電力電纜局部放電全過程檢測系統(tǒng)

張 海，王天正，于 嘉

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

電力電纜局部放電全過程檢測系統(tǒng)

張 海1，王天正1，于 嘉2

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

指出局部放電離線檢測和在線檢測兩種方式各具優(yōu)劣，采用離線和在線局部放電檢測互相補(bǔ)充、結(jié)合使用的方法，實(shí)現(xiàn)電纜絕緣狀況的全過程檢測，闡述將交流諧振耐壓試驗(yàn)技術(shù)與局部放電測量、定位和診斷技術(shù)相結(jié)合，檢測電力電纜局部放電水平的方法，并對絕緣薄弱處進(jìn)行定位，通過實(shí)際測試表明對電力電纜的狀態(tài)檢測取得了良好的應(yīng)用效果。

電力電纜；局部放電；全過程檢測；狀態(tài)檢測

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在電、熱、機(jī)械外力、水、油、有機(jī)化合物等作用下會發(fā)生老化，經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，高壓電纜的絕緣性能就會呈現(xiàn)不同程度地劣化。目前，局部放電檢測公認(rèn)為是一種最有效的絕緣診斷方法[1]。國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜局部放電現(xiàn)象與其絕緣狀況密切相關(guān)，是定量評估電纜絕緣狀況的重要指標(biāo)，如電纜絕緣介質(zhì)的樹枝化初期，局部放電量約0.1 pC；當(dāng)樹枝發(fā)展到介質(zhì)擊穿臨界狀態(tài)時(shí)，其局部放電量可達(dá)到1 000 pC[2]。

電力系統(tǒng)帶電檢測技術(shù)的發(fā)展，為電纜的狀態(tài)檢測提供了新的方法。在線檢測和離線檢測互相補(bǔ)充、結(jié)合使用才能夠更為有效地實(shí)現(xiàn)電力電纜局部放電全過程的檢測。

1 電纜局部放電的產(chǎn)生及檢測

國際大電網(wǎng)會議調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，絕緣故障占電纜主要故障的65%以上，局部放電造成的絕緣故障占絕緣故障的58.3%以上。

1.1 電纜局部放電的產(chǎn)生

局部放電是絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部的重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象。這種放電發(fā)生在絕緣缺陷處，在局部放電發(fā)生的初期一般不會影響絕緣能力，但是，設(shè)備在電壓作用下長期發(fā)生局部放電會慢慢損壞絕緣，縮短絕緣的使用壽命。絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)一般會伴隨電脈沖、電磁波放射、光、熱、聲、噪音等現(xiàn)象，這些伴隨局部放電存在的現(xiàn)象為局部放電的檢測提供了依據(jù)。

1.2 局部放電的檢測方法

離線檢測最基本的方法是脈沖電流法，現(xiàn)場離線局部放電測試，如果電纜與附件的局部放電水平與出廠測試結(jié)果相當(dāng)，則表明電纜系統(tǒng)處于比較好的狀態(tài)。在線檢測主要手段有：脈沖電流法、超高頻法、高頻電流法、超聲波法/聲發(fā)射法等[3]。

本文電力電纜局部放電離線、在線檢測基本原理均采用脈沖電流法。脈沖電流法是IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的局部放電測試方法，且為公認(rèn)最靈敏的檢測方法，所以，電力電纜局部放電檢測廣泛運(yùn)用該測量方法。

2 電力電纜局部放電離線檢測

電力電纜在加壓情況下發(fā)生局部放電時(shí)，兩端會產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的電壓變化，此時(shí)經(jīng)過一耦合電容耦合到檢測阻抗上，回路中就會產(chǎn)生脈沖電流，將脈沖電流流經(jīng)檢測阻抗產(chǎn)生的脈沖電壓予以采集、放大和顯示處理，就可測定局部放電的基本量。局部放電離線檢測原理如圖1所示。

圖1 局部放電離線檢測原理圖

變頻電源通過頻率調(diào)節(jié)導(dǎo)致諧振電抗器與被測電纜的分布電容產(chǎn)生諧振，勵磁變壓器用于將變頻電源的額定輸出電壓進(jìn)行預(yù)升壓，諧振條件下，在被測電力電纜上可以獲得輸入電壓數(shù)倍的試驗(yàn)電壓，使得被測電力電纜的絕緣薄弱部位發(fā)生局部放電。阻塞阻抗和電容式分壓器、耦合電容構(gòu)成試驗(yàn)回路中的π形濾波器模塊，阻塞高頻局部放電信號流向變頻電源所在的支路和變頻電源產(chǎn)生的高頻干擾信號流向檢測阻抗所在的支路傳播。電容式分壓器將試驗(yàn)電壓分壓，用于試驗(yàn)電壓的測量或反饋控制。

