一種寬頻帶、高磁導(dǎo)率電纜局部放電檢測(cè)裝置的研制與應(yīng)用

楊巧為,陳 蓉,多俊龍

(1.重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司,重慶 404100;2.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司,遼寧 沈陽(yáng) 110052)

0 引言

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展,架空輸電線路走廊用地越發(fā)緊張,大中型城市內(nèi)新建、改造地下電纜輸電線路數(shù)量不斷增加,電纜已經(jīng)成為高電壓等級(jí)電能傳輸?shù)闹匾d體。但在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,受地下潮濕環(huán)境及電纜本身材料質(zhì)量影響,電纜絕緣層很可能出現(xiàn)老化、破損等問(wèn)題,導(dǎo)致電纜出現(xiàn)外層局部放電缺陷,長(zhǎng)時(shí)間帶傷運(yùn)行可能導(dǎo)致電纜絕緣層徹底損壞甚至發(fā)生爆炸。

通過(guò)對(duì)電纜絕緣層局部放電量進(jìn)行檢測(cè)和分析,能夠有效掌握電纜絕緣層劣化程度,及時(shí)消除運(yùn)行安全隱患。目前通常使用高頻電流法進(jìn)行電纜局部放電檢測(cè),由于高壓電力電纜絕緣材料通常為交聯(lián)聚氯乙烯,其局部放電量較小、對(duì)檢測(cè)器件靈敏度要求較高,同時(shí)局部放電為脈沖信號(hào),其特征頻帶范圍寬、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境背景噪聲多,很難僅從單一頻率下的信號(hào)判斷局部放電是否發(fā)生,實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中存在漏報(bào)、誤報(bào)等現(xiàn)象。

因此,自主研發(fā)新型寬頻帶、高磁導(dǎo)率鐵氧體磁芯材料,解決現(xiàn)有檢測(cè)裝置靈敏度低的問(wèn)題,創(chuàng)新傳感器封裝工藝,協(xié)同提升檢測(cè)裝置各項(xiàng)參數(shù),開(kāi)發(fā)出一種寬頻帶、高磁導(dǎo)率電纜局部放電檢測(cè)裝置,在66 kV電壓等級(jí)電纜線路上實(shí)際應(yīng)用,對(duì)提升我國(guó)電力電纜帶電檢測(cè)技術(shù)水平,保障電力電纜的安全可靠運(yùn)行具有重要意義[1-6]。

1 高磁導(dǎo)率鐵磁芯制備研究

高壓電纜局部放電檢測(cè)裝置的核心部件是磁芯,其磁導(dǎo)率大小直接影響檢測(cè)裝置適用頻帶范圍和靈敏度,因此如何通過(guò)合理添加輔助元素,突破磁芯磁導(dǎo)率低這一技術(shù)難點(diǎn)亟待解決。

常規(guī)磁芯通常采用NiO-ZnO-Fe2O3三元系復(fù)合材料,技術(shù)較為成熟,但受其成分配方和制備工藝限制,磁芯磁導(dǎo)率偏低。本文提出通過(guò)復(fù)合添加Cu、Co元素,采用CuO-ZnO-Fe2O3鐵氧體以及CoO-ZnO-Fe2O3鐵氧體與Ni、Zn鐵氧體的復(fù)合配方體系,綜合調(diào)控元素添加比例,構(gòu)建CuO-ZnO-Fe2O3-NiO和CoO-ZnO-Fe2O3-NiO四元系。充分發(fā)揮Cu、Co元素材料特性,同時(shí)考慮均勻顯微結(jié)構(gòu)及高頻磁導(dǎo)率等特征,改善材料磁導(dǎo)率的高頻特性,獲得具有優(yōu)異高頻磁導(dǎo)率特性的軟磁鐵氧體材料[7-8]。

設(shè)定Cu、Co復(fù)合配方質(zhì)量濃度分別為1.139 g/mL、1.142 g/mL、1.144 g/mL、1.149 g/mL,觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu),如圖1所示,隨著不同量Cu、Co復(fù)合配方的增加,NiZnFe鐵氧體平均晶粒尺寸增加、密度增大,但晶粒尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差也增大,均勻性略有降低,如圖1所示。

