局部放電測量技術(shù)在電纜故障預(yù)定位中的應(yīng)用

顧朝敏，賈伯巖，潘 瑾，范雪峰，龐先海

(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)

局部放電測量技術(shù)在電纜故障預(yù)定位中的應(yīng)用

顧朝敏1，賈伯巖1，潘 瑾1，范雪峰2，龐先海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)

針對傳統(tǒng)的電纜高絕緣電阻故障定位技術(shù)在應(yīng)用中可能存在因故障點(diǎn)無法擊穿或燃弧時(shí)間過短，進(jìn)而導(dǎo)致電纜故障無法有效定位的問題，結(jié)合局部放電脈沖行波法定位技術(shù)，提出將局部放電脈沖電流法測量技術(shù)應(yīng)用于電纜故障定位的新方法。對于35 kV及以下電壓等級中壓電纜線路，提出基于脈沖電流法的局部放電脈沖定位技術(shù)；對于110 kV及以上電壓等級的高壓、超高壓電纜線路，提出采用多個中間接頭分布式局部放電測量技術(shù)的新型高阻故障定位方法。針對部分不同電壓等級的電纜高阻故障，進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)際定位測量，準(zhǔn)確的完成了故障部位的定位。在現(xiàn)場電纜高阻故障定位中的成功應(yīng)用表明，該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。

電力電纜；故障預(yù)定位；局放測量技術(shù)；脈沖電流法；分布式檢測

1 概述

近年來，隨著交聯(lián)聚乙烯等電纜線路的增多及早期電纜運(yùn)行時(shí)間的增長，電纜運(yùn)行故障呈上升趨勢，同時(shí)，電纜在運(yùn)行過程中，一旦發(fā)生絕緣故障，故障點(diǎn)的查找相對于架空線路也更為困難。根據(jù)傳統(tǒng)電纜定位方法，在進(jìn)行故障預(yù)定位時(shí)，首先需要根據(jù)故障電纜的絕緣電阻大小初步判斷故障的性質(zhì)，再根據(jù)故障的斷線、低阻、高阻等性質(zhì)選擇合適的預(yù)定位方法[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜在主絕緣故障中，75%為高絕緣電阻，60%的絕緣電阻為兆歐級，閃絡(luò)性故障電纜的絕緣電阻90%也在兆歐級以上[4]。同時(shí)，電纜主絕緣故障預(yù)定位的難點(diǎn)也主要在于高阻故障、閃絡(luò)性故障及高電壓等級、大長度電纜故障查找。對高絕緣電阻故障采用二次(多次)脈沖法、沖閃法等進(jìn)行預(yù)定位時(shí)，經(jīng)常遇到下述問題，導(dǎo)致無法定位故障點(diǎn)。

a. 故障點(diǎn)無法擊穿。目前采用傳統(tǒng)主絕緣故障預(yù)定位儀器的最大沖擊電壓為32 kV，在對部分高絕緣電阻故障電纜進(jìn)行故障點(diǎn)預(yù)定位查找時(shí)，即使使用最大沖擊電壓也無法擊穿電纜高阻故障點(diǎn)。

b. 故障點(diǎn)燃弧時(shí)間過短。被試電纜電容量越大，所需要的沖擊能量(W=CU2)越大，才能保證故障點(diǎn)燃弧時(shí)間足夠長，以滿足二次(多次)脈沖法或沖閃法等的測試要求。對于較長的電纜線路，即使利用定位裝置的最大沖擊能量，也往往無法解決由于故障點(diǎn)燃弧時(shí)間過短導(dǎo)致不能得到較好的測試波形的問題。

針對上述情況，研究將脈沖電流法局放測量應(yīng)用于電纜故障查找的新型定位技術(shù)，且針對不同電壓等級的電纜研究相應(yīng)的故障預(yù)定位方法，能夠有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)電纜故障定位方法的局限性，完成故障預(yù)定位，提升檢修效率。

