主要著力于實際運行的輸電電纜（50kV-150kV）狀態(tài)評估的應(yīng)用以及先進(jìn)的狀態(tài)評估手段的使用。本文所給出的經(jīng)驗是從一個建立充油電纜及充氣高壓電纜線路狀態(tài)評估知識規(guī)則的荷蘭項目中所得到的。尤其是利用若干電纜線路上現(xiàn)場檢測和診斷及實驗室對絕緣缺陷和老化樣品評估的結(jié)果提出了狀態(tài)評估和建立資產(chǎn)管理知識規(guī)則的技術(shù)。
目前電力輸電網(wǎng)絡(luò)的平均壽命是30年[1]。而現(xiàn)在世界上大約32%的高壓電纜線路采用油浸紙絕緣電纜[2]。然而，充油電纜相對比較老舊。一方面，該類型的電纜因老化過程而引起的故障率僅為12%，另一方面，對充油電纜的故障預(yù)計將保持在穩(wěn)定的低水平或?qū)⒊尸F(xiàn)線性增長[2]。
為了評估充油電纜的實際狀況和（或）避免充油電纜意外故障，人們進(jìn)行了不同類型的診斷與耐壓試驗。對于新安裝的電纜線路，在IEC或IEEE[1-3，16]標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了許多條款，這些條款給出了試驗類型和試驗電壓水平。。然而，對于已經(jīng)服役老化、改造或者修理過的電纜線路，現(xiàn)場診斷測試經(jīng)驗仍然是有限的。國際規(guī)程支持了幾次維修活動，并提出評估充油電纜實際狀態(tài)的不同方法[5-7]。如今，幾乎所有的供電部門對電纜狀態(tài)評估技術(shù)的開發(fā)是必不可少的，尤其是了解其老化過程，這一點在資產(chǎn)管理問題上變得越來越重要。
對于充油電纜的現(xiàn)場診斷，當(dāng)前絕緣狀況的相關(guān)信息可以通過測量損耗因數(shù)tanδ得到[8]。需要強調(diào)的是在U0或更高電壓下測量運行狀態(tài)下的電纜損耗因數(shù)已經(jīng)成為油浸絕緣的一個很重要的診斷手段[4，5，9]，因為它是非破壞性的診斷方法，不會對絕緣帶來附加的應(yīng)力。因此，在現(xiàn)場診斷中，重要的是如何解釋測量結(jié)果以及確定各參數(shù)可接受的范圍。
電力電纜絕緣
同配電電纜相比，關(guān)于輸電電纜絕緣缺
陷的研究還進(jìn)行的較少。參考文獻(xiàn)[6-14]給出了不同類型電力電纜的大部分典型類型缺陷的評估方法，在此基礎(chǔ)上，圖2給出了局部放電和損耗因數(shù)測量在診斷中的適用性。
考慮到電纜絕緣中發(fā)生的典型缺陷以及由此導(dǎo)致的絕緣惡化，下面的因素值得關(guān)注：運行應(yīng)力，環(huán)境應(yīng)力以及人為影響。后者所強調(diào)的主要涉及在電纜的現(xiàn)場裝配中，人為影響電纜及附件的初始壽命。運行和環(huán)境的影響主要發(fā)生在運行過程中。上面提到的這些的影響是不可避免的。
由于高壓電纜絕緣及附件中的電場強度極高，因此高壓電纜中的局部放電缺陷劣化過程比中壓電纜中更快。然而，針對某一類型的絕緣，例如浸漬絕緣電纜或者高壓電纜附件，運行壽命期間會發(fā)生局部放電。但是通常高壓電纜被認(rèn)為在運行期間，局部放電是不會發(fā)生的[9]。因此，為了檢測運行中的高壓電纜絕緣放電缺陷的存在，現(xiàn)場檢測的電壓必須比U0高（過電壓）。結(jié)合局部放電檢測，我們可以了解到關(guān)于局部放電發(fā)生的信息：局放起始電壓、局放熄滅電壓、局放水平。如圖3。
