220 kV電纜GIS終端局部放電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

趙晨昊，陳云飛，胡泉偉，李 躍，李 雯

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司，天津 300171）

0 引言

隨著城市化發(fā)展，電纜的覆蓋率越來(lái)越高。電纜和組合電器終端因?yàn)檎嫉孛娣e小、土地利用率高，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。由于內(nèi)部存在復(fù)雜的復(fù)合界面和電場(chǎng)應(yīng)力集中現(xiàn)象，GIS終端是電纜線路中較為薄弱的環(huán)節(jié)，因此保證電纜GIS終端的狀態(tài)無(wú)異常，對(duì)于電纜線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

電纜GIS 終端中常見(jiàn)的缺陷有橡膠和環(huán)氧分界面的缺陷、橡膠和交聯(lián)聚乙烯（Cross Linked Polyethylene，XLPE）分界面缺陷以及存在懸浮電極［3-5］。在長(zhǎng)期運(yùn)行電壓下，缺陷可能會(huì)引發(fā)局部放電，并導(dǎo)致絕緣逐漸劣化擊穿造成電網(wǎng)故障，因此，有效地檢出局部放電是保證電纜GIS 終端質(zhì)量控制和狀態(tài)檢測(cè)的重要手段［6-7］。

目前電纜線路局部放電的檢測(cè)技術(shù)包括高頻法、特高頻法、超聲法等，有研究表明，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，單一的檢測(cè)手段易受到外部信號(hào)干擾，具有一定局限性，可能難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的檢測(cè)情況［8-12］。多種手段聯(lián)合檢測(cè)可以有效提高檢測(cè)效果，文獻(xiàn)［13］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，多傳感器聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)在XLPE 電纜附件的局部放電檢測(cè)可以有效地排除現(xiàn)場(chǎng)干擾，提高局部放電檢測(cè)與定位結(jié)果的可靠性。

結(jié)合某220 kV 某變電站帶電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的電纜GIS 終端側(cè)的異常放電信號(hào)，討論針對(duì)GIS 終端的局部放電聯(lián)合檢測(cè)手段及實(shí)際應(yīng)用方法，分析兩種檢測(cè)手段的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合定位情況及解體結(jié)果，分析缺陷成因，為同類設(shè)備缺陷的處理提供參考。

1 電纜GIS終端局部放電檢測(cè)方法

高頻法是目前電纜線路局部放電帶電檢測(cè)的常用手段，對(duì)頻率介于1 MHz～300 MHz 區(qū)間的局部放電信號(hào)采集、分析、判斷，傳感器是高頻電流互感器（High Frequency Current Transformers，HFCT）、電容耦合傳感器。電力電纜絕緣內(nèi)部的局部放電源可以看作一個(gè)點(diǎn)脈沖信號(hào)源，當(dāng)電纜絕緣內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí)，缺陷內(nèi)部的電荷發(fā)生移動(dòng)和積累，在兩端電極體現(xiàn)為脈沖電流，脈沖電流沿著線芯和金屬屏蔽進(jìn)行傳播，通過(guò)高頻電流傳感器檢測(cè)流過(guò)接地引下線或其他地電位連接線上的高頻脈沖電流信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜局部放電的帶電檢測(cè)。由于高頻局部放電檢測(cè)與脈沖電流法檢測(cè)原理類似，在傳感器及檢測(cè)回路相對(duì)固定的情況下，可以對(duì)被測(cè)局部放電信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行量化分析，但抗電磁干擾的能力相對(duì)較弱，對(duì)缺陷點(diǎn)的定位能力較差［14-15］。

