基于振蕩波檢測(cè)的電力電纜絕緣老化與定位

劉思議 李鴻南 洪 杰 黃心怡 林穎銳 邱才元 郭麗云 蘇 賢

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000)

1 概述

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，架空線路被更多的電纜所取代，配電網(wǎng)的纜化率越來(lái)越高，電力電纜的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接關(guān)系到城市的可靠用電[1-2]。然而在電纜的實(shí)際運(yùn)行中，受到外在環(huán)境及施工工藝等因素影響，現(xiàn)場(chǎng)電纜絕緣老化的情況常有發(fā)生[3-4]。主要原因?yàn)椋孩匐娎|生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，由于加工技術(shù)和原料不純，致使電纜絕緣層存在氣泡、間隙、微孔和有害雜質(zhì)，在氣隙、雜質(zhì)的尖端處、半導(dǎo)電層突起處易發(fā)生；②電纜施工環(huán)節(jié)，電纜敷設(shè)、電纜附件安裝等造成絕緣局部損傷，附件安裝工藝不良產(chǎn)生氣隙、進(jìn)入雜質(zhì)、半導(dǎo)電層尖端放電等；③電纜運(yùn)行環(huán)節(jié)，交聯(lián)聚乙烯材料在高壓電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，絕緣不斷老化，在不同運(yùn)行環(huán)境下形成水樹，水樹發(fā)展為電樹，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，發(fā)生配電線路故障，影響居民正常生活用電。對(duì)電纜開展常規(guī)檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)電纜缺陷，安排計(jì)劃消缺，是減少配網(wǎng)故障，提高供電可靠性的關(guān)鍵[5-7]。

電纜常規(guī)試驗(yàn)方法有三種[8-10]：0.1Hz交流耐壓試驗(yàn)、低頻介損診斷試驗(yàn)、振蕩波局放試驗(yàn)。0.1Hz交流耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)設(shè)備體積小、功耗小，目前很多供電公司10kV電纜耐壓試驗(yàn)基本采用該方法取代直流耐壓試驗(yàn)，其缺點(diǎn)是只能檢測(cè)電纜承受電壓的情況，無(wú)法發(fā)現(xiàn)和定位電纜絕緣局部放電隱患；低頻介損診斷試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可檢測(cè)電纜絕緣介質(zhì)老化情況，從而對(duì)電纜絕緣性能進(jìn)行整體評(píng)估，缺點(diǎn)是僅對(duì)整體情況進(jìn)行評(píng)估，無(wú)法定位介質(zhì)老化嚴(yán)重點(diǎn)的位置；振蕩波局放試驗(yàn)利用阻尼振蕩電壓可激發(fā)電纜內(nèi)部潛在的局部放電，有效發(fā)現(xiàn)電纜接頭等位置的隱患點(diǎn)，并對(duì)局放隱患點(diǎn)進(jìn)行定位，同時(shí)該方法為非持續(xù)性加壓，加壓時(shí)間短，因此對(duì)電纜絕緣的破壞性小，是近年來(lái)被廣泛應(yīng)用的一種電纜檢測(cè)方法。

基于此，本文針對(duì)電纜振蕩波局部放電檢測(cè)技術(shù)開展研究，從局放檢測(cè)原理、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等展開研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)案例采用不同的電力電纜試驗(yàn)方法證明振蕩波局部放電診斷的有效性。

2 振蕩波局部放電檢測(cè)原理

2.1 局部放電的激發(fā)

振蕩波產(chǎn)生的原理圖如圖1所示。整個(gè)振蕩波的電路圖分為兩個(gè)單位：一是高壓直流發(fā)生單元，二是局部測(cè)試單元，兩個(gè)單元之間通過(guò)高壓開關(guān)實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。檢測(cè)時(shí)，第一個(gè)單元通過(guò)電感對(duì)被試電纜充電，高壓開關(guān)并聯(lián)在直流電源兩端，當(dāng)所加電壓逐漸升高到設(shè)定值時(shí)，高壓開關(guān)閉合，直流電源退出回路，電感和被試電纜此時(shí)變成LC阻尼振蕩回路，產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩波電壓，電纜缺陷處會(huì)被激發(fā)出局部放電信號(hào)。

圖1 振蕩波產(chǎn)生原理

2.2 局部放電的測(cè)量

(1)

