高壓電纜屏蔽層局放信號(hào)定位檢測試驗(yàn)及其應(yīng)用

伍弘，郝金鵬，楊凱，李奇超

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

對運(yùn)行中的輸變電設(shè)備進(jìn)行帶電檢測是預(yù)先發(fā)現(xiàn)其隱患或缺陷的重要手段[1]。常見的帶電檢測方法包括紅外熱像、紫外成像、X射線成像檢測等光學(xué)方法[2]，聲成像檢測、超聲波局放檢測等聲學(xué)方法[3]，高頻局放檢測、特高頻局放檢測等電學(xué)方法[4]，以及化學(xué)分析方法等[5]。高壓電纜線路因其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境的特殊性，能夠進(jìn)行帶電檢測的方法有限，且多數(shù)未能達(dá)到理想的檢測效果。

影響高壓電纜運(yùn)行狀態(tài)的因素有電場、熱、機(jī)械、化學(xué)、外部環(huán)境等[6]，常規(guī)的帶電檢測方法如紅外熱像檢測只對發(fā)熱、過流類缺陷較為敏感，特高頻局放檢測主要應(yīng)用于GIS終端，X射線成像檢測則對電纜運(yùn)行的空間環(huán)境要求較高且安全防護(hù)存在一定難度，渦流探傷、超聲波檢測等也具有較強(qiáng)的針對性[6-7]。相關(guān)研究及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果顯示，高頻局放檢測是高壓電纜線路常用且效果最好的帶電檢測方法之一，尤其對電纜附件不同類型缺陷均具有較好的檢測靈敏度[8-9]。

局放信號(hào)可在電纜的導(dǎo)體層和屏蔽層中傳播，因此采用交叉互聯(lián)接地形式的高壓電纜線路一旦出現(xiàn)局部放電，很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確定位[10-12]。為研究局放信號(hào)在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中的傳遞方式，總結(jié)傳遞規(guī)律，積累通過信號(hào)幅值和波形特征進(jìn)行電纜屏蔽層局放源定位經(jīng)驗(yàn)，采用9節(jié)短距離單芯電纜搭建電纜線路高頻局放檢測試驗(yàn)平臺(tái)。最后利用試驗(yàn)結(jié)果對1條110 kV電纜線路高頻局放檢測到的異常信號(hào)進(jìn)行了有效分析。

1 高頻局放檢測

當(dāng)電力設(shè)備本體或其附件發(fā)生局部放電時(shí)，通常會(huì)在其接地引下線或其他地電位連接線上產(chǎn)生高頻脈沖電流信號(hào)，通過高頻電流傳感器HFCT檢測該信號(hào)即能實(shí)現(xiàn)對電力電纜、避雷器以及其他電容型設(shè)備局部放電的帶電檢測。1套完整的高頻局放檢測裝置由高頻電流傳感器、信號(hào)處理單元、信號(hào)采集單元和數(shù)據(jù)處理終端組成[13]。

對于電力電纜及附件，可以在電纜終端及電纜中間接頭接地線、電纜中間接頭交叉互聯(lián)接地線、電纜本體上安裝高頻局放傳感器。傳感器安裝時(shí)應(yīng)注意放置方向，保證三相傳感器方向一致。經(jīng)電纜中間接頭交叉互聯(lián)接地線安裝傳感器進(jìn)行高頻局放檢測的原理接線如圖1所示。

圖1 經(jīng)電纜中間接頭交叉互聯(lián)接地線的高頻局放檢測原理接線

對于電力電纜線路，當(dāng)電纜本體或屏蔽層(含接地系統(tǒng))上有局放缺陷時(shí)，均能在接地線處檢測到異常高頻信號(hào)。產(chǎn)生于本體上的局放缺陷信號(hào)主要沿電纜本體傳播，同時(shí)會(huì)耦合至屏蔽層；產(chǎn)生于屏蔽層上的局放缺陷信號(hào)主要沿電纜屏蔽層傳播，包括直接接地線及交叉互聯(lián)接地線，同時(shí)會(huì)有信號(hào)耦合至電纜本體。無論是產(chǎn)生于電纜本體或屏蔽層的局放缺陷，均能通過比對在屏蔽層(接地線)上檢測到的高頻信號(hào)幅值大小及波形特征判斷其方向和來源，再通過比對本體上測得高頻信號(hào)幅值大小進(jìn)一步判斷信號(hào)是來自于本體還是屏蔽層。本文主要研究屏蔽層上局放信號(hào)的傳播規(guī)律及判斷方法，暫不考慮在電纜本體上的測試和分析。

