基于三路脈沖信號(hào)極性鑒別技術(shù)的110kV XLPE電纜局放檢測(cè)技術(shù)

陳騰彪， 鄔 韜， 魏前虎， 李高峰， 鄭曉泉

(1.深圳供電局有限公司，廣東深圳518010;2.西安博源電氣公司，陜西西安710054;3.西安交通大學(xué)，陜西 西安710049)

0 引言

我國(guó)城市輸配電網(wǎng)中大量采用XLPE電力電纜系統(tǒng)，這種電纜系統(tǒng)在生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝和運(yùn)行中有可能引入缺陷。這些缺陷易產(chǎn)生局部放電(PD)，其中接頭的事故率相對(duì)電纜本體更高［1］。由于XLPE等擠塑型絕緣材料耐放電性較差，在局部放電的長(zhǎng)期作用下，絕緣材料會(huì)不斷老化并最終導(dǎo)致絕緣擊穿，造成嚴(yán)重事故［2-4］。因此，選擇合適的帶電檢測(cè)方法，對(duì)電力電纜及附件的PD進(jìn)行預(yù)防性絕緣監(jiān)測(cè)，是預(yù)防電力電纜絕緣擊穿事故的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

1 電力電纜中間接頭局部放電帶電測(cè)試原理及試驗(yàn)室驗(yàn)證

1.1 電纜PD測(cè)試的主要方法

國(guó)內(nèi)外關(guān)于電纜及接頭局部放電檢測(cè)方法的研究報(bào)道很多，但由于電纜及接頭局部放電信號(hào)微弱，波形復(fù)雜多變，極易被背景噪聲和外界電磁干擾噪聲淹沒，所以研究開發(fā)電纜及接頭局部放電在線檢測(cè)的裝置具有較大難度［5］，根據(jù)獲取PD信號(hào)方法不同，形成了多種測(cè)試PD手段，如差分法、方向耦合法、電磁耦合法、電容分壓法、REDI測(cè)量PD法、超高頻電容法、超高頻電感法、超聲波檢測(cè)法等［6-7］。

本文采用電感耦合法，利用PD脈沖信號(hào)在電力電纜本體及接頭處的傳播特性［8］，用三個(gè)高頻電流傳感器(HFCT)的組合極性鑒別技術(shù)，來分析判斷PD源的來源。

1.2 三傳感器PD檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由高速采集裝置、數(shù)據(jù)分析單元和三只HFCT等組成，如圖1所示，三路HFCT信號(hào)傳送到采集裝置中進(jìn)行數(shù)字化，然后由數(shù)據(jù)分析單元進(jìn)行集中處理、存儲(chǔ)、顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每個(gè) HFCT 帶寬 500 kHz～20 MHz，#1、#2、#3傳感器分別卡在電纜接頭的左邊、右邊和交叉互聯(lián)線上。系統(tǒng)采樣率為100 Mbps，最長(zhǎng)連續(xù)采集時(shí)間為1 s(50個(gè)工頻周期)。高速采集裝置可以三路信號(hào)同步采集，利用軟件對(duì)脈沖信號(hào)頻域進(jìn)行濾波、小波去噪、相位開窗、閾值截取等分析，最后加以極性判別，并自動(dòng)生成各種放電譜圖，以此判別電纜接頭中是否含有PD源。

1.3 三路信號(hào)極性鑒別技術(shù)測(cè)試原理

HFCT由羅高夫斯基線圈、匹配電阻等組成，因此傳感器帶有方向性，即同一個(gè)PD脈沖電流信號(hào)從不同方向穿過兩個(gè)傳感器，兩傳感器輸出的脈沖正負(fù)極性是相反的，稱為異極性;反之為同極性。

根據(jù)110 kV電力電纜自身結(jié)構(gòu)和連接方式，可畫出交叉互聯(lián)接頭其中一相的等效電路圖，如圖2所示。L1、R1、L2、R2為電纜線芯及屏蔽層的等效電感和電阻;C1和G1為電纜主絕緣等效電容和導(dǎo)納。長(zhǎng)線傳輸時(shí)，高頻脈沖電流信號(hào)快速衰減，由于電纜自身傳輸特性影響，在接頭處發(fā)生反射，如圖2a所示，但反射波比原波的相位滯后，在時(shí)域容易分開。本系統(tǒng)測(cè)試只關(guān)注原波的極性，所以反射波對(duì)本系統(tǒng)測(cè)試影響可忽略。

當(dāng)接頭發(fā)生PD時(shí)，PD脈沖電流沿電纜從放電源向兩端傳輸［9］，穿過#1傳感器和#2傳感器的PD脈沖電流信號(hào)極性相反，又因?yàn)閮蓚鞲衅鞯木€圈繞向一致，所以，兩傳感器輸出脈沖波形極性相反，如圖2a示，從而鑒別出在電纜接頭中出現(xiàn)的PD。PD源信號(hào)的量值由安裝在交叉互連線上的#3傳感器獲取，該傳感器接收感應(yīng)到屏蔽層上，又經(jīng)交叉互聯(lián)線接地的PD信號(hào)。保護(hù)器的等效電容C3和C4只會(huì)改變PD信號(hào)電流的路徑，不會(huì)影響PD信號(hào)的大小(見圖2a)。#3傳感器耦合出脈沖極性與#1傳感器脈沖極性相反，與#2傳感器脈沖極性相同。

