XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中高頻局放檢測(cè)位置對(duì)幅值特征的影響

茍 欣,宋 偉,許 勇,吳照國(guó),李文靜

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院, 重慶 400042;2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司超高壓分公司, 重慶 400039;3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司, 重慶 400015;4.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院, 重慶 400030;5.重慶市字水中學(xué), 重慶 400023)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)電力電纜因可靠性在城市電力輸配電系統(tǒng)中占有重要地位,并得到了廣泛應(yīng)用[1-5],然而,由于電力電纜制造安裝維修造成的缺陷,以及工作時(shí)電離輻射、高濕度、高溫度等多種復(fù)雜的工作環(huán)境,XLPE電纜容易產(chǎn)生絕緣劣化[6-8]。電纜的絕緣劣化往往會(huì)產(chǎn)生局部放電(partial discharge,PD),簡(jiǎn)稱(chēng)局放。而長(zhǎng)期局放會(huì)增加電纜線(xiàn)路的故障率,降低電纜的使用壽命[9-10]。通過(guò)合適的方法對(duì)局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位,對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。目前,局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)已成為評(píng)估電纜系統(tǒng)絕緣狀況的常用手段,應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際時(shí)能有效發(fā)現(xiàn)電纜缺陷[11-13],為電網(wǎng)的運(yùn)維和檢修提供可靠依據(jù)。

另外,為降低長(zhǎng)電纜線(xiàn)路上的感應(yīng)電壓,常常采用交叉互聯(lián)接地方式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電力電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中局放信號(hào)進(jìn)行了大量仿真及試驗(yàn)研究,研究以高頻局放為主[14-18]。姚翔等[14]在真實(shí)的XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析在不同頻帶下局放檢測(cè)信號(hào)的傳播特性,得出了局放脈沖在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中的傳播規(guī)律和特點(diǎn)。張磊祺等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電纜導(dǎo)體層與屏蔽層間的耦合效應(yīng),研究得出了在交叉互聯(lián)高壓系統(tǒng)中的局放定位規(guī)則。Babaee等[16]利用ATP仿真軟件對(duì)幾種不同的交叉互聯(lián)方式、不同局放源、不同源位置和噪聲環(huán)境進(jìn)行仿真研究,提出利用信號(hào)能量幅值分布進(jìn)行局放相位選擇和定位的方法。陳孝信等[17]從電纜的分布參數(shù)矩陣出發(fā),搭建了仿真模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究了交叉互聯(lián)系統(tǒng)中交叉互聯(lián)線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)局放信號(hào)的影響。劉孟佳等[18]通過(guò)寬頻帶傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)交叉互聯(lián)系統(tǒng)局放信號(hào),基于三相幅值相位分析法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行識(shí)別分析。

針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高壓XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中基于高頻電流法的局放帶電檢測(cè),如何選取合適的檢測(cè)位置,并根據(jù)信號(hào)幅值和信號(hào)特征的分析進(jìn)行局放位置的判斷,尚缺乏相關(guān)研究。

綜上,為分析檢測(cè)位置對(duì)交叉互聯(lián)電纜線(xiàn)路中高頻局放檢測(cè)結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)并搭建了真實(shí)的XLPE電纜線(xiàn)路局放檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái),研究不同檢測(cè)位置下的局放幅值變化規(guī)律,并結(jié)合研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)局放檢測(cè)工作給出建議。

1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建和方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為模擬實(shí)際電纜線(xiàn)路的局放傳播特征,搭建110 kV電壓等級(jí)的電纜高頻局放試驗(yàn)平臺(tái),線(xiàn)路總長(zhǎng)為120 m,包括1個(gè)完整的交叉互聯(lián)段,每小段等長(zhǎng)分布,均為40 m;采用的電纜型號(hào)為YJLW02-64/110 kV-1×500 mm2。該平臺(tái)包括6個(gè)中間接頭、6個(gè)戶(hù)外電纜終端頭、2個(gè)交叉互聯(lián)接地箱和2個(gè)直接接地箱,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)物分別見(jiàn)圖1和圖2。局放檢測(cè)設(shè)備采用意大利Techimp公司的3通道局部放電測(cè)試儀PDCheck MKⅢ,其采樣頻率為100 MS/s,帶寬為0.016～30 MHz。

