分布式局部放電檢測(cè)技術(shù)在高壓電纜交接試驗(yàn)中的應(yīng)用

周桂平，唐佳能，金 鑫，楊 鶴，畢海濤

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

分布式局部放電檢測(cè)技術(shù)在高壓電纜交接試驗(yàn)中的應(yīng)用

周桂平，唐佳能，金 鑫，楊 鶴，畢海濤

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

充分研究了現(xiàn)有的局放檢測(cè)技術(shù)，分析了局部放電信號(hào)在電纜中的傳輸特性，以高頻電流法為檢測(cè)手段，采用無線或光纖作為傳輸媒介，提出分布式局部放電檢測(cè)技術(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，證明分布式局部放電檢測(cè)技術(shù)在高壓電纜交接試驗(yàn)時(shí)可以有效地檢測(cè)出電纜中的微小絕緣缺陷。

交接試驗(yàn)；局部放電；分布式系統(tǒng)；光纖連接

隨著城市的不斷發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模越來越大，各供電公司需要通過電網(wǎng)將電能輸送到城市的每個(gè)角落，因此，電纜作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備尤其66kV及以上高壓電力電纜的安全運(yùn)行尤為重要［1］。當(dāng)高壓電力電纜發(fā)生故障時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且由于其發(fā)生故障導(dǎo)致大面積停電將產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。

雖然在出廠前高壓電纜和相應(yīng)的附件已通過了相關(guān)的型式試驗(yàn)，但經(jīng)過運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)和附件安裝后，電纜的電氣性能可能受到影響。因此，電纜在投運(yùn)前需要進(jìn)行交接試驗(yàn)，否則一旦投運(yùn)后電纜在運(yùn)輸和敷設(shè)過程存在的隱患將直接威脅電網(wǎng)供電的可靠性，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響是可想而知的。電纜的交接試驗(yàn)雖然是考驗(yàn)電纜質(zhì)量最直接的方法，但在交接試驗(yàn)時(shí)，電纜的一些局部放電缺陷未必能夠被發(fā)現(xiàn)，且在交接試驗(yàn)時(shí)電纜的一些局部缺陷將進(jìn)一步發(fā)展惡化，國(guó)內(nèi)新建工程的電纜投運(yùn)后發(fā)生故障的案列并不少見。因此，國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力電纜線路試驗(yàn)規(guī)程》（Q／GDW 11316—2014）中對(duì)電纜線路交接試驗(yàn)進(jìn)行了明確規(guī)定：66kV及以上電纜線路主絕緣交流耐壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)同時(shí)開展局部放電測(cè)量。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電纜線路發(fā)生故障的部位主要在其附件上。電纜終端頭與中間接頭往往是由于制作工藝不良、設(shè)計(jì)不良、材料選擇不當(dāng)而造成的缺陷［2］。電纜本體局部缺陷主要是因?yàn)橹圃?、運(yùn)輸過程及敷設(shè)等原因造成，電纜本體及其附件的缺陷對(duì)電纜的穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大的隱患，而且電纜大多埋設(shè)在地下，運(yùn)行環(huán)境惡劣，維護(hù)、故障探查比較困難，因此，新建高壓電纜進(jìn)行交接試驗(yàn)時(shí)，同步局部放電檢測(cè)尤為重要。

1 電力電纜中局部放電信號(hào)傳輸特性

1.1 電力電纜的電路模型

當(dāng)高壓電力電纜在進(jìn)行交接試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)部存在絕緣缺陷，其絕緣電阻將下降，而絕緣介質(zhì)損耗和泄露電流將增加，同時(shí)還可能產(chǎn)生局部放電［3－4］。針對(duì)電氣性能完好的電力電纜，采用分布參數(shù)并聯(lián)型等效電路進(jìn)行分析，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜分布參數(shù)并聯(lián)等效電路

電氣性能完好的電力電纜電感值較小，而絕緣電阻值非常大，數(shù)量級(jí)可達(dá)1010，因此，絕緣電阻的變化可作為診斷的特征量。當(dāng)電力電纜沒有絕緣缺陷時(shí)，電纜本體、中間接頭及其附件的波阻抗是匹配的，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射［5］。當(dāng)電纜存在絕緣缺陷時(shí)，絕緣電阻會(huì)明顯減小，使原本參數(shù)分布均勻的電纜不再滿足阻抗匹配，流經(jīng)電纜的電磁信號(hào)將產(chǎn)生反射，這是進(jìn)行電纜診斷和故障點(diǎn)定位的理論依據(jù)［6］。

