中壓電纜局部放電雙通道同步測量方法的應(yīng)用研究

顧朝敏,高樹國,楊光明,李曉峰,楊 樺

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021;2.北京興迪儀器有限責(zé)任公司,北京 100085)

中壓電纜局部放電雙通道同步測量方法的應(yīng)用研究

顧朝敏1,高樹國1,楊光明2,李曉峰1,楊 樺1

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021;2.北京興迪儀器有限責(zé)任公司,北京 100085)

針對不同長度中壓電纜的模擬缺陷,進(jìn)行了局部放電檢測與定位研究,根據(jù)研究結(jié)果總結(jié)現(xiàn)有局部放電檢測方法的局限性,提出一種新的雙通道無線遠(yuǎn)程局部放電缺陷診斷定位的新技術(shù)、新方法,并在10 k V中壓電纜進(jìn)行局部放電模擬缺陷測試和現(xiàn)場成功應(yīng)用,驗(yàn)證了該方法在現(xiàn)場應(yīng)用中的有效性。

中壓電纜;局部放電;雙通道;無線遠(yuǎn)程

0 引言

近年來,交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜由于具有運(yùn)行維護(hù)簡單、耐高溫和絕緣性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),在10 k V及以上輸配電網(wǎng)中得到了大量應(yīng)用,并逐漸成為城市電網(wǎng)發(fā)展的主流[1]。由于電纜在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝以及運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生絕緣缺陷,導(dǎo)致運(yùn)行中產(chǎn)生局部放電(簡稱“局放”),成為電纜安全運(yùn)行隱患。統(tǒng)計(jì)分析表明,XLPE電纜線路事故80%以上最終表現(xiàn)為絕緣擊穿[2]。

針對電纜絕緣缺陷,傳統(tǒng)測試技術(shù)是通過測量電纜線路的絕緣電阻值和進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)來判斷電纜的絕緣狀態(tài),據(jù)此發(fā)現(xiàn)比較明顯的絕緣缺陷,但該方法無法有效檢測出輕微的絕緣缺陷。對于較輕微的絕緣缺陷,在施加較高電壓的情況下往往會(huì)在缺陷點(diǎn)產(chǎn)生局放,伴隨著聲、光、電、熱、化學(xué)分解等現(xiàn)象,可通過脈沖電流法、超聲波法、特高頻法、紫外成像法、紅外檢測法、色譜分析等一系列方法予以檢測[3 4]。

局放是表征電氣絕緣性能的基本參數(shù)之一,就中壓電纜局放檢測而言,目前應(yīng)用較為廣泛的方法為離線的正弦波局放測試、振蕩波局放測試和在線的高頻TA測試等,但當(dāng)電纜線路較長時(shí),將會(huì)面臨局放信號傳輸衰減等問題,需要研究新型的檢測方法予以解決。

1 電纜局放傳統(tǒng)檢測方法

電纜離線局放測量系統(tǒng)采用符合IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)的脈沖測量法,通過耦合電容耦合局放信號,采用檢測阻抗檢出局放信號。

現(xiàn)場試驗(yàn)對于局放的要求與IEC標(biāo)準(zhǔn)有所不同,局放檢測有效性與電纜的型號、衰減、傳播時(shí)間因數(shù)等特性密切相關(guān),局放量的大小取決于絕緣的缺陷類型和引起局放信號衰減的長度。因此,對于現(xiàn)場局放診斷來說,局放源的定位相較實(shí)測局放量的大小更為重要。對于局放信號定位,目前多采用行波傳播定位法實(shí)現(xiàn)。行波傳播法進(jìn)行局放定位示意見圖1。

圖1 行波傳播法進(jìn)行局放定位示意

即可計(jì)算得出電纜發(fā)生局放的位置,實(shí)現(xiàn)放電信號定位。

2 長距離電纜局放檢測方法的局限性

2.1 局放信號沿電纜傳輸?shù)乃p特性

局放信號在長距離電纜線路上具有明顯的衰減特性,在最優(yōu)現(xiàn)場條件下,局放量為50 pC的信號測量目前只能在2 km以下長度的電纜上實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)場對某長電纜線路在進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)帶分布式局部放電檢測,每隔550 m在中間接頭設(shè)置一個(gè)高頻 TA檢測單元。從電纜終端注入10 000 p C的局放校準(zhǔn)信號,在各個(gè)檢測單元4 MHz±150 k Hz頻帶下檢測到的信號衰減,見圖2。

圖2 現(xiàn)場局放試驗(yàn)校準(zhǔn)信號衰減示意

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,局放信號在電纜上的衰減是以指數(shù)方式展開的,研究表明每km的衰減率達(dá)到90%以上。對于局放檢測應(yīng)盡量靠近電纜附件進(jìn)行,傳感器應(yīng)盡量接近附件內(nèi)部引出線安裝,以有效縮短檢測回路中信號傳輸路徑長度[5]。