特高頻法的檢測(cè)頻帶為100～3 000 MHz，對(duì)頻率處于該區(qū)間內(nèi)的局部放電信號(hào)進(jìn)行采集、分析、判斷，主要采用天線結(jié)構(gòu)傳感器采集信號(hào)。由于檢測(cè)頻段高，現(xiàn)場(chǎng)抗低頻電暈干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)靈敏度高，在變壓器與GIS 帶電檢測(cè)中應(yīng)用效果良好［16］。但特高頻法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬封閉的電氣設(shè)備的檢測(cè)，交聯(lián)聚乙烯電纜除了絕緣接頭隔斷處及終端，其余部分全線均有鋁護(hù)套覆蓋，因此特高頻局部放電檢測(cè)對(duì)電纜監(jiān)測(cè)的適用面較窄，主要用于GIS 終端的缺陷性質(zhì)的定性診斷或利用時(shí)延法進(jìn)行定位分析。若電纜終端內(nèi)含有缺陷產(chǎn)生局部放電脈沖時(shí)，會(huì)從環(huán)氧套管接縫處泄漏出特高頻電磁波信號(hào)，通過(guò)特高頻（Ultra High Frequency，UHF）傳感器可以有效地檢測(cè)到該電磁波，用來(lái)判斷內(nèi)部局部放電的情況［17］。

目前，研究結(jié)果顯示特高頻檢測(cè)法和高頻檢測(cè)法獲取的局部放電信號(hào)在時(shí)域上有相關(guān)性，基于此兩種方法聯(lián)合檢測(cè)可以剔除高頻信號(hào)中的干擾脈沖，提高局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)的靈敏度，且兩種方法通過(guò)相互驗(yàn)證可以提高缺陷辨識(shí)準(zhǔn)確度［18］。

2 案例分析

2.1 局部放電信號(hào)發(fā)現(xiàn)

2020 年11 月16 日，技術(shù)人員在對(duì)某220 kV 變電站站站內(nèi)電纜進(jìn)行帶電檢測(cè)工作時(shí)，通過(guò)特高頻法發(fā)現(xiàn)2217 間隔電纜GIS 終端A 相存在異常放電信號(hào)，放電圖譜具有典型的局部放電特征。多次復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該局部放電信號(hào)仍然存在并存在發(fā)展趨勢(shì)，隨后進(jìn)行了放電源的定位，對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)放電位置位于2217 間隔A 相電纜終端氣室內(nèi)。為了確定設(shè)備隱患位置并驗(yàn)證帶電檢測(cè)結(jié)果的正確性，對(duì)2217 間隔A 相終端進(jìn)行解體，并結(jié)合解體情況對(duì)放電原因進(jìn)行分析。

2.2 帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 特高頻局部放電數(shù)據(jù)

對(duì)上述2217 間隔電纜GIS 終端進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)，傳感器安裝在電纜終端環(huán)氧樹(shù)脂套處，安裝位置如圖1 所示，檢測(cè)所得放電圖譜如圖2 所示。根據(jù)測(cè)得的脈沖序列分布（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS）和局部放電相位分布（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）圖譜可以看出，A、B、C 三相及相鄰間隔均存在相同類型的特高頻放電信號(hào)，且均具有工頻相關(guān)性，從放電相位上看，B、C相及相鄰間隔處放電的相位分布相同，且與A相相位分布相反，從放電幅值上看，B、C 相及相鄰間隔處放電信號(hào)幅值均低于A 相，且信號(hào)幅值與相對(duì)A 相距離呈負(fù)相關(guān)，據(jù)此初步判斷此放電信號(hào)來(lái)源于A相。

圖1 特高頻傳感器安裝位置

圖2 特高頻第1次檢測(cè)結(jié)果

2020 年11 月19 日、26 日，分別采用特高頻法進(jìn)行第2 次和第3 次復(fù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4 所示。由圖2—圖4 可知，第1 次檢測(cè)時(shí)測(cè)得A 相放電幅值為-51.3 dBm［19］，第2 次復(fù)測(cè)時(shí)測(cè)得A 相放電幅值為-34.2 dBm，第3 次復(fù)測(cè)時(shí)測(cè)得A 相測(cè)得放電幅值為-37.2 dBm，對(duì)比3次檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，從放電幅值來(lái)看，A相放電幅值偏大，且相較于第1次檢測(cè)放電幅值大幅增大，從放電脈沖特征來(lái)看，3次檢測(cè)到的放電呈現(xiàn)出相似的特征，均出現(xiàn)在一、三象限，每簇放電脈沖幅值比較穩(wěn)定，相鄰放電時(shí)間間隔較為一致，呈現(xiàn)出懸浮放電的特征，第2次檢測(cè)到的放電信號(hào)正負(fù)半周脈沖幅值不一致，猜測(cè)是懸浮電極不穩(wěn)定所致。