其中，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(shí)間。

2.3 局部放電的定位

電纜局部放電的定位是利用局部放電脈沖在電纜上的傳播特性，用10MHz以上的高頻掃描示波器進(jìn)行定位測(cè)量的方法[12]。其原理如圖2所示，具體的求解局部放電缺陷位置x如式(2)所示。

(2)

其中，t1表示第一個(gè)放電脈沖傳至檢測(cè)裝置的時(shí)間，t2表示發(fā)電脈沖傳至對(duì)側(cè)再反射傳至檢測(cè)設(shè)備的時(shí)間，脈沖傳播速度為v，電纜長(zhǎng)度為l。

圖2 局部放電定位原理

3 振蕩波局部放電檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 某配電站電纜局部放電檢測(cè)

基于以上分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某配電站結(jié)合停電檢修進(jìn)行振蕩波局部放電檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。以某變電站10kV出線至某配電站進(jìn)線之間的電纜進(jìn)行分析，振蕩波局部檢測(cè)的接線圖如圖3所示。

圖3 振蕩波局部檢測(cè)的接線圖

采用儀器對(duì)電力電纜進(jìn)行檢測(cè)，儀器的發(fā)射端位于某配電站內(nèi)，振蕩波局部放電檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，圖中黃、綠、紅分別代表電力電纜的A、B、C相。檢測(cè)結(jié)論如下：

①電纜A、B、C三相絕緣阻值分別為34.9GΩ、38.9GΩ、40.1GΩ；

②距配電站179m位置L1(A相)出現(xiàn)成簇狀的局部放電信號(hào)，L1(A相)最高放電量約為22285pC；

③距配電站330m位置電纜三相均出現(xiàn)成簇狀的局部放電信號(hào)。其中，L1(A相)最高放電量約為5177pC，L2(B相)最高放電量約為6046pC，L3(C相)最高放電量約為5019pC；

④根據(jù)波形定位，判定兩處局放超標(biāo)位置為中間接頭。

圖4 電纜振蕩波局部放電檢測(cè)結(jié)果

對(duì)缺陷電纜中間接頭進(jìn)行解體分析，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)兩處問(wèn)題：一是材料使用錯(cuò)誤，導(dǎo)體連接管錯(cuò)誤纏繞了PVC絕緣膠帶，造成懸浮電位引起局部放電；二是施工工藝不良，外半導(dǎo)電層斷口不平整，尖端引起放電。

圖5 電纜中間接頭解體照片

對(duì)電纜中間接頭切除并進(jìn)行重新制作，消缺完成后，再次進(jìn)行電纜振蕩波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 消缺后電纜振蕩波局部放電檢測(cè)結(jié)果

消缺后振蕩波檢測(cè)結(jié)論如下：①電纜接頭更換后，A、B、C三相絕緣阻值分別為1000GΩ、916GΩ、1000GΩ，電纜絕緣水平顯著提高。②距離配電站179m和330m的局放簇均消失，電纜恢復(fù)健康狀態(tài)。

3.2 不同電纜試驗(yàn)方法對(duì)比分析

電纜的常見缺陷可以分為兩大類:一類為電纜附件安裝(施工)缺陷，有終端握緊力不足、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；另一類是典型運(yùn)行缺陷，有終端電暈、終端受潮、污穢接頭進(jìn)水、局部受潮，常見缺陷如圖7所示。

圖7 電纜常見缺陷

采用0.1Hz交流耐壓試驗(yàn)、低頻介損診斷試驗(yàn)、振蕩波局放試驗(yàn)對(duì)這8種缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可見，振蕩波局部檢測(cè)能夠檢出所有的缺陷情況，優(yōu)勢(shì)明顯。

表1 采用三種電纜試驗(yàn)方法的檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

電力電纜由于施工條件及外在環(huán)境的干擾，絕緣老化現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如何檢測(cè)出電纜的絕緣老化并找到局部放電的放電點(diǎn)至關(guān)重要。基于此，本文對(duì)振蕩波檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)原理進(jìn)行介紹，并采用振蕩波檢測(cè)技術(shù)對(duì)電力電纜進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明本文振蕩波檢測(cè)能夠有效檢出并精準(zhǔn)找出電力電纜的局部放電點(diǎn)，為消缺奠定了重要的基礎(chǔ)；另外采用振蕩波檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的交流耐壓試驗(yàn)、超低頻介損對(duì)8種類型電纜缺陷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示振蕩波檢測(cè)更具優(yōu)勢(shì)。