高頻電流信號(hào)需通過專門的傳感器檢測得到，其能量微小且因頻率較高導(dǎo)致衰減快、傳播距離短，一旦通過接地線入地，很快便會(huì)衰減消散。通常采用交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)的電纜線路，兩端直接接地點(diǎn)相距多在1 km以上，因此，對于產(chǎn)生于電纜本體或屏蔽層上某處的局放信號(hào)，檢測時(shí)通常只考慮從電纜上傳播至檢測點(diǎn)，而不考慮從另一端接地線經(jīng)大地傳播至檢測點(diǎn)。

2 電纜高頻局放檢測試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 電纜線路交叉互聯(lián)系統(tǒng)

交叉互聯(lián)是高壓單芯電纜線路常見的1種接地形式，其將線路分成長度相等的3段(或3的倍數(shù)段)，每段電纜間用絕緣接頭連接，接頭處三相屏蔽用同軸電纜經(jīng)交叉互聯(lián)箱進(jìn)行換位連接，而兩端的屏蔽層則直接接地。常見的交叉互聯(lián)箱如圖2所示。采用這種接地方式可有效減少電纜屏蔽層因環(huán)流產(chǎn)生的損耗并限制屏蔽層中的感應(yīng)電壓幅值[11]。

圖2 交叉互聯(lián)箱實(shí)物

2.2 平臺(tái)搭建

為對高壓電纜線路高頻局放檢測過程中異常信號(hào)的傳播過程進(jìn)行分析，同時(shí)積累電纜屏蔽層異常信號(hào)定位經(jīng)驗(yàn)，采用9節(jié)110 kV高壓電纜搭建采用交叉互聯(lián)接地形式的高壓電纜線路局放檢測試驗(yàn)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高壓電纜線路高頻局放檢測試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖3中每節(jié)電纜長2 m，截面積400 mm2，左右兩端接地線及中間交叉互聯(lián)線采用15 mm2的裸銅線。信號(hào)發(fā)生器可激發(fā)絕緣、懸浮、電暈、外部干擾等典型局放或其他異常信號(hào)，這與實(shí)際電纜高頻局放檢測過程中檢測到的信號(hào)類似，均具有明顯的頻率或相位特征。

圖3中①～⑥表示局放檢測過程中高頻電流傳感器安裝地點(diǎn)(安裝于直接接地線或交叉互聯(lián)線)。如傳感器安裝在A相→B相交叉互聯(lián)線，則②或④表示A相屏蔽，③或⑤表示B相屏蔽。

2.3 屏蔽層局放檢測分析

2.3.1 幅值分析

(1)將信號(hào)發(fā)生器安裝于左側(cè)A相接地線

采用便攜式高頻局放檢測儀按照圖2所示接線方法分別測得①～⑥處高頻局放信號(hào)幅值如表1所示(同一檢測點(diǎn)增益相同)。

表1 高頻局放檢測信號(hào)幅值(源在左側(cè)B相)

需要注意的是，表1中所示信號(hào)幅值只是相對概念，只有三相信號(hào)處于同一檢測參數(shù)下進(jìn)行幅值比較才有意義。當(dāng)電纜屏蔽層(波紋鋁護(hù)套)中產(chǎn)生局放信號(hào)時(shí)，銅導(dǎo)體中也會(huì)耦合出1個(gè)信號(hào)，但后者幅值會(huì)明顯小于前者。當(dāng)將信號(hào)發(fā)生器安裝于左側(cè)A相接地線時(shí)，幅值最大的信號(hào)會(huì)主要沿著屏蔽層傳播(從①到⑥)，傳播路徑為A→A→B→B→C→C，如圖4所示。分析表1可知，信號(hào)幅值最大相分別為A、A、B、B、C、C，與信號(hào)傳播路徑一致。

圖4 信號(hào)源在左側(cè)A相接地線時(shí)信號(hào)傳播方向

(2)將信號(hào)發(fā)生器安裝于右側(cè)C相接地線

采用便攜式高頻局放檢測儀，按照圖2所示接線方法分別測得①-⑥處高頻局放信號(hào)幅值如表2所示(同一檢測點(diǎn)增益相同)。

表2 高頻局放檢測信號(hào)幅值(信號(hào)源在右側(cè)C相)

當(dāng)將信號(hào)發(fā)生器安裝于右側(cè)C相接地線時(shí)，幅值最大的信號(hào)會(huì)主要沿著屏蔽層傳播，傳播路徑為C→C→B→B→A→A，如圖5所示。

圖5 信號(hào)源在右側(cè)C相接地線時(shí)信號(hào)傳播方向

分析表2可知，信號(hào)幅值最大相(從⑥到①)分別為C、C、B、A、A、A，與信號(hào)傳播路徑并不完全一致，主要表現(xiàn)在信號(hào)由④傳播至③過程中，信號(hào)幅值最大相由B變成A(預(yù)計(jì)是由B至B)，且在信號(hào)達(dá)到左側(cè)終端(位置①)時(shí)，A相與B相信號(hào)幅值大小相差并不明顯。

