使用 VLF 正弦波电源对中压电缆进行电缆测试和诊断

作者：Martin Jenny，BAUR GmbH 产品经理，Sulz（奥地利） 

对电缆设备状态的评估可以帮助中压电网运营商高效地进行电网规划和维护。VLF 正弦波电源（Very Low Frequency，超低频）测量技术的使用，确保了电缆诊断的经济性，并使其能够方便地融入到日常工作中。这种电源可以用于进行电缆测试和诊断，其重量轻、结果可靠。

为了能够对电缆设备进行状态评估，以便采用更佳的投资和维护计划，需要进行诊断测量。通过这些测量可以得出例如：有关老化情况或隐藏故障的信息。因此，对于想要进行接通测试（电缆测试）和诊断的供电商来说，问题在于如何耗费较短的时间和以较低的成本获得有意义的结果。测量结果的说服力首先取决于测试和测量仪器的电源。市场上提供了多种电源，例如：50 Hz 共振设备、VLF 正弦波 0.1 Hz（VLF = Very Low Frequency，超低频）、Damped AC / 衰减交流电源 (DAC) 和 VLF Cos-Rect（余弦方波或也称为 50 Hz 斜坡）。本文介绍了为什么在日常工作中使用 VLF 正弦波 0.1 Hz 进行测试是最佳的解决方案。

 
一个重要的因素是，VLF 正弦波 0.1 Hz 电源不仅适合于进行电缆测试，还能在诊断测量中获得良好的结果。这里与之相关的是介质损耗测量（也称为介损测量）和局部放电测量（以下简称局放测量），参阅文本框。各种电源特性的概览可以说明问题。

 
各种电源的特征

 
对电源的主要要求：

• 适用于电缆测试/耐压测试
• 进行介损测量时拥有高测量精确度
• 进行局放测量时可得到具有说服力的结果（起晕电压和熄灭电压、局部放电电平和相位解析的局放图）并能良好地定位局部放电
• 结果具有高度可重复性，能够确保不同时间下的测量以及电网中不同电缆线路得出的结果具有可比性
• 能够同时执行多种方法，也即可以进行组合以节省时间
• 重量轻，方便搬运，便于连接，操作简便，测量时间短

表格 1 根据不同的要求对电源进行了对比。在耐压测试方面，市面上几乎所有常见电源在理论和实际上都适用。然而，VLF 0.1 Hz 正弦波电压是唯一既适于进行局部放电测量又能很好地适用于介损测量 (tan delta) 的电源。值得注意的是，这取决于电压波形：如需获得可靠的、与电缆线路无关的结果，理想的正弦曲线（具有总是相同的频率）更有优势。如果采用理想正弦波进行测量，用户就可以对不同电缆线路或接头类型的测量结果进行有意义地对比。

表格 1：不同实际要求下的各种电压波形对比

 

可以看出，在介损测量方面，VLF 正弦波测量以其高精确度和高灵敏度优于 50 Hz 测量。在 0.1 Hz 的低频率下，PE 绝缘电缆的 tan-delta 值较大 - 因此可以更好地识别出 tan delta 的微小增幅。因其有益的特性，0.1 Hz 正弦波有望被纳入标准 (IEEE 400.2-2013)，其中将提供适用于不同地区的测试电平和极限值。

各种电源在局部放电测量中的适用性早已成为多个科学出版物的主题。这些出版物中大部分讨论的都是测量结果与工作频率（50 或 60 Hz）下所测结果是否具有可比性。根据出版物 [1] 至 [6] 可以总结得出以下结论：

对比在六个工作老化接头上以 2 x U0 进行的测量，VLF 余弦方波电源得出的局放电平（约5,500pC）约为在 50 Hz 和 VLF 正弦波情况下测得的 5.5 倍 [6]。使用 50-Hz 和 0.1 Hz 正弦波进行测量时具有几乎相同的电平。使用 VLF 余弦方波电源时更高的测量值意味着，测量显示的工作老化接口负载偏高。此外，在比较正弦波和方波电源时发现 [6]，相比电平从 2 x U0 增大到 3 x U0，测试电压的波形产生的影响更大。

关于使用 VLF 正弦波进行局放测量，这些出版物认为，在对现场对象（也即非人工制备的对象/实验室装置）进行测试时，局放起晕电压的大小与 50-Hz 测量时的起晕电压具有可比性。出现人为错误时，VLF 测量和 50-Hz 测量的起晕电压有时会有所偏差。所以，在实验室中人为创造的缺陷和测试样本不适于用来为现场应用选择最佳的电源 [4]。

