振蕩波缺陷定位系統(tǒng)的無暈設(shè)計(jì)

趙　鯤, 郭鈺靜

(中國長江電力股份有限公司 葛洲壩電廠，湖北宜昌443002)

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振蕩波缺陷定位系統(tǒng)的無暈設(shè)計(jì)

趙鯤, 郭鈺靜

(中國長江電力股份有限公司 葛洲壩電廠，湖北宜昌443002)

摘要：目前振蕩波裝置在試驗(yàn)過程中非電纜本體的電暈放電容易引起電纜缺陷的誤診斷。為了有效減小外接裝置引入的局部放電，增加試驗(yàn)中局部放電識別的準(zhǔn)確性，采用對電纜終端建立電場仿真模型的方法，探究振蕩波系統(tǒng)中的強(qiáng)電場區(qū)域，針對仿真結(jié)果，對電纜本體以外強(qiáng)電場區(qū)域進(jìn)行了無暈處理，包括油浸電纜終端頭、使用蛇皮管導(dǎo)線、套接均壓環(huán)等改進(jìn)方式，進(jìn)而，對真實(shí)電纜進(jìn)行了缺陷定位試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無暈設(shè)計(jì)后，采集到的干擾信號大幅減少，缺陷識別準(zhǔn)確性顯著提高。通過研究發(fā)現(xiàn)，振蕩波系統(tǒng)的無暈設(shè)計(jì)是提高定位精度的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：振蕩波系統(tǒng)；缺陷定位；無暈設(shè)計(jì)；局部放電

0引言

隨著國內(nèi)大中城市現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展，交聯(lián)聚乙烯電纜(簡稱 XLPE 電纜)因其電氣性能優(yōu)越，物理特性穩(wěn)定的特點(diǎn)，為城市輸電通道節(jié)省了大量空間，進(jìn)而成為國內(nèi)配網(wǎng)系統(tǒng)主要送電工具[1]。然而，隨著固體絕緣材料長期投運(yùn)后的老化，保障 XPLE 電纜供電可靠性具有更大的挑戰(zhàn)，在電纜故障前發(fā)現(xiàn)缺陷并排除一直是輸電運(yùn)行維護(hù)中的努力方向。

振蕩波電源具有帶動大容量試品，對電纜絕緣損傷小的優(yōu)勢，其技術(shù)與近年來廣泛應(yīng)用的時域反射法(TDR)思想結(jié)合，形成了用以長電纜缺陷定位的振蕩波測試系統(tǒng)(OWTS)。該診斷方式在交聯(lián)聚乙烯電纜現(xiàn)場試驗(yàn)中已逐漸被認(rèn)可。同時國內(nèi)外學(xué)者針對應(yīng)用過程中面臨的問題作出大量研究，同時國內(nèi)外學(xué)者針對應(yīng)用過程中面臨的問題作出大量研究，如文獻(xiàn)[2-5]大量研究了振蕩波激發(fā)電纜不同類型缺陷的局部放電特征，以及現(xiàn)有裝置在工程應(yīng)用中的效果，驗(yàn)證了振蕩波試驗(yàn)與傳統(tǒng)耐壓試驗(yàn)的等效性。文獻(xiàn)[6-9]考慮到難以精確確定行波傳播速度，從多個角度提出了減小波速計(jì)算誤差的方法。這些研究使得目前振蕩波裝置在信號提取、模式識別等方面取得突出進(jìn)展，然而，在實(shí)際對OWTS應(yīng)用過程中，振蕩波裝置與電纜終端之間難以保證無暈設(shè)計(jì)，以致試驗(yàn)過程中終端附近發(fā)生大量局部放電，淹沒了電纜本體中缺陷處的局部放電，使得大量無用數(shù)據(jù)存入采集系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)電纜本體缺陷的準(zhǔn)確定位。

本文從硬件優(yōu)化的角度對振蕩波測試系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，利用仿真軟件對電纜終端附近區(qū)域建立電場仿真，針對電場較強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行無暈設(shè)計(jì)，并對實(shí)際電纜進(jìn)行振蕩波試驗(yàn)驗(yàn)證。

1振蕩波測試系統(tǒng)工作原理

1.1振蕩波諧振原理

振蕩波電纜局部放電定位裝置如圖1。直流電源能夠產(chǎn)生10～25 kV的電壓，測試電纜與特定電感值的諧振電感形成諧振回路，高壓固體開關(guān)控制系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。

圖1　振蕩波裝置圖

諧振是由R，L，C3種元件組成的串聯(lián)電路。通過分析R，L，C串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時電路的特性來產(chǎn)生理想的振蕩波電壓。其諧振頻率為：

(1)

串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路自身的兩個參數(shù)電感L與電容C決定的，與其他的外部條件無關(guān)。高壓開關(guān)閉合后，試品的等效電容與諧振電感構(gòu)成串聯(lián)諧振，電路中的能量僅通過回路電阻損耗，在沒有持續(xù)的能量供應(yīng)情況下，振蕩電壓不斷衰減，稱為阻尼振蕩。

