2025年电力电缆技术发展大会：基于高压端PDC测量的电缆绝缘状态精准评估技术

基于高压端PDC测量的电缆绝缘状态精准评估技术周凯

李泽瑞四川大学

电气工程学院中国，杭州2025.10汇报提纲一、研究背景二、测试原理及特征参数提取三、特征参数与绝缘状态的关联四、

PDC诊断电缆老化应用案例五、结论

高压电缆故障频发且危害巨大l

我国高压电缆总体呈现里程长(超五万公里)、增速快(超10%)的特点。l

随着运行年限的增加，高压电缆故障率逐年增加，威胁供电可靠性。l

近年来，由缓冲层缺陷导致的高压电缆击穿故障在全国各地屡次报道。全国高压电缆线路总长变化

阻水缓冲层烧蚀引起绝缘劣化电缆故障引发电缆井火灾事故中国电力企业联合会.

中国电力统计年鉴[M].北京:

中国统计出版社,2021.一、研究背景2016

2017

2018

2019

2020时间(年)4.03.53.02.52.01.51.00.50.0110kV220kV330-500kV全国高压电缆线路总长(万公里)

电缆老化问题严重导致故障风险激增n大量案例表明缓冲层烧蚀发展至电缆击穿，涉及缓冲层腐蚀、烧蚀、半导电层烧蚀及主绝缘热老化等一系列复杂老化过程；n

电缆热老化及缓冲层烧蚀等缺陷导致绝缘失效风险激增；≤

2年

≥25年

运行时间电缆可靠性浴盆曲线一、研究背景不同运行年限电缆寿命故障失效概率早期故障期耗损故障期偶然故障期

高压电缆缓冲层持续劣化，损伤绝缘屏蔽及主绝缘n

缓冲层烧蚀缺陷逐渐会发展至主绝缘热老化，导致电缆局部区域绝缘性能下降而迅速击穿。缓冲层烧蚀导致的绝缘层热老化

“图钉状”缺陷

缓冲层烧蚀致半导电层烧蚀人工加速缓冲层烧蚀导致的主绝缘热老化现象一、研究背景

高压电缆烧蚀缺陷发展过程及机理n

缓冲层烧蚀缺陷存在明显的孔洞及碳化痕迹

，代表缓冲层经历了高温过程；n

在缓冲层烧蚀严重的区域超过700℃

,绝缘屏蔽及绝缘区域也受到高温影响

，最高可能超过300℃

,高温导致了主绝缘的热老化；n

而且该热老化区域可能不止一个

，而且存在热点转移。局部高温的产生机理局部高温热点仿真结果一、研究背景

电缆热老化与其他老化形式差异明显n

缓冲层烧蚀及其引发的后效主绝缘热老化与其它老化形式有较大区别，其对介电参数的影响较小（电导率、介损等变化相对较小），难以通过传统检测手段进行评估，且还需考虑热老化的不均匀性，判定其发生部位。n传统评估方法如绝缘电阻、吸收比只能定性，亟需一种高压电缆绝缘状态精确评估方法，准确辨识电缆热老化，从而有效区分电缆缓冲层烧蚀缺陷发展阶段。一、研究背景绝缘水树老化机理绝缘热老化机理基于PDC的时域介电响应方法的信息量丰富、方法简单、检测精度高

绝缘状态诊断技术研究现状一、研究背景汇报提纲一、项目背景二、测试原理及特征参数提取三、特征参数与绝缘状态的关联四、电缆缺陷的分段诊断方法五、结论PDC时域介电谱数学建模有依据•可对不同的绝缘结构进行数学建模二、测试原理及特征参数提取对分子链运动敏感•可获得大量分子构造