隨Cu、Co復(fù)合配方含量增加,鐵磁材料復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部μ′與虛部μ″在低頻范圍(1～10 MHz)內(nèi)均增加,在低頻時(shí)動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程主要由疇壁位移決定,在高頻范圍內(nèi)(10 MHz以上)復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率主要由磁疇內(nèi)部磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制決定,如圖2所示。

圖2 NiZnFe鐵氧體居里溫度Tc隨Cu、Co含量的變化關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明,Cu、Co復(fù)合配方含量復(fù)合添加量占高磁導(dǎo)率鐵磁芯總質(zhì)量的0.04%時(shí),可以兼顧高磁導(dǎo)率與高阻抗的特性。

此外,鐵磁芯制備過(guò)程中,材料的燒結(jié)溫度對(duì)磁體性能影響較大,不同燒結(jié)溫度下磁芯的密度有所不同,如圖3所示。

圖3 不同燒結(jié)溫度下樣品的顯微結(jié)構(gòu)

分別使用1230～1290 ℃的溫度進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn),隨著燒結(jié)溫度升高,磁芯材料內(nèi)部晶粒的生長(zhǎng)速率先增大后減小,晶粒生長(zhǎng)的過(guò)程中,氣孔被不斷排出,磁芯顯微結(jié)構(gòu)密度先升后降,材料的致密化得以實(shí)現(xiàn)。

Cu、Co復(fù)合配方添加體系主配方試驗(yàn)中,隨著Cu、Co含量的增多,鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度略有降低,起始磁導(dǎo)率顯著升高,矯頑力、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),居里溫度則是單調(diào)下降。當(dāng)鐵氧體中Cu、Co復(fù)合配方的質(zhì)量濃度為1.15 g/mL時(shí),可研制出具有高磁導(dǎo)率(μi=1410),高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bs=345 mT),低矯頑力(Hc=16 A/m)的NiCuZn磁芯材料,在保證磁芯性能的前提下,有效降低了磁芯的制備成本。

本項(xiàng)目制備的磁芯磁導(dǎo)率頻譜在0.3～40 MHz下磁導(dǎo)率實(shí)部≥86.1,40～100 MHz下磁導(dǎo)率實(shí)部≥26,進(jìn)而保障了在較寬的頻帶范圍內(nèi)均有較高的靈敏度。

2 寬頻帶傳感器封裝工藝研究

電纜局部放電檢測(cè)裝置的性能很大程度上受傳感器封裝工藝的影響,磁飽和及發(fā)熱是裝置封裝工藝中的主要問(wèn)題。當(dāng)磁通量通過(guò)氣隙時(shí),形成一個(gè)高磁阻路徑,此時(shí)磁通量將沿著氣隙繞組導(dǎo)體通過(guò)并感應(yīng)出渦流。當(dāng)頻率較低時(shí),邊緣磁通不會(huì)對(duì)裝置總功率損耗造成顯著影響,但當(dāng)頻率較高時(shí),邊緣磁通在繞組導(dǎo)體中引發(fā)高渦流效應(yīng),造成功率損耗和測(cè)量失真。

本文提出主動(dòng)引入氣隙的方法,利用磁芯氣隙處的磁阻抗提高磁場(chǎng)飽和強(qiáng)度、降低磁芯發(fā)熱。該方法的原理在于引入氣隙后,可以有效地切斷原有磁芯中的閉合回路,限制了渦流的產(chǎn)生,降低了磁芯材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度,提高了一次側(cè)繞組的通流能力,因此可以有效降低發(fā)熱。

通過(guò)分析B-H曲線可見(jiàn),引入氣隙后B-H曲線顯示出剪切輪廓,通過(guò)考慮氣隙區(qū)域的磁通邊緣,可進(jìn)一步分析相對(duì)磁導(dǎo)率的變化以及磁通路徑的整體磁導(dǎo)率,當(dāng)在由氣隙隔開(kāi)的2個(gè)磁芯之間流動(dòng)時(shí),邊緣磁通近似為半圓形,如圖4所示。

圖4 氣隙對(duì)磁芯磁化曲線的影響

考慮邊緣形狀的邊緣磁導(dǎo)可通過(guò)如下公式計(jì)算：

(1)

