基于內(nèi)置差分電容的電纜接頭局放檢測技術(shù)研究

徐明忠，夏 榮，歐陽本紅，賈曉剛，陳 杰，劉 洋，臧 磊，朱祖華

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢 430074；2.浙江圖維科技股份有限公司，浙江杭州 310027；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京 211106）

0 引言

近年來，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市電纜化率快速增長。其中電纜接頭是電纜系統(tǒng)中較關(guān)鍵的設(shè)備，電纜接頭由于絕緣安全裕度小、施工質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，成為電纜線路中最容易發(fā)生故障的地方[1]。絕緣劣化是導(dǎo)致電纜接頭發(fā)生故障的主要原因之一，主要表現(xiàn)為絕緣層不斷發(fā)展的電樹枝[2-3]，因此如何預(yù)防和避免電纜及其附件的突發(fā)性故障成為該領(lǐng)域研究人員的重要課題[4-5]。

局部放電是電纜接頭絕緣狀態(tài)劣化的重要表征，同時(shí)也是導(dǎo)致絕緣進(jìn)一步劣化的原因[6]。電纜接頭發(fā)生局部放電時(shí)，除了會(huì)發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗，還會(huì)出現(xiàn)物理、化學(xué)相關(guān)效應(yīng)，如產(chǎn)生光、熱、超聲波、電磁輻射以及化學(xué)反應(yīng)等，這些伴隨現(xiàn)象為局部放電的檢測提供了依據(jù)[7-9]。目前電纜接頭局部放電的檢測方法主要分兩大類型：一種是電測法，主要采用兩類傳感器，一是以羅氏線圈測量原理為基礎(chǔ)，主要包括電磁耦合法、電感耦合法、方向耦合法[10-15]等；二是以電容耦合原理為基礎(chǔ)，主要包括脈沖電流法、差分法、電容耦合法[16-19]。另一種是非電測法，主要包括聲測法、光測法、化學(xué)檢測法、溫度測量法[20-24]等。

本文介紹一種基于差分電容的電纜接頭局放檢測技術(shù)，通過多次、多點(diǎn)、多類型試驗(yàn)，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析比較，驗(yàn)證該方法的安全性和有效性，并在電纜接頭附件及海纜軟接頭局放檢測方面進(jìn)行了有效的應(yīng)用。

1 電纜接頭特性

電纜連接方式主要分硬接頭（典型的預(yù)制式電纜接頭）和軟接頭2 種。其中硬接頭電場控制采用幾何結(jié)構(gòu)法，接頭與電纜之間為配裝方式，所用的絕緣料為硅橡膠或三元乙丙橡膠制成，與電纜絕緣料是2 種介質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生界面，絕緣界面往往是電場易變的地方，一但有雜質(zhì)、氣隙等，其絕緣性能會(huì)顯著下降，成為電纜附件絕緣的最薄弱環(huán)節(jié)[25]。硬接頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of hard joint

軟接頭主要應(yīng)用于海底電力電纜連接，軟接頭與電纜本體組成部分為相同的材料，恢復(fù)電纜本體的連接后，接頭絕緣與電纜絕緣之間會(huì)形成類似硬接頭上的反應(yīng)力錐形態(tài)。軟接頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 軟接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of soft joint

2 內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)驗(yàn)證

2.1 技術(shù)簡介

內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)主要設(shè)備由局放傳感器、局放主機(jī)、信號采集器及監(jiān)測軟件組成。其中局放傳感器采用差分容式局放傳感器，安裝在電纜接頭的主絕緣半導(dǎo)電層外側(cè)，通過電容耦合直接采集局放信號，在不改變絕緣結(jié)構(gòu)和電氣性能前提下，對接頭內(nèi)部局放信號進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。通過局放專家?guī)鞌?shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)最大放電量、放電次數(shù)、放電位置等參數(shù)，用戶可以隨時(shí)掌握電纜附件內(nèi)部局放量大小和變化趨勢，有效評估電纜運(yùn)行安全性。

內(nèi)置差分電容傳感器采用柔性電路板表層鍍金工藝，具有材質(zhì)柔軟、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場安裝時(shí)將傳感器環(huán)包在接頭外半導(dǎo)電層局放高發(fā)區(qū)域，然后恢復(fù)銅屏蔽，整個(gè)傳感器形成一個(gè)圓柱面。該傳感器基于差分電容原理，當(dāng)接頭主絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，局放信號由高壓側(cè)向地電位屏蔽銅網(wǎng)側(cè)傳遞，容式傳感器精準(zhǔn)捕捉到覆蓋區(qū)域的局放信號，同時(shí)可屏蔽接頭外部干擾。該內(nèi)置容式傳感器安裝如圖3 所示。