、

束缚和运动电荷的相关信息•

绝缘界面处的绝缘信息

•

模型参数变化反映绝缘信息数学模型宏观信息

PDC技术基本原理：分子级信息获取整体绝缘老化信息偶极子极化

界面极化•电气设备整体电气参数的变化多层绝缘介质E+n

通过控制真空高压继电器的刀闸切换，使得测试样本进行充电（极化）、放电（去极化）过程n

皮安表用以记录流过电缆试样的细微电流，并加以采集和分析。U0

C0R1C1R3C3二、测试原理及特征参数提取等效电路

PDC技术基本原理：u去极化过程——RC回路放电极化支路极化过程——RC回路充电RC串并联电路绝缘电阻充电电容uIdepolIpolR0C2R20t0twin

吸收电流成分、去极化电流——介质损耗因数、电流衰减时间常数、老化状况施加电压——极化n

电导电流成分——电导率、绝缘电阻0去极化电流二、测试原理及特征参数提取吸收电流成分电导电流成分

PDC技术基本原理：撤压接地——去极化电流(nA)时间(s)传统PDC的缺陷u测量干扰多u测试时设备需脱地u

微电流表不能连接在高压侧3.信号处理可能使参数提取产生误差。等效电路

传统低压端极化去极化电流测量的局限性：

1.必须断开地线测量；

2.易受地线干扰；二、测试原理及特征参数提取直流电导率：C0

U0

p

end

dp

end极化去极化电流

现场测试地线干扰严重低压侧测量σ

=

ε0

[i(t

)+

i

(t

)]充电电容极化支路绝缘电阻低频介损：最大峰峰值5.2

μA峰峰值100~160nARC串并联电路推导高压等电位测量的优势：测量干扰少•

电流表不接地，不引入地线干扰设备不脱地•

变压器、电缆系统、电容器等难脱地电力设备可实现不脱地测试信号无线实时传输•

无线设备可实现数据实时传输

国内首创高压等电位pA级电流测量：

首次实现基于高压端等电位pA级电流的测量，二、测试原理及特征参数提取现场诊断装置的准确性、便捷性和抗干扰性得到显著增强。现场中传统方法（红）与高压等电位测量方法（蓝）结果对比YangF,ZhouK,AkramS,etal.Highvoltage,2022,7(5):847-855.高压等电位PDC测试方案

创新改进皮安表低压侧测量关键l

时域介电参数的提取极化电流：去极化电流：电导率：单位去极化电量：

idepol

=

C0

U0

f

(t

)−

f

(t

+

tc

)

l

频域介电参数的提取介质损耗因数：

tan

二、测试原理及特征参数提取

电气参数的提取：相关提取方法总结如下李明志.基于PDC法的XLPE电缆绝缘老化诊断研究[D].

四川大学，2020.

基于扩展Debye模型的参数提取l

在XLPE绝缘中将会出现多种类型的极化现象，其极化和去极化现象广泛遵循扩展Debye模型。扩展Debye模型主要由三部分组成。

idepol

Aie

绝缘电阻支路电导电流R0几何电容支路电容电流C0多RC串联支路...C1

C2

C3

CiR1

R2

R3

Ri...扩展Debye模型等效电路支路辨识算法结果n

去除外加电场后，介质中被极化的结构会逐渐松弛，其反映在多条并联的RC串联支路上则是形成了电容Ci

的放电电流。二、测试原理及特征参数提取吸收电流汇报提纲一、项目背景二、测试原理及特征参数三、特征参数与绝缘状态的关联四、

PDC诊断电缆老化应用案例五、结论n

随着老化时间增加，热老化样本的直流电导率、0.1

Hz介质损耗因数、单位去极化电量均呈整体增大的趋势，但均未出现数量级的增长。n

在热老化初期（108

h以前）的重结晶现象影响介电参数的变化。去极化电4.0×10-43.6×10-43.2×10-42.8×10-42.4×10-42.0×10-41.6×10-41.2×10-40

100200300400

500热老化时间(h)tnδ00.500.450.400.350.300.250.200.150.100

100200300400

500老化时间(天)三、特征参数与绝缘状态的关联热老化电缆样本直流电导率热老化电缆样本0.1Hz介质损耗因数热老化电缆样本单位去极化电量

热老化样本介电特性时变规律

新样本

热老化108

h

热老化216

h

热老化324

h

热老化432h

新样本

热老化108

h

热老化216

h

热老化324

h

热老化432h0

20

40

60

80100极化时间(s)0

20

40

60

80100去极化时间(s)热老化电缆的极化和去极化电流(b)10-1010-11tanδ0.1(%)去极化电流Qn

(C/m3)极化电流单位

a量

10-1110-10(A

)(A

)10-9(a).1

不对称系数n

建立双层非线性介电响应理论模型

，并解释XLPE老化区-正常区界面的界面极化过程n

其主要原因在于充-放电阶段老化界面区域的不对称电荷积累和耗散不对称系数：Tas:电导电流峰值/电导电流稳定值通过界面极化电流的不对称情况，可对电缆中的老化类型进行区分三、特征参数与绝缘状态的关联界面极化过程中的电荷运动及电流变化界面极化单元等效模型界面极化完全建立界面极化建立过程界面极化电流变化界面极化松弛过程

基于时间不稳定性的老化类型辨识方法n

提出连续PDC测试方法

，连续获取电缆的介电参数

，并基于统计学方差原理

，研究电缆在连续电场作用下介电参数的时间不稳定性（热老化TSσ<0.05

，水树老化TSσ>0.10）连续的电场作用可能使XLPE内部的聚集态结构发生变化。对于不同老化类型的电缆，具有很明显的时间不稳定性差异性。时间稳定性参数：

TS三、特征参数与绝缘状态的关联林思衍,周凯,尹游等.