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率;L為總長(zhǎng)度;X是外徑;g是氣隙寬度。

最終氣隙的磁導(dǎo)近似為直線磁導(dǎo)Ps和4個(gè)邊緣磁導(dǎo)元素Pf的總和[9-10]。

邊緣磁導(dǎo)和總氣隙磁導(dǎo)率隨氣隙長(zhǎng)度的變化而變化,通過(guò)改變氣隙形狀可以改變氣隙周?chē)拇艑?dǎo)率通量和分布。為了解決磁場(chǎng)耦合問(wèn)題,除了線性氣隙外,還對(duì)鋸齒形氣隙和階梯式氣隙通過(guò)瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)相結(jié)合的方式開(kāi)展仿真,瞬態(tài)電磁模型向穩(wěn)態(tài)熱模型提供鐵芯損耗和焦耳損耗信息,穩(wěn)態(tài)熱模型使用此信息作為熱源進(jìn)行分析,如圖5所示。傳感器的磁芯損耗,包括磁滯、渦流和額外損耗,使用Bertotti方法計(jì)算：

(2)

圖5 線性、鋸齒形和階梯磁芯結(jié)構(gòu)

式中：P為發(fā)熱損耗;kh為Bertotti 系數(shù);Bm為磁場(chǎng)幅值;f為工作頻率;ah為磁場(chǎng)渦流損耗系數(shù);βh為頻率雜散損耗系數(shù)。

磁通分布可分為流過(guò)鐵芯的主磁通和流過(guò)繞組區(qū)域的邊緣磁通,由于主磁通不會(huì)進(jìn)入繞組區(qū)域,因此不會(huì)在繞組導(dǎo)體中感應(yīng)出任何渦流,邊緣通量會(huì)引起渦流并導(dǎo)致焦耳損失,如圖6所示。這種現(xiàn)象以熱點(diǎn)形式表現(xiàn)出來(lái),導(dǎo)致靠近氣隙的繞組導(dǎo)體的熱量增加,是造成傳感器繞組退化的原因。在高頻應(yīng)用中,邊緣磁通足以導(dǎo)致高繞組和熱損耗,將氣隙剖面從線性變?yōu)殇忼X形,并且鋸齒形剖面與階梯剖面是減少邊緣最有效的方法。

圖6 不同氣隙結(jié)構(gòu)的磁通分布

磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)及實(shí)物如表1及圖7所示。

表1 磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖7 高磁導(dǎo)率磁芯結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3 寬頻帶、高磁導(dǎo)率電纜局部放電檢測(cè)裝置工程應(yīng)用

為驗(yàn)證寬頻帶、高磁導(dǎo)率電纜局部放電檢測(cè)裝置工程應(yīng)用效果,選取某地區(qū)實(shí)際在運(yùn)高壓電纜線路220 kV 6條27.8 km、66 kV 10條32.5 km,共計(jì)48個(gè)點(diǎn)位開(kāi)展局部放電測(cè)試,共檢測(cè)出安全隱患2處,已配合屬地供電公司完成整改,有效避免了設(shè)備運(yùn)行故障,如圖8、圖9所示。

圖8 在運(yùn)高壓電纜檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖9 在運(yùn)高壓電纜檢測(cè)結(jié)果

從圖9典型測(cè)試圖譜中可以看出,在寬頻帶、高磁導(dǎo)率電纜局部放電檢測(cè)裝置8～10 MHz頻段上均有信號(hào),包含于局部放電產(chǎn)生的信號(hào)頻帶內(nèi),根據(jù)PRPD圖譜,頻段內(nèi)信號(hào)有180°對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)放電點(diǎn)時(shí)域譜圖,判定存在高壓電纜局部放電缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的寬頻帶、高磁導(dǎo)率電纜局部放電檢測(cè)裝置最低檢測(cè)靈敏度可達(dá)24 mV/mA,優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品檢測(cè)靈敏度,且檢測(cè)頻帶較寬。

裝置大幅提升了國(guó)產(chǎn)檢測(cè)裝置的靈敏度和可靠性,實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)設(shè)備對(duì)電力電纜穩(wěn)定、可靠的帶電檢測(cè)能力,使電力電纜等設(shè)備的運(yùn)行檢測(cè)能力大幅提升,降低事故發(fā)生概率,具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。