2.2 現(xiàn)場電纜局放檢出率

電力電纜局放量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān),局放量的變化預(yù)示著電纜絕緣存在著可能危及電纜安全運(yùn)行壽命的缺陷。在PE或XLPE電纜運(yùn)行情況下,僅僅需要很少p C的放電及很短時(shí)間(幾小時(shí)或幾天)就可以擊穿內(nèi)部的絕緣。

故障實(shí)例表明擊穿大多發(fā)生在附件上,對于電纜局放的試驗(yàn),重點(diǎn)在于局放量的測量和定位。目前已可在現(xiàn)場條件下測量到放電量為20 p C的局放信號,并在對疑似缺陷接頭進(jìn)行解剖后,發(fā)現(xiàn)了放電痕跡。

德國RWE公司使用4種電纜現(xiàn)場局放測量設(shè)備,針對電纜9種模擬缺陷進(jìn)行局放檢測并定位,其檢測結(jié)果顯示,在進(jìn)行局放檢測中,靠近檢測近端的缺陷更容易被檢測并定位,而遠(yuǎn)端的缺陷檢出率較低,不易實(shí)現(xiàn)對局放信號的定位。

如果遇到較長的中壓電纜,可以采用電纜兩端分別進(jìn)行局放檢測的辦法,此時(shí)2個(gè)檢測端可檢測的靈敏度較高,而趨向該段電纜中間的部位可檢測的靈敏度逐步降低。圖3為中壓電纜長度和局放可檢測靈敏度的關(guān)系曲線。

圖3 中壓電纜長度和局放可檢測靈敏度示意

如在電纜兩端分別檢測,所需時(shí)間較長,且在試驗(yàn)過程中升壓超過運(yùn)行電壓時(shí)間過長,對電纜的絕緣性能會(huì)有所損傷。同時(shí),首末兩端分別檢測,會(huì)出現(xiàn)因檢測時(shí)間、測試信號不同步,導(dǎo)致定位出現(xiàn)偏差的情況。

3 雙通道無線遠(yuǎn)程局放診斷技術(shù)

在充分研究放電信號在電纜上傳播衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上,對于長度超過500 m的中壓電纜線路,可以采用雙通道無線遠(yuǎn)程局放檢測方式,實(shí)現(xiàn)電纜線路的雙端同步局放檢測,大大提高了微小局放缺陷的檢測靈敏度。

3.1 雙通道無線遠(yuǎn)程局放檢測

選擇在電纜線路的近端和遠(yuǎn)端各安裝1臺(tái)局放采集單元,相互之間采用無線互聯(lián)技術(shù)和遠(yuǎn)程測量方式實(shí)現(xiàn)完全同步的局放測量。采用雙端同步檢測模式。使用3G/4G無線網(wǎng)將2臺(tái)檢測器相連,在近端的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)雙通道同步實(shí)時(shí)檢測信號處理。

外施電壓使用超低頻電源,在電纜停電狀態(tài)下加壓,以激發(fā)電纜線路缺陷的局放,近端和遠(yuǎn)端同時(shí)利用耦合電容器和檢測阻抗提取放電信號,采用脈沖電流法進(jìn)行局放檢測,通過選頻法排除干擾信號,運(yùn)用信號分離技術(shù)和時(shí)頻反射技術(shù)進(jìn)行缺陷點(diǎn)定位。

3.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸選擇及實(shí)現(xiàn)方式

雙端無線遠(yuǎn)程局放數(shù)據(jù)傳輸基于3G無線通信,采用VPN組網(wǎng)方式構(gòu)成整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò), VPN屬于遠(yuǎn)程訪問技術(shù),利用公用網(wǎng)絡(luò)架設(shè)專用網(wǎng)絡(luò),局放檢測主機(jī)使用本地的數(shù)據(jù)專線,遠(yuǎn)端局放采集單元通過VPN通道就可以和近端局放測量主機(jī)進(jìn)行通信。

3.3 雙端檢測缺陷點(diǎn)定位方法

利用線路兩端的局放檢測裝置,檢測缺陷點(diǎn)產(chǎn)生的局放信號,根據(jù)局放脈沖到達(dá)線路兩端的時(shí)間差并借助3G無線連接來實(shí)現(xiàn)缺陷點(diǎn)定位。

假設(shè)發(fā)生故障后,脈沖波形到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間分別是t1和t2,波速為vXLPE,故障點(diǎn)到近端的距離為x1,線路長度為L,則有:

雙端檢測缺陷點(diǎn)定位利用局放脈沖的第1個(gè)波頭到達(dá)線路兩端的時(shí)刻進(jìn)行測距計(jì)算的,因而只需要捕捉局放脈沖的第1個(gè)波頭,不考慮反射與折射,易于辨識(shí),使得處理結(jié)果較為簡單,從而能夠更加準(zhǔn)確的判斷缺陷點(diǎn)的位置。

