探討振蕩波測(cè)試系統(tǒng)在配電電纜局部放電測(cè)定位中的應(yīng)用

孫占功 楊金偉

1.濟(jì)南供電公司 山東 濟(jì)南 250011；2.臨沂供電公司 山東 臨沂 276004

0 引言

交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜由于其安裝維護(hù)方便，絕緣性能優(yōu)良，傳輸容量大，生產(chǎn)制造簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城區(qū)電網(wǎng)電纜化率已達(dá)76%，電纜絕緣狀態(tài)的診斷工作變得尤為重要，以往慣用測(cè)試方法是對(duì)被測(cè)電纜絕緣施加直流高壓，檢測(cè)直流泄漏電流的大小，以及0.1Hz超低頻交流耐壓試驗(yàn)，這些方法，一方面都只能診斷出電纜承受電壓情況，無(wú)法定位出電纜絕緣的缺陷點(diǎn)，無(wú)法發(fā)現(xiàn)和定位局部放電隱患，另一方面對(duì)電纜絕緣都有一定的損傷，屬于破壞性試驗(yàn)，特別是直流高壓試驗(yàn)后，交聯(lián)聚乙烯絕緣內(nèi)部仍然保持極化狀態(tài)的分子排列，不易恢復(fù)到加壓前的狀態(tài)，導(dǎo)致試驗(yàn)合格送電后絕緣很快擊穿的事故時(shí)有發(fā)生。

通過(guò)對(duì)電纜運(yùn)行檢修數(shù)據(jù)分析，局部放電引發(fā)的電纜絕緣擊穿故障占有較大比重，迫切需要引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)定位電纜潛伏性局部放電缺陷。振蕩波局放測(cè)試?yán)碚撟陨鲜兰o(jì)90年代提出以來(lái)，一直飛速發(fā)展，2000年之后國(guó)內(nèi)開始探討其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用。在充分借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用振蕩波電纜局部放電定位 （Oscillating Wave Test System）測(cè)試技術(shù)對(duì)10kV配網(wǎng)電纜進(jìn)行局部放電檢測(cè)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)百條電纜進(jìn)行檢測(cè)分析，并針對(duì)測(cè)試局放值超標(biāo)的電纜部分進(jìn)行解剖，成功地定位并發(fā)現(xiàn)了潛伏性局部放電缺陷。為提前掌握電纜的絕緣水平，進(jìn)行電纜狀態(tài)檢修提供了有力支持，且每次加壓作用時(shí)間極短，不會(huì)對(duì)電纜造成傷害。

本文將對(duì)電纜局部放電的原因、OWTS系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)與測(cè)試電纜連接及補(bǔ)償電容的使用等方面進(jìn)行闡述，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試典型案例進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 局放過(guò)程及振蕩波測(cè)試原理分析

1.1 電纜局部放電過(guò)程分析

局部放電是指高壓設(shè)備中的絕緣介質(zhì)在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，發(fā)生在電極之間的未貫穿的放電。這種放電只存在于絕緣的局部位置，而不會(huì)立即形成貫穿性通道，因此稱為局部放電 （Partial Discharge）。引發(fā)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜局部放電，導(dǎo)致最終絕緣擊穿的主要原因存在于三個(gè)環(huán)節(jié)，一是電纜生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，由于加工技術(shù)和原料不純，致使電纜絕緣層存在氣泡、間隙、微孔和有害雜質(zhì)，在氣隙、雜質(zhì)的尖端處、半導(dǎo)電層突起處易發(fā)生局部放電；二是電纜敷設(shè)、電纜附件安裝環(huán)節(jié)，敷設(shè)過(guò)程中造成的絕緣局部損傷，附件安裝工藝不良產(chǎn)生氣隙或進(jìn)入雜質(zhì)；三是電纜運(yùn)行環(huán)節(jié)，交聯(lián)聚乙烯材料在高壓電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，絕緣不斷老化，在不同的運(yùn)行環(huán)境下形成水樹或者電樹。

