基于OWTS技術(shù)的電纜局放檢測(cè)應(yīng)用分析

王 琪，劉曉飛，閆 杰

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

基于OWTS技術(shù)的電纜局放檢測(cè)應(yīng)用分析

王 琪，劉曉飛，閆 杰

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

論述了電力電纜由于其具有供電可靠的特性，并且滿足城市規(guī)劃的要求，正在得到廣泛應(yīng)用。指出為了保證電纜的安全可靠運(yùn)行既要重視故障檢測(cè)手段，也要從源頭上把關(guān)，針對(duì)隱藏缺陷進(jìn)行檢測(cè)，OWTS（振蕩波局放測(cè)試系統(tǒng)）作為一種方便有效的電纜檢測(cè)新技術(shù)目前正不斷推廣。對(duì)于OW TS檢測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了介紹，并通過兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)案例分析驗(yàn)證了其有效性。闡明了OWTS檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用將對(duì)電網(wǎng)的安全可靠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

振蕩波局放測(cè)試系統(tǒng)；電力電纜；局部放電；故障定位

0 引言

隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展，尤其是城市規(guī)劃日趨完善，城市配網(wǎng)電纜入地的要求不斷加大，以往的架空電力線路正在逐漸被地埋電力電纜所替代。電力線路電纜化率逐年提高，電纜發(fā)生故障的次數(shù)也呈現(xiàn)相應(yīng)的增長趨勢(shì)[1-3]，但是電纜線路具有敷設(shè)隱蔽性強(qiáng)、故障點(diǎn)定位及檢修恢復(fù)都較架空線路困難的特點(diǎn)，加上電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范的要求，使得電纜交接驗(yàn)收試驗(yàn)的必要性及重要性都有明顯的增加。城市配網(wǎng)的管理水平也不斷改善，改變了過去粗放式的巡檢和故障搶修模式，要求從源頭上把關(guān)，提前對(duì)電纜進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的缺陷，對(duì)潛在缺陷進(jìn)行檢修和維護(hù)，保證交接試驗(yàn)的可靠性和有效性，達(dá)到未雨綢繆的效果。長期的實(shí)踐證明，局部放電是引起電力電纜絕緣破壞的主要原因，因此局部放電檢測(cè)，對(duì)于保證電纜交接試驗(yàn)的可靠性起著至關(guān)重要的作用。近年來，振蕩波局放測(cè)試系統(tǒng)OWTS（OscillatingWaveform TestSystem）由于良好的便攜性、優(yōu)秀的抗干擾能力及無損測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的推廣應(yīng)用[4]。

1 OWTS測(cè)試系統(tǒng)原理

電纜局部放電振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)首先通過直流高壓源對(duì)測(cè)試電纜進(jìn)行充電（電纜芯與屏蔽形成電容特性），然后通過快速關(guān)斷高壓開關(guān)形成電纜電容與外加電感之間的LC阻尼振蕩（振蕩頻率20～500 Hz），在電纜芯線和接地層之間產(chǎn)生近似工頻的振蕩電壓波，激發(fā)出絕緣薄弱處的局部放電。在不損壞電纜絕緣的前提下通過脈沖電流法檢測(cè)電纜局部放電，并對(duì)視在放電量進(jìn)行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上基于行波定位原理進(jìn)行電纜故障源的定位（見圖1）[5]。

圖1 振蕩波局放測(cè)試原理圖

1.1 振蕩波的產(chǎn)生原理

振蕩波的產(chǎn)生主要依靠諧振，諧振是一種穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的現(xiàn)象，雖然在某些情況下諧振并不能自保持，在發(fā)生后經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)自動(dòng)消失，但也可穩(wěn)定存在，直到破壞諧振條件為止。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中的電感、電容原件參數(shù)滿足一定的條件時(shí)，就有可能發(fā)生諧振。充電后快速關(guān)合高壓開關(guān)可以簡化成圖2所示的原理圖。

圖2 諧振產(chǎn)生電路圖

在此電路中，開關(guān)關(guān)合后3個(gè)元件等效成串聯(lián)方式連接。其主要的微分方程可將3個(gè)元件的本構(gòu)方程代入基爾霍夫電壓定律（KVL）獲得。由基爾霍夫電壓定律得

其中VR、VL、VC分別為R、L、C兩端的電壓，V（t）為隨時(shí)間變化的電源的電壓。將本構(gòu)方程代入得到

根據(jù)不同的阻尼系數(shù)ζ的值，該微分方程的解法有三種不同的情況，分別為：欠阻尼（ζ＜1），過阻尼（ζ＞1），以及臨界阻尼（ζ=1）。該微分方程的特征方程為

