電力電纜振蕩波局部放電檢測應(yīng)用

曾澤宇， 段建家， 段肖力， 劉三偉， 黃福勇

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

電力電纜線路是城市供電的心臟, 電纜線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到一個城市可靠供電[1-2]。據(jù)統(tǒng)計, 2019 年湖南地區(qū)35 kV 電纜線路故障跳閘32 次, 跳閘率達(dá)到22. 45 次/ (百公里·年)。 電纜附件一直是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié), 存在安裝質(zhì)量問題, 主要表現(xiàn)在防水密封不良、 安裝尺寸錯誤、電纜絕緣層處理不當(dāng)、 導(dǎo)體壓接處理不當(dāng)?shù)萚3-5]。然而, 目前常規(guī)的檢測手段如紅外測溫、 交流耐壓等難以有效發(fā)現(xiàn)電纜本體和附件絕緣缺陷, 振蕩波局部放電檢測較好地彌補(bǔ)了這一不足。

2017 年, 中國電力科學(xué)研究院開展了電纜狀態(tài)檢測手段實驗室比對試驗, 模擬了電纜附件安裝缺陷(終端握緊力不足、 接頭主絕緣層刀痕、 接頭導(dǎo)體壓接繞包絕緣帶、 接頭半導(dǎo)電尖端) 與典型運(yùn)行缺陷(終端電暈、 終端受潮污穢、 接頭進(jìn)水)。 試驗結(jié)果表明, 振蕩波局部放電檢測效率明顯高于工頻耐壓, 該檢測方式有助于發(fā)現(xiàn)工頻耐壓方式下難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。

除此之外, 振蕩波局部放電檢測設(shè)備質(zhì)量輕、加壓時間短(僅幾百毫秒, 屬于無損檢測), 可準(zhǔn)確評估電纜局部放電缺陷的嚴(yán)重程度、 精確定位電纜局部放電源位置, 容易避開及分辨干擾, 具有廣泛的應(yīng)用前景[6-7]。 本文針對振蕩波局部放電檢測原理、 現(xiàn)場應(yīng)用、 局部放電脈沖分析原則進(jìn)行了深入分析, 并結(jié)合現(xiàn)場試驗案例證明了振蕩波局部放電檢測的有效性。

1 振蕩波局部放電檢測原理

1.1 局部放電的激發(fā)

振蕩波產(chǎn)生原理如圖1 所示, 整個試驗回路分為兩個部分: 一是直流電源回路, 二是電纜與電感充放電過程, 即振蕩過程, 兩個部分之間通過快速開關(guān)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。 試驗時, 直流電源通過電感對被試電纜充電, 快速開關(guān)并聯(lián)在直流電源兩端, 當(dāng)所加電壓逐漸升高到預(yù)設(shè)值時, 快速開關(guān)閉合, 直流電源退出回路, 被試電纜和電感形成LC 阻尼振蕩回路, 產(chǎn)生20～500 Hz 的振蕩波電壓, 激發(fā)出電纜缺陷處局部放電信號[8-9]。

圖1 振蕩波產(chǎn)生原理

1.2 局部放電的測量

振蕩波局部放電系統(tǒng)采用的測量方法為脈沖電流法, 其測量原理為: 局部放電過程中產(chǎn)生的脈沖電流經(jīng)耦合電容的低阻抗通道形成脈沖電壓, 再對脈沖電壓進(jìn)行放大濾波處理, 得到局部放電量[10]。

在試驗前、 電纜斷電的情況下, 利用標(biāo)準(zhǔn)電荷量的脈沖注入電纜進(jìn)行校正定量, 試驗時即可獲取放電點(diǎn)實際放電量數(shù)值。

假設(shè)距離測試端x處發(fā)生局部放電,upd為放電脈沖電壓,u′pd為在測試端采集到的電壓, 則放電點(diǎn)的局放量q如式(1) 所示。

式中,γ為電纜中波傳播常數(shù)；z0為電纜特效阻抗；t0為放電脈沖的持續(xù)時間。

1.3 局部放電的定位

局部放電定位采用脈沖反射原理[11-12], 如圖2所示。 加壓誘發(fā)局部放電發(fā)生后, 同一局部放電脈沖同時向電纜兩端傳播。 其中一個脈沖先傳至試驗設(shè)備(入射波t1), 另一個放電脈沖傳播至電纜對端后再經(jīng)反射傳至試驗設(shè)備(反射波t2)。 振蕩波主機(jī)通過檢測入射波與發(fā)射波之間的時間差Δt,并結(jié)合放電脈沖在該電纜中的傳播速度v和電纜長度l, 根據(jù)公式(2) 計算得出局部放電缺陷的精確位置x。

