基于振蕩波檢測的電力電纜絕緣老化與定位

劉思議 李鴻南 洪 杰 黃心怡 林穎銳 邱才元 郭麗云 蘇 賢

(國網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000)

1 概述

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，架空線路被更多的電纜所取代，配電網(wǎng)的纜化率越來越高，電力電纜的穩(wěn)定安全運行直接關(guān)系到城市的可靠用電[1-2]。然而在電纜的實際運行中，受到外在環(huán)境及施工工藝等因素影響，現(xiàn)場電纜絕緣老化的情況常有發(fā)生[3-4]。主要原因為：①電纜生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，由于加工技術(shù)和原料不純，致使電纜絕緣層存在氣泡、間隙、微孔和有害雜質(zhì)，在氣隙、雜質(zhì)的尖端處、半導(dǎo)電層突起處易發(fā)生；②電纜施工環(huán)節(jié)，電纜敷設(shè)、電纜附件安裝等造成絕緣局部損傷，附件安裝工藝不良產(chǎn)生氣隙、進(jìn)入雜質(zhì)、半導(dǎo)電層尖端放電等；③電纜運行環(huán)節(jié)，交聯(lián)聚乙烯材料在高壓電場的長期作用下，絕緣不斷老化，在不同運行環(huán)境下形成水樹，水樹發(fā)展為電樹，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，發(fā)生配電線路故障，影響居民正常生活用電。對電纜開展常規(guī)檢測，及早發(fā)現(xiàn)電纜缺陷，安排計劃消缺，是減少配網(wǎng)故障，提高供電可靠性的關(guān)鍵[5-7]。

電纜常規(guī)試驗方法有三種[8-10]：0.1Hz交流耐壓試驗、低頻介損診斷試驗、振蕩波局放試驗。0.1Hz交流耐壓試驗的優(yōu)點在于試驗設(shè)備體積小、功耗小，目前很多供電公司10kV電纜耐壓試驗基本采用該方法取代直流耐壓試驗，其缺點是只能檢測電纜承受電壓的情況，無法發(fā)現(xiàn)和定位電纜絕緣局部放電隱患；低頻介損診斷試驗的優(yōu)點是可檢測電纜絕緣介質(zhì)老化情況，從而對電纜絕緣性能進(jìn)行整體評估，缺點是僅對整體情況進(jìn)行評估，無法定位介質(zhì)老化嚴(yán)重點的位置；振蕩波局放試驗利用阻尼振蕩電壓可激發(fā)電纜內(nèi)部潛在的局部放電，有效發(fā)現(xiàn)電纜接頭等位置的隱患點，并對局放隱患點進(jìn)行定位，同時該方法為非持續(xù)性加壓，加壓時間短，因此對電纜絕緣的破壞性小，是近年來被廣泛應(yīng)用的一種電纜檢測方法。

基于此，本文針對電纜振蕩波局部放電檢測技術(shù)開展研究，從局放檢測原理、現(xiàn)場應(yīng)用等展開研究，并結(jié)合現(xiàn)場試驗案例采用不同的電力電纜試驗方法證明振蕩波局部放電診斷的有效性。

2 振蕩波局部放電檢測原理

2.1 局部放電的激發(fā)

振蕩波產(chǎn)生的原理圖如圖1所示。整個振蕩波的電路圖分為兩個單位：一是高壓直流發(fā)生單元，二是局部測試單元，兩個單元之間通過高壓開關(guān)實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。檢測時，第一個單元通過電感對被試電纜充電，高壓開關(guān)并聯(lián)在直流電源兩端，當(dāng)所加電壓逐漸升高到設(shè)定值時，高壓開關(guān)閉合，直流電源退出回路，電感和被試電纜此時變成LC阻尼振蕩回路，產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩波電壓，電纜缺陷處會被激發(fā)出局部放電信號。

圖1 振蕩波產(chǎn)生原理

2.2 局部放電的測量

(1)

其中，γ為電纜中波傳播常數(shù)，z0為電纜特效阻抗，t0為放電脈沖的持續(xù)時間。

2.3 局部放電的定位

電纜局部放電的定位是利用局部放電脈沖在電纜上的傳播特性，用10MHz以上的高頻掃描示波器進(jìn)行定位測量的方法[12]。其原理如圖2所示，具體的求解局部放電缺陷位置x如式(2)所示。