為判斷表1或表2中信號(hào)幅值是否因檢測不當(dāng)出現(xiàn)了偶然誤差，分別將信號(hào)發(fā)生器安裝于左右兩端不同相別(重復(fù)多次)后檢測各測量點(diǎn)信號(hào)幅值。結(jié)果顯示，信號(hào)幅值大小與預(yù)想傳播路徑表征一致的次數(shù)較少，出現(xiàn)1處或多處表征不一致的占大多數(shù)，但均出現(xiàn)在信號(hào)傳播路徑的后半段。這說明，在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中，屏蔽層產(chǎn)生的局放信號(hào)因存在耦合現(xiàn)象會(huì)在電纜本體與屏蔽層中同時(shí)傳播，并在傳播過程中進(jìn)一步相互耦合，從而導(dǎo)致局放信號(hào)傳播路徑不易判斷。同時(shí)因本試驗(yàn)平臺(tái)自身存在局限性(線路長度太短)，使得局放信號(hào)傳播更加復(fù)雜，但總結(jié)檢測結(jié)果仍可得到以下規(guī)律：越靠近信號(hào)源，相應(yīng)相別檢測到的信號(hào)幅值大于另外兩相的特征越明顯。

2.3.2 波形分析

仍將信號(hào)發(fā)生器安裝于右側(cè)C相接地線，信號(hào)預(yù)想傳播路徑為C→C→B→B→A→A，檢測到的信號(hào)幅值與表2類似，為進(jìn)一步判斷異常信號(hào)來源，在保證3只高頻電流傳感器安裝方向一致的前提下，對每處檢測點(diǎn)檢測到的信號(hào)波形進(jìn)行分析。以點(diǎn)③為例，其三相信號(hào)單個(gè)脈沖波形如圖6所示。

(a) A相

(b) B相

(c) C相

分析圖6可知，B相信號(hào)(單個(gè)脈沖)起始方向與A、C相反，且略微超前于A、C相，表明信號(hào)源來自B相電纜。對其他幾個(gè)檢測點(diǎn)檢測到的信號(hào)波形進(jìn)行特征分析，也能得到相同結(jié)論。表明當(dāng)信號(hào)幅值分析存在局限時(shí)可通過波形特征分析進(jìn)行二次修正。

為驗(yàn)證波形分析對幅值分析的修正作用，將信號(hào)發(fā)生器安裝于右側(cè)B相，分別檢測信號(hào)幅值和波形(單個(gè)脈沖)起始方向，結(jié)果如表3所示。

表3 高頻局放檢測信號(hào)幅值及起始方向

分析表3數(shù)據(jù)，按照幅值大小(從⑥到①)可判斷信號(hào)傳播方向?yàn)锽→C→A→A→C→A，按照波形特征可判斷信號(hào)傳播方向?yàn)锽→B→A→A→C→C，后者與信號(hào)預(yù)想傳播路徑一致。

上述結(jié)果表明，對檢測到的電纜屏蔽層局放信號(hào)進(jìn)行波形特征分析也是一種能判斷信號(hào)源方向和相別的有效手段，可與信號(hào)幅值分析互為補(bǔ)充及佐證。

3 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

對實(shí)際在運(yùn)的采用交叉互聯(lián)接地形式的某110 kV高壓電纜線路(以下稱“NX線”)進(jìn)行高頻局放檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其中間接頭及一側(cè)直接接地箱處均檢測到了異常信號(hào)。為判斷該異常信號(hào)來源，根據(jù)前述第2節(jié)積累的檢測經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律對其進(jìn)行分析，主要過程如下。

3.1 檢測對象

110 kV NX線全長約2.6 m，共分2個(gè)終端和3個(gè)中間接頭。其中1號(hào)、2號(hào)中間接頭為絕緣接頭，采用交叉互聯(lián)接線，3號(hào)中間接頭為直通頭，屏蔽層直接接地，因此，該段電纜線路實(shí)際為一交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)加一兩端直接接地系統(tǒng)組成。

3.2 檢測分析

在110 kV NX線某次局放帶電檢測工作中，在其1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)中間接頭處均測得1個(gè)周期內(nèi)存在兩簇脈沖的疑似局放信號(hào)，但通過與3號(hào)中間接頭處直接接地線上測得的信號(hào)進(jìn)行對比，判斷該信號(hào)為外界干擾。為進(jìn)一步確定在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)中間接頭處所測高頻信號(hào)來源，后又對上述三組中間接頭相同檢測位置進(jìn)行復(fù)測。

