基于三路脈沖信號極性鑒別技術的110kV XLPE電纜局放檢測技術

陳騰彪， 鄔 韜， 魏前虎， 李高峰， 鄭曉泉

(1.深圳供電局有限公司，廣東深圳518010;2.西安博源電氣公司，陜西西安710054;3.西安交通大學，陜西 西安710049)

0 引言

我國城市輸配電網中大量采用XLPE電力電纜系統，這種電纜系統在生產、現場安裝和運行中有可能引入缺陷。這些缺陷易產生局部放電(PD)，其中接頭的事故率相對電纜本體更高［1］。由于XLPE等擠塑型絕緣材料耐放電性較差，在局部放電的長期作用下，絕緣材料會不斷老化并最終導致絕緣擊穿，造成嚴重事故［2-4］。因此，選擇合適的帶電檢測方法，對電力電纜及附件的PD進行預防性絕緣監測，是預防電力電纜絕緣擊穿事故的重點發展方向之一。

1 電力電纜中間接頭局部放電帶電測試原理及試驗室驗證

1.1 電纜PD測試的主要方法

國內外關于電纜及接頭局部放電檢測方法的研究報道很多，但由于電纜及接頭局部放電信號微弱，波形復雜多變，極易被背景噪聲和外界電磁干擾噪聲淹沒，所以研究開發電纜及接頭局部放電在線檢測的裝置具有較大難度［5］，根據獲取PD信號方法不同，形成了多種測試PD手段，如差分法、方向耦合法、電磁耦合法、電容分壓法、REDI測量PD法、超高頻電容法、超高頻電感法、超聲波檢測法等［6-7］。

本文采用電感耦合法，利用PD脈沖信號在電力電纜本體及接頭處的傳播特性［8］，用三個高頻電流傳感器(HFCT)的組合極性鑒別技術，來分析判斷PD源的來源。

1.2 三傳感器PD檢測系統結構

本系統由高速采集裝置、數據分析單元和三只HFCT等組成，如圖1所示，三路HFCT信號傳送到采集裝置中進行數字化，然后由數據分析單元進行集中處理、存儲、顯示。

圖1 系統結構圖

每個 HFCT 帶寬 500 kHz～20 MHz，#1、#2、#3傳感器分別卡在電纜接頭的左邊、右邊和交叉互聯線上。系統采樣率為100 Mbps，最長連續采集時間為1 s(50個工頻周期)。高速采集裝置可以三路信號同步采集，利用軟件對脈沖信號頻域進行濾波、小波去噪、相位開窗、閾值截取等分析，最后加以極性判別，并自動生成各種放電譜圖，以此判別電纜接頭中是否含有PD源。

1.3 三路信號極性鑒別技術測試原理

HFCT由羅高夫斯基線圈、匹配電阻等組成，因此傳感器帶有方向性，即同一個PD脈沖電流信號從不同方向穿過兩個傳感器，兩傳感器輸出的脈沖正負極性是相反的，稱為異極性;反之為同極性。

根據110 kV電力電纜自身結構和連接方式，可畫出交叉互聯接頭其中一相的等效電路圖，如圖2所示。L1、R1、L2、R2為電纜線芯及屏蔽層的等效電感和電阻;C1和G1為電纜主絕緣等效電容和導納。長線傳輸時，高頻脈沖電流信號快速衰減，由于電纜自身傳輸特性影響，在接頭處發生反射，如圖2a所示，但反射波比原波的相位滯后，在時域容易分開。本系統測試只關注原波的極性，所以反射波對本系統測試影響可忽略。

當接頭發生PD時，PD脈沖電流沿電纜從放電源向兩端傳輸［9］，穿過#1傳感器和#2傳感器的PD脈沖電流信號極性相反，又因為兩傳感器的線圈繞向一致，所以，兩傳感器輸出脈沖波形極性相反，如圖2a示，從而鑒別出在電纜接頭中出現的PD。PD源信號的量值由安裝在交叉互連線上的#3傳感器獲取，該傳感器接收感應到屏蔽層上，又經交叉互聯線接地的PD信號。保護器的等效電容C3和C4只會改變PD信號電流的路徑，不會影響PD信號的大小(見圖2a)。#3傳感器耦合出脈沖極性與#1傳感器脈沖極性相反，與#2傳感器脈沖極性相同。