作為地下傳輸線的一部分，不同類型的紙絕緣電纜被廣泛應(yīng)用，但需要考慮的是特定類型的油紙絕緣電纜系統(tǒng)的平均壽命已經(jīng)超過40年。比如，在荷蘭，超過45%的高壓充油電纜是在1970年以前開始運行的。對于額定負(fù)載電流，絕大部分荷蘭在運高壓電纜并沒有處于滿負(fù)載狀態(tài)（約處于滿負(fù)載的40%）。荷蘭電力輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障較少，正是由于較少的故障，關(guān)于電纜的實際運行及老化狀況的了解還是很有限的。
眾所周知，熱劣化和機械劣化是油紙絕緣的主要劣化機制，而局部放電會加速這一過程。電應(yīng)力，比如操作或雷電過電壓會導(dǎo)致油紙結(jié)構(gòu)的物理損傷。劣化的影響會使紙絕緣的氣隙＼水分以及溶解性氣體增多，這會導(dǎo)致絕緣紙的電導(dǎo)增加。
服役多年的高壓系統(tǒng)的絕緣會被多種應(yīng)力因素影響，而這些影響會使預(yù)期的壽命受到不利影響。這些應(yīng)力源于正常的運行環(huán)境或者高壓電纜與附件老化帶來的異常的運行環(huán)境。尤其是電應(yīng)力和熱應(yīng)力可能會造成絕緣性能永久的劣化，這會導(dǎo)致絕緣壽命的下降。熱應(yīng)力和電應(yīng)力影響的重要性進(jìn)一步表現(xiàn)如下：
a油浸絕緣的劣化速率取決于其服役的年限和運行歷史（如可能，主要和次要的故障記錄）；
b耐受電壓水平的下降取決于絕緣性能的劣化水平；
c過大的熱應(yīng)力和電應(yīng)力是液體填充絕緣最主要的老化機制；
d以往和以后的熱應(yīng)力是決定絕緣預(yù)期壽命的決定性因素；
e損耗因數(shù)的增加是劣化的一個征兆；
f當(dāng)溫度升高時，熱穩(wěn)定性取決于損耗因數(shù)。
眾所周知，當(dāng)溫度較高時，熱老化會使化學(xué)反應(yīng)速率加快。電老化和熱老化是電纜絕緣老化最主要因素。油絕緣劣化的速率符合阿雷尼烏斯公式：
其中，k為反應(yīng)速率系數(shù)；A為常數(shù)（最大反應(yīng)速度）；Ea為活化能（發(fā)生反應(yīng)所需的最低能量）；R.T為在某一溫度下的分子平均能量；R為分子氣體常數(shù)（8.314472J/K.mol）；T為絕對溫度[9，17]。
根據(jù)此公式，可以計算絕緣壽命，而絕緣壽命和線芯溫度密切相關(guān)。假設(shè)15℃時電纜的壽命為100年，而60℃時壽命以不足10年。所以，使用阿雷尼烏斯公式可以了解不同負(fù)載下的電纜絕緣的劣化速度，如圖4a。對于溫度――預(yù)期壽命邊界條件，可以給出電纜的預(yù)期壽命和電纜負(fù)載間的關(guān)系，例如，當(dāng)電纜負(fù)載為最大載流量的30%時，預(yù)期壽命為100年，如圖4b。
（a）油紙絕緣熱劣化速率同負(fù)載的關(guān)系；（b）油紙絕緣的預(yù)期壽命同負(fù)載的關(guān)系
當(dāng)負(fù)載由30%提高到60%時，使絕緣劣化成倍增加，預(yù)期壽命變成原來的一半。負(fù)載再增加，壽命減少更多。當(dāng)負(fù)載為100%時，壽命變成30%負(fù)載時壽命的十分之一。
