電纜附件局部放電超聲波檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

朱英偉，周 凱，游世宇，吳雨波，萬 利，雷 勇

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065;2.四川省電力公司阿壩公司，四川阿壩611830)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜以其優(yōu)越的電氣性能，良好的熱、機(jī)械特性，以及簡(jiǎn)便的敷設(shè)安裝和運(yùn)行維護(hù)等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)的輸電線路和配電網(wǎng)中，并不斷向高壓、超高壓領(lǐng)域發(fā)展。目前，在各大城市中電纜附件逐年增多，由于電纜附件本身結(jié)構(gòu)缺陷、制作和安裝工藝不到位，以及運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，在實(shí)際運(yùn)行中難免會(huì)發(fā)生一些絕緣故障。

通過與電業(yè)局相關(guān)技術(shù)人員的調(diào)研得知，隨著電纜附件運(yùn)行電壓的增高和長(zhǎng)期負(fù)荷的累積效應(yīng)，各種絕緣缺陷容易導(dǎo)致局部放電，引起的電纜故障大多發(fā)生在電纜附件及端頭［1-3］。因此，對(duì)電纜附件局部放電及絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)很有必要。

根據(jù)局部放電所產(chǎn)生的物理表象特征分類，目前常用的局部放電檢測(cè)方法主要有:脈沖電流法、電磁耦合法、差分法、電容傳感器法、特高頻法、超聲波法、紫外成像法、氣相色譜法、震蕩波法等。其中，局部放電超聲波檢測(cè)法不影響電氣主設(shè)備的安全運(yùn)行，而且受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響較小［4-6］。當(dāng)前，局部放電超聲檢測(cè)的研究主要包括:聲電聯(lián)合測(cè)量方法的應(yīng)用、聲波在絕緣介質(zhì)中傳播過程和超聲定位的研究、利用聲信號(hào)的頻譜特征抑制變壓器磁干擾，以及利用超聲信號(hào)進(jìn)行局部放電模式識(shí)別等［7-15］。

本文基于超聲波法對(duì)電纜附件進(jìn)行局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。超聲傳感器是局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，本文采用新型高分子材料設(shè)計(jì)了貼片式超聲換能元件，克服了傳統(tǒng)壓電陶瓷材料靈敏度低的缺點(diǎn);在信號(hào)采集與處理部分的設(shè)計(jì)上，采用高速采集模塊及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，以適應(yīng)電力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安裝、布置及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?針對(duì)所設(shè)計(jì)的電纜附件局部放電實(shí)驗(yàn)，利用時(shí)頻聯(lián)合分析的方法，提出了判定絕緣缺陷內(nèi)部放電的方法，以及絕緣缺陷定位的判定。

1 局部放電超聲波檢測(cè)原理

經(jīng)典的局部放電原理是基于電子雪崩或流柱理論的，可以很好地解釋微秒級(jí)單脈沖現(xiàn)象。大量的研究表明:局部放電是納秒級(jí)放電過程，其時(shí)域波形是包含多個(gè)連續(xù)的、振幅衰減的脈沖，并具有一定的統(tǒng)計(jì)自相似性。

根據(jù)絕緣介質(zhì)氣隙放電基本模型，內(nèi)部氣泡局部放電的力學(xué)過程類似于電路中的二階電路的零輸入響應(yīng)，其力學(xué)等效電路如下圖1所示。其中，氣泡的電路表現(xiàn)為L(zhǎng)m;彈性力表現(xiàn)為uc;力順Cm、力阻Rm與氣泡中的氣體成分有關(guān)。

圖1 氣泡局部放電的力學(xué)等效電路

氣泡中彈性力的受力滿足下式的二階方程

求解力學(xué)等效電路方程可得:

可以看出，當(dāng)氣泡內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，氣泡脈沖電場(chǎng)力的作用下將產(chǎn)生為衰減的振蕩運(yùn)動(dòng)，在氣泡振動(dòng)的作用下周圍的介質(zhì)中將產(chǎn)生超聲波。等效電路中的電壓uc表示氣泡壁的對(duì)外作用力，其值乘上氣泡的表面積即超聲波的聲壓，則超聲波的聲壓正比于電壓uc。

若設(shè)氣泡上真實(shí)放電量為q，氣泡的擊穿電場(chǎng)為E，則力順Cm的初始值U0即等于擊穿前施加在氣泡上的電場(chǎng)力。得到:

