探析高壓電纜帶電檢測(cè)仿真平臺(tái)的建立

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 楊金海 劉雪鋒 王紅平

高壓電纜作為輸電系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，高壓絕緣電力電纜具有良好電熱性能，工作耐受溫度高，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)，在安裝運(yùn)維等方面具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可保證長(zhǎng)期安全運(yùn)行，對(duì)我國(guó)電力穩(wěn)定運(yùn)行而言發(fā)揮著重要作用[1]，高壓電纜經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后絕緣部分受土壤理化作用等影響，易受到腐蝕引起絕緣缺陷，而電纜缺陷狀態(tài)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，檢測(cè)維護(hù)是保障高壓電纜可靠運(yùn)行的重要手段，發(fā)生電纜故障無(wú)法采用常規(guī)方法判斷電纜工作狀態(tài)正常。建立電纜狀態(tài)仿真模擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高壓電纜帶電檢測(cè)具備重要意義。

1 局部放電現(xiàn)象

高壓電纜絕緣檢測(cè)維護(hù)是保證高壓電纜可靠運(yùn)行的重要手段，目前我國(guó)廣泛采用預(yù)防性實(shí)驗(yàn)方法保證設(shè)備安全運(yùn)行，預(yù)防性實(shí)驗(yàn)方法存在檢測(cè)周期長(zhǎng)等問題。高壓電纜局放帶電檢測(cè)成為絕緣診斷發(fā)展趨勢(shì)，隨著計(jì)算機(jī)傳感器技術(shù)的發(fā)展，可通過(guò)信息分析實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣可靠性判斷，提供預(yù)警實(shí)現(xiàn)規(guī)定操作。

局部放電是絕緣介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生局部重復(fù)熄滅、擊穿現(xiàn)象，絕緣分解產(chǎn)生分散性物質(zhì)。絕緣物質(zhì)外施電壓產(chǎn)生電離放電。局部放電多產(chǎn)生于絕緣物質(zhì)局部缺陷位置，長(zhǎng)期局部放電導(dǎo)致?lián)p壞電纜絕緣。其還主要發(fā)生在絕緣局部缺陷處，絕緣在局部放電長(zhǎng)期作用下會(huì)逐漸損壞。電纜爆炸會(huì)對(duì)供電企業(yè)用戶帶來(lái)巨大損失，局放是絕緣非破壞性實(shí)驗(yàn)的主要項(xiàng)目，20世紀(jì)50年代后各國(guó)對(duì)電纜絕緣進(jìn)行局放檢測(cè)。

電纜附件主絕緣本體中雜質(zhì)，產(chǎn)生脈沖電流信號(hào)與絕緣介質(zhì)特性不同，產(chǎn)生的頻率存在差異，同時(shí)產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)沿電纜屏蔽層傳播，可在電纜外層屏蔽接地線中，依據(jù)高頻電流互感裝置耦合高頻電流信號(hào)。分析導(dǎo)致電纜局部放電原因主要包括如下幾方面：由于不同介質(zhì)交界面接觸不良所產(chǎn)生的局部放電，熱效應(yīng)產(chǎn)生脫層，處理半導(dǎo)體均壓層時(shí)損傷絕緣，或外皮接地不良等原因。

2 高壓電纜局放檢測(cè)研究

高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜具有良好的電性能，工作耐受溫度高，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)，高壓交聯(lián)聚乙烯電纜安裝等方面具有很大優(yōu)點(diǎn)，可以保證長(zhǎng)期安全運(yùn)行。在交聯(lián)聚乙烯電纜制造中由于工藝問題造成氣泡等絕緣隱患，敷設(shè)可能受到外界機(jī)械力作用造成損害。高壓電纜發(fā)生故障后無(wú)法采用常規(guī)方法判斷工作狀態(tài)，電纜絕緣劣化狀態(tài)檢測(cè)對(duì)保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行非常重要。