1.2振蕩波平臺中的局部放電

IEC60270指出：局部放電是指在高電場作用下，高壓設(shè)備的絕緣介質(zhì)發(fā)生在電極之間的未貫穿的放電。局部放電在絕緣介質(zhì)內(nèi)部或表面產(chǎn)生重復(fù)性的擊穿和熄滅，局部放電在放電初期不超過5 pC，信號被噪聲淹沒，甚至專業(yè)測量設(shè)備也難以發(fā)現(xiàn)，但在長期放電過程中，絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率會發(fā)生改變，致使電場畸變，放電規(guī)模擴(kuò)大，最終導(dǎo)致形成樹枝并導(dǎo)致?lián)舸_(dá)到擊穿邊緣時放電量可超過1 000 pC。局部放電按照放電位置可分為3種：發(fā)生在絕緣內(nèi)部的內(nèi)部放電；發(fā)生在絕緣體表面的表面放電；發(fā)生在導(dǎo)體尖端附近的電暈放電[10]。

在振蕩波測試裝置中，產(chǎn)生局部放電區(qū)域主要分為電纜本體局部放電和電纜以外區(qū)域的局部放電，在現(xiàn)場預(yù)防性試驗(yàn)中，操作人員只需要關(guān)注電纜本體內(nèi)的局部放電，從而實(shí)現(xiàn)缺陷定位，達(dá)到預(yù)防性試驗(yàn)的目的，然而振蕩波電源與電纜終端連接區(qū)域處理不當(dāng)容易產(chǎn)生電暈放電，大量終端頭位置的放電信號傳入電纜中，使得采集得到的信號中，電纜本體放電信號極少，定位準(zhǔn)確性大大降低。

電暈放電通常被認(rèn)為是極不均勻的電場在氣息擊穿的初始過程，同時也被認(rèn)為是長期存在的穩(wěn)定放電的形式，通常發(fā)生在電極或懸浮電位的尖端而不發(fā)生在絕緣介質(zhì)內(nèi)部，這種放電將電離自恢復(fù)絕緣的空氣而對絕緣的破壞作用很小。空氣擊穿空間電場強(qiáng)度E是由電場決定的，由矢量分析可知，空間電場強(qiáng)度可以由電勢φ的梯度表示[11-13]，即

(2)

電場的大小是由電勢對空間的梯度，在表面介質(zhì)不均勻、曲率半徑小的高壓導(dǎo)體附近，局部區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)強(qiáng)電場，該區(qū)域周圍空氣在強(qiáng)電場作用下電子被激發(fā)成為游離態(tài)形成電暈。而實(shí)際現(xiàn)場中振蕩波裝置與被測電纜之間的連接區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)的薄弱點(diǎn)，缺少有效的無暈措施。

2振蕩波系統(tǒng)的無暈設(shè)計(jì)

2.1電纜終端電場仿真

針對振蕩波裝置與電纜連接區(qū)域出現(xiàn)的電暈放電現(xiàn)象，本文重點(diǎn)對纜芯末端、線夾尖端區(qū)域進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對裝置進(jìn)行無暈設(shè)計(jì)。文章對纜芯接頭位置建立三維仿真模型，實(shí)驗(yàn)研究對象為中壓電纜線路中常用的95 mm截面8.7/15 kV鋁芯電纜，該終端與振蕩波電源連接方式如圖2所示，并進(jìn)行電場計(jì)算[14]。

圖2　電纜接頭處三維模型

圖3　電纜接頭區(qū)域電場分布

仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)纜芯電壓取值到10 kV，在電纜終端、線夾尖端和連接導(dǎo)線3個區(qū)域電場強(qiáng)度較高，其中，實(shí)驗(yàn)用的連接導(dǎo)線截面僅為4 mm，存在30 kV/cm及以上的高場強(qiáng)，線夾表面的電場強(qiáng)度平均能達(dá)到25 kV/cm，而其中較為尖銳部位可能存在更高電場，電纜終端通常是電纜的薄弱區(qū)域，不僅可能發(fā)生電暈放電，還能夠沿剝離的主絕緣表面向接地屏蔽層放電。

在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的游離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現(xiàn)電暈放電。空氣游離場強(qiáng)電場受空氣濕度與氣壓等因素影響較大，通常不超過30 kV/cm[15]。由于只要電場強(qiáng)度超過空氣游離場強(qiáng)，電暈放電就將持續(xù)進(jìn)行，因此放電相位集中在90°與270°區(qū)間，并且存在的極性效應(yīng)。當(dāng)電纜本體以外發(fā)生電暈放電，振蕩波裝置將其誤識別并定位在電纜首端或末端附近，嚴(yán)重影響振蕩波裝置的定位精度。

圖4　均壓環(huán)設(shè)計(jì)圖

2.2無暈平臺設(shè)計(jì)