(2)

其中，t1表示第一個放電脈沖傳至檢測裝置的時間，t2表示發(fā)電脈沖傳至對側(cè)再反射傳至檢測設(shè)備的時間，脈沖傳播速度為v，電纜長度為l。

圖2 局部放電定位原理

3 振蕩波局部放電檢測現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 某配電站電纜局部放電檢測

基于以上分析，對現(xiàn)場某配電站結(jié)合停電檢修進(jìn)行振蕩波局部放電檢測進(jìn)行驗證。以某變電站10kV出線至某配電站進(jìn)線之間的電纜進(jìn)行分析，振蕩波局部檢測的接線圖如圖3所示。

圖3 振蕩波局部檢測的接線圖

采用儀器對電力電纜進(jìn)行檢測，儀器的發(fā)射端位于某配電站內(nèi)，振蕩波局部放電檢測結(jié)果如圖4所示，圖中黃、綠、紅分別代表電力電纜的A、B、C相。檢測結(jié)論如下：

①電纜A、B、C三相絕緣阻值分別為34.9GΩ、38.9GΩ、40.1GΩ；

②距配電站179m位置L1(A相)出現(xiàn)成簇狀的局部放電信號，L1(A相)最高放電量約為22285pC；

③距配電站330m位置電纜三相均出現(xiàn)成簇狀的局部放電信號。其中，L1(A相)最高放電量約為5177pC，L2(B相)最高放電量約為6046pC，L3(C相)最高放電量約為5019pC；

④根據(jù)波形定位，判定兩處局放超標(biāo)位置為中間接頭。

圖4 電纜振蕩波局部放電檢測結(jié)果

對缺陷電纜中間接頭進(jìn)行解體分析，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)兩處問題：一是材料使用錯誤，導(dǎo)體連接管錯誤纏繞了PVC絕緣膠帶，造成懸浮電位引起局部放電；二是施工工藝不良，外半導(dǎo)電層斷口不平整，尖端引起放電。

圖5 電纜中間接頭解體照片

對電纜中間接頭切除并進(jìn)行重新制作，消缺完成后，再次進(jìn)行電纜振蕩波檢測，檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 消缺后電纜振蕩波局部放電檢測結(jié)果

消缺后振蕩波檢測結(jié)論如下：①電纜接頭更換后，A、B、C三相絕緣阻值分別為1000GΩ、916GΩ、1000GΩ，電纜絕緣水平顯著提高。②距離配電站179m和330m的局放簇均消失，電纜恢復(fù)健康狀態(tài)。

3.2 不同電纜試驗方法對比分析

電纜的常見缺陷可以分為兩大類:一類為電纜附件安裝(施工)缺陷，有終端握緊力不足、接頭主絕緣層刀痕、接頭導(dǎo)體壓接繞包絕緣帶、接頭半導(dǎo)電尖端；另一類是典型運行缺陷，有終端電暈、終端受潮、污穢接頭進(jìn)水、局部受潮，常見缺陷如圖7所示。

圖7 電纜常見缺陷

采用0.1Hz交流耐壓試驗、低頻介損診斷試驗、振蕩波局放試驗對這8種缺陷進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表1所示。從表1可見，振蕩波局部檢測能夠檢出所有的缺陷情況，優(yōu)勢明顯。

表1 采用三種電纜試驗方法的檢測結(jié)果

4 結(jié)論

電力電纜由于施工條件及外在環(huán)境的干擾，絕緣老化現(xiàn)象時有發(fā)生，如何檢測出電纜的絕緣老化并找到局部放電的放電點至關(guān)重要。基于此，本文對振蕩波檢測技術(shù)的相關(guān)原理進(jìn)行介紹，并采用振蕩波檢測技術(shù)對電力電纜進(jìn)行檢測，結(jié)果表明本文振蕩波檢測能夠有效檢出并精準(zhǔn)找出電力電纜的局部放電點，為消缺奠定了重要的基礎(chǔ)；另外采用振蕩波檢測技術(shù)與傳統(tǒng)的交流耐壓試驗、超低頻介損對8種類型電纜缺陷進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示振蕩波檢測更具優(yōu)勢。