圖2 檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

1.2 試驗(yàn)方法

開(kāi)展帶交叉互聯(lián)系統(tǒng)電纜線(xiàn)路的高頻局放帶電檢測(cè)時(shí),通常只需要在電纜本體、中間接頭、交叉互聯(lián)箱和電纜終端等幾個(gè)位置安裝高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT),不會(huì)對(duì)電纜線(xiàn)路的實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生任何電氣影響,是一種針對(duì)XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)局放帶電檢測(cè)的安全有效的帶電檢測(cè)方式[19]。對(duì)于在運(yùn)電纜線(xiàn)路,局放信號(hào)在交叉互聯(lián)電纜線(xiàn)路中的傳播路徑極為復(fù)雜,不同檢測(cè)位置對(duì)信號(hào)的影響較大;局放信號(hào)在電纜中傳播時(shí)還存在衰減現(xiàn)象[20],電纜中間接頭和同軸電纜會(huì)對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生耦合效應(yīng),這些都會(huì)進(jìn)一步增加局放信號(hào)檢測(cè)的難度[21-23]。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,高壓電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中高頻局放帶電檢測(cè)時(shí),一般有4處位置可以安裝HFCT,分別是交叉互聯(lián)箱的接地線(xiàn)、中間接頭接地引出線(xiàn)、交叉互聯(lián)箱的同軸電纜、交叉互聯(lián)箱內(nèi)部的換位排。但交叉互聯(lián)箱內(nèi)部的換位排因高壓電纜的感應(yīng)電流,實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中對(duì)操作安全要求較高,通常為帶電作業(yè),本文中采用電容臂的方式對(duì)交叉互聯(lián)箱換位排進(jìn)行分相短接,根據(jù)電容隔直通交的特性,HFCT既可以獲取有效的高頻信號(hào),同時(shí)不影響原交叉互聯(lián)電纜線(xiàn)路的正常運(yùn)行。各測(cè)點(diǎn)位置:1號(hào)檢測(cè)點(diǎn)HFCT1位于中間接頭接地引出線(xiàn)上,2號(hào)檢測(cè)點(diǎn)HFCT2位于交叉互聯(lián)箱同軸電纜上,3號(hào)檢測(cè)點(diǎn)HFCT3位于交叉互聯(lián)箱換位排上并采用電容臂的方式對(duì)換位排進(jìn)行對(duì)接,4號(hào)檢測(cè)點(diǎn)HFCT4位于交叉互聯(lián)箱接地線(xiàn)上。三相電纜各檢測(cè)點(diǎn)HFCT1至4號(hào)的具體位置和HFCT的安裝位置見(jiàn)圖3,所有HFCT夾鉗的安裝方向一致,統(tǒng)一指向大地方向。試驗(yàn)時(shí),采用模擬局放源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器作為信號(hào)的注入,信號(hào)源均布置在戶(hù)外終端上,注入在終端出線(xiàn)桿和接地極之間,如圖4所示。

圖3 交叉互聯(lián)系統(tǒng)高頻局放檢測(cè)點(diǎn)安裝位置示意圖

圖4 信號(hào)發(fā)生器安裝實(shí)物

2 試驗(yàn)分析

為分析單信號(hào)源下各檢測(cè)位置的局放檢測(cè)結(jié)果,進(jìn)行試驗(yàn)1的單信號(hào)源試驗(yàn)。在B相戶(hù)外電纜終端頭OB2上單獨(dú)注入1 000 pC的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的脈沖頻率為300 Hz,具備±50～1 000 pC范圍內(nèi)輸出幅值可調(diào)的能力。通過(guò)PDCheck獲取輸出信號(hào)的相位譜圖(phase resolved partial discharge,PRPD)和脈沖波形圖,如圖5所示。PRPD圖呈直線(xiàn)狀,信號(hào)幅值為1 V,脈沖波形呈標(biāo)準(zhǔn)的振蕩衰減特征。

圖5 輸出信號(hào)PRPD圖和脈沖波形圖

為驗(yàn)證各檢測(cè)位置在干擾狀態(tài)下的局放檢測(cè)結(jié)果,模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的實(shí)際情況,進(jìn)行試驗(yàn)2的雙信號(hào)源試驗(yàn),在A相在戶(hù)外電纜終端頭OA2上注入模擬局放源來(lái)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)局部放電,注入1 000 pC的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)模擬現(xiàn)場(chǎng)干擾源。采用的模擬局放源是一種信號(hào)發(fā)生器,通過(guò)控制針-板電極放電來(lái)模擬真實(shí)的局放信號(hào),其產(chǎn)生的放電類(lèi)型為尖端放電。

2.1 單信號(hào)源試驗(yàn)

試驗(yàn)1采用同一個(gè)HFCT分別測(cè)量電纜ABC三相4個(gè)測(cè)點(diǎn)的放電信號(hào),同步信號(hào)通過(guò)同步線(xiàn)圈從試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)220 V市電進(jìn)行獲取。以3號(hào)檢測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行分析,3號(hào)檢測(cè)點(diǎn)各相的相位譜圖和分類(lèi)特征譜圖(classification feature pattern,CFP)見(jiàn)圖6?？梢钥闯?所有檢測(cè)點(diǎn)均有2簇分離明顯的信號(hào),其中1簇為注入信號(hào)源(紅簇團(tuán)),1簇為背景信號(hào)。從PRPD圖可以看出,A相和C相的信號(hào)最大幅值均在100 mV左右,主要分布在負(fù)半周;B相的信號(hào)分布在正半周,最大幅值約為 200 mV,且大于A相和C相,信號(hào)源疑似來(lái)源于B相。

為了更好地區(qū)分背景信號(hào)與脈沖信號(hào),進(jìn)一步判斷信號(hào)的來(lái)源,通過(guò)PDprocesing軟件分離功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離,得到紅簇信號(hào)的PRPD圖和波形圖,如圖7所示。B相紅簇信號(hào)波形圖呈放電衰減特征,脈沖信號(hào)幅值為223 mV,為三相中最大,極性為正,與A、C相(負(fù)極性)相反,可以確定脈沖信號(hào)來(lái)源于B相電纜,與信號(hào)施加位置一致。