高壓電纜絕緣檢測(cè)是保證可靠運(yùn)行的重要手段，高壓電纜局放帶電檢測(cè)成為高壓電纜絕緣診斷的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高壓電纜局放檢測(cè)問題深入研究，通過(guò)局放電量可以反映電纜絕緣受損程度，國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦將局放實(shí)驗(yàn)作為電力電纜絕緣狀況評(píng)價(jià)最佳方法，由于高壓電纜接頭是薄弱環(huán)節(jié)，測(cè)量局放選在接頭處。局放主要發(fā)生在絕緣局部缺陷，絕緣局放長(zhǎng)期作用損壞導(dǎo)致爆炸。對(duì)局放檢測(cè)是根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)象測(cè)量表述現(xiàn)象物理量，局放檢測(cè)方法包括電橋法與非電檢測(cè)法等，脈沖電流法是廣泛采用的方法，通過(guò)磁耦合檢測(cè)局放在接地線中產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，耦合器輸出脈沖電信號(hào)電流波形容易分辨[2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓電纜局放檢測(cè)方法有很多，由于波形復(fù)雜多變，高壓電纜局放帶電檢測(cè)技術(shù)難度較大。常用方法IEC60270對(duì)高頻信號(hào)捕捉能力較差。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外常用電纜局放檢測(cè)法包括方向耦合法、電容耦合法等。高壓電纜局放檢測(cè)中開展廣泛研究，瑞士學(xué)者設(shè)計(jì)高壓電纜運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)低于個(gè)數(shù)pC放電量的VHF 電流傳感器。局放超聲波檢測(cè)法廣泛應(yīng)用于油浸式電力變壓器，超聲波非侵入式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)局放精確定位。

3 高壓電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)搭建

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)、有效，需在屏蔽環(huán)境下搭建高壓電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)，可設(shè)置各類絕緣件缺陷，借助集成的接地電流等在線監(jiān)測(cè)裝置，分析各類典型缺陷狀態(tài)[3]。對(duì)仿真平臺(tái)各構(gòu)成單元展開驗(yàn)證，以此對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性、有效性加以保障。

3.1 整體設(shè)計(jì)

高壓電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)主要設(shè)置控制與測(cè)量單元、升流單元，圖1為詳細(xì)接線圖。

圖1 高壓電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)接線圖

3.2 升壓?jiǎn)卧?/h3>

由負(fù)責(zé)控制回路的GIS 和SF6鎧裝式氣體無(wú)局部放電試驗(yàn)變壓器共同構(gòu)成升壓?jiǎn)卧?。其中回路控制選用GIS 刀閘，主要涵蓋CSE 電纜終端、DES隔離接地開關(guān)，額定電壓為252kV，并設(shè)置5把DES 獨(dú)立控制，此種設(shè)置方式可滿足試驗(yàn)回路靈活多變的要求，還可為研究電纜缺點(diǎn)針對(duì)GIS 的影響研究提供有利條件。SF6鎧裝式氣體無(wú)局部放電試驗(yàn)變壓器主要涵蓋保護(hù)電阻、變壓器、補(bǔ)償電抗器、濾波器、調(diào)壓器、NSP 快速保護(hù)裝置及控制臺(tái)等諸多部件，最高輸出電壓為280kV，最高容量為560kVA。

3.3 升流單元

由監(jiān)控平臺(tái)、電流互感器CT、調(diào)壓器等構(gòu)成升流單元。利用調(diào)壓器輸出可變電壓，借助監(jiān)控模擬試驗(yàn)回路溫度，滿足主回路所需溫度的電流控制要求。模擬回路、主回路同時(shí)升流最高為2500A。

3.4 電纜模型單元

由電纜終端、電纜本體等部件構(gòu)成電纜模型單元，支路1為配置中間接頭的完整回路，支路2為中間接頭產(chǎn)生缺陷模擬試驗(yàn)支路，電纜中間接頭缺陷模型為插拔式結(jié)構(gòu)，在戶外終端頂部配置均壓環(huán)，此均壓環(huán)選取單環(huán)結(jié)構(gòu)。

