高頻與振蕩波檢測技術在電纜局部放電定位中的綜合應用

李 旭 ,朱明正 ,李 季 ,孟崢崢 ,于 洋

(1.國網天津市電力公司電力科學研究院,天津 300384;2.國網天津市電力公司,天津 300310)

電力電纜在運行期間,由于施工安裝、運行環境等因素,可能會形成微小缺陷,這些缺陷多數情況下均伴隨有局部放電的發生。因此,開展電纜局部放電檢測,是及時發現電纜故障隱患的重要方法[1]。目前,電纜局部放電檢測主要可分為在線檢測與離線檢測兩大類。在線檢測方法中,高頻耦合法由于其測試簡便,是目前應用較多的在線檢測手段[2-4]。離線檢測方法中,由于阻尼振蕩電壓與交流電壓等效性好,且設備容量小、操作方便,能夠對電纜線路上的局部放電點進行定位,是目前廣泛使用的檢測手段[5]。結合日常工作中某條電纜線路的局部放電檢測情況,介紹了應用高頻及振蕩波檢測技術的綜合測試方法,并通過信號分析處理發現電纜中間接頭局部放電缺陷的過程。

1 2種檢測技術概述

1.1 高頻局部放電檢測技術

電纜或附件中存在缺陷時,如果該點的局部場強超過絕緣介質的耐受強度時,將會產生局部放電,并產生頻率在500 k Hz～30 MHz的高頻脈沖信號[6],沿電纜向兩端傳播。通過在電纜上安裝高頻電流互感器(HFCT)可以采集到這類高頻電流信號。

1.2 振蕩波局部放電檢測技術

振蕩波局部放電測試是利用電纜自身電容與測試設備電抗串聯,形成LC 振蕩電路,進而產生阻尼振蕩電壓激發局部放電的檢測方法。該方法利用脈沖反射法對局部放電信號進行定位。具體定位方法如圖1及公式(1)所示[7]。

圖1 脈沖反射法原理示意

式中:t1為局部放電入射波傳播至測試端的時間;t2為局部放電反射波傳播至測試端的時間;v為局部放電信號在電纜中的傳播速度;x為局部放電點距測試端的距離;l為電纜全長;Q為局部放電量幅值;C k為高壓電容;Z k為匹配阻抗。

1.3 2種方法優缺點對比

高頻檢測方法可以在電纜不停電的條件下進行測試,測量回路與高壓設備間沒有直接的電氣連接,具有靈活方便、操作安全等優點,是目前電纜帶電檢測的主要方法。但高頻檢測法無法對局部放電點進行快速有效的定位,因此目前主要作為電纜設備普測的主要手段之一。

與高頻檢測不同的是,振蕩波檢測需要將電纜兩端懸空,因此必須將電纜停電。由此可見,振蕩波檢測對現場要求較為復雜,但具有能夠局部放電定位的優點。因此,該方法一般根據電纜運行狀態,有計劃地結合停電對電纜進行檢測,排查是否存在局部放電缺陷。

2 電纜局部放電定位的現場測試

2.1 高頻局部放電檢測

對某35 kV 電纜線路電纜終端進行高頻局部放電帶電檢測時,發現電纜終端接地線處存在局部放電異常信號。該電纜的型號為YJV22-3×300 mm2,長度343 m,負荷108 A,從DS.17開閉站到自來水廠采用直埋方式敷設。

為了確定局部放電信號來源,在每相電纜終端上安裝高頻傳感器進行測試,測得的三相信號圖譜如圖2所示。

從三相終端處測得的PRPD 圖譜、分類圖譜中可以看出,每相信號中均包含多個中心頻率不同的信號基團,頻率分布在2.2～6 MHz,利用分析軟件的信號分離功能,分別提取不同的信號基團,觀察其圖譜特征,如圖3所示。

圖2 三相終端高頻局部放電圖譜

圖3 三相終端信號中分離出的局部放電圖譜

分離時根據信號中心頻率進行聚類,每相信號中可分離出至少兩簇不同信號。分離出的信號在一三象限具有180°相位相關性,呈不對稱分布,具有沿面放電特征,初步懷疑為多點沿面放電。但僅根據目前數據無法判斷局部放電源位置,遂決定對線路對側終端進行檢測,圖譜如圖4所示。

