110 kV電纜中間接頭半導電層缺陷局部放電測試技術研究

項恩新，楊能，王科，徐肖偉，周婉亞，吳琦

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217； 2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065）

0 前言

電纜中間接頭是電力系統的重要組成部分，其運行狀況直接影響到電力系統的穩定性[1-4]。但由于絕緣結構復雜、安裝工藝要求高、運行環境惡劣等原因，電纜中間接頭的故障率遠高于電纜本體[5-8]。局部放電是絕緣缺陷的重要表征，也是促使絕緣劣化的主要原因之一，通過對中間接頭局部放電信號的檢測分析，可對接頭絕緣狀況進行有效評估[9-11]。因此開展高壓電纜中間接頭的局部放電檢測的研究，對提高電纜輸電系統穩定性具有重要意義。

近年來，對電纜及電纜附件的局部放電檢測方法進行了較為深入的研究，針對伴隨局部放電出現的光、噪音、電脈沖、電磁波等現象發展出了光學檢測法、超聲波檢測法、高頻電流耦合法、檢測阻抗法以及超高頻檢測法等局部放電檢測方法[12-14]。但是光學檢測法易受干擾，超聲波信號及超高頻信號在電力電纜中衰減嚴重，給傳感器采集局部放電信號帶來很大困難[15-17]，因此在實際工程中局部放電檢測方法主要采用高頻電流耦合法和檢測阻抗法。

目前各個電力單位在電纜及電纜附件局部放電檢測中所使用的局部放電檢測方法、局部放電檢測裝置以及數據分析方法均不相同，致使帶電檢測數據難以橫向比對，無法形成通用性的局部放電判據。故比較高頻電流耦合法和檢測阻抗法的局部放電特性，為電力運維人員提供可靠準確的局部放電判據變得非常重要。

本文在110kV預制式中間接頭的外半導電層中設置氣隙缺陷，搭建了基于高頻電流耦合法和檢測阻抗法的電纜附件局部放電實驗研究平臺，對兩種檢測方法采集到的局部放電信號的放電譜圖、單次脈沖的時頻域特征進行了對比分析，并對電纜中間接頭局部放電在線監測和離線檢測給出建議。

1 電纜中間接頭氣隙缺陷試驗系統

1.1 試驗回路

搭建220kV電纜預制式中間接頭缺陷如圖1所示試驗系統，通過高頻電流耦合法和檢測阻抗法采集電纜中間接頭中的局部放電信號。兩端YJV-64/110kV型電纜通過硅橡膠預制型單芯直通接頭相連，接頭中設置外半導電層氣隙缺陷。電纜終端通過引流線連接試驗變壓器，電纜中間接頭外屏蔽層良好接地。

圖1 試驗電路連接

局部放電測量使用PD-Check，其帶寬為100 MHz，最高采樣率為200 MSa/s，采用并聯測試回路。通過C1、C2實現分壓器和耦合電容的功能；R為10kΩ保護電阻；Zm為檢測阻抗。當電纜內發生局部放電時，脈沖電流通過外屏蔽層流入大地，HFCT 可感應此時的局部放電脈沖電流，并通過同軸電纜③將感應信號傳輸至局部放電測試分析儀。檢測阻抗法所測信號經同軸電纜①傳送至PD-Check的輸入通道。[18]分壓比為1:3600的耦合電容分壓產生的分壓信號通過同軸電纜②傳輸至Techimp PD-Check的SYNC接口，使得局部放電信號的相位同步。使用中，為了測試安全并提高局部放電測試系統的靈敏度，PD-Check接地端可靠接地。PDCheck與計算機通過交叉網絡通訊線連接，二者通過網絡通訊協議進行通信。在計算機上使用控制軟件PDC_Control控制采集單元遠程、監測時間，瀏覽監測結果，處理采集數據。另外，使用TechImp提供的局部放電統計用PD_processing軟件可以將PD-Check中存儲的數據進行導出并做進一步分析處理。