1.2 電纜局部放電信號(hào)傳輸規(guī)律

根據(jù)電纜分布參數(shù)并聯(lián)等效電路計(jì)算波阻抗為

式中R——單位長(zhǎng)度電力電纜分布電阻；

L——單位長(zhǎng)度電力電纜分布電感；

C——單位長(zhǎng)度電力電纜分布電容；

G——單位長(zhǎng)度電力電纜分布絕緣等效電導(dǎo)（絕緣電阻的倒數(shù)）。

引入電纜傳播系數(shù)，可進(jìn)一步研究局部放電信號(hào)在電纜中傳輸?shù)淖兓?guī)律，其表達(dá)式為

由式（2）可知，傳播系數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，將其轉(zhuǎn)為以下的形式：

因此，局放信號(hào)在經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的電力電纜傳輸后，在電纜兩端阻抗匹配的前提下，局部放電信號(hào)的輸出與輸入存在如下關(guān)系：

式中L——電力電纜長(zhǎng)度；

U0——局部放電信號(hào)輸入；

Ui——局部放電信號(hào)輸出。

由式（4）可知，傳播系數(shù)決定了局部放電信號(hào)在電力電纜中傳輸后幅值上的衰減和相位上的變化情況，而傳播系數(shù)是由電纜的參數(shù)及信號(hào)的頻率決定，因此，局部放電信號(hào)在電纜中傳輸具有以下特點(diǎn)：

a.局部放電信號(hào)在電纜線路傳輸?shù)木嚯x越長(zhǎng)，其幅值衰減越厲害；

b.幅值相等而頻率不同的局放信號(hào)，在電力電纜傳輸相同的距離后，頻率越高的局放信號(hào)，幅值衰減速度越快；

c.含有不同頻率成分脈沖型信號(hào)，各頻率分量的衰減和相移是不同的，通過線路傳輸時(shí)，將發(fā)生畸變和失真，稱之為信號(hào)的色散現(xiàn)象。

因此，電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)對(duì)電纜局部放電檢測(cè)時(shí)，采用分布式局部放電檢測(cè)系統(tǒng)是必要的，否則高頻的局部放電信號(hào)經(jīng)過較長(zhǎng)的電纜傳輸后，將衰減到基本為零，很難檢測(cè)到。

2 分布式局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 分布式局放檢測(cè)方法

高頻TA法不需要在高壓端通過耦合電容器取得局部放電信號(hào)［7］，因此適用于電纜敷設(shè)后的交接驗(yàn)收試驗(yàn)和運(yùn)行中的在線監(jiān)測(cè)［8］。高頻TA法是通過電磁耦合來測(cè)量局部放電電流，由于在高壓電纜和測(cè)量回路間沒有直接的電氣連接，從而能很好地抑制噪聲，高頻TA法檢測(cè)電纜局放信號(hào)方法如圖2所示。

圖2 高頻TA法檢測(cè)電纜局放信號(hào)示意圖

在現(xiàn)場(chǎng)電纜線路局部放電測(cè)量中，電纜無法像在實(shí)驗(yàn)室里可用屏蔽室等手段來抑制外部開擾，而且與電纜相連的各電力設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)都將通過電纜傳播，無法像實(shí)驗(yàn)室設(shè)備保證設(shè)備本身無干擾和無局放，因此，要求現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的設(shè)備具有獨(dú)特的抗干擾手段。選頻技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)局放測(cè)量重要的抗干擾方法，通過調(diào)節(jié)測(cè)量頻率，避開干擾信號(hào)較大的頻段，獲得較高的信噪比。IEC60270標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)量頻率為800 kHz以下，對(duì)信號(hào)傳播衰減較小，但電纜外部各種干擾信號(hào)也能輕易地傳入電纜。該頻率正是電纜線路中干擾信號(hào)最強(qiáng)烈的頻段，因此現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，必須在較高的頻率下進(jìn)行，以避開低頻干擾，但又不能太高，檢測(cè)頻率的選擇應(yīng)與電纜中局放信號(hào)頻率及確保電纜線路中檢測(cè)點(diǎn)位置之間的距離相匹配。

2.2 分布式局部放電檢測(cè)