2 局部放電測量技術(shù)應(yīng)用于故障預(yù)定位

局部放電(簡稱“局放”)測量能夠有效的發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷及其位置，并可以應(yīng)用到電纜的故障位置查找上[5]。對于主絕緣電阻較大(如部分高阻故障、閃絡(luò)性故障)的故障電纜，電纜的主絕緣仍可承受一定的外施電壓，并在故障部位發(fā)生局放。通過查找局放的部位，可以據(jù)此實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流法

對于35 kV及以下電壓等級中壓電纜線路，可以采用符合IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電流法進(jìn)行主絕緣故障定位查找。標(biāo)準(zhǔn)測量回路如圖1所示[6]，其中Ca為試品電纜，Ck為耦合電容，CD為檢測阻抗，MI為局放檢測儀。

圖1 IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)測量回路

通過外施電源對故障電纜進(jìn)行加壓，在施加電壓由零緩慢增加的過程中，高阻故障部位的局放被激發(fā)，利用圖1所示的脈沖電流法測量回路進(jìn)行局放檢測，通過耦合電容和檢測阻抗提取放電信號。再利用行波法進(jìn)行局放部位(故障點(diǎn))定位查找[7]。

高阻故障點(diǎn)產(chǎn)生局放后，信號沿著電纜向電纜的兩端傳輸。局放脈沖信號依圖2所示的反射路徑依次形成由檢測終端接收的3個脈沖。

圖2所示故障點(diǎn)距離近端的距離為L1，距離遠(yuǎn)端的距離為L2，三次信號傳輸?shù)浇说臅r(shí)間分別設(shè)為t1、t2及t3，信號的傳輸速度設(shè)為v，電纜長度為L。則：

圖2 放電點(diǎn)(故障點(diǎn))行波法定位

(1)

(2)

在上列的計(jì)算式中，v取值范圍已知約為168～172 m/μs[8]，t2-t1及t3-t2可通過測試計(jì)算得出，進(jìn)而計(jì)算出故障點(diǎn)離近端與遠(yuǎn)端的距離，實(shí)現(xiàn)故障位置定位。

然而，由于Alpha穩(wěn)定分布的概率密度函數(shù)沒有閉合解，故一個服從Alpha穩(wěn)定分布的隨機(jī)變量X可用其特征函數(shù)描述為

2.2 分布式局放檢測法

對于110 kV及以上電壓等級的高壓、超高壓電纜線路，相較于標(biāo)準(zhǔn)測量回路中的耦合電容，電纜自身電容要大得多，參照IEC 60270中標(biāo)準(zhǔn)測量回路及靈敏度曲線圖(如圖3所示)，Ck和Ca分別為偶合電容和試品電容，qs和qm分別為局放信號和背景噪聲。此時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)測量回路，局放測量的靈敏度將非常低，信號很容易被淹沒在背景噪聲中。

圖3 IEC 60270局放測量靈敏度曲線

另一方面，相對于中壓電纜，高壓、超高壓電纜線路長度普遍更長，當(dāng)故障點(diǎn)離局放的檢測點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，由于放電信號在沿電纜的傳輸中會產(chǎn)生指數(shù)型的衰減，故障點(diǎn)被激發(fā)的局放信號衰減過大，導(dǎo)致在檢測點(diǎn)已經(jīng)無法有效地耦合到此信號，從而無法完成故障點(diǎn)的定位工作。因此，采用符合IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電流法無法適用于高壓、超高壓電纜的主絕緣故障預(yù)定位。

針對于上述情況，可以采用分布式局放檢測技術(shù)進(jìn)行高壓、超高壓電纜線路的主絕緣故障預(yù)定位。

分布式局放檢測時(shí)，在電纜的所有接頭的接地線上安裝高頻傳感器進(jìn)行局放信號的同步耦合采集[9]，檢測的信號匯總到檢測主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此時(shí)，根據(jù)放電信號在電纜中的衰減特性(信號幅值呈指數(shù)衰減，信號中高頻部分衰減大于低頻部分)，先通過比較各傳感器檢測到局放信號幅值及最高檢測頻帶對放電點(diǎn)進(jìn)行初步定位，并判斷局放信號在電纜中的傳播方向。