在局放电平和局放模式（测量值的分布）方面，上述出版物同样认为使用 VLF 正弦波 0.1 Hz 得到的结果与 50-Hz 测量的结果具有可比性。该现象同样适用于工作老化的推拉式或热缩式接头。在定位局部放电方面并未显示出相关的差异。

在一共拥有 42 处故障部位的四条电缆线路上进行的方法对比（在 VLF 正弦波 0.1 Hz、50-Hz 共振设备、20-400-Hz 共振设备和 DAC 之间比较）结果表明，在不同中压电缆上进行的测试中，没有哪种技术明显优于其他技术 [2]。通过所介绍的研究无法证明局放强度或起晕电压与电源之间存在明显联系。因此，用户在所研究的电源之间进行选择时，应该考虑更为实用的标准，例如是否能够完成任务、重量、操作性和多功能性。

实际效果

在实际应用中，除了测量精确度和可靠性，还需要注意其他方面。现场使用时以下几点较为重要：

• 便于运输和便于连接测量技术装置
• 人力成本，培训需求
• 进行连接的时间消耗
• 进行测量的时间消耗
• 成本/效益比
• 预测性维护的结果相关性

在这个方面，VLF 电源较轻的重量及其紧凑的结构都是较 50-Hz 电源的优势。因为 VLF 正弦波电源适用于电缆测试以及介质损耗和局放诊断测量，所以电网技术员仅需一台电源即可对新的、老化的电缆进行相关测量。相比为不同的测量/测试使用不同的电源，因为连接耗费的时间较短，所以仅使用一台 VLF 正弦波电源具有明显的时间优势。此外使用一台通用型电源还能够同时支持多种测试和测量方法，例如：在进行监控耐压测试（Monitored Withstand Test，缩写 MWT）时。MWT 的特点在于可部分同时地进行电缆测试以及采用 tan-delta 方法进行电缆诊断。因为 MWT 的测量技术员只需要连接一台仪器并启动连续的工作流程，所以仅需较短的额外时间即可执行在新敷设或修理电缆线路后通常需要进行的测试，以确定电缆的状态。

测试和诊断测量的组合 - MWT - 具有以下优势：

• 容易建立测试，流程简单（无需进行额外的连接，不需要熟悉 MWT）  如果电缆的状态良好，测试时间缩短（从约 60 分钟缩短至 15 分钟）
• 不会出现电缆过载
• 实时进行结果评估
• 通过显示器上的表情符号简单地表达电缆状态
• 精确的电缆状态结果

收集附加信息

完整的介损测量和局放测量信息可相互补充和/或支持，为电网技术员和维护员提供更多或更好的设备评判依据。

为什么同时拥有介损测量和局放测量的功能很重要，可以通过以下示例说明：典型情况下，可以通过局放测量检测出损坏的接头，例如：错误安装的配件或包含有导电杂质的配件（参阅表格 2）。然而这不适用于潮湿的接头。在本例中（参阅图 1 和 2 以及表格 3），通过在香港的电网中进行的介质损耗测量给出了相应的提示。因为局放测量并未检测到局放活动（潮气过重），所以根据图 1 相 2 的 tan-delta 标准差可以猜测存在潮湿的接头。MWT，也即 15 分钟的电缆测试和介质损耗测量组合干燥了接头，tan delta 的值也明显下降（图 2）。这证实了接头潮湿的猜测。

表格 2：Tan delta 的标准差解释规则示例

表格 3：图 1 的测量值

日常工作中的电源

 
Elektrizitätswerk Mittelbaden Netzbetriebsgesellschaft mbH 公司（简称 E-Werk Mittelbaden）早在约十年前就通过 40 条电缆线路对 VLF 0.1 Hz 正弦波法与 50-Hz 法进行了对比。因为当时 50-Hz 法会得出非常不同的评估，尤其是会得出更多负面的预测（至今未证明其确实为故障），所以该公司选择了 VLF 0.1-Hz 正弦波法。到现在，使用正弦波电源的 VLF 测量法已经经过了成百上千次验证。E-Werks Mittelbaden 在其 20-kV 电网中对油浸纸绝缘电缆和混合电缆线路（240 km，500 个分段线路）进行的诊断测量也验证了此方法。

E-Werk Mittelbaden 使用 VLF 正弦波 0.1 Hz 通过局部放电对这些电缆线路进行了诊断，并从约七年前额外使用介质损耗测量进行诊断。据电网运营主管 Werner Brucker 称，这两种诊断方法很好地概览了电网的老化情况和电网状态。划分为危险的部分及时得到了更换。通过对损坏部分的界定极大节约了成本，因为不需要对整个电缆线路进行更新。