3.5 控制與測(cè)量單元

此單元主要由控制展示前臺(tái)、在線監(jiān)測(cè)裝置兩部分構(gòu)成。其中在線監(jiān)測(cè)裝置為多項(xiàng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的集成，主要包括接地電流、溫度、局部放電等，利用接地線高頻、本體極性鑒別高頻、內(nèi)置式超高頻3種方式，實(shí)現(xiàn)局部放電監(jiān)測(cè)；利用分布式光纖測(cè)溫、中間接頭內(nèi)置式測(cè)溫的方式展開溫度監(jiān)測(cè)；在保護(hù)接地箱內(nèi)、直接接地箱內(nèi)安裝接地電流監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控接地電流[4]。分析控制展示前臺(tái)發(fā)現(xiàn)，由集成監(jiān)控展示系統(tǒng)部分構(gòu)成控制展示前臺(tái)；集成監(jiān)控展示系統(tǒng)可實(shí)時(shí)展示接地電流等電流監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4 不同單元功能分析驗(yàn)證

高壓電纜局放帶電檢測(cè)系統(tǒng)研制后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)電纜出線進(jìn)行局放帶電檢測(cè)驗(yàn)證系統(tǒng)有效性。選擇變電站承擔(dān)工農(nóng)業(yè)用電任務(wù)，110kV 系統(tǒng)主接線形式為單母線接線，35kV 系統(tǒng)為單母線分段接線，220kV 變電站進(jìn)線2回，變電站投運(yùn)提高供電局供電能力，由于主要負(fù)荷為高能耗設(shè)備，帶來(lái)很大諧波問題造成設(shè)備頻繁爆炸，為用電企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，需要開發(fā)局放帶電檢測(cè)系統(tǒng)滿足檢修要求。

4.1 升壓?jiǎn)卧?/h3>

設(shè)計(jì)局部放電試驗(yàn)、電壓校準(zhǔn)試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，校驗(yàn)并考核升壓?jiǎn)卧谋倔w局部放電水平、電壓精度、加壓能力等。

4.1.1 電壓校準(zhǔn)試驗(yàn)

安裝GIS 及變壓器，在隔離開關(guān)K2上部蓋板打開后，安裝試驗(yàn)套管，試驗(yàn)準(zhǔn)備完成。由200kV 標(biāo)準(zhǔn)分壓器連接試驗(yàn)套管頂部，比對(duì)、校準(zhǔn)加壓至5、10、20、100kV 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)分壓器測(cè)量電壓、變壓器輸出電壓，詳細(xì)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 電壓校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析電壓校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，標(biāo)準(zhǔn)分壓器測(cè)量電壓相對(duì)誤差不高于0.5%，與升壓精度要求相符。

4.1.2 局部放電試驗(yàn)

電纜缺陷試驗(yàn)中針對(duì)模擬平臺(tái)展開局部放電試驗(yàn)尤為重要，以升壓?jiǎn)卧獮槔饕粗窯IS或變壓器自身產(chǎn)生明顯局部放電，將會(huì)干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，完成GIS、變壓器安裝后，需分別展開局部放電檢測(cè)試驗(yàn)，校核局部放電水平[5]。試驗(yàn)過(guò)程中，以6.3pC 作為背景局部放電，將變壓器設(shè)置為200kV，并持續(xù)1h。試驗(yàn)全程并未檢測(cè)到超出背景局部放電信號(hào)，因此，升壓?jiǎn)卧倔w局部放電水平與試驗(yàn)要求相契合。

