基于高頻脈沖電流的風電場集電電纜帶電檢測研究

蔡高原

摘 要：隨著可再生能源的興起，風力發電得到迅速發展。集電電纜作為風力發電系統的重要組成部分，研究其帶電檢測方法，對提高集電電纜的運行可靠性具有重要意義。本文基于電纜接地線高頻脈沖電流對集電電纜開展局部放電帶電檢測，判斷集電電纜的絕緣健康狀況和運行狀態，以此來提高其運行可靠性。在對某風電場一號集電電纜進行局部放電帶電檢測時發現了局部放電缺陷，并對現場進行檢查，確認電纜接頭存在局部放電現象。

關鍵詞：風電場；集電電纜；局部放電；帶電檢測

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0137-03

Study on Electrification Detection of Wind Farm Cable

Based on High Frequency Pulse Current

CAI Gaoyuan

（China Datang Group Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.， Huazhong Branch，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： With the rise of renewable energy， wind power has been developing rapidly. As an important part of the wind power generation system， the research of live detection method is very important for improving the reliability of the power cable. In this paper， based on the high frequency pulse current of the cable grounding wire， the local discharge charged detection of the electric cable was carried out to judge the insulation health status and running state of the electric cable， in order to improve its operation reliability. The partial discharge defect was found when the partial discharge charged in a wind electric field 1 electric cable was detected， and the field was checked to confirm the partial discharge of the cable joint.

Keywords： wind farm；electric cable；partial discharge；live detection

風電場集電電纜一般采用交聯聚乙烯電纜（XLPE）。但XLPE電纜在運行過程中存在較多問題，除外力破壞、自然災害外，其故障原因還表現為電纜本體、附件的出廠質量較差及安裝敷設工藝欠佳。此外，電纜本體絕緣的樹枝老化和附件因外界因素受潮等，也會使得XLPE電纜在運行過程中出現故障。同時，隨著的環境變化和負荷的積累也會加劇電纜老化[1]。集電電纜是風場發電過程中的重要設備，如果風電場集電電纜發生嚴重放電、絕緣擊穿等故障，將會直接導致所帶多臺風機非計劃停運，從而嚴重影響風電場的供電可靠性和經濟性。

目前，發電企業的檢修大致包括故障檢修、定期檢修和狀態檢修。狀態檢修作為全生命周期的預防性檢修，正在逐步替代以缺陷治理為主的故障檢修和定期檢修。狀態檢修就是根據設備運行過程中的關鍵參數來識別判斷其運行狀態或運行劣化趨勢，可在設備不停運的情況下對其進行狀態評估。狀態檢修能將設備的可用程度發揮到最佳狀態。如何實現風電場的狀態檢修，尤其是風電場集電電纜的狀態檢修是本文研究的重點。

本文在電纜絕緣監測的基礎上，提出基于高頻脈沖電流的交聯聚乙烯電纜局部放電帶電檢測方法，作為評價集電電纜狀態檢修的重要手段。通過跟蹤監測集電電纜的絕緣狀況，分析判斷絕緣的劣化趨勢，實現風電場集電電纜的狀態評估，保證風電場運行的可靠性和經濟性。

1 電纜帶電檢測概述

1.1 局部放電的產生機理

當電纜本體、接頭或終端中的主絕緣存在空穴、氣泡和雜質等不純的物質時，相當于主絕緣中存在一個雜質電容，在電纜導體通過高壓交流電時，會對雜質電容進行充電，當電壓達到介質的擊穿電壓時，雜質電容間便發生一次擊穿放電。如此反復地進行充電和擊穿放電，其產生的熱量會使主絕緣碳化，長期下去，主絕緣便會不斷碳化變薄，從而導致主絕緣容易被擊穿，產生接地故障[2]。

1.2 帶電檢測概述

電纜出現局部放電時會對電纜的絕緣和電能的傳輸產生巨大危害，局部放電長期發展會導致電纜產生嚴重的絕緣缺陷。電氣設備的絕緣劣化、缺陷發展，都有一定的發展過程。在這期間，絕緣會發出反映絕緣狀態變化的各種物理化學信息，通過對這些信息進行綜合處理，就可以判斷設備的可靠性，并預測絕緣壽命，必要時提供預警或預防措施[3]。

本文通過采集電纜內部放電瞬間產生的高頻脈沖電流信號，并將脈沖電流信號傳入局部放電分析儀進行分析判斷，實現電纜局部放電的帶電檢測[4]。利用局部放電帶電檢測技術對可能存在局部放電現象的電纜進行跟蹤觀察，能有效地監測局部放電的發展趨勢，便于制定相應的方案消除隱患[5]。