檢測過程中采用脈沖反射法對電纜長度進(jìn)行測量，通過后臺分析評估軟件對信號的處理、分析，計(jì)算出放電信號的幅值、相位，以及脈沖序列之間的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)局部放電信號的測量和定位。

電源干擾問題是制約局部放電現(xiàn)場測量精度的瓶頸，本系統(tǒng)采用專用的π形濾波器消除高壓試驗(yàn)電源及局部放電信號的交叉干擾。能夠有效阻塞高壓試驗(yàn)電源產(chǎn)生的高頻干擾信號流向檢測阻抗所在的支路，而且顯著降低高壓電源支路對高頻局部放電信號的分流，提高測量的靈敏度。目前，通過采用一系列軟、硬件上的抗干擾和信號調(diào)理措施，可以檢測出小于5 pC的局部放電。

3 電力電纜局部放電在線檢測

若絕緣電纜本體或附件絕緣中存在缺陷，那么該點(diǎn)的電場場強(qiáng)將增強(qiáng)，當(dāng)其超過所處絕緣介質(zhì)的耐電強(qiáng)度時(shí)就會發(fā)生局部放電并產(chǎn)生500～30 000 kHz頻率的高頻脈沖信號，在電纜線路的回路中沿著電纜的屏蔽層傳播。通過高頻電流互感器在電纜外層屏蔽的接地線上可以耦合到放電產(chǎn)生的高頻脈沖信號，高頻電流互感器與高壓回路采用磁耦合，沒有物理電路的連接，檢測安全程度較高，對電纜的傳輸性能無影響，檢測脈沖電流信號不失真。局部放電在線檢測原理如圖2所示。

圖2 局部放電在線檢測原理圖

高頻電流傳感器可以卡繞在接地線之上的每個(gè)線芯上，也可以卡繞在接地線上。

對帶有屏蔽鎧裝的電纜，由于屏蔽鎧裝層使得放電脈沖電流的切向分量產(chǎn)生軸向附加磁場，可通過高頻電流傳感器線圈中凈磁通的大小判斷局部放電量。采用這種方法測量對電纜的傳輸性能無影響，能測到不失真的脈沖信號。高頻電流傳感器對低頻分量不靈敏，配合噪聲傳感器閥值控制技術(shù)可有效控制高頻干擾信號。

4 電力電纜局部放電全過程監(jiān)測

電纜狀態(tài)的全過程監(jiān)測可分為交接、運(yùn)行和停電診斷性試驗(yàn)三個(gè)階段。

在電纜交接試驗(yàn)時(shí)，采用離線檢測系統(tǒng)配合交流耐壓試驗(yàn)進(jìn)行絕緣狀態(tài)評估，如果發(fā)現(xiàn)局部放電存在則立即進(jìn)行局部放電分析，進(jìn)行局部放電故障類型識別和故障點(diǎn)定位，根據(jù)故障情況采取相應(yīng)的替換或維修措施；若電纜通過交流耐壓試驗(yàn)且未發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，則可投入運(yùn)行。

在電力電纜運(yùn)行階段，利用在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行快速巡檢，如發(fā)現(xiàn)局部放電量但還未超過標(biāo)準(zhǔn)值，則需對此電纜密切關(guān)注，縮短檢測周期；當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部放電量已經(jīng)嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)值，需進(jìn)行有計(jì)劃停電檢修時(shí)，利用離線檢測系統(tǒng)確定電纜絕緣薄弱環(huán)節(jié)，如果未發(fā)現(xiàn)局部放電，則按照正常情況定期巡檢。

在電纜停電診斷性試驗(yàn)階段，可通過離線系統(tǒng)配合交流耐壓試驗(yàn)檢測電力電纜的絕緣狀態(tài)，定位和替換電纜絕緣的老化點(diǎn)，提高檢修工作的針對性，確保電纜繼續(xù)可靠運(yùn)行。

5 電力電纜局部放電評估系統(tǒng)