圖3 傳感器安裝位置示意圖Fig.3 Diagram of sensor installation position

采用基于Ansoft Maxwell 有限元分析軟件對安裝在主絕緣外半導(dǎo)電層與屏蔽銅網(wǎng)之間的內(nèi)置容式傳感器區(qū)域進(jìn)行場強(qiáng)分析計(jì)算，絕緣部分電氣性能完好，金屬屏蔽處電場分布均勻，內(nèi)置容式傳感器表面電勢幾乎為零，滿足地電位部位電場運(yùn)行要求，場強(qiáng)分布圖如圖4 所示。

圖4 內(nèi)置局放傳感器場強(qiáng)分布圖Fig.4 Field strength distribution diagram of built-in sensor

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)的可靠性和有效性，進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)研究。搭建220 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件組成的電纜回路，根據(jù)GB/T 18890—2015，IEC 62607：2011 標(biāo)準(zhǔn)要求完成各項(xiàng)試驗(yàn)后，增加了內(nèi)置局放系統(tǒng)有效性比對試驗(yàn)。試驗(yàn)回路如圖5 所示，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6 所示。

圖5 局放試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of partial discharge test

圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6 Inspection test site

本次有效性試驗(yàn)?zāi)M以下3 種缺陷：

1）絕緣表面劃傷缺陷：在接頭預(yù)制絕緣件表面應(yīng)力錐正上方扎入8 mm 的鐵釘，鐵釘位置距離絕緣件一端約60 mm。實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)與內(nèi)置局放系統(tǒng)分別在50 kV 和70 kV 時(shí)同步檢測局部放電，Qpd為內(nèi)置局放系統(tǒng)的視在放電量，局放圖譜見圖7—圖10。

圖7 實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至50.1 kV時(shí)）Fig.7 Test Atlas of Laboratory PD system（up to 50.1 kV）

圖8 內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至50.1 kV時(shí)）Fig.8 Built-in PD system to detect Atlas（up to 50.1 kV）

圖9 實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至70.2 kV時(shí)）Fig.9 Test Atlas of Laboratory PD system（up to 70.2 kV）

圖10 內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至70.2 kV時(shí)）Fig.10 Built-in PD system to detect Atlas（up to 70.2 kV）

2）電纜沿面雜質(zhì)缺陷：在接頭預(yù)制絕緣件安裝時(shí)，電纜主絕緣未打磨光滑，形成沿面雜質(zhì)缺陷。

實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)與內(nèi)置局放系統(tǒng)分別在43 kV和56 kV 時(shí)同步檢測局部放電，局放圖譜見圖11—圖14。

圖11 實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至43.4 kV時(shí)）Fig.11 Test Atlas of Laboratory PD system（up to 43.4 kV）

圖12 內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至43.4 kV時(shí)）Fig.12 Built-in PD system to detect Atlas（up to 43.4 kV）

圖13 實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至56.2 kV時(shí)）Fig.13 Test Atlas of Laboratory PD system（up to 56.2 kV）

圖14 內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至56.2 kV時(shí)）Fig.14 Built-in PD system to detect Atlas（up to 56.2 kV）

3）接頭內(nèi)部氣泡缺陷：在接頭預(yù)制絕緣件生產(chǎn)時(shí)，絕緣件內(nèi)部缺膠產(chǎn)生氣泡，形成內(nèi)部缺陷。實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)與內(nèi)置局放系統(tǒng)分別在30 kV 和70 kV時(shí)同步檢測局部放電，局放圖譜見圖15—圖18所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至30.5 kV時(shí)）Fig.15 Test Atlas of Laboratory PD system（up to 30.5 kV）

圖16 內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至30.5 kV時(shí)）Fig.16 Built-in PD system to detect Atlas（up to 30.5 kV）

圖17 實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至70.1 kV時(shí)）Fig.17 Test Atlas of Laboratory PD system（up to 70.1 kV）

圖18 內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜（升壓至70.1 kV時(shí)）Fig.18 Built-in PD system to detect Atlas（up to 70.1 kV）

通過3 類典型缺陷模擬試驗(yàn)，兩套局放系統(tǒng)的起始放電電壓和熄滅放電電壓完全一致、放電相位和放電量值趨勢完全一致，充分證明內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)的有效性和可靠性。并通過內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)的差分信號通道確定了局放信號發(fā)生區(qū)域，與模擬缺陷位置相吻合，充分證明內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)可以對接頭檢測區(qū)域的局放信號進(jìn)行定位。

3 內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)應(yīng)用

通過試驗(yàn)檢測驗(yàn)證了內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)的可靠性和有效性，基于該技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、局放定位和智能分析的特性，隨機(jī)抽取了某制造廠的220 kV 電纜接頭預(yù)制件，分別編號為1 號、2號、3 號，進(jìn)行了局放檢測，以及500 kV 海纜軟接頭出廠局放檢測，檢測線路圖見圖19，檢測方式安全便捷，結(jié)果準(zhǔn)確。

圖19 電纜附件廠局放檢測應(yīng)用Fig.19 Application of partial discharge detection in cable accessory factory