1.2 基于行波原理的故障源定位

OWTS裝置一般采用單端行波測(cè)距原理，在設(shè)備端包含有數(shù)據(jù)采集單元，通過檢測(cè)局放行波的初始到達(dá)時(shí)刻與經(jīng)對(duì)端反射回來的行波的時(shí)間差來進(jìn)行故障距離的測(cè)算。對(duì)于行波的捕捉可采用多種計(jì)算方法，例如比較常用的小波變換法，小波變換法在檢測(cè)行波方面具有良好的應(yīng)用效果，與其他算法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。見圖3所示。

原始局放電壓脈沖（入射波）為

圖3 行波測(cè)距原理

2 OWTS技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 校準(zhǔn)情況

在使用振蕩波系統(tǒng)加壓前，應(yīng)使用校準(zhǔn)儀對(duì)不同大小的局放信號(hào)（100 nC～100 pC）輸入電纜進(jìn)行模擬并通過這種方法檢測(cè)高頻信號(hào)在被檢測(cè)電纜段中的具體傳輸衰減情況，可以通過電纜尾端是否存在發(fā)射波來判斷信號(hào)傳輸狀況（表1）。局放的模擬值越小證明該局放信號(hào)在被測(cè)電纜中的傳輸性越好。

表1 校準(zhǔn)值狀況評(píng)估表 pC

2.2 背景干擾測(cè)試

在進(jìn)行局放檢測(cè)時(shí)進(jìn)場(chǎng)會(huì)受到干擾從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失準(zhǔn)，在這里通過系統(tǒng)將檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾值換算后以pC值來判別背景干擾值對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。參考檢測(cè)儀器廠商所給出的背景干擾值并結(jié)合自身檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并總結(jié)出背景干擾評(píng)估表（如表 2）。

表2 校準(zhǔn)值狀況評(píng)估表 pC

2.3 數(shù)據(jù)分析

在對(duì)測(cè)試電纜經(jīng)過逐級(jí)加壓后進(jìn)行單個(gè)脈沖分析和定位，以找出比較相似的兩個(gè)脈沖波形，若發(fā)現(xiàn)前面幅值大的脈沖反射，而后面出現(xiàn)幅值小的脈沖波形，這就是典型電纜局放波形。

3 案例分析

OWTS現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求停電作業(yè)，主要是對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷，判斷電纜內(nèi)部是否存在局部放電缺陷，保證電纜的投運(yùn)安全。下面針對(duì)山西省內(nèi)某變電站的10 kV電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)局放檢測(cè)，通過故障定位及分析判斷驗(yàn)證OWTS檢測(cè)手段的有效性。

現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備為青島華電公司生產(chǎn)的檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備加壓充電階段采用直流充電，最大輸出電壓（峰值）28 kV，最大輸出電壓（有效值）20 kV。局放測(cè)試范圍，5pC~100nC；工作電源，220V，50Hz。

試驗(yàn)1：測(cè)試電纜長度為50m，測(cè)試時(shí)在電纜頭線芯中插入釘子，將設(shè)備接線端連接于釘子頂端進(jìn)行試驗(yàn)。

通過捕捉入射波和反射波的波谷的時(shí)間，計(jì)算時(shí)間差帶入公式（19）中求得故障點(diǎn)位于距離測(cè)試端1.6m的位置，經(jīng)過仔細(xì)分析得出，電纜線路較短，測(cè)試時(shí)線路的長度可能不是準(zhǔn)確的50m，存在一定誤差，加之測(cè)試接線也有一定的長度。又由于接觸采用釘子與線芯連接，接觸并不十分良好，存在間隙，加壓后可能會(huì)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生放電。分析認(rèn)為檢測(cè)到的放電即為電纜頭接觸不良引起的，電纜本身并無損傷，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)電纜本身進(jìn)行了仔細(xì)的檢查及其他相關(guān)試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常，改變了接觸方式后重新試驗(yàn)，放電點(diǎn)消除。

試驗(yàn)2：測(cè)試電纜長度為390m，直埋于地下，測(cè)試前已經(jīng)停運(yùn)。進(jìn)行OWTS局放檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 局放量結(jié)果圖

最大局部放電量475 pC。入射波的波谷對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為292.8ms，反射波同樣截取波谷對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為295.9ms，根據(jù)入射波和反射波波谷對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)計(jì)算出故障距離為127.3m，沿著電纜路徑對(duì)可能故障點(diǎn)直徑2m的范圍進(jìn)行開挖檢查，發(fā)現(xiàn)127m處存在電纜外半導(dǎo)電層破損，進(jìn)一步驗(yàn)證了測(cè)試方法的有效性。

