電力電纜振蕩波局部放電檢測應用

曾澤宇， 段建家， 段肖力， 劉三偉， 黃福勇

(國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

電力電纜線路是城市供電的心臟, 電纜線路的安全穩定運行直接影響到一個城市可靠供電[1-2]。據統計, 2019 年湖南地區35 kV 電纜線路故障跳閘32 次, 跳閘率達到22. 45 次/ (百公里·年)。 電纜附件一直是電纜線路的薄弱環節, 存在安裝質量問題, 主要表現在防水密封不良、 安裝尺寸錯誤、電纜絕緣層處理不當、 導體壓接處理不當等[3-5]。然而, 目前常規的檢測手段如紅外測溫、 交流耐壓等難以有效發現電纜本體和附件絕緣缺陷, 振蕩波局部放電檢測較好地彌補了這一不足。

2017 年, 中國電力科學研究院開展了電纜狀態檢測手段實驗室比對試驗, 模擬了電纜附件安裝缺陷(終端握緊力不足、 接頭主絕緣層刀痕、 接頭導體壓接繞包絕緣帶、 接頭半導電尖端) 與典型運行缺陷(終端電暈、 終端受潮污穢、 接頭進水)。 試驗結果表明, 振蕩波局部放電檢測效率明顯高于工頻耐壓, 該檢測方式有助于發現工頻耐壓方式下難以發現的缺陷。

除此之外, 振蕩波局部放電檢測設備質量輕、加壓時間短(僅幾百毫秒, 屬于無損檢測), 可準確評估電纜局部放電缺陷的嚴重程度、 精確定位電纜局部放電源位置, 容易避開及分辨干擾, 具有廣泛的應用前景[6-7]。 本文針對振蕩波局部放電檢測原理、 現場應用、 局部放電脈沖分析原則進行了深入分析, 并結合現場試驗案例證明了振蕩波局部放電檢測的有效性。

1 振蕩波局部放電檢測原理

1.1 局部放電的激發

振蕩波產生原理如圖1 所示, 整個試驗回路分為兩個部分: 一是直流電源回路, 二是電纜與電感充放電過程, 即振蕩過程, 兩個部分之間通過快速開關實現轉換。 試驗時, 直流電源通過電感對被試電纜充電, 快速開關并聯在直流電源兩端, 當所加電壓逐漸升高到預設值時, 快速開關閉合, 直流電源退出回路, 被試電纜和電感形成LC 阻尼振蕩回路, 產生20～500 Hz 的振蕩波電壓, 激發出電纜缺陷處局部放電信號[8-9]。

圖1 振蕩波產生原理

1.2 局部放電的測量

振蕩波局部放電系統采用的測量方法為脈沖電流法, 其測量原理為: 局部放電過程中產生的脈沖電流經耦合電容的低阻抗通道形成脈沖電壓, 再對脈沖電壓進行放大濾波處理, 得到局部放電量[10]。

在試驗前、 電纜斷電的情況下, 利用標準電荷量的脈沖注入電纜進行校正定量, 試驗時即可獲取放電點實際放電量數值。

假設距離測試端x處發生局部放電,upd為放電脈沖電壓,u′pd為在測試端采集到的電壓, 則放電點的局放量q如式(1) 所示。

式中,γ為電纜中波傳播常數；z0為電纜特效阻抗；t0為放電脈沖的持續時間。

1.3 局部放電的定位

局部放電定位采用脈沖反射原理[11-12], 如圖2所示。 加壓誘發局部放電發生后, 同一局部放電脈沖同時向電纜兩端傳播。 其中一個脈沖先傳至試驗設備(入射波t1), 另一個放電脈沖傳播至電纜對端后再經反射傳至試驗設備(反射波t2)。 振蕩波主機通過檢測入射波與發射波之間的時間差Δt,并結合放電脈沖在該電纜中的傳播速度v和電纜長度l, 根據公式(2) 計算得出局部放電缺陷的精確位置x。