振蕩波裝置與電纜接頭連接區(qū)域設(shè)計(jì)如圖4所示，通過擴(kuò)大接觸點(diǎn)和連接導(dǎo)線的表面積，能夠呈平方倍的減小導(dǎo)體表面的電場強(qiáng)度，從而消除電暈，電纜終端與振蕩波裝置用直徑為50 mm的蛇皮導(dǎo)管連接，接頭處采用鋁制均壓環(huán)固定，極大增加接觸點(diǎn)的曲率半徑，其較為尖銳的部分被均壓環(huán)包納在內(nèi)部，由于兩者屬于等勢體，其內(nèi)部的電場強(qiáng)度為零，將不存在電暈放電。

對于電纜終端頭區(qū)域，可以通過增加介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的方式提高終端頭局部放電起始電壓，本文根據(jù)10 kV電纜絕緣水平設(shè)計(jì)了油終端裝置如圖5所示，其纜芯直接與油終端底部鋁質(zhì)電極接觸，利用均壓環(huán)與蛇皮導(dǎo)管連接，導(dǎo)體上方絕緣層外利用螺絲與上電極固定，上電極與地線連接保證其上部區(qū)域零電勢，保持線芯豎直懸空，并在玻璃罩中25號變壓器油，使得電纜終端頭被油完全淹沒，國標(biāo)GBT 7595-2008要求：“新出廠的25號變壓器油擊穿電壓(間距2.5 mm)不小于35 kV”，其絕緣強(qiáng)度能夠達(dá)到140 kV/cm，比空氣絕緣強(qiáng)度(30 kV/cm)大數(shù)倍[16]，采用油終端的方式可以較好地抑制終端頭的局部放電。

圖5　油終端設(shè)計(jì)

3試驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)選用德國OHV電纜振蕩波局放測試系統(tǒng)，利用上文所設(shè)計(jì)的均壓環(huán)和蛇皮管連接電纜首端，并使末端懸空不接，試品電纜為100 m長YJLV-22型交聯(lián)聚乙烯三芯電纜，等效電容為0.024 μF，距電纜首段60 m位置預(yù)置一處外半導(dǎo)破損缺陷。實(shí)驗(yàn)采用逐級升壓方式，分別升至0.5U0,U0,1.3U0,1.5U0以及1.7U0，放電效果不明顯，減小裝置諧振回路電阻，并將振蕩波電壓升值2U0，在振蕩波前幾個周波觀察到放電現(xiàn)象，分別測量振蕩波電壓與局部放電信號如圖6所示，振蕩波的頻率為120 Hz，局部放電信號集中分布在1，3象限，放電量不均勻，其中，在一象限放電量大、次數(shù)少，三象限放電量小、次數(shù)多，屬于典型的表面放電。

圖6　實(shí)驗(yàn)所測局部放電

采集儀器采集到數(shù)據(jù)后，分析定位結(jié)果如圖7，所有缺陷點(diǎn)集中在61 m附近區(qū)域，其比實(shí)際位置超出1 m，其原因是定制的蛇皮連接導(dǎo)管增加了電纜長度，從定位點(diǎn)的分布情況看來，沒有在電纜首段或末端測試到缺陷，說明本文提出的無暈設(shè)計(jì)有效消除了電纜終端的放電。

圖7　振蕩波定位結(jié)果

4結(jié)論

本文通過在實(shí)際振蕩波試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出對系統(tǒng)接頭處的無暈設(shè)計(jì)，并對實(shí)際振蕩波裝置進(jìn)行了改進(jìn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無暈化處理后，振蕩波裝置的定位結(jié)果會出現(xiàn)1 m左右的偏差，但能夠有效消除電纜連接區(qū)域的電暈放電，提高測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對振蕩波裝置現(xiàn)場的應(yīng)用起到重要作用。

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The Non-corona Design of the Oscillating Wave Defect Location System

ZHAO Kun， GUO Yujing

(China Yangtze Power Co., Ltd., Gezhouba Hydropower Plant, Yichang 443002, China)

Abstract：At present, the corona discharge not from cable itself is easy to cause mistake when diagnoses the cable defects with oscillating wave system. In order to reduce partial discharge from the external device effectively, and increase the accuracy of PD recognition, this paper establishes an electric field simulation model, and explores the strong electric field in the oscillating wave system. According to the simulation results, proposes non-corona treatment in strong electric field, such as oil filled cable terminal, using snakeskin conduit, improving grading ring. Furthermore, the defect location experiment of the actual cable is carried out. According the results, the interference signal is greatly reduced, and the accuracy is significantly improved. Oscillation wave system non-corona design is the key factor to improve the positioning accuracy.

Keywords：oscillating wave system；defect localization；non-corona design；partial discharge

收稿日期：2016-04-08。

作者簡介：趙鯤(1981-)，男，工程師，主要從事電氣一次設(shè)備的試驗(yàn)、檢修、維護(hù)等方面的技術(shù)管理工作，E-mail: freak_big@163.com。

中圖分類號:TM731

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.004