在試驗前對整套試驗系統進行耐壓及局部放電測試，在220 kV 最高試驗電壓作用下，背景干擾水平不大于10 pC。

1.2 試樣制作

根據實際110kV電纜中間接頭運行條件和現場故障勘察分析，發現在預制式接頭制作、安裝過程中，外半導電層劃傷是電纜中間接頭的常見缺陷。為模擬外半導電層劃傷所引起的氣隙缺陷，將YJJTI-64/110kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜整體預制橡膠絕緣件直通接頭110kV電纜中間接頭在中間位置的半導電層挖出一個圓錐體的小槽，深度為5mm，上直徑為2.5cm，露出增強絕緣，如圖2所示。用酒精擦拭后，在缺陷外部包裹一層寬度為4cm的薄銅箔片，將其壓緊，使其和電纜附件外層半導電接觸良好，最后用絕緣膠帶纏繞薄銅箔片將其固定，再將接地的屏蔽銅網均勻纏繞在接頭上，恢復屏蔽作用。

圖2 實驗制作的半導電層缺陷模型

2 試驗結果及討論

2.1 噪聲剔除

檢測阻抗法采集局部放電脈沖電流信號，其頻帶一般在10～200 kHz之間，通過測試到局部放電視在放電量后，利用放電量與放電相位的相關關系進行譜圖展示，根據相位想關心進行放電類型的識別判斷，但該方法通常將噪聲信號與局部放電信號同時采集，無法通過濾噪手段有效區分或分離，抗噪能力較弱。

圖3 噪聲干擾的剔除

高頻電流耦合法將噪聲信號與局部放電信號采集后，對脈沖波型進行快速傅立葉變換，提取兩個相關量來分析數據，一個是等效時長，再一個是等效頻寬，這樣就可以把所有的脈沖信號進行分離和分類。這種變換首先將局部放電信號標準化，標準化的PD信號表達式如公式（1）所示

進一步計算出關于時間和頻率的函數

公式（2）（3）是公式（1）中s(t)在時域和頻域的標準偏差。s(f)是s(t)的傅立葉變換，t0是標準信號的時間中心，t0表達式是

上面這種轉換將一個PD數字化，這些數字量里保存了信號的時間和頻率信息。通過分類計算，將不同特征的信號分成不同部分，噪聲信號譜圖分布呈散點狀，且相位與外施電壓之間無必然聯系，而局部放電信號則固定在某一個或者某幾個相位上，有著相對固定的相角，由此可以區分出噪聲干擾。

基于以上過程，在放電分布中利用TF分析方法將噪聲信號從放電信號中剔除（如圖4所示），其中紅色的為噪聲信號，黑色為局部放電信號。利用PD Check中噪聲剔除的方法，將兩種檢測手段獲得的數據進行去噪。

2.2 試驗結果

當電壓升高到182.75kV時，檢測阻抗法檢測到局部放電信號，得到的放電信號及單個脈沖時域波形如圖4所示。

圖4 檢測阻抗法采集的數據

當電壓升高到214.42kV kV時，高頻電流耦合法檢測到局部放電信號，得到的放電信號及單個脈沖時域波形如圖5所示。

圖5 高頻電流耦合法采集的數據

實驗過程中發現，在升壓到182.75kV的時候，檢測阻抗法測到明顯的局部放電信號，但是高頻電流耦合法測不到局部放電，直到升壓到214.42kV才出現局部放電信號。可見檢測阻抗法比高頻電流耦合法靈敏。

為方便比較兩者局放特性，將兩種局部放電信息對比于表1。

表1 檢測阻抗法和高頻電流耦合法特征對比

由表1可見，兩種帶電檢測方法差異較大，脈沖電流測得放電較為靈敏，而高頻電流耦合法測得局部放電信號出現衰減。

3 結束語

本文根據實際110kV電纜中間接頭實際運行條件和結合大量現場故障勘察分析，制作了外半導電層氣隙缺陷，來模擬電纜中間接頭的外半導層刀痕缺陷所誘發的放電，搭建電纜中間接頭氣隙缺陷試驗系統，采集了兩種檢測方法獲取的數據，通過分析放電譜圖、單次時域波形和頻域能量分布發現：

1）外半導層刀痕缺陷的放電相位分布在0°和180°處附近，放電能量主要分布在低頻范圍內（0-10MHz），放電信號幅值不超過500mV。為提高測試靈敏度及信噪比，建議在對電纜接頭進行局部放電檢測時選擇帶寬為10MHz左右的傳感器。

2）在同樣的測試環境下，檢測阻抗法測得的局部放電脈沖數遠多于高頻電流耦合法所測得局部放電脈沖數，可見檢測阻抗法的抗干擾能力和檢測靈敏度優于高頻電流耦合法。