圖3 特高頻第2次檢測(cè)結(jié)果

圖4 特高頻第3次檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 高頻局部放電數(shù)據(jù)

2020 年11 月16 日、19 日、26 日，使用TECHIMP設(shè)備在GIS終端地線處安裝高頻CT進(jìn)行高頻局部放電檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)疑似局部放電。

11 月26 日，在A 相GIS 架構(gòu)螺栓處安裝CT 進(jìn)行高頻局部放電檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)疑似放電信號(hào)，且信號(hào)特征與特高頻信號(hào)類似，傳感器安裝位置如圖5 所示，檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示，從PRPD 圖譜中可以看到4 簇放電信號(hào)，這4 簇放電信號(hào)的脈沖幅值都比較穩(wěn)定，其中第一象限中幅值為負(fù)的一簇信號(hào)與第三象限中幅值為正的一簇信號(hào)的脈沖數(shù)較多，且這兩簇放電脈沖的幅值較大，因此認(rèn)為這兩簇放電來(lái)自一個(gè)放電源，呈現(xiàn)出懸浮放電特征，另外兩簇信號(hào)疑似來(lái)自地線的干擾，其他兩相相同位置螺栓未發(fā)現(xiàn)類似放電信號(hào)，據(jù)此也可初步判斷放電信號(hào)來(lái)源于A相。

圖5 特高頻傳感器安裝位置

圖6 高頻局部放電檢測(cè)結(jié)果

2.3 放電源定位

為了更精確地判斷放電點(diǎn)的位置，采用特高頻定位儀進(jìn)行放電源的定位。

2.3.1 確定放電相位

為避免誤檢情況的發(fā)生，在進(jìn)行準(zhǔn)確定位之前，先排除放電信號(hào)不是來(lái)自其他位置。采用兩個(gè)標(biāo)記顏色的傳感器用來(lái)接收不同位置的信號(hào)，黃色傳感器放置在A 相電纜終端環(huán)氧樹(shù)脂套處，綠色傳感器分別放置在前、后、左、右4 個(gè)方位，傳感器放置位置如圖7 所示，檢測(cè)結(jié)果如圖8 所示。檢測(cè)結(jié)果表明，黃色傳感器測(cè)到的放電波形均超前于綠色傳感器測(cè)到的放電波形，可以證明信號(hào)不是來(lái)自空間其他區(qū)域。

圖7 排除干擾時(shí)傳感器放置位置

圖8 A相信號(hào)與空間信號(hào)時(shí)延波形圖譜

采用3 個(gè)標(biāo)記不同顏色的特高頻傳感器進(jìn)行放電位置相位的確定，將黃色、綠色、紅色傳感器分別放置在2217 間隔A、B、C 相電纜終端環(huán)氧樹(shù)脂套處，傳感器放置位置如圖9所示，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。由示波器定位波形圖可見(jiàn)A 相（黃色）信號(hào)的波形起始沿超前B 相（綠色）、C 相（紅色）兩相波形起始沿，可以證明放電信號(hào)來(lái)自A相電纜終端氣室。

圖9 確定局部放電信號(hào)相位時(shí)傳感器放置位置

圖10 A、B、C三相放電信號(hào)時(shí)延波形

2.3.2 信號(hào)定性分析

由圖11 所示，當(dāng)示波器水平軸上每格的時(shí)間寬度為10 ms 或2 ms 時(shí)，即每2 格或10 格為一個(gè)工頻周期，該局部放電脈沖每周期內(nèi)出現(xiàn)兩簇信號(hào)，脈沖信號(hào)間距相等，具有明顯工頻相位相關(guān)性，幅值最大為2.6 V，放電信號(hào)幅值較大，放電較為嚴(yán)重。圖3—圖11 中綠色曲線為特高頻信號(hào)，黃色曲線為高頻信號(hào)，兩條曲線中脈沖一一對(duì)應(yīng)，表明測(cè)得的特高頻信號(hào)與高頻信號(hào)具有同源性。