3.1 220 kV電纜接頭局放檢測應(yīng)用

3.1.1 1號預(yù)制絕緣件檢測結(jié)果

預(yù)加電壓至222 kV 10 s 后，電壓降到190 kV，2 套局放系統(tǒng)均未檢測到超過背景噪聲的局放信號，局放比對圖譜如圖20 和圖21 所示。

圖20 1號預(yù)制件實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)局放檢測圖譜Fig.20 Lab system placement detection Atlas for No.1 prefab

圖21 1號預(yù)制件內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜Fig.21 Built-in PD system detection Atlas for No.1 prefab

3.1.2 2號預(yù)制絕緣件檢測結(jié)果

預(yù)加電壓至222 kV 10 s 后，電壓降到190 kV，兩套局放系統(tǒng)均未檢測到超過背景噪聲的局放信號，局放比對圖譜如圖22 和圖23 所示。

圖22 2號預(yù)制件實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)局放檢測圖譜Fig.22 Lab system placement detection Atlas for No.2 prefab

圖23 2號預(yù)制件內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜Fig.23 Built-in PD system detection Atlas for No.2 prefab

3.1.3 3號預(yù)制絕緣件檢測結(jié)果

預(yù)加電壓至98.4 kV 時(shí)出現(xiàn)明顯局放信號，放電特征明顯，初步判斷為接頭內(nèi)部缺陷。局放圖譜如圖24 和圖25 所示。

圖24 3號預(yù)制件實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)局放檢測圖譜Fig.24 Lab system placement detection Atlas for No.3 prefab

圖25 3號預(yù)制件內(nèi)置局放系統(tǒng)檢測圖譜Fig.25 Built-in PD system detection Atlas for No.3 prefab

在本次局放檢測應(yīng)用中，內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室局放系統(tǒng)同時(shí)捕捉到3 號預(yù)制絕緣件局部放電信號，并且量值接近、趨勢一致。通過內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)的差分信號通道確定了局放信號發(fā)生區(qū)域，試驗(yàn)完成后，對放電區(qū)域進(jìn)行了標(biāo)記，如圖26 所示。經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)其標(biāo)記區(qū)域存在生產(chǎn)質(zhì)量問題，與內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)局放試驗(yàn)確定的區(qū)域吻合。

圖26 內(nèi)置局放檢測放電位置Fig.26 Discharge position of built-in PD detection

3.2 500 kV海纜軟接頭局放檢測應(yīng)用

國際首次采用交流500 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜的舟山500 kV 聯(lián)網(wǎng)輸變電工程，電纜長約18.5 km，至少有一相電纜將包含1 個(gè)軟接頭，為確保500 kV 海纜質(zhì)量可靠，彌補(bǔ)軟接頭局放試驗(yàn)空白，采用了內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)對軟接頭進(jìn)行了局放檢測應(yīng)用。

3.2.1 檢測設(shè)備

內(nèi)置差分容式局放檢測設(shè)備清單如表1 所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備清單Table 1 List of test equipment

3.2.2 檢測方法

軟接頭未恢復(fù)鉛護(hù)套之前，在軟接頭外半導(dǎo)電層反應(yīng)力錐區(qū)域包裹4 組容式局放傳感器，然后恢復(fù)銅屏蔽，開始加壓，預(yù)加電壓逐步上升至508 kV（1.75U0），保持10 s，然后緩慢地下降至435 kV（1.5U0），在試驗(yàn)電壓435 kV（1.5U0）下，保持30 min。試驗(yàn)過程全程記錄放電量、放電位置和放電次數(shù)等基本局部放電參數(shù)，顯示工頻周期放電圖譜，提供放電趨勢圖，并判斷放電區(qū)域。檢測方法布置示意圖如圖27 所示，500 kV 局放檢測應(yīng)用現(xiàn)場如圖28 所示。

圖27 試驗(yàn)布置示意圖Fig.27 Test layout diagram

圖28 500 kV局放檢測應(yīng)用現(xiàn)場Fig.28 Application of 500 kV partial discharge monitoring

3.2.3 檢測結(jié)果

檢測結(jié)果顯示無局部放電信號，滿足海纜出廠技術(shù)要求。檢測結(jié)果如圖29 所示。

圖29 內(nèi)置局放檢測圖譜Fig.29 Built-in partial discharge detection map

4 結(jié)論

本文提出的內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)通過試驗(yàn)驗(yàn)證及檢測應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1）基于差分電容的內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)對電纜接頭安全運(yùn)行無影響，并通過電纜接頭典型缺陷試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

2）內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，實(shí)時(shí)顯示放電相位、放電量等關(guān)鍵參數(shù)，具有完善的數(shù)據(jù)管理功能，在電纜局放在線監(jiān)測領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

3）通過內(nèi)置差分容式局放檢測技術(shù)對海纜軟接頭出廠前進(jìn)行局放檢測應(yīng)用，檢測設(shè)備安裝便捷、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，該技術(shù)填補(bǔ)了大長度海纜軟接頭局放檢測技術(shù)領(lǐng)域的空白。