圖2 局部放電定位原理

2 振蕩波局部放電檢測現場應用

2.1 試驗前準備

在進行振蕩波局部放電試驗之前, 首先需確定電纜及附件參數和進行現場勘查。 確定電纜長度、 接頭數量和位置、 每公里電容量、 終端類型等參數。 試驗前若已知準確的電纜長度, 則可計算精確的電纜波速, 否則只能通過經驗波速求取電纜全長。 波速度只與電纜的絕緣介質有關, 而與電纜芯線的線徑、 芯線的材料以及絕緣厚度等都沒有關系, 對于交聯聚乙烯電纜, 其經驗波速為172 m/ μs。 電纜局部放電缺陷基本集中在接頭上,因此了解接頭數量和位置, 可以輔助局部放電信號定位。 利用每公里電容量計算電纜電容量, 從而確定所需電抗個數以及振蕩頻率, 試驗要求振蕩頻率在20～500 Hz 之間。 另外, 若終端為GIS 且作為測試端時, 試驗前要拆除電壓互感器、 避雷器并安裝試驗套管, 若為非測試端, 則需拆除GIS 電纜筒內導體, 如圖3 所示。

現場勘查內容包括電纜敷設方式( 隧道、 直埋、 管道等)、 是否Y 接、 測試位置情況(空間大小、 高度等)、 加壓地點等。 試驗前確定電纜敷設方式, 特別是對于長電纜來說, 局部放電信號經過長電纜衰減較大, 需要輔助分布式局部放電測試方法, 不同敷設方法對應的輔助局部放電測量方法有差異, Y 接則給局部放電定位帶來麻煩。 測試端場地大小和高度試驗前同樣需要確認, 以便確定現場儀器擺放方法和高壓導線飛線長度, 飛線太長會影響局部放電測量靈敏度。 加壓地點在站外桿塔終端時, 要確保有檢修電源, 若無則要考慮攜帶發電機或發電車給儀器設備供電, 在站內則需要考慮戶內戶外, 在戶內的要確保有足夠的安全距離來施加高壓。

2.2 試驗方法及要點

1) 進行狀態確認, 判斷電纜線路是否具備試驗條件。 要求被試電纜已斷電, 并充分放電保持接地, 電纜終端一次引線已拆除, 電纜被測相終端應有足夠的絕緣距離, 其他相應可靠接地。

2) 測量電纜三相絕緣電阻, 使用絕緣電阻表5 000 V 檔搖絕緣, 阻值低于30 MΩ 時不宜開展振蕩波局部放電檢測。 待三相試驗結束后需再次測量絕緣電阻, 并與試驗前數值比較, 確認阻值有無明顯變化。

3) 對照事先了解的電纜參數信息, 使用低壓時域反射儀(TDR) 確認電纜的長度和接頭位置。

4) 進行振蕩波局部放電試驗接線, 如圖4 所示。 220 V 電源通過隔離變壓器輸入至振蕩波主機, 緊急情況下按急停按鈕以防止設備和人身事故, 振蕩波高壓輸出引線應采用專用高壓屏蔽線,兩端采取防電暈措施[13-14](加均壓環), 當電纜長度較長時(一般大于250 m), 無需連接補償電容。待確認試驗接線準確、 接地可靠后啟動振蕩波局部放電測試系統, 輸入電纜基本信息。

圖4 試驗接線圖

5) 進行局部放電校準。 局部放電校準在本次試驗中至關重要, 其主要有兩個作用: 一是通過實際放電脈沖波形與校準波形對比, 便于準確抓取入射波和反射波； 二是通過標準電荷量注入獲取放電點實際放電量。 局部放電校準的準確性直接影響測量數據準確性, 加壓試驗前必須使用標準脈沖發生器在20 pC～20 nC 范圍內逐檔校準。

6) 進行加壓測試, 嚴格按照標準或廠家規定選取不同的測試電壓及其加壓次數。 一相試驗完成后, 先關閉高壓單元和電源開關, 放電并確認無電后, 掛接地線, 再更換接線, 重復試驗, 分別對另外兩相電纜進行加壓測試。