由式(3)可知，超聲波幅值與真實(shí)放電量成正比例關(guān)系，因此，可以通過檢測(cè)超聲波幅值大小來分析局部放電情況。

本文對(duì)電纜附件局部放電產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行檢測(cè)分析，超聲波信號(hào)從電纜終端附件內(nèi)部放電點(diǎn)通過絕緣層向外表面?zhèn)鞑?，通過聲發(fā)射傳感器可以將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再進(jìn)行信號(hào)處理和診斷?；诔暡ǖ碾娎|附件局部放電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括:超聲波傳感器、選通電路、觸發(fā)信號(hào)調(diào)理電路、模擬信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)等。

圖2 超聲波局部放電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

電纜終端附件發(fā)出的局部放電信號(hào)伴隨著超聲信號(hào)，超聲傳感探頭接收到這些聲信號(hào)進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)經(jīng)同軸電纜傳輸至前置信號(hào)處理電路。前置信號(hào)處理電路具體分為前置放大、選通濾波和信號(hào)觸發(fā)三部分。在前置電路后端接示波器對(duì)波形進(jìn)行顯示和記錄。經(jīng)過放大濾波后的電信號(hào)由高速采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，轉(zhuǎn)換為易于分析處理的數(shù)字信號(hào)，還可以經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)處的上位機(jī)進(jìn)行處理分析。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電纜終端局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接線如圖3所示，該平臺(tái)由35 kV的GIS中壓環(huán)網(wǎng)柜、插拔式電纜附件終端、進(jìn)出相電纜、變壓器及具有調(diào)壓功能的開關(guān)柜等組成。為模擬電纜終端附件由絕緣缺陷引起的局部放電，使用一根漆包線插入電纜終端的絕緣介質(zhì)之間充當(dāng)一內(nèi)部氣隙，利用該氣隙模擬典型的氣隙放電。

由于開關(guān)柜出相電纜的電壓為幾十千伏，為了防止電暈產(chǎn)生，必須將其頭部的絕緣套管浸入變壓器油中。為了保證安全和減小干擾，該系統(tǒng)采用一點(diǎn)接地，務(wù)必確保各高壓設(shè)備的外殼接地，以及各接地線的連通。經(jīng)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)得的局部放電超聲波信號(hào)，經(jīng)過前置電路作放大濾波后，模擬信號(hào)可以直接由示波器顯示記錄，同時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再輸入計(jì)算機(jī)記錄波形，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和分析。

2.1 局部放電超聲波傳感器的設(shè)計(jì)

和傳統(tǒng)的壓電陶瓷換能器相比較，高分子壓電膜具有動(dòng)態(tài)頻響范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、聲阻抗匹配容易、機(jī)械性能良好等優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)采用柔性的聚合物聲電轉(zhuǎn)換的傳感元件，并設(shè)計(jì)成貼片形式以提高整個(gè)傳感器的靈敏度。圖4為局部放電用超聲波傳感器貼片，圖5為自行設(shè)計(jì)的電纜附件局部放電檢測(cè)超聲波傳感器。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線示意圖

圖4 局部放電用超聲波傳感器貼片

圖5 安裝在電纜附件終端上的超聲波傳感器

2.2 信號(hào)檢測(cè)及采集平臺(tái)

電纜附件局部放電信號(hào)檢測(cè)及采集平臺(tái)的硬件設(shè)備，包括超聲波傳感器、信號(hào)處理電路盒、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、無線路由器，以及便攜式計(jì)算機(jī)等，檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物如圖6所示。其中，信號(hào)處理電路盒內(nèi)集成了超聲波傳感器模擬信號(hào)的處理電路、高速數(shù)據(jù)采集卡，以及電源模塊等。

對(duì)于35 kV的GIS開關(guān)柜終端，超聲波傳感器壓電薄膜的輸出電壓范圍為50～200 mV，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入電壓在±2.5V之間，因此本實(shí)驗(yàn)選擇由共模抑制比較高的AD 817集成運(yùn)算放大器構(gòu)成反向比例放大電路，放大電路的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為20倍。根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾信號(hào)的頻率范圍，為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，需要設(shè)計(jì)的有源帶通濾波器的通帶帶寬為50～170 kHz。由于局部放電的超聲波信號(hào)頻率相對(duì)不高，本實(shí)驗(yàn)選用的是NET 2801單通道以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖6 電纜終端局部放電檢測(cè)裝置平臺(tái)