試驗(yàn)3：測(cè)試電纜長度為3 285m，為新投運(yùn)電纜，電纜終端、接頭及本體為塑料絕緣，分別在780m、1 455m、2 101m及2 671m處存在中間接頭。OWTS局放檢測(cè)結(jié)果見圖5，最大局部放電量950 pC。

圖5 局放量結(jié)果圖

從圖5局部放電量結(jié)果圖可以明顯看出在距測(cè)試端1400m處存在三相放電，其中A相放電量最大為950 pC，2 350m處B相放電量也達(dá)到了900 pC，本段新投運(yùn)電纜存在問題，不能直接投運(yùn)。

由于放電位置與接頭位置不重合，判斷接頭制作良好，兩處放電均為電纜本體放電。現(xiàn)場(chǎng)沿電纜敷設(shè)路徑測(cè)距，對(duì)放電點(diǎn)位置進(jìn)行了確認(rèn)并開挖，發(fā)現(xiàn)電纜受到了一定程度的外力破壞，解剖后發(fā)現(xiàn)1 400 m處三相絕緣受到了不同程度的損傷，而2 350m處B相絕緣損傷較為明顯，其余兩相完好。重新制作電纜中間接頭后，再次進(jìn)行檢測(cè)，未檢測(cè)到明顯局部放電。該次電纜損傷主要是由于電纜敷設(shè)施工過程中的不規(guī)范施工所致，應(yīng)在以后的電纜敷設(shè)過程中加強(qiáng)規(guī)范作業(yè)及施工監(jiān)理，保證敷設(shè)質(zhì)量[6]。

4 結(jié)語

OWTS檢測(cè)方法對(duì)于電力電纜缺陷的檢測(cè)具有很好的效果，可以用來檢測(cè)內(nèi)部隱藏缺陷引起的局部放電。電纜敷設(shè)完畢投運(yùn)前進(jìn)行OWTS檢測(cè)可以保證電纜投運(yùn)的可靠性。在測(cè)試過程中應(yīng)該考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，保證接線良好，雙端的屏蔽層均需接地，盡量保證測(cè)試安全及準(zhǔn)確性。隨著電力電纜的普及和振蕩波測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用振蕩波局部放電檢測(cè)電纜必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 劉剛，阮班義.基于OWTS 10 kV XLPE電纜終端半導(dǎo)電層制作缺陷的實(shí)驗(yàn)研究［J］.高壓電器，2012（9）：31-36.

［2］ 劉炳亮.10 kV配電網(wǎng)電力電纜局部放電監(jiān)測(cè)研究及應(yīng)用［J］.電氣開關(guān)，2011（5）：63-65.

［3］ 魏金蓉，周亞玲.電力電纜故障測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用的概述［J］.動(dòng)力與電氣工程，2013（18）：117.

［4］ 張耀文.10 kV電纜局部放電振蕩波測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用探討［J］.中國電力教育，2011（33）：138-139.

［5］ 馮建強(qiáng).淺析電纜振蕩局部放電試驗(yàn)的原理和方法［J］.應(yīng)用科技，2012（7）：71-72.

［6］ 葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù)（第二版）［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

App lication Analysis of Cable Partial Discharge Detection Technology Based on OWTS

WANG Qi，LIU Xiao-fei，YAN Jie
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

With the characteristics such as reliable power supply，and great significance for the city’s beauty，power cable is widely applied.In order to guarantee the safe and reliable operation of the cable，we should notonly attach great importance to the fault detection method，but also not ignore hidden defects.OWTS as a convenient and effective technology for cable testing is continuously popularized.This article introduces the principle ofOWTSdetection technology，the effectiveness ofwhich is verified through the analysis of two cases.It is illustrated thatOWTS detection technology will produce great economic and social benefits for power grid’s safe and reliable operation.

OWTS；electricity cables；partialdischarge；fault location

TM206

A

1671-0320（2014）05-0014-04

2014-06-10，

2014-08-30

王 琪（1976-），男，山西太原人，1998年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣技術(shù)專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備試驗(yàn)、輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修工作；

劉曉飛（1988-），男，山西懷仁人，2012年畢業(yè)于武漢大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，助理工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制研究工作；

閆 杰（1983-），男，山西運(yùn)城人，2009年畢業(yè)于華北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師，從事高電壓技術(shù)及高壓試驗(yàn)工作。