圖2 放電信號(hào)在電纜接頭部分傳輸路徑圖

如在接頭左端電纜本體輸入脈沖信號(hào)，則會(huì)在同一個(gè)方向穿過#1傳感器和#2傳感器，在兩傳感器輸出脈沖極性相同的信號(hào);由于電纜接頭處為阻抗不均勻點(diǎn)，本體中脈沖信號(hào)由交叉互聯(lián)線進(jìn)入大地，所以#3傳感器耦合到的信號(hào)脈沖極性與#1傳感器的相同，并與#2傳感器信號(hào)同極性，圖2b中虛箭頭代表含有時(shí)延和衰減的反射波信號(hào)。同樣分析方法，可推出從接頭的右側(cè)輸入脈沖在三個(gè)傳感器的極性狀況。綜合分析可得出表1。

表1 不同方向脈沖源在三個(gè)傳感器的極性關(guān)系

由此，可根據(jù)三個(gè)傳感器輸出信號(hào)的極性，準(zhǔn)確判斷脈沖來源，明確指出放電源是否來自接頭內(nèi)部，有效濾除隨機(jī)性脈沖干擾。

1.4 三路信號(hào)極性鑒別技術(shù)的驗(yàn)證

根據(jù)上述技術(shù)原理進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn):將兩段30 m、110 kV電力電纜(截面積800 mm2)用絕緣接頭(帶有交叉互聯(lián)功能接頭)連接，接頭部分及傳感器放置方式按圖2連接，模擬運(yùn)行電纜的連接方式。首先用PD脈沖校正器(型號(hào):HAEFELY-K451)在電纜接頭左端輸入幅值為100 pC的PD脈沖信號(hào)，得到三個(gè)傳感器脈沖極性情況如圖3a;再從電纜本體右端輸入同樣信號(hào)，得到脈沖極性情況如圖3b;最后在電纜接頭內(nèi)部做氣泡缺陷，使在一定電壓下放電產(chǎn)生約100 pC放電源，得到三個(gè)傳感器的脈沖極性情況如圖3c;其結(jié)果完全符合表1中給出的極性情況，從而說明利用三路傳感器極性，判定PD源是否來自接頭內(nèi)部的可行性。

圖3 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證極性鑒別原理波形

2.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試典型案例分析

2.1 被測(cè)電纜概況

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電力電纜一次接線圖

對(duì)一條正在運(yùn)行的110kV XLPE電纜現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行PD檢測(cè)，被測(cè)電纜線路概況為:兩端是站內(nèi)GIS設(shè)備，線路全長(zhǎng)3.1 km，中間共有5組中間接頭，如圖4所示。其中1號(hào)接頭和2號(hào)接頭為交叉互連保護(hù)接地絕緣接頭，3號(hào)接頭為直接接地接頭，4號(hào)接頭為保護(hù)接地接頭，5號(hào)接頭為直連接頭，站內(nèi)電纜兩終端屏蔽層都是直接接地。利用本監(jiān)測(cè)方法對(duì)這條線路的每一個(gè)接頭進(jìn)行詳細(xì)帶電檢測(cè)，并依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)接頭進(jìn)行PD評(píng)估。

測(cè)試結(jié)果分析:2號(hào)三相接頭都有明顯的內(nèi)部PD放電脈沖，經(jīng)過離線進(jìn)一步分析，最終確認(rèn)電纜2號(hào)接頭C相中存在放電源，建議對(duì)其進(jìn)行更換處理，相關(guān)部門隨后進(jìn)行更換，但是還未實(shí)施，2號(hào)電纜接頭C相發(fā)生了絕緣擊穿，造成一次停電事故，擊穿后照片見圖5。對(duì)擊穿后電纜接頭進(jìn)行切片分析，發(fā)現(xiàn)主絕緣中有明顯的電樹枝，后經(jīng)專家和運(yùn)行維護(hù)人員綜合分析，屬于在現(xiàn)場(chǎng)制作接頭時(shí)，施工不慎造成內(nèi)部少量氣泡或雜質(zhì)遺留，產(chǎn)生局部放電，經(jīng)過長(zhǎng)期積累，導(dǎo)致絕緣劣化嚴(yán)重，內(nèi)部形成電樹枝并不斷生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

圖5 擊穿后電纜接頭照片

2.2 測(cè)試過程及數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)傳感器的連接方式及位置與試驗(yàn)中保持一致，2號(hào)接頭C相測(cè)試截圖如圖6a示。對(duì)傳感器原始信號(hào)做小波分析，應(yīng)用Mallat算法，設(shè)定為10級(jí)數(shù)濾波，然后再通過 Shrinkage技術(shù)進(jìn)行小波去噪［10-14］，最終得到圖6a波形，可以看出，#1與#2傳感器信號(hào)極性相反，#1與#3傳感器信號(hào)極性相同，完全符合接頭內(nèi)部產(chǎn)生放電條件，連續(xù)測(cè)試50個(gè)工頻周期，結(jié)合圖6b所示，放電點(diǎn)集中在第一和第三象限，符合內(nèi)部放電特點(diǎn)，判定接頭存在內(nèi)部局放放電源。

3 結(jié)論

(1)三個(gè)傳感器的脈沖極性鑒別方法，能直接判斷帶有交叉互聯(lián)線的電力電纜絕緣接頭的高頻脈沖信號(hào)的來源，可以較為直觀地指明放電源的來源。

(2)此種檢測(cè)局放方式，結(jié)合頻域?yàn)V波和小波濾波等手段，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)，能有效剔除隨機(jī)性的脈沖干擾，減小誤判概率。

圖6 2號(hào)接頭C相測(cè)試截圖

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