4.2 升流單元

利用穿心變控制回路電流，支路1、2在升流試驗(yàn)中共同組成主回路，并與模擬回路在同一時(shí)間均升流至1000A，利用標(biāo)準(zhǔn)CT 測(cè)量電流，針對(duì)升流單元CT結(jié)果展開校準(zhǔn)、比對(duì)。在此過(guò)程中，還應(yīng)針對(duì)測(cè)溫模塊測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)展開觀測(cè)、分析，對(duì)測(cè)溫能力加以考核。通流維持7h 后，測(cè)得模擬試驗(yàn)回路表皮溫度升高，達(dá)到27.6℃，導(dǎo)體溫度升高，達(dá)到42.6℃。升流單元具備電纜熱循環(huán)試驗(yàn)所要求的升流能力。

4.3 電纜模型單元

利用局部放電試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)對(duì)各支路局部放電水平、耐壓能力展開考核[6]。由升壓?jiǎn)卧峁┰囼?yàn)電壓，利用高頻局部放電測(cè)量方式測(cè)量接地纜位置局部放電水平，以128kV（2U0）作為試驗(yàn)電壓，將1h 作為試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，3條支路均通過(guò)耐壓試驗(yàn)，支路1無(wú)局部放電，支路2和3存在局部放電，詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 電纜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.4 控制與測(cè)量單元

控制單元中設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)裝置在仿真平臺(tái)中占據(jù)重要地位，裝置功能的完整影響平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果可信度，需將驗(yàn)證并檢測(cè)在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量能力作為重點(diǎn)。

4.4.1 終端尖端電暈?zāi)M試驗(yàn)

在支路1上開展電暈?zāi)M試驗(yàn)，將φ5mm 鐵絲一端與電纜終端高壓端相連，將鐵絲垂直向下。當(dāng)電壓升至110kV 時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定電暈放電信號(hào)，經(jīng)歸算后打點(diǎn)圖及Q-Φ 二維譜圖如下，詳見圖2、3。

圖2 1#接地接頭傳感器響應(yīng)結(jié)果

圖3 2#接地接頭傳感器響應(yīng)結(jié)果

局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備穩(wěn)定的在線工作能力，可測(cè)量穩(wěn)定局部放電信號(hào)，測(cè)量譜圖也與電暈放電特征相契合。

4.4.2 接地電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用萬(wàn)用表針對(duì)保護(hù)接地箱電壓值、直接接地箱電流值展開測(cè)量，比對(duì)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，保護(hù)接地箱與直接接地箱測(cè)量精度均與要求相契合，可滿足在線監(jiān)測(cè)要求。

詳細(xì)測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 接地電流監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)

5 結(jié)論

近年來(lái)城市電力基礎(chǔ)設(shè)建設(shè)施持續(xù)發(fā)展，電力電纜可以減少對(duì)城市環(huán)境的影響，電纜發(fā)生故障需要投入大量人力物力進(jìn)行搶修，停電影響居民生活等正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電纜接頭故障是導(dǎo)致電纜故障主要原因，缺陷電纜接頭投運(yùn)后缺陷部位易發(fā)生局放導(dǎo)致?lián)舸?，及時(shí)檢測(cè)局放分析判斷電纜狀態(tài)成為提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的有效方法。本文研究檢測(cè)高壓電纜缺陷狀態(tài)，建立電纜狀態(tài)仿真平臺(tái)，由升流單元等部分構(gòu)成，可針對(duì)電纜缺陷狀態(tài)展開在線檢測(cè)，且檢測(cè)數(shù)據(jù)、檢測(cè)能力均可得以保障，針對(duì)維護(hù)高壓電纜穩(wěn)定運(yùn)行而言發(fā)揮著重要作用。試驗(yàn)中，通過(guò)搭建模擬檢測(cè)仿真平臺(tái)，可展開高壓電纜中間接頭仿真模擬試驗(yàn)；模擬檢測(cè)仿真平臺(tái)具備穩(wěn)定的在線監(jiān)測(cè)能力，且誤差在允許范圍內(nèi)。