石化企業(yè)電力電纜振蕩波局部放電檢測技術探討

胡海燕

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 引言

XLPE電力電纜(XLPE是一種含有機過氧化物的聚乙烯，有極佳的電氣性能,介質損耗小,有極佳的抗老化特性及超強的耐熱性。)在石油化工裝置中的應用日益廣泛，故障概率也大大增加。電纜的故障通常是由于制造工藝缺陷、安裝質量問題、機械損傷、絕緣受潮或絕緣老化等因素引起，最終導致電纜絕緣擊穿，其薄弱環(huán)節(jié)和故障點主要集中在電纜附件終端頭和中間接頭部位。中國石化多家企業(yè)已經發(fā)現(xiàn)電纜故障隱患較多，設備一旦突發(fā)故障，均能引起不同程度的裝置非計劃停車事故，造成較大的經濟損失。

保證電力電纜安全可靠運行的前提條件就是對電纜絕緣進行檢測，然而由于XLPE電纜絕緣電阻較高，且在交流和直流電壓作用下的電壓分布差別較大，直流耐壓測試后，在電纜本體和缺陷處殘留大量的空間電荷，這些空間電荷在電纜投運后容易造成絕緣擊穿；而采用超低頻(0.1 Hz)電源進行試驗，其測試時間較長，對電纜絕緣損傷較大，并可能引起新的電纜缺陷；串聯(lián)諧振設備體積和重量較大，很難應用于現(xiàn)場檢測。振蕩波局部放電檢測技術的發(fā)展，為XLPE電纜的檢測提供了新的思路，檢測系統(tǒng)體積小、便于搬運，不僅能定量地評估電纜絕緣缺陷的嚴重程度，而且可以精確定位局部放電源的位置，同時加壓時間僅為幾百毫秒，不會對電纜造成損傷。

20世紀80年代，振蕩波局部放電檢測技術首次應用于XLPE電纜局部放電測試中，目前已在德國、新加坡、中國等多個國家應用，基于振蕩波定量的故障判別標準一直是本領域研究的熱點。本文主要針對石化裝置10 kV XLPE電纜振蕩波局部放電檢測技術開展深入實驗研究和現(xiàn)場驗證，可為準確判定電纜局部放電缺陷類型及嚴重程度提供科學依據(jù)。

1 振蕩波局部放電檢測原理

XLPE電纜振蕩波局部放電檢測的原理是，直流電源通過電感對電纜充電，高壓電子開關并聯(lián)在高壓源的兩端，從0 V開始逐步升壓達到預設值，之后快速開關完成直流向交流狀態(tài)的轉換，通過設備電感與被測電纜電容發(fā)生諧振,在被試電纜上產生與工頻近似的阻尼振蕩電壓波，頻率一般在20～500 Hz范圍內，伴隨著絕緣介質中局部放電信號的產生、放電電荷的轉移將在放電回路中形成脈沖電流信號，基于脈沖電流法可測量被檢測設備的局部放電信號，測試視在放電量等數(shù)據(jù)。檢測原理見圖1。

圖1 電纜振蕩波檢測原理示意

局部放電源的定位是在振蕩波加壓測試過程中采用行波定位原理實現(xiàn)。通過對電纜加壓誘發(fā)缺陷部位產生局部放電，同一局部放電脈沖同時向電纜兩端傳播，利用入射波和反射波到達的時間差、脈沖傳播速度和電纜長度計算得到局部放電缺陷的精確位置，原理見圖2。

計算公式如下：

原始脈沖：

(1)

反射脈沖：

(2)

時間差：

(3)

局放源位置：

(4)

圖2 振蕩波局部放電源定位原理示意

2 典型缺陷模型實驗研究

搭建了10 kV XLPE電纜振蕩波實驗平臺，電纜總長度共500 m，實驗平臺見圖3。系統(tǒng)逐級加壓，分別對典型絕緣缺陷進行串聯(lián)諧振、振蕩波對比實驗，同時檢測缺陷處的局部放電特征。

