基于耦合電磁波法的電纜終端局放檢測(cè)實(shí)例

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 楊天宇 紀(jì) 航 張圣甫 龔黎翔

近年大中城市的電纜化率逐步提高。交聯(lián)聚乙烯電纜憑借良好的絕緣和機(jī)械性能，以及耐熱和耐腐蝕的特性已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。交聯(lián)聚乙烯電纜制造工藝不斷發(fā)展進(jìn)步，電纜本體的故障率已逐年降低，但電纜接頭和終端由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安裝工藝控制困難，電纜經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在這些部位容易發(fā)生故障[1]。局部放電檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)電纜內(nèi)部微小絕緣缺陷的局部放電現(xiàn)象，通過(guò)檢測(cè)局放波形、放電量、頻率等，能在不停電的情況下判斷電纜的絕緣狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，避免缺陷繼續(xù)發(fā)展，引起跳閘停電事故[2]。目前常用電纜局部放電檢測(cè)方法有：高頻電流傳感器法（HFCT）、超高頻法（UHF）、超聲波法和電容耦合法等[3-5]。現(xiàn)有的電纜局放檢測(cè)方法還存在著檢測(cè)位置較為單一，傳感器容易非線性飽和，局放信號(hào)分離提取不便，接線較為復(fù)雜等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)上海電網(wǎng)某110kV 電纜終端，利用新型的耦合電磁波法進(jìn)行局部放電檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)A、B、C 三相電纜終端均存在異常信號(hào)。對(duì)每相的異常引號(hào)進(jìn)行信號(hào)分離并判斷了放電類型。對(duì)該電纜終端進(jìn)行停電檢修，發(fā)現(xiàn)A、B 相終端屏蔽帽處存在螺絲突出，檢查戶外終端尾管部位，發(fā)現(xiàn)三相戶外終端底部的接地處理存在焊接缺陷，驗(yàn)證了局放檢測(cè)分析結(jié)果。

1 耦合電磁波法天線傳感器

本次110kV 電纜終端局放檢測(cè)使用一種基于耦合電磁波法的新型局放帶電檢測(cè)設(shè)備，集成了新型的耦合電磁波傳感器和高性能信號(hào)處理系統(tǒng)，采樣頻率可以達(dá)到200M/s，同時(shí)采樣帶寬可以達(dá)到100MHz。由于電場(chǎng)耦合電磁波天線傳感器和無(wú)線連接技術(shù)（WiFi）的使用，以及系統(tǒng)高度的集成性，避免了傳統(tǒng)測(cè)試方法中信號(hào)傳輸線的使用，提高了測(cè)試的便利性。

耦合電磁波法是一種非接觸式的局放檢測(cè)方法，通過(guò)耦合感應(yīng)局部放電對(duì)外界輻射的電磁波來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，因此檢測(cè)位置更加靈活，適用于電纜本體、接頭、終端和換位箱等的局放檢測(cè)。傳感器采用球形單極性天線設(shè)計(jì)的原因主要有兩個(gè)：一是天線傳感器是單極性的，具有良好指向性，可方便地用于局放定位。當(dāng)傳感器面向局放源時(shí)傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度最大，同時(shí)可抑制噪聲干擾；二是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中具有相對(duì)強(qiáng)的獲取工頻交流參考相位信號(hào)的能力，相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法中通過(guò)羅氏線圈采集相位，使用該傳感器能減少額外傳感器的使用，提高檢測(cè)的便利性。傳統(tǒng)的羅氏線圈采集電纜內(nèi)部交變電流的相位，而電纜內(nèi)部的局放是由交變電壓引起的，因此羅氏線圈采集的相位信號(hào)會(huì)與實(shí)際的電壓相位有一定偏差。而耦合電磁波法天線傳感器直接接收電纜內(nèi)部交變電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)信號(hào)，避免了參考相位的偏差。

天線傳感器的輸出響應(yīng)非常線性，避免了傳統(tǒng)局放檢測(cè)傳感器非線性和飽和的問(wèn)題，能夠在局放信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換過(guò)程中不損失信號(hào)的波形和頻率信息。因此通過(guò)該傳感器進(jìn)行電纜局放檢測(cè)能夠獲得更完整的信號(hào)信息，方便對(duì)各種放電現(xiàn)象產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行分離、判斷，以及抑制采集到的噪聲信號(hào)。通過(guò)屏蔽實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)，在距離信號(hào)源1cm 時(shí)該傳感器的靈敏度小于1pC，精度達(dá)到了10mV/pC[6]。