圖2 局部放電定位原理

2 振蕩波局部放電檢測現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 試驗前準(zhǔn)備

在進(jìn)行振蕩波局部放電試驗之前, 首先需確定電纜及附件參數(shù)和進(jìn)行現(xiàn)場勘查。 確定電纜長度、 接頭數(shù)量和位置、 每公里電容量、 終端類型等參數(shù)。 試驗前若已知準(zhǔn)確的電纜長度, 則可計算精確的電纜波速, 否則只能通過經(jīng)驗波速求取電纜全長。 波速度只與電纜的絕緣介質(zhì)有關(guān), 而與電纜芯線的線徑、 芯線的材料以及絕緣厚度等都沒有關(guān)系, 對于交聯(lián)聚乙烯電纜, 其經(jīng)驗波速為172 m/ μs。 電纜局部放電缺陷基本集中在接頭上,因此了解接頭數(shù)量和位置, 可以輔助局部放電信號定位。 利用每公里電容量計算電纜電容量, 從而確定所需電抗個數(shù)以及振蕩頻率, 試驗要求振蕩頻率在20～500 Hz 之間。 另外, 若終端為GIS 且作為測試端時, 試驗前要拆除電壓互感器、 避雷器并安裝試驗套管, 若為非測試端, 則需拆除GIS 電纜筒內(nèi)導(dǎo)體, 如圖3 所示。

現(xiàn)場勘查內(nèi)容包括電纜敷設(shè)方式( 隧道、 直埋、 管道等)、 是否Y 接、 測試位置情況(空間大小、 高度等)、 加壓地點(diǎn)等。 試驗前確定電纜敷設(shè)方式, 特別是對于長電纜來說, 局部放電信號經(jīng)過長電纜衰減較大, 需要輔助分布式局部放電測試方法, 不同敷設(shè)方法對應(yīng)的輔助局部放電測量方法有差異, Y 接則給局部放電定位帶來麻煩。 測試端場地大小和高度試驗前同樣需要確認(rèn), 以便確定現(xiàn)場儀器擺放方法和高壓導(dǎo)線飛線長度, 飛線太長會影響局部放電測量靈敏度。 加壓地點(diǎn)在站外桿塔終端時, 要確保有檢修電源, 若無則要考慮攜帶發(fā)電機(jī)或發(fā)電車給儀器設(shè)備供電, 在站內(nèi)則需要考慮戶內(nèi)戶外, 在戶內(nèi)的要確保有足夠的安全距離來施加高壓。

2.2 試驗方法及要點(diǎn)

1) 進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn), 判斷電纜線路是否具備試驗條件。 要求被試電纜已斷電, 并充分放電保持接地, 電纜終端一次引線已拆除, 電纜被測相終端應(yīng)有足夠的絕緣距離, 其他相應(yīng)可靠接地。

2) 測量電纜三相絕緣電阻, 使用絕緣電阻表5 000 V 檔搖絕緣, 阻值低于30 MΩ 時不宜開展振蕩波局部放電檢測。 待三相試驗結(jié)束后需再次測量絕緣電阻, 并與試驗前數(shù)值比較, 確認(rèn)阻值有無明顯變化。

3) 對照事先了解的電纜參數(shù)信息, 使用低壓時域反射儀(TDR) 確認(rèn)電纜的長度和接頭位置。

4) 進(jìn)行振蕩波局部放電試驗接線, 如圖4 所示。 220 V 電源通過隔離變壓器輸入至振蕩波主機(jī), 緊急情況下按急停按鈕以防止設(shè)備和人身事故, 振蕩波高壓輸出引線應(yīng)采用專用高壓屏蔽線,兩端采取防電暈措施[13-14](加均壓環(huán)), 當(dāng)電纜長度較長時(一般大于250 m), 無需連接補(bǔ)償電容。待確認(rèn)試驗接線準(zhǔn)確、 接地可靠后啟動振蕩波局部放電測試系統(tǒng), 輸入電纜基本信息。

圖4 試驗接線圖

5) 進(jìn)行局部放電校準(zhǔn)。 局部放電校準(zhǔn)在本次試驗中至關(guān)重要, 其主要有兩個作用: 一是通過實際放電脈沖波形與校準(zhǔn)波形對比, 便于準(zhǔn)確抓取入射波和反射波； 二是通過標(biāo)準(zhǔn)電荷量注入獲取放電點(diǎn)實際放電量。 局部放電校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性, 加壓試驗前必須使用標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器在20 pC～20 nC 范圍內(nèi)逐檔校準(zhǔn)。

6) 進(jìn)行加壓測試, 嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)或廠家規(guī)定選取不同的測試電壓及其加壓次數(shù)。 一相試驗完成后, 先關(guān)閉高壓單元和電源開關(guān), 放電并確認(rèn)無電后, 掛接地線, 再更換接線, 重復(fù)試驗, 分別對另外兩相電纜進(jìn)行加壓測試。