2 帶電檢測方案

圖1為風電場集電電纜帶電檢測方案。

集電電纜的帶電檢測方案采用高頻脈沖電流（HFCT）法。當電纜內部發生放電的瞬間，會產生一個高頻的脈沖電流，高頻脈沖電流通過線芯與金屬護套（鎧裝）之間的電容，由高電位的線芯流到低電位的金屬護套（鎧裝）上，并且通過電纜中間接頭或終端處的接地線流入大地，通過嵌套在中間接頭或終端處接地線上的高頻電流互感器（High Frequency Current Transformer，HFCT）采集高頻電流信號，經過控制單元進行信號濾波、放大、檢波等處理。處理后的信號被傳輸至采集單元終端進行AD變換、記錄，最終得到局部放電波形。其信號流流程框圖如圖2所示。

3 測試案例分析

3.1 測試案例

對某風電場35kV集電電纜終端進行帶電檢測，利用電纜局部放電檢測系統進行高頻脈沖電流法檢測。在檢測過程中，信號傳感器卡裝于集電電纜終端頭的接地線上，以耦合其內部局部放電產生的行波電流信號；噪聲傳感器耦合空間的各類特高頻（Ultra High Frequency，UHF）干擾信號。通過多次測量分析放電的幅值特征、頻率特征、相位分布局部放電（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD圖譜）及相位分辨脈沖序列（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS圖譜）等，以推斷集電電纜的絕緣缺陷情況。

3.2 測試結果

圖3是被測風電場一號集電電纜局部放電測試波形圖。從波形圖可以看出，局部放電波形圖存在明顯的對稱性，放電信號具有連續性，波形具有明顯的脈沖特性，且放電數值較大，該組電纜存在明顯放電特征的信號。

圖4是被測風電場一號集電電纜局部放電測試的幾種特征圖譜，從PRPD圖、Q-[?]圖及PRPS圖可以看出，局部放電信號集中在相位0°～90°和180°～270°，放電信號集中且對稱，存在明顯的對稱性，放電信號具有連續性，波形具有明顯的脈沖特性，且放電數值較大，判斷該測試電纜存在明顯放電特征的信號。

帶電檢測過程中采用橫向對比分析法，同時對相鄰的二號集電電纜進行局部放電帶電檢測，觀察相同運行環境下其他集電電纜的局部放電情況。圖5是被測風電場二號集電電纜局部放電測試波形圖，圖6是被測風電場二號集電電纜局部放電測試的幾種特征圖譜。從圖5和圖6可以看出，二號集電電纜放電波形幅值明顯小于一號集電電纜，放電波形無明顯放電脈沖，各放電特征圖中無明顯放電特征。

通過對一號集電電纜放電特征圖譜進行分析，同時對比二號集電電纜放電特征圖譜，判斷一號集電電纜存在明顯的放電現象。

3.3 現場檢查

經現場檢查發現，一號集電電纜故障點為電纜接頭，在接頭處發現明顯的放電痕跡（見圖7）。對電纜接頭進行解體，發現電纜頭中有水漬，存在進水現象，導致電纜接頭處放電。電纜接頭進水的主要原因是電纜接頭制作工藝不良，密封不嚴，使得電纜頭中間存在空隙，造成電纜頭滲水。在對放電的電纜接頭按照標準工藝重新進行制作后，重新投運一號集電電纜，投運后多次對該電纜的局部放電帶電進行檢測，多次檢測數據均正常。

4 結論

①基于寬帶高頻脈沖電流法的局部放電檢查帶寬、頻帶高，能夠通過脈沖信號進行多源識別，非常有利于局部放電的測量。

②通過放電波形圖、PRPD及PRPS等多種放電特征圖，同時采取橫向對比分析法，綜合分析確定被測電纜的局部放電情況，判斷結果準確有效，利于通過定期檢測判斷被測電纜的絕緣變化情況，能及時發現絕緣缺陷。

③通過對多個風電場集電電纜局部放電檢測及現場驗證，發現多條電纜存在局部放電情況，證明寬帶高頻脈沖電流法用于風電場集電電纜的局部放電檢測行之有效，具有較高的現場應用價值，能很好地為風電場的狀態檢修提供技術依據。

參考文獻：

[1]王備貝.電力電纜絕緣缺陷檢測方法的研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[2]李鶴南.高壓電纜接頭局部放電檢測方法[D].北京：華北電力大學，2011.

[3]杜言.交聯聚乙烯電纜局部放電在線監測及定位研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[4]江秀臣，蔡軍，董小兵，等.110kV及以上電壓等級交聯電纜在線監測技術[J].電力自動化設備，2005（8）：13-17.

[5]胡洪飛.基于接地線電流法的電力電纜絕緣在線監測的研究[D].武漢：武漢大學，2004.