采用分布式局放檢測技術(shù)進(jìn)行故障預(yù)定位時(shí)，由于所有局放采集裝置之間的同步時(shí)間為納秒級，由同步時(shí)間引起的時(shí)間誤差較小，因此可以通過測量局放信號傳播到所有接頭上的時(shí)間差，進(jìn)行放電點(diǎn)定位。

如圖4所示，假設(shè)故障點(diǎn)在電纜的位置為O，這段電纜相鄰的兩個接頭分別為A與B，O到接頭A的距離記為x1,到接頭B的距離記為x2,已知局部信號在電纜中的傳播速度為v，該段電纜的長度為L。故障點(diǎn)距兩端接頭的距離x1，x2，計(jì)算得出。

圖4 故障點(diǎn)位于兩個檢測接頭之間

(3)

(4)

在上列的公式中，v與L為已知值，信號到達(dá)2個局放采集裝置的時(shí)間差t2-t1通過儀器可以得知，進(jìn)而可以求出x1與x2的數(shù)值。

對于故障點(diǎn)位置位于相鄰2個局放檢測點(diǎn)同一側(cè)，如圖5所示，信號到達(dá)這2個局放裝置的時(shí)間差可由公式(5)計(jì)算得出：

(5)

圖5 故障點(diǎn)位于2個檢測接頭的同一側(cè)

如果單段電纜長度相同，信號到達(dá)這兩個局放采集裝置的時(shí)間差為一定值。

對于檢測到故障點(diǎn)放電信號的接頭，比較相鄰2組接頭檢測到該信號的時(shí)間差，如果時(shí)間差均相等，則故障點(diǎn)位于放電幅值最大的接頭上；如果時(shí)間差不同，則故障點(diǎn)位于時(shí)間差最小的相鄰的兩組接頭之間，距離接頭的位置可以由公式(4)及(5)計(jì)算得出。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

3.1 脈沖電流法應(yīng)用實(shí)例

某10 kV(三芯)電纜在退出運(yùn)行多年后重新準(zhǔn)備投入運(yùn)行，運(yùn)行前預(yù)試發(fā)現(xiàn)，V相對地絕緣電阻只有28 MΩ。線路投入運(yùn)行后，約3分鐘左右發(fā)生跳閘，經(jīng)測試，V相的絕緣電阻下降到5 MΩ，且泄漏電流較大。現(xiàn)場采用最大沖擊電壓16 kV的電纜故障定位裝置，進(jìn)行多次脈沖法故障預(yù)定位，在沖擊電壓達(dá)到最大值16 kV的情況下，故障點(diǎn)仍未擊穿。

在此情況下，使用符合 IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電流法對該電纜進(jìn)行故障預(yù)定位，外施電源對故障電纜進(jìn)行加壓，當(dāng)加壓到3.5 kV時(shí)，檢測到局放信號，為了取得更好的放電譜圖及測量效果，繼續(xù)加壓到3.8 kV，檢測到的放電信號在相位圖上具有明顯的局放相位特征，此時(shí)放電量約為200 pC。

利用行波法進(jìn)行定位，局放儀檢測到的相鄰3個局放信號脈沖圖如圖6所示，第2個脈沖與第1個脈沖時(shí)間差t2-t1為715.27 ns，第3個脈沖與第2個脈沖的時(shí)間差t3-t2為1.12 μs，放電信號在該電纜中的傳播速度約為172 m/μs。由公式(1)與(2)，計(jì)算得出故障點(diǎn)距離近端L1為96.32 m，距離遠(yuǎn)端L2為61.51 m。