7) 分析局部放電脈沖波形。

2.3 局部放電脈沖分析原則

同一放電脈沖的入射波和反射波具有相似的形狀[15], 但是反射波在電纜中傳播了更遠(yuǎn)的距離(當(dāng)放電點(diǎn)位于電纜首段或尾端時, 反射波比入射波多傳播了2 倍電纜全長), 因而脈沖幅值變小、脈沖寬度變寬。 典型局部放電脈沖圖譜如圖5所示。

圖5 典型局部放電脈沖圖譜

局部放電與干擾的判別原則有兩個要點(diǎn): 一是局部放電的放電量與放電頻次隨著測試電壓的升高而升高； 二是局部放電有典型的相位分布特效, 定位圖譜上有較為明顯的集中性。

通過與校準(zhǔn)波形進(jìn)行分析對比, 準(zhǔn)確抓取到入射波和反射波后, 分析軟件自動在放電源定位圖譜中生成相應(yīng)的點(diǎn), 橫坐標(biāo)為到測試端的距離, 縱坐標(biāo)為放電幅值, 當(dāng)同一橫坐標(biāo)標(biāo)記的放電點(diǎn)較為密集時, 一般可認(rèn)為此位置存在局部放電缺陷。

3 典型試驗案例分析

3.1 案例簡介

2020 年4 月, 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院利用振蕩波局部放電檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)某35 kV 線路電纜終端絕緣缺陷。 該電纜線路采用直埋敷設(shè), 無中間接頭, TDR 測量全長219 m。 經(jīng)振蕩波檢測站內(nèi)終端三相均存在局部放電, A、 B、 C相最大局部放電量分別為7122 pC、 12 121 pC、3 206 pC, 其中A 相和B 相超過DL/ T 1576—2016《6 kV～35 kV電纜振蕩波局部放電測試方法》 中規(guī)定的對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜終端的局部放電允許值為5 000 pC, 建議更換。 解剖該電纜終端, 發(fā)現(xiàn)存在明顯的放電跡象, 分析造成局部放電的主要原因為制作工藝粗糙、 內(nèi)部受潮。 重新制作終端經(jīng)振蕩波局部放電等試驗檢測合格后恢復(fù)運(yùn)行。

3.2 檢測分析

被測35 kV 電纜2012 年投運(yùn), 額定電壓26 /35 kV。 振蕩波測試結(jié)果: A、 B、 C 相最大局部放電量分別為7 122 pC、 12 121 pC、 3 206 pC。 圖6—7 分別為典型局部放電圖譜、 局部放電源定位結(jié)果, 從圖7 可知在距離測試端約38 m 處存在局部放電, 由于試驗時振蕩波主機(jī)輸出加了一段高壓延長線, 該位置實際為站內(nèi)電纜終端。

圖6 典型局部放電圖譜

圖7 局部放電源定位結(jié)果

根據(jù)局部放電源定位結(jié)果, 對此電纜終端進(jìn)行解體, 發(fā)現(xiàn)A、 B、 C 三相均有明顯的放電跡象,其中B 相最為嚴(yán)重, 與試驗結(jié)果吻合。

經(jīng)分析, 造成局部放電的原因如下:

1) 制作工藝粗糙。 終端主絕緣上留有施工刮痕, 并殘留黑色外半導(dǎo)電屏蔽層痕跡, 未根據(jù)施工工藝要求進(jìn)行仔細(xì)打磨, 外半導(dǎo)電屏蔽層斷口不平整, 存在臺階及凹口, 這些缺陷是造成局部放電超標(biāo)的主要原因。

2) 終端內(nèi)部受潮。 根據(jù)終端施工工藝, 電纜終端應(yīng)做防水處理, 但實際上該終端未做防水, 在長期運(yùn)行后可能進(jìn)水受潮。

綜上所述, 振蕩波局部放電檢測技術(shù)能準(zhǔn)確評估電纜局部放電缺陷的嚴(yán)重程度, 精確定位局部放電源, 現(xiàn)場解剖結(jié)果與試驗情況完成吻合, 由此可證明該技術(shù)的有效性。

4 結(jié)語

本文介紹了振蕩波局部放電檢測技術(shù), 包括局部放電的激發(fā)、 測量和定位原理, 闡述了振蕩波局部放電技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用方法、 要點(diǎn)和局部放電脈沖分析原則, 最后結(jié)合現(xiàn)場試驗案例, 對終端進(jìn)行解體分析驗證了振蕩波局部放電檢測技術(shù)的有效性。 振蕩波局部放電試驗?zāi)軌驖M足絕大部分主絕緣和附件缺陷檢測要求, 因為其檢測有效性及方便性, 建議在電力電纜試驗中推廣。