3 超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲波信號(hào)強(qiáng)度與運(yùn)行電壓的關(guān)系

圖7 放電幅值與運(yùn)行電壓之間的關(guān)系

以GIS進(jìn)相電纜終端處的人造缺陷為模型，將超聲波傳感器置于電纜頭局放源處夾緊，將電纜運(yùn)行電壓緩慢由20 kV調(diào)高至32.5 kV，分別對(duì)局部放電超聲波信號(hào)的放電幅值和放電次數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，繪制變化關(guān)系如圖7和圖8所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，檢測(cè)到的超聲信號(hào)的放電幅值與運(yùn)行電壓近似為正比關(guān)系，放電次數(shù)與運(yùn)行電壓是非線性關(guān)系。分析可知，電壓較低時(shí)局部放電僅為單純的內(nèi)部放電，此時(shí)放電頻率并不高;隨著電壓等級(jí)的升高，局部放電又出現(xiàn)了表面放電分量。所以，放電次數(shù)在升壓的中間過程有突然增大的趨勢(shì)，而放電幅值通常與氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系較為密切，故其與電壓近似成正比關(guān)系，且不隨放電類型的變化而改變。

3.2 內(nèi)部放電與電暈放電的識(shí)別

圖8 放電次數(shù)與運(yùn)行電壓之間的關(guān)系

在電纜附件局部放電過程中，為了說明內(nèi)部放電與電暈放電在相位上的差異，采用同時(shí)記錄內(nèi)部放電與電暈放電信號(hào)相位分布的方式，對(duì)兩者進(jìn)行比較。有無電暈時(shí)內(nèi)部放電相位三維分布情況分別如圖9和圖10所示。

根據(jù)各放電情形的三位譜圖分析可知，電暈放電主要集中出現(xiàn)在箭頭標(biāo)注位置，與內(nèi)部放電的一、三象限不會(huì)重疊，這說明本檢測(cè)系統(tǒng)具有識(shí)別內(nèi)部放電與電暈放電的能力。

圖9 無電暈時(shí)內(nèi)部放電相位分布圖

圖10 有電暈時(shí)局部放電相位分布圖

3.3 超聲波傳播時(shí)延的檢測(cè)

考慮局部放電超聲信號(hào)的傳播規(guī)律及定位問題，將有電暈與無電暈時(shí)的放電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在相位上進(jìn)行對(duì)比。從圖11和圖12比較看出，電暈放電在時(shí)間上大約滯后內(nèi)部放電2～3 ms，計(jì)算出超聲的等值聲速約為1.5～2.5 km/s。根據(jù)超聲波在電纜中傳播的時(shí)延檢測(cè)，可為電纜附件絕緣缺陷定位提供參考依據(jù)。

圖11 電纜附件終端有電暈時(shí)放電相位統(tǒng)計(jì)圖

圖12 電纜附件終端無電暈時(shí)的放電相位統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)論

本文以35 kV的GIS開關(guān)柜電纜附件終端為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，試制了一套超聲波局部放電檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)電纜附件絕緣缺陷的局部放電情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和分析。在傳感器設(shè)計(jì)上，采用了PVDF壓電薄膜貼片，提高了系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏度;設(shè)計(jì)搭建了與傳感器相匹配的信號(hào)處理電路盒，具有較良好的信噪比。通過大量的比較實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析結(jié)果得到了如下結(jié)論:

(1)電纜運(yùn)行電壓在20 kV至32.5 kV之間，終端附件局部放電超聲信號(hào)的幅值與運(yùn)行電壓近似為正比關(guān)系，放電次數(shù)與運(yùn)行電壓是非線性關(guān)系。

(2)電暈放電與內(nèi)部放電的相位分布不同，內(nèi)部放電主要集中在一、三象限，這說明本檢測(cè)系統(tǒng)具有識(shí)別內(nèi)部放電與電暈放電的能力。

(3)根據(jù)超聲波在電纜中傳播的時(shí)延檢測(cè)，可為電纜附件絕緣缺陷定位提供參考依據(jù)。

本文對(duì)基于超聲波的電纜附件局部放電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，為XLPE電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的技術(shù)支撐。

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