一種XLPE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

楊 琪

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著電力電纜技術(shù)的不斷發(fā)展，供電的可靠性也受到越來越多用戶的關(guān)注。在城市、工業(yè)電網(wǎng)建設(shè)方面，XPLE 電纜憑借其良好的電氣性能、熱性能、機(jī)械性能，工作溫度較高，載流量較大以及敷設(shè)安裝方便等優(yōu)勢(shì)，在電網(wǎng)建設(shè)中得到了普及應(yīng)用。由于電纜線路敷設(shè)在地面下，通過人力定期進(jìn)行檢修和維護(hù)，不僅增加了故障停電時(shí)間，而且耗費(fèi)大量人力物力，降低了XPLE 電纜線路的檢修效率。為能夠科學(xué)、有效降低XPLE 電纜線路局部放電造成的停電故障，需要設(shè)計(jì)一種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確掌握XPLE 電纜線路運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并判斷XPLE 電纜線路的異常情況和安全隱患，使其保持良好運(yùn)行狀態(tài)。下面介紹XPLE 電纜局部放電的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 XPLE 電纜技術(shù)特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

XPLE 電纜主要是指用常溫下電性能優(yōu)越的聚乙烯樹脂絕緣材料，通過輻照或者化學(xué)方法進(jìn)行交聯(lián)處理形成的新型絕緣電纜材料。XPLE 電纜結(jié)構(gòu)內(nèi)部分子由原來的先行變成網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，有效改善了傳統(tǒng)聚乙烯材料電纜在高溫下的電氣性能和機(jī)械性能。XPLE 電纜具有擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高，絕緣電阻高等優(yōu)勢(shì)，熱性能以及機(jī)械性能良好，工作溫度高、載流量大、敷設(shè)安裝方便，并且不受高落差和垂直敷設(shè)的限制。此外，XPLE 電纜在高壓等級(jí)使用方面與充油電纜相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造周期短，輸電損耗小等多種優(yōu)勢(shì)，不僅可以廣泛應(yīng)用于中低壓輸電工程，還可以應(yīng)用于高壓和超高壓輸電系統(tǒng)中。

1.2 絕緣特點(diǎn)

XPLE 電纜采用圓形單線絞合緊壓導(dǎo)線截面，XPLE 電纜線的絕緣結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體內(nèi)絕緣層和導(dǎo)體外絕緣層。導(dǎo)體內(nèi)絕緣層也稱內(nèi)屏蔽層，起到屏蔽電和熱的作用。導(dǎo)體外絕緣層又稱外屏蔽層，介于絕緣層與金屬屏蔽層之間，主要作用是消除與絕緣外表面間的氣隙并保護(hù)絕緣層，對(duì)外屏蔽材料的要求與內(nèi)屏蔽基本相同。XPLE 電纜經(jīng)過一定年限的使用后，XPLE 電纜線路的絕緣性能會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生不可逆下降的現(xiàn)象，產(chǎn)生絕緣老化、擊穿強(qiáng)度下降以及機(jī)械強(qiáng)度下降等問題，導(dǎo)致XPLE 電纜線路絕緣擊穿，引發(fā)嚴(yán)重的電力電網(wǎng)事故。

2 XPLE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

XPLE 電纜是電網(wǎng)的重要組成部分，作為連接供電系統(tǒng)和輸電設(shè)備之間的橋梁，為確保電纜運(yùn)行的安全性和可靠性，需要對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，電網(wǎng)建設(shè)也由傳統(tǒng)的架空線路轉(zhuǎn)化成地下電纜，不僅起到節(jié)約土地資源的作用，而且能有效美化環(huán)境。但是電纜線路的迅速增加，長期高負(fù)荷運(yùn)行，電纜線路故障發(fā)生的概率也呈上升趨勢(shì)，不僅給人們?nèi)粘Ｉ顜聿槐悖覈?yán)重制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。針對(duì)此類問題，供電部門會(huì)針對(duì)XPLE電纜絕緣材料進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，現(xiàn)階段常用的在線監(jiān)測(cè)方法有直流分量法、交流疊加法、在線介質(zhì)損耗法和局部放電法等。

2.1 直流分量法

XPLE 電纜局部放電產(chǎn)生的短路電流，在暫態(tài)過程中包含交流分量和直流分量。直流分量的產(chǎn)生原因是電路電感中的電流在短路瞬間不能突變。電纜線路發(fā)生局部放電時(shí)，電纜線導(dǎo)體、絕緣層、絕緣接地以及電源線組成回路，通過低通濾波器和接地保護(hù)裝置可以對(duì)XPLE 電纜線路直流分量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。XPLE電纜局部放電所產(chǎn)生的短路電流直流分量的幅值會(huì)隨時(shí)間衰減。XPLE 電纜直流分量的起始值大小與電源電壓的初始角α、短路前回路中電流值及角φ 有關(guān)。

2.2 交流疊加法

交流疊加法主要是通過監(jiān)測(cè)XPLE 電纜上疊加低頻交流電壓信號(hào)的方式來判斷電纜絕緣性能。XPLE 電纜絕緣層是電容和電阻并聯(lián)等效電路，電壓通過電容產(chǎn)生小部分電流，并且經(jīng)過電阻的電流大小不變。交流疊加法工作原理就是在電纜線路上疊加直流電壓，測(cè)量通過電纜絕緣層直流電流，根據(jù)電流大小可以判斷電纜絕緣性能。需要注意的是，在XPLE 電纜線路中疊加的直流電壓信號(hào)的有效值必須足夠小，以免對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成巨大的干擾或者對(duì)用電設(shè)備負(fù)載造成嚴(yán)重危害，同時(shí)疊加直流電壓又需要有足夠大的峰值，以便在XPLE 電纜線路局部放電部位形成足夠大的電流，能夠使局部放電傳感器準(zhǔn)確捕捉到電流脈沖信號(hào)。