3.4 雙通道無線遠(yuǎn)程局放檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M

在一段200 m長10 k V電纜的130 m處制作一個(gè)模擬主絕緣破損缺陷。使用超低頻正弦波電源作為高壓源為試品加壓,使用雙通道無線遠(yuǎn)程局部放電診斷系統(tǒng)進(jìn)行局放檢測及缺陷點(diǎn)定位。

3.4.1 檢測頻率的選取

選頻式檢測方式,可分別對近端、遠(yuǎn)端的測量中心頻率、測試帶寬進(jìn)行調(diào)整。局放信號具有較為特殊的頻譜圖,與背景干擾頻譜存在明顯的差異。選頻的目的是將檢測頻率選擇在頻譜圖中兩者差異最大的位置進(jìn)行測量,取得最佳的抗干擾效果。在所選取的最佳頻率范圍內(nèi)能夠提取到較好的脈沖反射定位圖,將背景信號和局放信號區(qū)較好的區(qū)分開。

3.4.2 局放檢測

分別在電纜檢測近端和遠(yuǎn)端測量局放信號,采用脈沖電流法檢測局放PRPD譜圖及局放量,對局放進(jìn)行定性放電類型判斷和局放水平定量分析,見圖4。通過顯示局放脈沖和利用時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行缺陷放電點(diǎn)定位。

圖4 缺陷局放脈沖定位示意

由圖4可知t1、t2分別約為1.1μs、0.716μs,根據(jù)公式(2),可計(jì)算出缺陷點(diǎn)距近端約133 m。

4 檢測應(yīng)用實(shí)例

10 k V電纜線路進(jìn)行局放試驗(yàn),在2號線U相檢測局放信號,并成功定位,圖5為定位結(jié)果。

根據(jù)圖5,該電纜線路U相將局放缺陷位置確定在離近端檢測點(diǎn)1 534 m處的定位結(jié)果。圖6為檢測到U相局放量與PRPD譜圖。

根據(jù)缺陷點(diǎn)進(jìn)行定位結(jié)果,解剖后發(fā)現(xiàn)該部位電纜應(yīng)力管半導(dǎo)電層懸浮和應(yīng)力管內(nèi)進(jìn)水缺陷,并發(fā)現(xiàn)局放痕跡。進(jìn)水后的電纜,使得懸浮的半導(dǎo)體變成了高壓電極,電纜本體的半導(dǎo)電層成為了地電極,由于2個(gè)電極之間嚴(yán)重受潮,導(dǎo)致在電極之間的界面上發(fā)生了嚴(yán)重的滑閃放電。

圖5 U相近端檢測局放定位

圖6 局放相位譜圖

5 結(jié)束語

現(xiàn)有中壓電纜局放檢測方法存在一定的局限性,當(dāng)電纜較長或者檢測點(diǎn)距離缺陷點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),局放信號的衰減將使得缺陷檢出變得困難,采用雙通道無線遠(yuǎn)程局放檢測方式,可以實(shí)現(xiàn)電纜線路的雙端同步局放檢測,能夠顯著提升微小局放缺陷的檢測靈敏度。人工設(shè)置缺陷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與現(xiàn)場檢測實(shí)例均證明此方法的可行性和有效性,針對于2 km以上的中壓電纜,采用雙端檢測的方式檢測靈敏度提高尤為明顯。

[1] 朱啟林.電力電纜故障測試方法與案例分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2] 羅俊華,邱毓昌,楊黎明.10 k V及以上電力電纜運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)分析[J].高電壓技術(shù),2003,29(6):1416.

[3] 蘇文群,張 麗,錢 勇,等.XLPE電纜局部放電檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J].華東電力,2009,39(4):5457.

[4] 黃志偉,楊宇琦,薛 榮,等.XLPE電纜及其中間接頭中局部放電電磁波傳播特性的數(shù)值分析[J].絕緣材料,2014,47 (5):.

[5] 王昱力,楊 丹,夏 榮.高壓交聯(lián)電纜局放傳播特性分析及試驗(yàn)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)2015,48(2):233.

本文責(zé)任編輯:齊勝濤

Application Study on Partial Discharge Double Channel Detection Methods in Medium Voltage Cable

Gu Chaomin1,Gao Shuguo1,Yang Guangming2,Li Xiaofeng1,Yang Hua1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.Sindia Instruments Company Limited,Beijing 100085,China)

This paper studies diagnosis and locates the partial discharge by different detection methods according to the defects for medium voltage cable which with different length,from the comparison of the detection results,finds the limitation of the existing detection methods for partial discharge,so puts forward a new method which locate the partial discharge with double channel wireless remote technology.Moreover,takes successful simulated application in 10 k V cable,verifies the effectiveness of the method in field application.

medium voltage cable;partial discharge;double channel;wireless remote

TM835.4

:B

顧朝敏(1985-),男,工程師,主要從事高壓試驗(yàn)、電力設(shè)備局部放電測試技術(shù)研究。