圖1、2為交聯(lián)聚乙烯絕緣層引起局放的原因和運(yùn)行過(guò)程中存在局放的電纜案例。

圖1 交聯(lián)聚乙烯電纜引起局放的原因

圖2 交聯(lián)聚乙烯電纜的局放實(shí)例

1.2 電纜局部放電測(cè)試原理

OWTS系統(tǒng)的高壓發(fā)生和測(cè)試原理電路如圖3所示。直流電源首先在被測(cè)電纜端加壓至預(yù)設(shè)值Uc（0－），對(duì)測(cè)試電纜充電，之后閉合IGBT高壓開關(guān)，通過(guò)設(shè)備電感與被測(cè)電纜電容發(fā)生諧振，在被測(cè)電纜端產(chǎn)生阻尼振蕩（DAC）電壓。通過(guò)對(duì)振蕩回路分析計(jì)算可知測(cè)試時(shí)加在電纜上的電壓、電流分別為:

其中，R為導(dǎo)體電阻和地電阻之和，L為系統(tǒng)電感0.8H，C為測(cè)試電纜等效電容值。

圖3 OWTS系統(tǒng)原理電路圖

因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)采用固定電感和電纜諧振產(chǎn)生正弦振蕩波進(jìn)行加壓，其波形及頻率接近工頻，且電壓持續(xù)時(shí)間小于100ms，不會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生損傷。

利用阻容式分壓器可以測(cè)試快速變化過(guò)程的特性來(lái)測(cè)試振蕩電壓的波形及電纜局部放電，測(cè)快速變化過(guò)程時(shí)沿分壓器各點(diǎn)的電壓主要按電容分布，大大減小了對(duì)地雜散電容對(duì)電阻分壓波形的畸變。

1.3 電纜局部放電定位原理

OWTS系統(tǒng)采用脈沖反射法進(jìn)行局部放電定位，其原理如圖4所示。對(duì)于一條長(zhǎng)度為l的測(cè)試電纜，假設(shè)在距測(cè)試端x處發(fā)生局部放電，脈沖沿電纜向兩個(gè)相反方向傳播，入射波經(jīng)過(guò)時(shí)間t1到達(dá)測(cè)試端，反射波向測(cè)試對(duì)端傳播，并在電纜末端發(fā)生反射，之后再向測(cè)試端傳播，經(jīng)過(guò)時(shí)間t2到達(dá)測(cè)試端。根據(jù)兩個(gè)脈沖到達(dá)測(cè)試端的時(shí)間差Δt，可計(jì)算局部放電發(fā)生位置，即

式中，v為脈沖在電纜中傳播的波速,對(duì)于交聯(lián)聚乙烯絕緣的波速一般在170m／us左右。

圖4 脈沖反射法原理圖

局放信號(hào)及其末端反射信號(hào)通過(guò)局放耦合單元經(jīng)運(yùn)算放大器和濾波器采集到系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)試軟件的計(jì)算分析后直觀地顯示出來(lái)。

2 OWTS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 補(bǔ)償電容的應(yīng)用

采用補(bǔ)償電容的方法，使用150nF的補(bǔ)償電容與測(cè)試電纜并聯(lián)進(jìn)行降頻，使得空載測(cè)試頻率理論上達(dá)到460Hz，對(duì)短電纜測(cè)試時(shí)的振蕩頻率降低到了500Hz以內(nèi)，從而解決了因電纜長(zhǎng)度小于400米，電容值太小，振蕩頻率過(guò)高無(wú)法測(cè)試的問(wèn)題，縮小了測(cè)試盲區(qū)，增大了測(cè)試范圍。

2.2 系統(tǒng)與防暈電極

OWTS系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)連接必須使用無(wú)局放（PD Free）電纜，避免連接電纜的局放信號(hào)干擾測(cè)試過(guò)程如圖5、6所示。

圖5 補(bǔ)償電容器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖6 OWTS系統(tǒng)和測(cè)試電纜連接圖