3.2.1 3號(hào)中間接頭(直通頭)檢測

將3只高頻局放傳感器安裝在3號(hào)中間接頭直接接地箱接地線處，測得三相高頻局放檢測圖譜，如圖7所示。

圖7 3號(hào)中間接頭高頻局放檢測圖譜

圖7中，檢測到的信號(hào)幅值A(chǔ)相>B相>C相。為分析該疑似局放信號(hào)來源，對其波形進(jìn)行分析，如圖8所示。

(a) A相

(b) B相

(c) C相

圖8中，三相檢測信號(hào)波形起始方向一致，且時(shí)差較小。因檢測位置為直接接地線，同時(shí)考慮高頻信號(hào)在同軸電纜中的傳播特性，判斷檢測到的三相異常信號(hào)均來自于同一方向(電纜系統(tǒng)外部)。為驗(yàn)證上述結(jié)論，將B相傳感器安裝于接地扁鐵處，C相傳感器安裝于電纜支架處，如圖9所示。檢測圖譜如圖10所示。

圖9 高頻電流傳感器安裝位置

圖10 傳感器變更位置后高頻局放檢測圖譜

分析圖9、圖10可知：在接地扁鐵處測得一幅值較大的異常高頻信號(hào)，且信號(hào)特征與接地線處的A相相似；在不構(gòu)成通路的電纜支架(接地)處也能測得異常高頻信號(hào)，且信號(hào)特征與另兩處相似。由此判斷在該電纜系統(tǒng)外部有一明顯的異常高頻信號(hào)，該信號(hào)通過地線進(jìn)入電纜系統(tǒng)，并在其他接地設(shè)施中耦合出相應(yīng)信號(hào)(電纜支架)。

3.2.2 2號(hào)中間接頭(絕緣頭)檢測

2號(hào)中間接頭為絕緣接頭，接地箱為交叉互聯(lián)箱，互聯(lián)段為A→C，B→A，C→B。將3只高頻局放傳感分別安裝于2號(hào)中間接頭交叉互聯(lián)箱處，檢測結(jié)果如圖11所示。對檢測波形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示。

圖11 2號(hào)中間接頭高頻局放檢測圖譜

(a) A相

(b) B相

(c) C相

圖11中，信號(hào)幅值C相>A相>B相，且總體小于3號(hào)中間接頭，信號(hào)傳遞與交叉互聯(lián)系統(tǒng)一致。圖12中，三相信號(hào)波形起始方向一致，表明信號(hào)來源自同一方向。

3.2.3 1號(hào)中間接頭(絕緣頭)檢測

1號(hào)中間接頭為絕緣接頭，接地箱為交叉互聯(lián)箱，互聯(lián)段為A→C，B→A，C→B。將3只高頻局放傳感分別安裝于1號(hào)中間接頭交叉互聯(lián)箱處，檢測到的異常信號(hào)時(shí)間相位圖譜特征與2號(hào)、3號(hào)類似，信號(hào)幅值B相>C相>A相，且總體小于2號(hào)中間接頭，信號(hào)傳遞與交叉互聯(lián)系統(tǒng)一致。

3.3 檢測結(jié)論

綜合上述檢測分析過程，判斷110 kV NX線1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)中間接頭處測得的疑似局放信號(hào)為外部干擾信號(hào)，其通過3號(hào)中間接頭處的直接接地箱傳遞進(jìn)入電纜系統(tǒng)，并按照交叉互聯(lián)順序依次傳向2號(hào)、1號(hào)中間接頭，并逐漸衰減。

4 結(jié) 論

通過搭建高壓電壓線路高頻局放檢測試驗(yàn)平臺(tái)對預(yù)先設(shè)置于屏蔽層接地線處的局放信號(hào)進(jìn)行檢測，分析其幅值和波形特征，從而為實(shí)際電纜線路的局放檢測提供指導(dǎo)。得到的主要結(jié)論如下。

(1)對電纜線路屏蔽層檢測到的三相局放信號(hào)進(jìn)行幅值對比，最大者所在相即可能為局放源所在相。

(2)對電纜線路屏蔽層檢測到的三相局放信號(hào)(單個(gè)脈沖)波形特征進(jìn)行對比分析，當(dāng)信號(hào)波形起始方向一致時(shí)，表明信號(hào)源自同一方向；當(dāng)其中一相信號(hào)波形起始方向與另外兩相相反時(shí)，該相即可能為局放源所在相；當(dāng)在電纜線路不同位置檢測到的信號(hào)波形起始方向始終一致時(shí)，局放源為外部干擾信號(hào)的可能性大。

(3)電纜屏蔽層局放信號(hào)在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中傳播形式復(fù)雜，實(shí)際檢測過程中將幅值分析和波形特征分析相結(jié)合能有效判斷局放源位置。