中国电机工程学报,2020,40(20):6764-6773.连续电场作用下的老化区域微观尺寸不同老化类型电缆的时间稳定性

电缆老化程度及类型评估判据n

结合前期大量实验室测试和现场检测经验

，综合提出了评估电缆老化程度与类型的介电参数判据。老化程度评估判据老化程度电导率（S/m）tanδ0.1Hz（%）正常范围10-15~10-16<0.05轻微老化10-14~10-150.05~0.2严重老化>10-14>0.2老化类型热老化水树老化不对称系数τas0.95~1.050.6~0.95或1.05~1.4时间不稳定参数TSδ<0.05>0.10三、特征参数与绝缘状态的关联老化类型评估判据汇报提纲一、项目背景二、测试原理及特征参数三、特征参数与绝缘状态的关联四、

PDC诊断电缆老化应用案例五、电缆缺陷的分段诊断方法六、结论老化天数电导率（S/m）tanδ0.1Hz（%）不对称系数τas时间不稳定

参数TStanδ0天2.1131×10-150.0670.990.03230天4.3512×10-150.251.120.10360天6.7913×10-150.311.350.13490天2.8463×10-140.472.160.158参数名称长电缆样本（30m）短电缆样本（50cm）直流电导率(S/m)1.93×10-152.11×10-150.1Hz介质损耗因数(%)0.06740.0721时间不稳定性

参数TSσ0.0350.041TStanδ0.0320.043介电参数增大表明老化程度增大，不对称系数和时间不稳定参数反映出电缆中存在水树

测量案例1-实验室短电缆样本与长电缆样本四、

PDC诊断电缆老化应用案例水树老化电缆PDC测试新电缆PDC测试结果长电缆样本测试（水树老化）组别直流电导率

（S/m）去极化介损（%）0.1Hz不对称系数全新电缆9.74685E-150.065350.9734烧蚀10s1.15284E-140.099090.9292烧蚀30s5.83873E-140.25470.9482烧蚀70s8.48033E-140.70520.9216随烧蚀时间增加，直流电导率和去极化介损均显著增加，直流电导率上升一个数量级，去极化介损上升两个数量级。不对称系数保持正常，表明发生了热老化。

测量案例2-高温下(500度以上）热老化电缆绝缘老化状态诊断对电缆进行火烧实验，针对烧蚀前后的PDC结果如下：四、

PDC诊断电缆老化应用案例烧蚀前后PDC测量结果烧蚀过程红外测温测试电缆直流电导率（S/m）0.1

Hz去极化介

质损耗因数（%）不对称系数A相9.309

×

10-140.3711.025B相2.114

×

10-130.8960.974C相2.465

×

10-130.9090.616n

C相海缆的极化电流明显大于A、

B两相且C相电缆的不对称系数较低，因此可以判定C相的绝缘老化较为严重；n

B相的0.1

Hz去极化介质损耗因数略大于正常值，表明B相绝缘发生了劣化。

现场案例1-

110kV三相自容式充油海底电缆测试通过PDC对该海缆整体绝缘状态进行判断四、

PDC诊断电缆老化应用案例现场测试图

现场案例2-220kV玉墩线电缆测试（退运电缆）电缆型号ZR-YJLW03

127/220kV

1

×800mm²

,测量样本为发生烧蚀的电缆段和新电缆样本。电缆样本不对称系数τas时间不稳定参数TStanδ烧蚀电缆1.0720.042新电缆1.1030.028电缆样本电导率（S/m）0.1Hz介质损耗角正切值烧蚀电缆2

×

10-131%新电缆1

×

10-150.03%烧蚀电缆电导率与介损显著升高，表明存在严重老化；不对称系数与时间不稳定参数处于热老化类型判别范围内。四、

PDC诊断电缆老化应用案例样本图n新电缆内侧亮源于线芯发热导

致长期温和加热（近熔点），促非晶区分子链重组为小晶粒

提升结晶度；n烧蚀电缆外侧亮是因白斑区域

超高温熔融后缓慢冷却，形成有序大片晶区致结晶度骤增。

现场案例2-220kV玉墩线电缆测试为了进一步分析该样本的形成原因，通过偏光显微镜观察电缆白斑区域亮区（晶区双折射）与暗区（非晶区）的明暗干涉条纹上述研究表明：老化呈非均匀局部现象，且该老化由短期高温冲击引起，而非长期运行温升导致。四、

PDC诊断电缆老化应用案例测试结果汇报提纲一、项目背景二、测试原理及特征参数三、特征参数与绝缘状态的关联四、电缆缺陷的分段诊断方法五、结论l通过直流电导率、介质损耗谱、支路辨识等结果能够对电缆绝缘老化程度进行准确评估，

而通过时间不稳定性等参数能够良好辨识出电缆中是

否发生热老化;l相较于传统低压侧PDC测量方式

，高压等