電纜終端頭和OWTS系統(tǒng)連接慣用的夾鉗本身在電壓升高到U0以上時(shí)就會(huì)發(fā)生沿面放電，干擾了測(cè)試過(guò)程，對(duì)近端電纜局放點(diǎn)的定位帶來(lái)了很大的不便?，F(xiàn)場(chǎng)采用了防暈電極的連接方式，如圖7所示，在對(duì)新投運(yùn)電纜進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)電壓升高到2U0采用Ф80mm防暈電極連接件，對(duì)最高加壓至1.7U0的檢修電纜使用Ф40mm防暈電極，有效消除了電纜終端頭和系統(tǒng)連接處的放電干擾，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)就可以判斷出電纜終端頭內(nèi)部的局放情況，并有效的避免了連接夾鉗的沿面放電使3D圖放電點(diǎn)雜亂的情況，提高了3D圖的參考意義。

圖7 慣用夾鉗連接件和新型防暈電極連接件

2.3 3D圖分析

把一次測(cè)試每個(gè)振蕩周期的局放圖疊加在一起，就得到OWTS系統(tǒng)的3D圖，這些局放點(diǎn)一般都集中在一三象限，可知局部放電均發(fā)生在振蕩波的升壓過(guò)程。根據(jù)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析得出如圖8、9、10所示結(jié)論，絕緣內(nèi)部空洞氣隙對(duì)應(yīng)的3D圖中一三象限中的局放點(diǎn)基本對(duì)稱，靠近電纜銅屏蔽層接地側(cè)孔洞對(duì)應(yīng)的測(cè)試3D圖在第一象限的局放量大于第三象限，靠近電纜導(dǎo)體線芯側(cè)孔洞對(duì)應(yīng)的測(cè)試3D圖在第一象限的局放量小于第三象限。

圖8 絕緣內(nèi)部空洞氣隙對(duì)應(yīng)的測(cè)試3D圖

圖9 靠近電纜銅屏蔽層接地側(cè)孔洞對(duì)應(yīng)的測(cè)試3D圖

圖10 靠近電纜導(dǎo)體線芯側(cè)孔洞對(duì)應(yīng)的測(cè)試3D圖

3 典型局放測(cè)試案例

例1： 某10kV電纜型號(hào)為YJV22－3×70mm2，長(zhǎng)度923米，在465米、744米處各有一個(gè)中間接頭。在測(cè)試端模擬100PC局放進(jìn)行校準(zhǔn)的波形如圖11所示，波速170m／us，測(cè)試頻率421.05Hz。

通過(guò)局放測(cè)試圖12、圖13可以發(fā)現(xiàn)A相在電壓升高到U0時(shí)局放值達(dá)到了601PC，升高到2U0時(shí)局放值高達(dá)983PC，超出了交聯(lián)電纜的危險(xiǎn)局放臨界值。

而B、C相的測(cè)試值和環(huán)境噪聲相當(dāng)，只有20PC左右，如圖14、15所示。從而可以確認(rèn)測(cè)試電纜B、C相沒有局部放電。

圖11 局放測(cè)試校準(zhǔn)圖

圖12 電壓升高到U0時(shí)A相的局放測(cè)試圖

圖13 電壓升高到2U0時(shí)A相的局放測(cè)試圖

圖14 B相局放測(cè)試圖

圖15 C相局放測(cè)試圖

在對(duì)A相測(cè)試結(jié)果進(jìn)行時(shí)間軸放大分析，發(fā)現(xiàn)如圖16所示系統(tǒng)接收到電纜249.3m局部放電的入射波及反射波,進(jìn)行局放點(diǎn)定位分析得到圖17所示局部放電定位圖，發(fā)現(xiàn)在249米左右確實(shí)有局部放電集中點(diǎn)。