圖3 高壓電纜振蕩波實驗平臺

2.1 典型缺陷模型設計

分別在實驗電纜100 m、300 m位置處人工制作了一種或兩種典型缺陷模型，見圖4。

2.2 串聯(lián)諧振實驗結果及分析

對比了不同缺陷模型的局部放電特征，實驗研究表明：不同缺陷模型的起始放電電壓不同，外半導電層破損、懸浮電極缺陷的起始放電電壓大于1.0U0，其它缺陷的起始放電電壓均小于1.0U0。如表1所示，在同一電壓(1.0U0)下的視在放電量存在一定的差異，其中主絕緣氣泡缺陷放電量最小，為196 pC；外半導電層破損缺陷放電量最大，達1 000 pC。通過對主絕緣氣泡缺陷模型進行串聯(lián)諧振實驗發(fā)現(xiàn)，隨著外加電壓的逐漸升高，放電量隨之升高，提升速度較快，具體實驗數(shù)據(jù)詳見表2。

圖4 電纜典型絕緣缺陷模型

序號缺陷類型起始放電電壓/kV1.0U0視在放電量/pC1主絕緣氣泡缺陷71962主絕緣金屬顆粒缺陷52553纜芯毛刺缺陷85004外半導電層破損缺陷101 0005應力錐錯位缺陷52426懸浮電極缺陷12200

表2 主絕緣氣泡缺陷模型串聯(lián)諧振實驗數(shù)據(jù)

2.3 振蕩波實驗結果分析

對比分析了典型絕緣缺陷的振蕩波與串聯(lián)諧振的起始放電電壓、1.0U0外施電壓下的視在放電量，實驗研究表明：振蕩波與串聯(lián)諧振均可以通過測試局部放電量來檢測電纜的絕緣缺陷，具有一定的等效性，但由于加壓方式與頻率的不同，也存在一些差異；多個缺陷模型振蕩波起始放電電壓接近或略高于串聯(lián)諧振；在同一電壓下(1.0U0)的視在放電量存在一定的差異，其中應力錐錯位缺陷最小，為175 pC；外半導電層破損缺陷放電量最大，達1 260 pC，見表3。

表3 振蕩波試驗中不同缺陷模型的局部放電實驗數(shù)據(jù)

有絕緣缺陷的振蕩波局部放電信號可明顯地出現(xiàn)一對“入射波”和“反射波”，局部放電信號在電纜中的傳播會衰減，因此反射波的幅值均小于入射波；絕緣缺陷處的局部放電信號呈現(xiàn)較集中的“點集合”或“柱狀點集合”規(guī)律；振蕩波可較為準確地定位絕緣缺陷的位置(包括兩處缺陷)，見圖5、圖6。

3 現(xiàn)場應用案例分析

以某企業(yè)電纜線路為例，說明振蕩波系統(tǒng)在現(xiàn)場的應用情況。被測電纜全長2 215 m，中間接頭位置分別為180,570,980,1 470,1 900，2 130 m，共6個。通過振蕩波加壓測試，電纜存在局部放電，如圖7所示，其中C相在570 m處最為明顯，放電量達600 pC，并呈現(xiàn)柱狀點分布，經排查確認，為第二個中間接頭所在位置，通過解剖發(fā)現(xiàn)接頭處存在明顯的放電痕跡。

4 結論

針對石化企業(yè)6～10 kV XLPE電力電纜，通過開展典型絕緣缺陷的串聯(lián)諧振、振蕩波對比實驗研究與現(xiàn)場測試，得出如下結論。

電纜振蕩波局部放電有如下特征：局部放電信號可明顯地出現(xiàn)一對“入射波”和“反射波”，反射波信號有一定的衰減；局部放電信號呈現(xiàn)較集中的“點集合”或“柱狀點集合”規(guī)律，振蕩波可較為準確的定位絕緣缺陷的位置。

圖5 單個絕緣缺陷局部放電信號及位置定位

圖6 兩處絕緣缺陷局部放電信號及位置定位

圖7 電纜絕緣缺陷局部放電檢測典型案例

振蕩波與串聯(lián)諧振在檢測電纜絕緣缺陷時具有一定的等效性，可以通過局部放電量的大小和變化趨勢來綜合判定電纜絕緣缺陷的劣化程度，且振蕩波檢測技術具有測試時間短、設備便攜、可準確定位缺陷位置、不會對電纜造成損傷等優(yōu)勢，在石化企業(yè)具有良好的應用前景。