圖7 紅簇信號(hào)的PRPD圖和波形圖

通過(guò)上述方法,對(duì)所有測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行分離,提取到各測(cè)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)下的放電量幅值見(jiàn)圖8。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,HFCT1(中間接頭接地引出線(xiàn))和HFCT3(交叉互聯(lián)箱換位排)處的放電量幅值均遠(yuǎn)高于HFCT2(同軸電纜)和HFCT4(交叉互聯(lián)箱接地線(xiàn)),最大值與最小值相差約10倍;HFCT1和HFCT3處B相各檢測(cè)點(diǎn)的放電量幅值均大于A、C相,根據(jù)放電信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減規(guī)律,進(jìn)一步確定局放源位于B相;HFCT2和HFCT4的各相檢測(cè)點(diǎn)放電量差異較小。由于檢測(cè)點(diǎn)的選取對(duì)局部放電檢測(cè)結(jié)果的影響較大,故可以作為考慮因素加入到實(shí)際操作的局放檢測(cè)中。

2.2 雙信號(hào)源試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)2中A相的檢測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,A相各測(cè)點(diǎn)在模擬局放源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)共同作用下的PRPD圖見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出,各測(cè)點(diǎn)的PRPD圖正負(fù)半周均存在放電信號(hào),且放電幅值和形態(tài)不對(duì)稱(chēng),呈“眉眼”狀,放電幅值正負(fù)分明,具備100 Hz相位相關(guān)性,符合典型的金屬尖端放電類(lèi)型。另一類(lèi)信號(hào)呈現(xiàn)直線(xiàn)或虛短線(xiàn)狀,放電幅值穩(wěn)定,均勻分布在所有象限上,無(wú)明顯相位相關(guān)性,為標(biāo)準(zhǔn)脈沖干擾。

對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的局放信號(hào)與干擾信號(hào)進(jìn)行分離,分別得到模擬局放源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)在各測(cè)點(diǎn)處檢測(cè)到的放電量幅值,見(jiàn)圖10。分析可知,在分離出的模擬局放源信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)放電量幅值中,HFCT1和HFCT3測(cè)得的三相電纜放電量幅值均大于HFCT2和HFCT4。

圖9 A相各測(cè)點(diǎn)的PRPD圖(試驗(yàn)2)

從圖10(a)可知,HFCT1處各相傳感器檢測(cè)出的局部放電信號(hào)幅值比例近似為10∶4∶4.5,HFCT3處各相信號(hào)幅值之比近似為8∶4∶4,HFCT2處各相信號(hào)幅值之比近似為4∶3∶3,HFCT4處各相信號(hào)幅值之比近似為1∶1∶1。由此可以看出,對(duì)于交叉互聯(lián)系統(tǒng)中即使在干擾環(huán)境下的局放放電量幅值信號(hào),HFCT1和HFCT3處檢測(cè)出的信號(hào)幅值也較高,對(duì)局放的識(shí)別和判相更具有效性。HFCT2和HFCT4處檢測(cè)出的信號(hào)幅值基本相近,不利于現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)時(shí)對(duì)局放的識(shí)別和定位。

局放信號(hào)在電纜中的傳播特性與電纜長(zhǎng)度、電纜實(shí)際分布有明顯關(guān)聯(lián)。信號(hào)的傳播是從電纜中間接頭接地引線(xiàn)處通過(guò)同軸電纜到交叉互聯(lián)接地箱,最后傳播到交叉互聯(lián)箱接地線(xiàn),但試驗(yàn)測(cè)得的同軸電纜上的局放放電量與交叉互聯(lián)箱接地線(xiàn)上相似,處于較低水平,與傳播特性有一定差別。因此,在實(shí)際進(jìn)行局部放電檢測(cè)時(shí)應(yīng)避開(kāi)同軸電纜和交叉互聯(lián)箱接地線(xiàn)2個(gè)位置,更應(yīng)該選擇中間接頭接地引出線(xiàn)和交叉互聯(lián)箱換位排(電容臂跨接)2個(gè)位置來(lái)進(jìn)行局放帶電檢測(cè)。

3 結(jié)論

1) 對(duì)于高壓XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng),中間接頭接地引出線(xiàn)或交叉互聯(lián)箱換位排檢測(cè)出的局部放電量幅值均遠(yuǎn)大于同軸電纜和交叉互聯(lián)箱接地線(xiàn),前兩者對(duì)局放的識(shí)別和相位判定更具參考性。可以通過(guò)比較所測(cè)局放信號(hào)的幅值大小來(lái)判斷信號(hào)源所在相別,并結(jié)合軟件分離所得的PRPD圖和波形圖等來(lái)判斷是真實(shí)局放信號(hào)或干擾信號(hào)。

2) 在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng),局放帶電檢測(cè)的HFCT傳感器最優(yōu)安裝位置是在中間接頭接地引出線(xiàn)和交叉互聯(lián)箱換位排處(采用電容臂短接)。