圖11 A相放電信號(hào)10 ms/2 ms示波器圖

2.3.3 信號(hào)精確定位

如圖12 所示，采用黃色、綠色兩個(gè)傳感器進(jìn)行放電源的精確定位，將黃色特高頻傳感器放置在A相電纜終端環(huán)氧樹(shù)脂套處，綠色特高頻傳感器放置在電纜終端筒倉(cāng)上部盆子處，兩個(gè)傳感器采集到放電信號(hào)的時(shí)延波形圖如圖13 所示。A 相GIS 氣室的尺寸如圖12 所示，兩傳感器距離1.96 cm，波形圖中黃色波形超前綠色傳感器波形約4.3 ns，根據(jù)特高頻傳播速度，經(jīng)計(jì)算，可以排除放電源位于外部或綠色傳感器內(nèi)側(cè)情況，算得放電源距黃色傳感器約33 cm。結(jié)合上述定位過(guò)程及距離計(jì)算，判斷局部放電源位置在2217 間隔A 相電纜終端氣室如圖14 所示的紅色標(biāo)注區(qū)域內(nèi)。

圖12 精確定位傳感器放置位置

圖13 兩處測(cè)到放電信號(hào)的時(shí)域波形

圖14 局部放電源所在位置

3 解體情況

為確認(rèn)缺陷位置，避免缺陷導(dǎo)致事故發(fā)生，對(duì)2217 間隔電纜GIS 終端A 相進(jìn)行停電檢查。解體后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)A 相電纜終端止動(dòng)套與電纜線芯存在松動(dòng)現(xiàn)象，電纜線芯和止動(dòng)套上有黑色放電痕跡，如圖15、圖16所示。

圖15 電纜線芯上的放電痕跡

圖16 止動(dòng)套放電痕跡

綜合分析，故障原因是GIS 終端安裝時(shí)，安裝不到位，未使止動(dòng)套與電纜線芯接觸緊密。如圖17 所示，止動(dòng)套位于線芯外側(cè)，用于線芯定位，運(yùn)行工況下，當(dāng)止動(dòng)套與線芯未緊密貼合時(shí)，止動(dòng)套處形成懸浮電位，發(fā)生懸浮放電，電纜線芯與止動(dòng)套上的黑色痕跡則為放電燒蝕所致。

圖17 電纜GIS終端結(jié)構(gòu)

隨后檢修人員對(duì)該缺陷進(jìn)行處理，重新更換了電纜終端，且在安裝過(guò)程中認(rèn)真核對(duì)止動(dòng)套的規(guī)格尺寸，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行安裝，新的終端安裝完畢并恢復(fù)送電后，再次采用特高頻法對(duì)該220 kV 站內(nèi)2217 間隔電纜GIS 終端進(jìn)行復(fù)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常放電信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

特高頻和高頻檢測(cè)將缺陷位置定位在A 相GIS終端，特高頻定位最終將放電源定位在A 相電纜終端氣室內(nèi)，定位結(jié)果與解體發(fā)現(xiàn)的實(shí)際放電位置一致，證明GIS 電纜終端的局部放電帶電檢測(cè)的有效性，局部放電能夠反映電纜終端氣室的局部放電情況，即缺陷情況。

對(duì)于GIS 電纜終端，同時(shí)采用特高頻法和高頻法對(duì)疑似缺陷進(jìn)行帶電檢測(cè)，能夠更加綜合地反映放電情況，且兩種手段聯(lián)合檢測(cè)相互驗(yàn)證，能夠大大降低誤檢、漏檢概率，有效提高缺陷的檢出率。

在電纜終端日常檢測(cè)工作中，對(duì)于同一設(shè)備，應(yīng)盡可能增加高頻局部放電的檢測(cè)點(diǎn)位，避免因檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)不明顯而導(dǎo)致缺陷未及時(shí)檢出。

在電纜附件安裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格驗(yàn)收，避免因安裝工藝問(wèn)題導(dǎo)致電纜缺陷。