圖2 放電信號在電纜接頭部分傳輸路徑圖

如在接頭左端電纜本體輸入脈沖信號，則會在同一個方向穿過#1傳感器和#2傳感器，在兩傳感器輸出脈沖極性相同的信號;由于電纜接頭處為阻抗不均勻點，本體中脈沖信號由交叉互聯線進入大地，所以#3傳感器耦合到的信號脈沖極性與#1傳感器的相同，并與#2傳感器信號同極性，圖2b中虛箭頭代表含有時延和衰減的反射波信號。同樣分析方法，可推出從接頭的右側輸入脈沖在三個傳感器的極性狀況。綜合分析可得出表1。

表1 不同方向脈沖源在三個傳感器的極性關系

由此，可根據三個傳感器輸出信號的極性，準確判斷脈沖來源，明確指出放電源是否來自接頭內部，有效濾除隨機性脈沖干擾。

1.4 三路信號極性鑒別技術的驗證

根據上述技術原理進行試驗檢驗:將兩段30 m、110 kV電力電纜(截面積800 mm2)用絕緣接頭(帶有交叉互聯功能接頭)連接，接頭部分及傳感器放置方式按圖2連接，模擬運行電纜的連接方式。首先用PD脈沖校正器(型號:HAEFELY-K451)在電纜接頭左端輸入幅值為100 pC的PD脈沖信號，得到三個傳感器脈沖極性情況如圖3a;再從電纜本體右端輸入同樣信號，得到脈沖極性情況如圖3b;最后在電纜接頭內部做氣泡缺陷，使在一定電壓下放電產生約100 pC放電源，得到三個傳感器的脈沖極性情況如圖3c;其結果完全符合表1中給出的極性情況，從而說明利用三路傳感器極性，判定PD源是否來自接頭內部的可行性。

圖3 實驗室驗證極性鑒別原理波形

2.現場測試典型案例分析

2.1 被測電纜概況

圖4 現場測試電力電纜一次接線圖

對一條正在運行的110kV XLPE電纜現場進行PD檢測，被測電纜線路概況為:兩端是站內GIS設備，線路全長3.1 km，中間共有5組中間接頭，如圖4所示。其中1號接頭和2號接頭為交叉互連保護接地絕緣接頭，3號接頭為直接接地接頭，4號接頭為保護接地接頭，5號接頭為直連接頭，站內電纜兩終端屏蔽層都是直接接地。利用本監測方法對這條線路的每一個接頭進行詳細帶電檢測，并依據測試數據對每個接頭進行PD評估。

測試結果分析:2號三相接頭都有明顯的內部PD放電脈沖，經過離線進一步分析，最終確認電纜2號接頭C相中存在放電源，建議對其進行更換處理，相關部門隨后進行更換，但是還未實施，2號電纜接頭C相發生了絕緣擊穿，造成一次停電事故，擊穿后照片見圖5。對擊穿后電纜接頭進行切片分析，發現主絕緣中有明顯的電樹枝，后經專家和運行維護人員綜合分析，屬于在現場制作接頭時，施工不慎造成內部少量氣泡或雜質遺留，產生局部放電，經過長期積累，導致絕緣劣化嚴重，內部形成電樹枝并不斷生長，最終導致絕緣擊穿。

圖5 擊穿后電纜接頭照片

2.2 測試過程及數據分析

現場傳感器的連接方式及位置與試驗中保持一致，2號接頭C相測試截圖如圖6a示。對傳感器原始信號做小波分析，應用Mallat算法，設定為10級數濾波，然后再通過 Shrinkage技術進行小波去噪［10-14］，最終得到圖6a波形，可以看出，#1與#2傳感器信號極性相反，#1與#3傳感器信號極性相同，完全符合接頭內部產生放電條件，連續測試50個工頻周期，結合圖6b所示，放電點集中在第一和第三象限，符合內部放電特點，判定接頭存在內部局放放電源。

3 結論

(1)三個傳感器的脈沖極性鑒別方法，能直接判斷帶有交叉互聯線的電力電纜絕緣接頭的高頻脈沖信號的來源，可以較為直觀地指明放電源的來源。

(2)此種檢測局放方式，結合頻域濾波和小波濾波等手段，經過現場的檢驗，能有效剔除隨機性的脈沖干擾，減小誤判概率。

圖6 2號接頭C相測試截圖

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