通過系統(tǒng)檢測回來的局部放電信號，需經(jīng)過后臺評估系統(tǒng)的處理。后臺評估系統(tǒng)完成試驗(yàn)過程的監(jiān)測，測量數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理，數(shù)據(jù)文件的管理，測量報(bào)表生成等。評估系統(tǒng)充分考慮了國內(nèi)用戶開展電力電纜交接和預(yù)防試驗(yàn)的實(shí)際做法和需求，將交流諧振試驗(yàn)、局部放電檢測和故障定位整合在一起。

5.1 試驗(yàn)電壓波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測

試驗(yàn)過程狀態(tài)參數(shù)電壓、頻率、試驗(yàn)時(shí)間等的實(shí)時(shí)監(jiān)控；起始電壓與熄滅電壓測量，記錄局部放電達(dá)到超過和低于規(guī)定限值時(shí)的試驗(yàn)電壓。

5.2 局部放電信號的檢測與分析

局部放電信號的幅值、相位與次數(shù)測量，可以通過局部放電的多維圖譜顯示，例如極坐標(biāo)圖Polar、Sine-Phase、N-Phase、Q-Phase以及 N-QPhase等。

5.3 現(xiàn)場自動診斷和評估

為了解決局部放電現(xiàn)場測量常見的“測量和診斷”體系分離問題，提高現(xiàn)場工作人員對局部放電數(shù)據(jù)的分析能力，系統(tǒng)后臺軟件還對局部放電測量數(shù)據(jù)特征值進(jìn)行了實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，并采用高級智能算法，結(jié)合專家知識庫對電纜絕緣狀況進(jìn)行有效地診斷和評估，直接為工作人員提供建設(shè)性的指導(dǎo)意見。

圖3 電力電纜局部放電正弦圖譜

圖3清晰表明局部放電主要發(fā)生在0～90℃相位和180～270℃相位，且發(fā)生在180～270℃相位的局部放電幅值較高，較為頻繁。另外，在測試結(jié)果的各類圖譜中，可以利用三維圖譜將每周波的局部放電情況表現(xiàn)出來，通過統(tǒng)計(jì)和圖譜顯示形成“指紋”，有利于對電纜局部放電類型做出判斷。

6 結(jié)論

通過局部放電測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電纜絕緣狀態(tài)的定量評估和診斷，彌補(bǔ)傳統(tǒng)耐壓試驗(yàn)技術(shù)僅能對電纜絕緣性能進(jìn)行定性評估的不足，通過行波定位技術(shù)確認(rèn)電纜的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)，定期對電力電纜進(jìn)行帶電檢測，通過后臺評估系統(tǒng)對局部放電信號進(jìn)行處理并分析。綜合離線和在線檢測結(jié)果，得到全面完善的電力電纜狀態(tài)評價(jià)報(bào)告，為電力電纜的有計(jì)劃更換和現(xiàn)場檢修提供指導(dǎo)。

［1］ 韋永忠，沈海平.電力電纜局部放電帶電檢測技術(shù)及其應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（1）：61-62.

［2］ 陸志雄，沈諒平.XL PE電力電纜局部放電檢測技術(shù)綜述［J］.湖北電力，2004，28（4）：26-28.

［3］ 孫波，黃成軍.電力電纜局部放電檢測技術(shù)的探討［J］.電線電纜，2009（3）：38-40.

Whole Process Detecting System of Power Cable Partial Discharge

ZHANG Hai1，WANG Tian-zheng1，Yu Jia2
（1.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.North China Electric Power Vuniversity，Beijing 102206，China）

Off-line partial discharge detection and on-line detection have their advantages and disadvantages respectively.This paper adopts the detecting methods of both off-line and on-line partial discharge to realize whole process detecting of power cable state.The method combines AC resonant withstand voltage test techniques with partial discharge measurement,positioning and diagnostic techniques，based on which,the level of partial discharge of power cable can be detected and the vulnerable insulation areas can be positioned.According to actual detection，the technique has a good effect on state detection of power cable.

power cable；partial discharge；whole process detecting；state inspection

TM247；TM855

A

1671-0320（2012）04-0026-03

2012-02-21，

2012-06-19

張 海（1980-），男，山西榆次人，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事電氣設(shè)備在線檢測及故障診斷工作；

王天正（1965-），男，山西應(yīng)縣人，1987年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電機(jī)工程專業(yè)，高級工程師，從事高電壓技術(shù)研究及電氣設(shè)備診斷分析工作；

于 嘉（1990-），女，吉林扶余人，2009級華北電力大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)在讀。