根據(jù)經(jīng)驗，我們可以得出結(jié)論，關(guān)于絕緣的完整性，幾個問題需要考慮。絕緣的電壓耐受水平下降和以下幾個方面有關(guān)：
（1）由溫度過高引發(fā)的熱老化（土壤干透，電流過載，油泄漏）； （2）局部絕緣缺陷（絕緣或表面部分）；
（3）絕緣材料的劣化或崩潰是由于長期的老化作用和擊穿引起的；
（4）浸漬劑的劣化（管道填充介質(zhì)中的雜質(zhì)）；
（5）內(nèi)絕緣液體的污染（防水層劣化或機械故障）；
?。?）內(nèi)部絕緣油從終端泄漏。
根據(jù)劣化類型的不同，這些問題可能發(fā)生在電纜絕緣或電纜附件中。
采用阻尼振蕩波電壓的現(xiàn)場測試和診斷
在交流過電壓下通電并測試大電容部件如長電纜，需要無功功率大約為幾個兆伏安。而阻尼交流系統(tǒng)只需要較少的功率便能給大電容負(fù)載充電，同時還具有體積小重量輕的優(yōu)點。表1所示為230kV電纜線路現(xiàn)場測試時的一些參數(shù)。
阻尼振蕩波電壓是采用一個充電電流，使得容性試件和空氣電感產(chǎn)生諧振，由于沒有無功功率補償，便會產(chǎn)生一個衰減的正弦電壓，如圖5。交流阻尼試驗可以和局部放電測量或者損耗因數(shù)測量的診斷結(jié)合起來。測量損耗因數(shù)時是采用一個交流阻尼正弦電壓，測量頻率為電纜電容和空氣電感諧振的頻率fr，然后分析阻尼電壓波形的衰減特征[9]。
高壓電纜損耗因數(shù)的測量-現(xiàn)場數(shù)據(jù)
充油電力電纜無損檢測和診斷的發(fā)展與應(yīng)用已成為一個熱點問題。人們尤其關(guān)注此類電纜的實際劣化狀況，以便確定他們未來的表現(xiàn)，例如允許的負(fù)荷和預(yù)期的壽命?？偹苤?，在高壓電纜上施加額定電壓或者諸由如閃電、開關(guān)操作等產(chǎn)生的非正常電壓時，絕緣有可能失效。當(dāng)施加在絕緣上的場強超過他們的介電強度時，失效總是會發(fā)生的。更重要的是，由于長期的分解，絕緣會發(fā)生局部或整體劣化。當(dāng)考慮測量充油電纜的損耗因數(shù)時，需要指出的是，與耐壓試驗相反，tanδ可作為評判高壓油浸絕緣電纜的質(zhì)量指標(biāo)。通過這種方法，可以直接表征出絕緣的質(zhì)量。對所獲得的絕緣劣化信息的考慮作為未來檢測的趨勢尤其重要。對于充油電纜，tanδ就是劣化指標(biāo)，即，隨著劣化的進(jìn)行，tanδ升高。因此，搞清楚tanδ和老化過程之間的關(guān)系對于評估絕緣狀態(tài)非常有幫助。tanδ的值不僅和電場強度有關(guān)還和溫度有關(guān)。另一個重要的信息就是電纜的長期負(fù)荷。當(dāng)對絕緣施加電壓時所產(chǎn)生的不同的現(xiàn)象都會引起絕緣損耗，最重要，最常見的原因是[8]：
?。?）體電阻和漏電流引起的電導(dǎo)損耗；
?。?）偶極子和絕緣材料間的摩擦（極化損耗）；
（3）滲透性不同的材料界面處的電場升高；
?。?）局部放電發(fā)生時也會增加損耗因數(shù)
新的未老化的浸油絕緣在50Hz交流電壓下的損耗通常是很低的，最大值應(yīng)該不超過20×10-4（0.2%）。而且，施加電壓的大小與損耗值的變化（△tanδ）之間并無密切聯(lián)系。例如，當(dāng)電壓從0.5U0升高到2.0 U0時，△tanδ不超過10×10-4。當(dāng)熱老化的發(fā)生，且tanδ上升到50×10-4（0.5%）時，熱擊穿變的可能[12，17]，如圖6。