圖16 時(shí)間軸開窗圖

圖17 局放點(diǎn)定位圖

圖18 測(cè)試電纜局部放電點(diǎn)解剖圖片

我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距，對(duì)局部放電點(diǎn)位置進(jìn)行了確認(rèn)，開挖發(fā)現(xiàn)電纜受到外力破壞，對(duì)電纜進(jìn)行解剖后，可以清晰地看到A相絕緣損傷，如圖18所示，B、C相未受損傷。重新制作電纜中間接頭后，再次進(jìn)行局放測(cè)試，A、B、C三相均未檢測(cè)到局部放電。后據(jù)電纜運(yùn)行管理單位提供信息，該段電纜路徑上確曾有土建施工，施工過(guò)程中傷及電纜，施工單位對(duì)電纜外護(hù)套使用絕緣帶進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后填埋，并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)合格。通過(guò)OWTS測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了潛伏性缺陷，防止了電纜事故的發(fā)生。

例2：某10kV電纜為1988年投運(yùn)，型號(hào)YJV22－3×185mm2，長(zhǎng)度381米，在315米處有一個(gè)中間接頭。局放校準(zhǔn)波形正常，波速170m／us，測(cè)試頻率455Hz。

通過(guò)局放測(cè)試發(fā)現(xiàn)A相在電壓升高到U0時(shí)三相局放值均超過(guò)170PC，圖19所示電壓升高到2U0時(shí)C相的局放值高達(dá)666PC，A、B兩相局放值也在340PC以上，超出了交聯(lián)電纜的危險(xiǎn)局放臨界值。

圖19 電壓升高到2U0時(shí)的C相局放測(cè)試圖

在對(duì)三相測(cè)試結(jié)果分別進(jìn)行時(shí)間軸放大分析，發(fā)現(xiàn)如圖20所示系統(tǒng)接收到的電纜316米局部放電的入射波及反射波,進(jìn)行局放點(diǎn)定位分析得到圖21所示局部放電定位圖，發(fā)現(xiàn)三相在316米左右確實(shí)有局部放電集中點(diǎn)，其中C相放電最為嚴(yán)重，根據(jù)歷史資料確定為中間接頭處有局部放電。

圖20 時(shí)間軸開窗圖

圖21 局放點(diǎn)定位圖

我們對(duì)電纜中間接頭進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)電纜接頭處絕緣嚴(yán)重老化，尤其C相絕緣材料老化變色最為嚴(yán)重，且電纜工藝較陳舊，外半導(dǎo)電層為繞包型半導(dǎo)電布，而非現(xiàn)今采用的三層共擠工藝，絕緣層較粗糙，雙鋼帶鎧裝及銅屏蔽層嚴(yán)重銹蝕，如圖22可以清晰地看到銅屏蔽銹蝕及C相絕緣嚴(yán)重老化變色。

圖22 銹蝕的銅屏蔽和嚴(yán)重老化變色的C相絕緣

4 結(jié)論

振蕩波電纜局放測(cè)試系統(tǒng)（OWTS）使用方便，能夠準(zhǔn)確定位局部放電點(diǎn)，且電壓持續(xù)時(shí)間短，不會(huì)損傷電纜，適合現(xiàn)場(chǎng)使用。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試說(shuō)明，OWTS系統(tǒng)能夠?qū)﹄娎|本體、附件、接頭等各部分的局部放電都有很好的測(cè)試效果，可以對(duì)電纜質(zhì)量、附件制作、接頭工藝等每個(gè)環(huán)節(jié)存在的缺陷進(jìn)行監(jiān)督。補(bǔ)償電容使用增大了電纜長(zhǎng)度的測(cè)試范圍，并使正弦振蕩波的頻率接近工頻，提高了試驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的可比性。通過(guò)防暈電極連接有效的防止了測(cè)試端沿面放電帶來(lái)的干擾，使數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度得到提高。

振蕩波法電纜局部放電定位系統(tǒng)（OWTS）作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握電力電纜絕緣水平，預(yù)防電纜事故的發(fā)生。隨著振蕩波電纜局放測(cè)定位技術(shù)的發(fā)展和推廣,將逐步替代交、直流耐壓等破壞性試驗(yàn),成為診斷電纜絕緣狀況的首選方法。

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