圖4 對端三相終端高頻局部放電圖譜

從對端三相終端處測得的PRPD圖譜、分類圖譜中可以看出,每相信號中同樣包含多個中心頻率不同的信號基團,頻率分布在3～6 MHz,與始端相似。利用分析軟件的信號分離功能,分別提取不同的信號基團,觀察其圖譜特征,如圖5所示。

圖5 對端三相終端信號中分離出的局部放電圖譜

觀察對端分離出的信號發現,信號圖譜同樣在一三象限具有180°相位相關性,且呈不對稱分布,具有沿面放電特征,與始端信號特征幾乎完全吻合。

通過對比電纜兩端終端處測得的信號發現:分類圖譜中均存在多個中心頻率不同的信號基團,頻率分布在2.2～6 MHz;將信號分離提取后對比發現,兩端PRPD 圖譜均具有沿面放電特征,且圖譜圖形特征基本一致。根據以上2點,判斷電纜兩端測得的信號為同源信號,放電源位置很可能位于2個電纜終端之間,即該電纜線路的本體或中間接頭處。

2.2 振蕩波局部放電檢測

為了進一步確定局部放電源位置,計劃采用振蕩波局部放電檢測技術進行缺陷定位,通過查詢線路臺賬得知,該電纜線路全長343 m,滿足振蕩波設備測試長度。振蕩波局部放電定位結果如圖6所示。

圖6 振蕩波測試定位結果

測試前利用低壓脈沖反射儀測距時發現,在距測試端90 m、225 m 處波形出現變化,疑似存在中間接頭。根據DL/T 1576—2016《6～35 kV 電纜振蕩波局部放電測試方法》要求完成測試后,在90 m 處可觀察到三相存在明顯局部放電集中現象,放電起始電壓約0.7U0,最大局部放電量約1 700 pC,依據標準要求判斷存在局部放電缺陷。通過核實電纜路徑圖,確認90 m 處為中間接頭所在位置,初步判斷局部放電源為該位置U、V、W三相電纜接頭。

3 電纜缺陷解體及驗證

將該疑似缺陷接頭更換后進行解體檢查,發現該接頭為熱縮式電纜中間接頭。剖開外層熱縮套,發現銅帶及銅網屏蔽存在銹蝕,嚴重處已透至電纜外半導電屏蔽。剖開最外層絕緣熱縮管,發現在最外層絕緣熱縮管與內層絕緣管的界面間存在氣隙,且氣隙處的絕緣管表面存在放電灼燒痕跡,如圖7所示。

圖7 熱縮管界面氣隙及灼燒痕跡

根據以上解剖情況,判斷此熱縮式中間接頭在安裝時加熱不均勻,導致內、外層絕緣管界面未能緊密良好貼合,產生氣隙。由于空氣的相對介電常數為1,而熱縮管其主要材質為聚乙烯、聚氯乙烯等聚合物,相對介電常數通常為2.5～6,因此在電纜運行期間,氣隙處首先產生局部放電。

通過解體后檢查發現氣隙處存在放電燒灼痕跡,驗證了檢測結論。

由此可見,導致此次缺陷的原因為附件安裝工藝不良,結合后續解剖發現的應力控制管突起和主絕緣臟污,也暴露了在施工過程中作業人員不仔細、驗收不到位等問題。

4 結論

介紹一起利用高頻、振蕩波局部放電檢測技術,實現電纜中間接頭局部放電缺陷診斷及定位的案例。通過對分析過程進行總結,可概括如下幾點。

a.高頻局部放電檢測技術不僅僅適用于電纜終端的局部放電檢測。對于直埋接頭無法在接頭處直接測試時,若電纜線路較短,或局部放電信號較強時,電纜線路中的局部放電信號可傳播至電纜終端處,利用高頻局部放電帶電檢測手段同樣能夠發現。

b.利用高頻局部放電檢測手段判斷電纜線路中的局部放電信號時,需要結合線路兩端的測試情況,單從一端進行分析難以判斷信號來源,有可能為其他設備引起的干擾信號。

c.對電纜線路,尤其是中間接頭的局部放電缺陷進行檢測時,振蕩波局部放電檢測技術相比高頻局部放電檢測技術更為有效,且更容易操作,便于檢測人員快速確定放電源位置,但需要停電。

d.當需要對電纜線路中的局部放電缺陷進行缺陷類型判定及缺陷位置定位時,建議結合多種手段的測試結果綜合分析,提高缺陷判定準確率。