2.3 在線介質(zhì)損耗法

介質(zhì)損耗法主要是指XPLE 電纜絕緣材料在電場(chǎng)作用下，介質(zhì)導(dǎo)電性和極化滯后效應(yīng)，是衡量XPLE 電纜絕緣性能的重要指標(biāo)。在線介質(zhì)損耗法包括電橋法、數(shù)字測(cè)量法等，在線介質(zhì)損耗法的原理是通過監(jiān)測(cè)電纜絕緣體的泄漏電流信號(hào)，計(jì)算泄漏電流與電壓差值得到介質(zhì)損耗角正切值tgδ 的數(shù)值?，F(xiàn)階段，XPLE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品基本都是用快速傅立葉變換計(jì)算介質(zhì)損耗。取XPLE 電纜線路標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)與局部放電泄漏電流信號(hào)直接經(jīng)高速A/D 采樣值，通過計(jì)算機(jī)對(duì)XPLE 電纜線路局部放電產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并計(jì)算出絕緣介質(zhì)損耗。

2.4 局部放電法

XPLE 電纜局部放電屬于非貫穿性放電現(xiàn)象，主要是由電纜線絕緣本體以及附屬件缺陷造成。存在缺陷的部位施加電壓會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，局部放電幅值與外部電壓有關(guān)，如果XPLE 電纜線路發(fā)生局部放電，該部分電荷會(huì)移動(dòng)中和介質(zhì)極性，同時(shí)電荷的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致周圍介質(zhì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)會(huì)延XPLE 電纜線路向兩邊分散傳遞，通過傳感器捕捉脈沖信號(hào)就可以判斷XPLE 電纜的絕緣狀態(tài)。隨著傳感器監(jiān)測(cè)精度的不斷提升，局部放電法的應(yīng)用將會(huì)有良好的發(fā)展前景。

3 XPLE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XPLE 電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由局部放電傳感器、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)中心組成，如圖1 所示。XPLE 電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長期在電網(wǎng)中運(yùn)行，需要能夠抵抗現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響，在復(fù)雜的外部環(huán)境中準(zhǔn)確提取XPLE 電纜局部放電的電信號(hào)，判斷電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。通過網(wǎng)絡(luò)通信把XPLE 電纜局部放電的電量數(shù)值、報(bào)警信息等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，然后數(shù)據(jù)中心可以利用專業(yè)的分析軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，借助互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元的遠(yuǎn)程控制操作，對(duì)XPLE 電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

XPLE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體采用模塊化設(shè)計(jì)，多路局部傳感器可以采集XPLE 電纜接頭以及局部放時(shí)電脈沖電流信號(hào)，通過信號(hào)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，再通過光纖傳送至控制室?？刂剖依糜?jì)算機(jī)對(duì)所有傳感器的信號(hào)分別進(jìn)行分類識(shí)別分析、計(jì)算，并將這些通過計(jì)算機(jī)獲得的局部放電信息數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫中并顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。局部傳感器可以通過接觸式超聲波，通過同軸電纜將信號(hào)傳遞給在線監(jiān)測(cè)單元。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元接收前端傳感器的各種局部放電模擬信號(hào)，對(duì)多路局部傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、噪聲去除、A/D 轉(zhuǎn)換、干擾處理、放電量顯示、超標(biāo)報(bào)警，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制室進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)中心通過互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)XPLE 電纜的在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸來的信號(hào)建立故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，顯示各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的局部放電變化。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)設(shè)備，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示每一個(gè)登入設(shè)備的放電信號(hào)，能夠根據(jù)參數(shù)設(shè)定，定期保存已登入的監(jiān)測(cè)設(shè)備從現(xiàn)場(chǎng)傳來的數(shù)據(jù)。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XPLE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要功能是將在線監(jiān)測(cè)單元收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，得到電纜線路局部放電的特征參數(shù)，并且存入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行資源共享，后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制室可以通過軟件界面顯示XPLE 電纜線路的診斷結(jié)果。并且通過互聯(lián)網(wǎng)將XPLE 電纜的特征參數(shù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。此外，本地監(jiān)測(cè)服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可以共享數(shù)據(jù)庫信息，對(duì)XPLE 電纜歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷XPLE 電纜局部放電的嚴(yán)重程度，從而提供科學(xué)、合理地預(yù)警信息。

4 總結(jié)

交聯(lián)聚乙烯XPLE 電纜憑借其優(yōu)越的電氣、熱力學(xué)性能、易輻射和維護(hù)簡單等優(yōu)勢(shì)，在輸電線路和配電網(wǎng)中的應(yīng)用非常普遍。為能夠有效提升電纜線路運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，本文引入電纜線路局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式替代傳統(tǒng)人工巡檢，能夠有效增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。XPLE 電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能對(duì)XPLE 電纜線路的絕緣狀況進(jìn)行科學(xué)有效管理，準(zhǔn)確掌握XPLE 電纜線路運(yùn)行狀態(tài)，提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性以及可靠性。