检测范围。有研究已指出，频率降低有利于使电缆老化过程中tanδ发生更为显著的变化；同时，拓宽频率检测范围可更充分地分析tanδ随频率变化过程及规律，有利于为集中性缺陷的识别与诊断提供更多信息。

（2）在确保不会对电缆造成损害的前提下，进一步提高介电谱的测试电压，开展高压介电谱研究。对于发生水树老化的电缆而言，提高测试电压有利于促使损耗电流及tanδ的增加，更有利于反映tanδ随测试电压的非线性变化的特性。

在上述两方面研究基础上，进一步挖掘对集中性缺陷诊断更为有效的特征量及特征值，提高对电缆集中性缺陷诊断的灵敏度。

2 对长电缆中缺陷实现准确定位

BIS、RCS等频域反射技术对于电缆缺陷定位展现出极大的优势和潜力，但高频测量信号在较长线路传输过程中的衰减问题不可忽视，这极易导致定位误差增大或无法进行缺陷的定位。

针对上述情况，建议从提高测量信号功率的角度开展研究，如利用功率放大器对原有测量信号功率进行放大、或研制大功率阻抗分析设备等，基于原始测量信号功率的提升来缓解、应对XLPE配电电缆中高频信号的固有衰减过程，这有利于提高对长电缆缺陷检测的频域反射法的测试频率上限，进而实现对长电缆中缺陷的准确定位。

对于缺陷定位过程中存在的“假峰”问题，建议从“假峰”与真实缺陷形成的 “畸变峰”在等效频率及幅值上的关联关系着手，基于特征分析与提取来实现“假峰”的辨识与消除。此外，在进行缺陷定位的过程中，还可通过调节测量仪器与电缆首端特征阻抗的匹配效果（即源阻抗与传输线阻抗匹配）来抑制“假峰”的形成。

​3 开展电缆中局部老化段的定位与诊断研究

现有频域反射技术研究尚未实现电缆中局部老化段与集中性缺陷的辨识与定位，且局部老化段的存在可能会影响测量信号传播过程，进而影响定位精度，此外，局部老化段状态的诊断研究仍有较大拓展空间。

建议开展以下研究：

（1）对比分析局部老化段和集中性缺陷形成的阻抗不连续点的差异（如反射系数变化特征），提取基于频域反射法的空间域函数 “畸变峰”特征来实现对老化段和集中性缺陷的辨识与定位。

（2）研究电缆局部老化对于测量信号传播速度的影响规律，考虑波速变化特征改进定位计算方法及过程，提高缺陷定位的准确性。

（3）考虑“畸变峰”幅值沿线路衰减特性及不同“畸变峰”形成过程中的耦合作用，尝试依据“畸变峰”幅值，建立其与局部老化段老化状态的关联，实现对沿电缆线路老化分布状态的有效表征。

以上研究成果发表在2021年第22期《电工技术学报》，论文标题为“XLPE配电电缆缺陷诊断与定位技术面临的关键问题”，作者为单秉亮、李舒宁 等。

关键词： 配电电缆 测量信号 测试电压

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