7) 分析局部放電脈沖波形。

2.3 局部放電脈沖分析原則

同一放電脈沖的入射波和反射波具有相似的形狀[15], 但是反射波在電纜中傳播了更遠的距離(當放電點位于電纜首段或尾端時, 反射波比入射波多傳播了2 倍電纜全長), 因而脈沖幅值變小、脈沖寬度變寬。 典型局部放電脈沖圖譜如圖5所示。

圖5 典型局部放電脈沖圖譜

局部放電與干擾的判別原則有兩個要點: 一是局部放電的放電量與放電頻次隨著測試電壓的升高而升高； 二是局部放電有典型的相位分布特效, 定位圖譜上有較為明顯的集中性。

通過與校準波形進行分析對比, 準確抓取到入射波和反射波后, 分析軟件自動在放電源定位圖譜中生成相應的點, 橫坐標為到測試端的距離, 縱坐標為放電幅值, 當同一橫坐標標記的放電點較為密集時, 一般可認為此位置存在局部放電缺陷。

3 典型試驗案例分析

3.1 案例簡介

2020 年4 月, 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院利用振蕩波局部放電檢測技術發現某35 kV 線路電纜終端絕緣缺陷。 該電纜線路采用直埋敷設, 無中間接頭, TDR 測量全長219 m。 經振蕩波檢測站內終端三相均存在局部放電, A、 B、 C相最大局部放電量分別為7122 pC、 12 121 pC、3 206 pC, 其中A 相和B 相超過DL/ T 1576—2016《6 kV～35 kV電纜振蕩波局部放電測試方法》 中規定的對交聯聚乙烯絕緣電纜終端的局部放電允許值為5 000 pC, 建議更換。 解剖該電纜終端, 發現存在明顯的放電跡象, 分析造成局部放電的主要原因為制作工藝粗糙、 內部受潮。 重新制作終端經振蕩波局部放電等試驗檢測合格后恢復運行。

3.2 檢測分析

被測35 kV 電纜2012 年投運, 額定電壓26 /35 kV。 振蕩波測試結果: A、 B、 C 相最大局部放電量分別為7 122 pC、 12 121 pC、 3 206 pC。 圖6—7 分別為典型局部放電圖譜、 局部放電源定位結果, 從圖7 可知在距離測試端約38 m 處存在局部放電, 由于試驗時振蕩波主機輸出加了一段高壓延長線, 該位置實際為站內電纜終端。

圖6 典型局部放電圖譜

圖7 局部放電源定位結果

根據局部放電源定位結果, 對此電纜終端進行解體, 發現A、 B、 C 三相均有明顯的放電跡象,其中B 相最為嚴重, 與試驗結果吻合。

經分析, 造成局部放電的原因如下:

1) 制作工藝粗糙。 終端主絕緣上留有施工刮痕, 并殘留黑色外半導電屏蔽層痕跡, 未根據施工工藝要求進行仔細打磨, 外半導電屏蔽層斷口不平整, 存在臺階及凹口, 這些缺陷是造成局部放電超標的主要原因。

2) 終端內部受潮。 根據終端施工工藝, 電纜終端應做防水處理, 但實際上該終端未做防水, 在長期運行后可能進水受潮。

綜上所述, 振蕩波局部放電檢測技術能準確評估電纜局部放電缺陷的嚴重程度, 精確定位局部放電源, 現場解剖結果與試驗情況完成吻合, 由此可證明該技術的有效性。

4 結語

本文介紹了振蕩波局部放電檢測技術, 包括局部放電的激發、 測量和定位原理, 闡述了振蕩波局部放電技術現場應用方法、 要點和局部放電脈沖分析原則, 最后結合現場試驗案例, 對終端進行解體分析驗證了振蕩波局部放電檢測技術的有效性。 振蕩波局部放電試驗能夠滿足絕大部分主絕緣和附件缺陷檢測要求, 因為其檢測有效性及方便性, 建議在電力電纜試驗中推廣。