圖6 用交流阻尼電壓對已服役的8.7km的87kV/150kV充氣高壓電力電纜進(jìn)行現(xiàn)場測試所得到的損耗因數(shù)的數(shù)據(jù)：C=2.2uF，fDAC=40Hz
圖7所示為采用交流阻尼法測試兩根充油電纜的結(jié)果。第一根電纜為150kV，運行49年（a，b）；第二跟為230kV，運行33年（c，d）。根據(jù)此圖可以得出結(jié)論，運行電壓等級的不同，tanδ有著很大的差別。如何基于現(xiàn)場tanδ測量對充油電纜進(jìn)行狀態(tài)評估非常重要。
圖7 通過兩種不同充油電纜所得到的損耗因數(shù)的結(jié)果：a）-b）150kv電力電纜，長度為850m，服役49年；c）-d）230kv電力電纜，長度13314m，服役33年。
為了支撐對現(xiàn)場損耗因數(shù)測量結(jié)果的解釋和分類，一個類似于現(xiàn)場測試的研究在實驗室進(jìn)行。研究的主要的目的是為了弄清楚現(xiàn)場tanδ測試結(jié)果的規(guī)律。
而且將實驗室研究得到的規(guī)律應(yīng)用于現(xiàn)場的測試。圖8所示為實驗室實驗的思路與方法。研究的主要目的是為探討tanδ診斷應(yīng)用而制定決策支持模型?！鱰anδ與電場強度關(guān)系（在現(xiàn)場診斷時可能施加的電壓）和△tanδ與溫度關(guān)系（與電纜運行負(fù)荷變化相關(guān)），兩者都是絕緣診斷的指標(biāo)。實驗室研究在測試時施加在樣品上的電場強度的范圍為0.7kV/mm―6.1 kV/mm。對油浸絕緣熱老化樣品，△tanδ與電場強度關(guān)系的研究在恒定溫度下進(jìn)行，試驗電壓換算成每單位標(biāo)稱電壓分別為0.09U0和0.84 U0，顯而易見tanδ與△tanδ都是與電纜運行壽命息息相關(guān)的指數(shù)。將這兩個值進(jìn)行線性畫圖，在這里引入tanδ相對值，使用tanδ相對值的優(yōu)勢在于它能描述與運行壽命的線性關(guān)系，并使計算簡化，引入tanδ相對值的另外一個理由是因為在實驗室研究所獲得的絕對值與具體樣品特性和實驗條件有關(guān)，而相對值的變化反映的是給定老化條件下的材料變化。實驗室獲得的相對值與現(xiàn)場診斷獲得的值具有可比性。tanδ相對值的計算公式為：
狀態(tài)評估
狀態(tài)評估的最后結(jié)果應(yīng)被用于支持資產(chǎn)管的決策過程。特別是取決于對資產(chǎn)管理目標(biāo)信息的分析來描述電纜系統(tǒng)的實際情況，以便業(yè)主將其作為維修決策的數(shù)據(jù)輸入[6，13]。對于已經(jīng)服役并老化的電力電纜，損耗因數(shù)和測量電壓間的關(guān)系是電纜線路（充油電纜）的熱穩(wěn)定性非常有用的信息，如圖8-9所示。下列的范圍可以被考慮：
?。?）電纜系統(tǒng)損耗可以被接受的水平是：在額定電壓U0下，tanδ小于0.25%，△tanδ小于0.1%
?。?）電纜系統(tǒng)損耗略增的水平是：在額定電壓U0下，tanδ大于0.25%，但小于0.5%；△tanδ小于0.1%
?。?）電纜系統(tǒng)損耗較高的水平是：在額定電壓U0下，tanδ大于0.5%，但小于0.8%；△tanδ小于0.3%
（4）電纜系統(tǒng)損耗處于危險的水平是：在額定電壓U0下，tanδ大于0.8%；△tanδ大于0.3%。