实践证明 VLF 测量也适用于对新的或经过改动的电缆设备进行调试测试，它可以精确定位故障部位，将来也可与同时进行的局放测量一起检测出配件中的故障，这降低了用于排除故障（可能的装配错误）或进行维护（挖掘工作）的工作量。

 
Brucker 特别强调了 VLF 正弦波电源重量轻、适于日常使用这两个重要优势。0.1-Hz 技术设备仅需一名员工即可进行运输和操作，这在 50-Hz 设备上肯定是不可能的。

 
用到需配备两名工作人员的测试车的情况很少，因为该便携式测量和测试仪足以应付大部分电缆长度。每七次测量才需要用到一次测试车。

 
VLF-0.1 Hz 技术设备的应用为 E-Werk Mittelbaden 带来了明显的成本优势：仅需一名员工即可在较短时间内完成测量。较短的连接时间和测量时间以及较低的人力需求可确保每年测量更多的电缆线路。在测量过程中被评估为紧急的线路或部分需要及时修理 / 更换。这样就能有针对性地使用维护预算。即使电缆数量不断增长，在了解了电网中的薄弱部位并进行以状态为导向的维护后，也能以很低的失灵率和优化的成本运营该中压电网。

 
E-Werk Mittelbaden 的维护计划金额约为 4 百万欧元，其中有 2.5 百万欧元与配电网相关。现在用于电缆诊断的费用为 90,000 €/ 年。

 
Brucker 通过采购 VLF 装置之前进行的对比测试了解到，VLF 0.1 Hz 正弦波和 50-Hz 测量之间存在明显的差别。

 
然而，实际上早已不需要再进行更换，因为 E-Werk Mittelbaden 已经非常熟悉 VLF 0.1-Hz 测量法及其解释，并且能够高度可靠地使用测量值对电缆线路进行分类。另外，根据实践经验，对电缆线路是否存在短期或中期故障危险的预测也相对准确，所以能够按照优先顺序相应采取维护措施。

结论

 
VLF 正弦波电源使得仅由一名员工使用便携式设备对电缆线路进行电缆测试和诊断成为可能。理想的、与负载无关的正弦波形的优势在于，结果具有可重复性和良好的可比性。这种节省时间的诊断方法具有以下优势：


• 可有针对性地使用维护预算
• 通过界定故障部分节约成本
• 较低的失灵率
• 对相对于电网失灵率的成本结构产生有益影响
• 保证新电缆线路的质量（在出现可能的失灵之前发现装配错误）

参考文献

 
[1] The Use of the 0.1 Hz Cable Testing Method as Substitution to 50 Hz Measurement and the Application for PD Measuring and Cable Fault Location（使用 0.1 Hz 电缆测试法替代 50 Hz 测量法以及局放测量和电缆故障定位的应用）; M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz

 
[2] Jicable 11 – Investigation of the Technologies for Defect Localization and Characterization on Medium Voltage Underground Lines（Jicable 11 – 中压地下线路的故障定位和特性描述技术调查）; G. Maiz（Iberdrola Distribución，西班牙）

 
[3] New Studies on PD Measurements on MV Cable System at 50 Hz and Sinusoidal 0.1 Hz (VLF) Test Voltage（在 50 Hz 和正弦波 0.1 Hz (VLF) 测试电压下对中压电缆系统的局放测量新研究）; K. Rethmeier, P. Mohaupt, V. Bergmann, W. Kalkner, G. Voigt

 
[4] Partial Discharge Measurements on Service Aged Medium Voltage Cables at Different Frequencies（在不同频率下对工作老化中压电缆的局部放电测量）; G. Voigt, P. Mohaupt

[5] VLF-TE Messungen an betriebsgealterten Mittelspannungskabel (Abschlussbericht)（对工作老化中压电缆的局部放电测量（最终报告））; G. Voigt

[6] Grundlagenuntersuchung zum Teilentladungsverhalten in kunststoffisolierten Mittelspannungskabeln bei Prüfspannungen mit variabler Frequenz und Kurvenform（使用具有可变频率和波形的测试电压对塑料绝缘中压电缆进行的局部放电特性基础研究）, D. Pepper

[7] IEEE 400.2-2013 IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)（IEEE 400.2-2013 使用超低频 (VLF)（低于 1 Hz）进行屏蔽电力电缆系统现场试验的 IEEE 指南）