傳感器采集到的信號(hào)需與實(shí)際局放脈沖電流波形盡量一致。這需要通過(guò)更高的信號(hào)采樣頻率以及信號(hào)的實(shí)時(shí)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器與一個(gè)基于FPGA的高速數(shù)據(jù)處理單元相連接，同時(shí)處理采集到的高頻局放脈沖信號(hào)及工頻同步參考信號(hào)（圖1）。高頻局放信號(hào)經(jīng)過(guò)可編程增益放大器（PGA）信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)8bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入CPU 進(jìn)行信號(hào)處理；同時(shí)工頻同步參考信號(hào)也送入CPU 作為參考相位信號(hào)。協(xié)同處理器（Co-Processor）用于實(shí)時(shí)提取脈沖信號(hào)的特征參量（上升沿、下降沿時(shí)間、長(zhǎng)度、極性等）。所有數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線或WIFI 與電腦連接，通過(guò)電腦可進(jìn)行信號(hào)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)等操作[6-7]。

圖1 高速數(shù)據(jù)處理單元電路結(jié)構(gòu)

2 局放檢測(cè)結(jié)果分析

2018年5 月對(duì)110kV 重要電纜線路戶外終端進(jìn)行帶電局放檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某110kV 電纜戶外終端存在明顯局放信號(hào)。該電纜型號(hào)為YJLW03-630mm2，電纜長(zhǎng)度1602米，于2012年11月20日安裝投運(yùn)。采用基于耦合電磁波法的局部放電檢測(cè)設(shè)備采集電纜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的脈沖電磁波信號(hào)，對(duì)該電纜A、B、C 三相終端進(jìn)行局部放電檢測(cè)。

A 相終端的局放時(shí)域波形圖和PRPD 圖譜如圖2和圖3所示。通過(guò)放電波形和放電量的相位特性，初步判斷A 相終端存在懸浮及脈沖放電。懸浮放電可能是戶外終端內(nèi)部油存在雜質(zhì)（包括水等）或屏蔽罩、頂板上有一定的水、懸浮金屬物或其它導(dǎo)電性材料及接地系統(tǒng)不良引起的放電，而脈沖放電可能是內(nèi)部某種原因引起的放電（如終端外部、特別是屏蔽罩處較臟引起的放電），也有可能是終端頂部金屬部分存在某種連接不充分或局部尖端引起的放電。

圖2 A 相終端局放時(shí)域波形圖

圖3 A 相終端局放PRPD 圖譜

圖4 A 相分離圖譜（電暈放電）

圖5 A 相分離圖譜（表面放電）

圖6 B 相終端局放時(shí)域波形圖

圖7 B 相終端局放PRPD 圖譜

圖8 B 相分離圖譜（電暈放電）

圖9 B 相分離圖譜（表面放電）

圖10 C 相終端局放時(shí)域波形圖

圖11 C 相終端局放PRPD 圖譜

圖12 C 相分離圖譜（懸浮放電）

圖13 C 相分離圖譜（電暈放電）

對(duì)圖3中A 相終端相位圖進(jìn)行信號(hào)分類和分析，如圖4、圖5所示，可以判斷A 相終端存在電暈放電和表面放電。B 相終端的局放時(shí)域波形圖和PRPD圖譜如圖6和圖7所示。對(duì)圖7中B 相終端相位圖進(jìn)行信號(hào)分類和分析，如圖8、圖9所示，可以判斷B相終端存在電暈放電和表面放電。C 相終端的局放時(shí)域波形圖和PRPD 圖譜如圖10和圖11所示。對(duì)圖11中B 相終端相位圖進(jìn)行信號(hào)分類和分析，如圖12、圖13所示，可以判斷B 相終端存在懸浮放電和電暈放電。

3 電纜終端解體情況及結(jié)論

通過(guò)以上分析，該電纜終端A、B 相具有明顯的電暈及脈沖放電信號(hào)，C 相具有懸浮放電信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合之前類似的檢測(cè)案例，確認(rèn)該局放信號(hào)為電纜終端內(nèi)部缺陷引起的放電，終端內(nèi)部很可能存在浸水或接地系統(tǒng)不良等缺陷。對(duì)該電纜終端進(jìn)行停電檢修，發(fā)現(xiàn)A、B 相終端屏蔽帽處存在螺絲突出；檢查戶外終端尾管部位，發(fā)現(xiàn)戶外終端底部的接地處理存在焊接缺陷、封鉛不充分的情況，該電纜終端停電檢修的解體情況基本驗(yàn)證了局放檢測(cè)分析結(jié)果，表明基于耦合電磁波法的電纜局放檢測(cè)具有不用接線、檢測(cè)位置靈活、采集信號(hào)失真少、局放信號(hào)分離提取方便等諸多優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了其應(yīng)用于110kV 電纜終端局放帶電檢測(cè)的有效性。