分布式局放檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)注于電纜及電纜附件。系統(tǒng)利用位于電纜接地線和交叉互聯(lián)線上的感性傳感器提取局部放電信號(hào)［9］，將各檢測(cè)單元布置到各被測(cè)接頭的旁側(cè)，通過光纜手拉手的連接方式或無線組網(wǎng)將整個(gè)系統(tǒng)串聯(lián)到一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電纜線路的分布式局放檢測(cè)，在終端通過測(cè)量軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)整條線路各接頭的局放情況，分布式局放檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 分布式局放檢測(cè)示意圖

局放數(shù)據(jù)通過光纜或3G無線通信傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，測(cè)試人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整每個(gè)接頭的識(shí)別干擾能力，并通過調(diào)整設(shè)置，排除干擾，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。如果出現(xiàn)局部放電量報(bào)警，技術(shù)人員要對(duì)局放信息進(jìn)行識(shí)別，判斷信號(hào)的可靠性和引起局放缺陷的類型。系統(tǒng)能檢索和顯示數(shù)據(jù)，使操作員能尋找到放電特性的變化，而放電特性的變化預(yù)示局放缺陷嚴(yán)重性的程度。系統(tǒng)將獨(dú)立、連續(xù)地監(jiān)測(cè)每個(gè)連接傳感器的信號(hào)。

3 分布式局放檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

遼寧省首條長(zhǎng)距離敷設(shè)的220kV電力電纜全長(zhǎng)11 km，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)的同步分布式局部放電檢測(cè)，采用無線和光纖混連方法，在該線路使用13個(gè)局部放電檢測(cè)單元、7個(gè)無線遠(yuǎn)端單元、1個(gè)無線近端單元。該線路ABC三相1.7U0耐壓試驗(yàn)1 h均成功通過，均未發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象，電纜AC相局部放電檢測(cè)點(diǎn)電纜本體及附件均未檢測(cè)到局部放電，B相在進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)未發(fā)生絕緣擊穿，且耐壓試驗(yàn)通過，但在B相終端測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)局放信號(hào)，檢測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 B相終端在不同頻帶下的局放檢測(cè)結(jié)果

圖5 B相終端局放起始電壓

由圖4、圖5可以看出，在試驗(yàn)電壓達(dá)到216kV時(shí)，在B相終端存在局部放電，放電量約為450 pC，信號(hào)的幅值相對(duì)比較高，發(fā)現(xiàn)局放信號(hào)的起始電壓為190kV，高于運(yùn)行電壓，在216kV時(shí)放電量與耐壓1 h結(jié)束前的放電量基本一致。由于沈五線B相終端存在局放信號(hào)，因此，對(duì)沈五線B相終端進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧套屏蔽罩上發(fā)現(xiàn)明顯的劃傷痕跡和撞傷痕跡，如圖6所示。

圖6 環(huán)氧套屏蔽罩上的劃痕與撞傷

4 結(jié)束語

本文提出的分布式局部放電檢測(cè)技術(shù)，以選頻式高頻電流法為檢測(cè)手段，采用獨(dú)特的光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，可準(zhǔn)確地進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)耐壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕緣電力電纜及其附件中存在的局部放電缺陷，避免將存在微小缺陷的電纜線路接入電網(wǎng)，及時(shí)排除電網(wǎng)隱患，有效減少電纜線路運(yùn)行故障。結(jié)合遼寧電網(wǎng)新建電纜工程，在交流耐壓試驗(yàn)過程中，運(yùn)用分布式局放測(cè)試技術(shù)全面監(jiān)測(cè)電纜的絕緣狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓電纜內(nèi)部的局放信號(hào)，在對(duì)電纜解體過程中驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，使該方法得到了實(shí)踐檢驗(yàn)。

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Application on Transfer Test of Distributed Partial Discharge Detection Technology in High Voltage Cable

ZHOU Gui?ping，TANG Jia?neng，JIN Xin，YANG He，BI Hai?tao
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper fully studies the existing PD detection technology and analyzes transmission characteristics of partial discharge signals in the cable.Distributed partial discharge detection technology are proposed by using the high frequency current as the detection method and using wireless or optical fiber as the transmission medium.Through practical application of the field，the test results show that distributed partial discharge detection technology can effectively detect the tiny insulation defects in the cable.

Commissioning test；Partial discharge；Distributed system；Fiber optic connectors

TM855

A

1004－7913（2016）07－0014－03

周桂平（1981—），男，博士，工程師，從事高電壓技術(shù)研究。

2016－04－02）