圖6 放電點(diǎn)定位計(jì)算示意

根據(jù)定位結(jié)果，最終在距測量點(diǎn)約96 m的某接頭處發(fā)現(xiàn)了電纜故障點(diǎn)。

3.2 分布式局放測量法定位實(shí)例

某110 kV電纜U相在做耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了閃絡(luò)性故障，現(xiàn)場采用分布式局放檢測技術(shù)對該電纜U相進(jìn)行了故障預(yù)定位。電纜線路長約5 km，共有9組中間接頭，2組終端接頭。在整個U相故障定位過程中，在3號-7號共5個接頭上檢測到局放信號。

5組接頭檢測到的局放量與設(shè)置的最高檢測頻帶如表1所示，其中5號接頭部位所檢測到的局放信號幅值最大(約650 pC)，且最高檢測頻帶最高(10 MHz)，如圖7所示，據(jù)此可初步判斷該電纜的放電點(diǎn)(故障點(diǎn))距離5號接頭最近。

表1 5組接頭最高檢測頻帶

序號檢測位置最高檢測頻帶/MHz局放信號幅值/pC13號中間接頭34.624號中間接頭6187.8635號中間接頭10650.1346號中間接頭473.7457號中間接頭22.18

圖7 5號中間接頭實(shí)測局放譜

各傳感器測得相鄰電纜接頭間的放電信號時(shí)間差如表2所示。

表2 相鄰接頭檢測到信號的時(shí)間差

序號相鄰接頭時(shí)間差/μs13號中間接頭、4號中間接頭2.9124號中間接頭、5號中間接頭2.5635號中間接頭、6號中間接頭2.9146號中間接頭、7號中間接頭2.90

從表2中可以得知，4號接頭與5號接頭檢測到放電信號的時(shí)間差最短。因此故障點(diǎn)(放電點(diǎn))的位置位于4號接頭與5號接頭之間的電纜段上。選擇4號接頭與5號接頭檢測到的放電脈沖進(jìn)行研究，如圖9所示。

圖8中第1個波形為5號接頭檢測到的放電脈沖，第2個波形為4號接頭檢測到的放電脈沖。4號接頭與5號接頭檢測到放電信號的時(shí)間差為2.56 μs，放電信號在該型號電纜中的傳播速度v約為172 m/μs，單段電纜L長約500 m，由公式(3)與公式(4)，可計(jì)算出故障點(diǎn)(放電點(diǎn))到4號接頭距離x1為470.16 m，到5號接頭距離x2為29.84 m。

圖8 放電點(diǎn)定位計(jì)算示意

4 結(jié)束語

采用局放檢測技術(shù)進(jìn)行電纜主絕緣故障預(yù)定位，可以作為傳統(tǒng)故障定位方法的有效補(bǔ)充。該技術(shù)方法的提出為部分高絕緣電阻故障電纜的定位提供了一種行之有效的方法。標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流法可在10 kV(6 kV)、35 kV中壓電纜高絕緣電阻故障定位中得到有效應(yīng)用。對于高壓、超高壓電纜部分主絕緣故障，結(jié)合分布式局放測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障點(diǎn)定位，并在現(xiàn)場故障電纜中得到了成功應(yīng)用。

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本文責(zé)任編輯：靳書海

Application of Partial Discharge Measurement in Cable Fault Pre-locating

Gu Chaomin1，Jia Boyan1，Pan Jin1，F(xiàn)an Xuefeng2，Pang Xianhai1

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

When using the conventional methods for high insulation resistance fault location of cable, it could not be effective location for the cable fault, because the fault position can't be brokendown or the arcing time is not enough. This paper puts forward a new method to locate the fault position of a cable which is using Partial Discharge Measurement, and puts forward concrete measurement method according to different voltage grade. That is the partial discharge measurement with pulse current method for medium voltage cable, and distributed detection of partial discharge for high-voltage cable. The successful application in cable fault location for high insulation resistance shows that this method has a good application prospect.

power cable；fault pre-locating；partial discharge measurement；pulse current method；distributed detection

TM835

：B

：1001-9898(2017)04-0035-04

2016-12-05

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)研究工作。