高壓電力電纜局部放電檢測(cè)方法要點(diǎn)研究

東南大學(xué)成賢學(xué)院 燕 潔

1 引言

由于電力系統(tǒng)的迅速開(kāi)發(fā)，高壓電纜的使用范圍也逐步增加。高壓電纜的基本構(gòu)造一般由以下幾部分所構(gòu)成，包括芯線、屏蔽層和保護(hù)層。而在這幾部分中，電纜芯是在高壓電纜上傳遞額定電流的主要載體，同時(shí)又是高壓電纜的主體結(jié)構(gòu)。而絕緣保護(hù)層則主要用于芯帶與電線分開(kāi)。屏蔽層主要分為導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層，主要設(shè)計(jì)在15A 以上的高壓線路上。該保護(hù)層主要用于防止高壓導(dǎo)線免受外部破壞和滲入環(huán)境。但假如高壓導(dǎo)線經(jīng)常部分放電，所有高壓電纜附件的空氣絕緣體層在最后都將斷裂。目前，對(duì)高壓導(dǎo)線局部放電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，仍是確定高壓電纜安全特性的一種最全面且可行的方法。

2 高壓電力線路局部放電分析

2.1 高壓電纜局部放電檢測(cè)

國(guó)內(nèi)對(duì)高壓電纜中局部放電方法的研究起步相對(duì)較晚，進(jìn)展滯慢。到目前為止，由于理論資料尚不完備，這對(duì)該方面的科學(xué)研究造成了極大的障礙。自20世紀(jì)六十年代開(kāi)始，我國(guó)企業(yè)對(duì)電纜就開(kāi)始進(jìn)行了局部放電測(cè)試。但是，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)靈敏的測(cè)試工具，因此該項(xiàng)工作暫時(shí)中止[1]。

目前，不少發(fā)達(dá)國(guó)家的高壓隔離監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用于高壓線路的監(jiān)測(cè)與故障診斷，系統(tǒng)監(jiān)視能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，能夠顯著改善電力裝置的工作質(zhì)量，減少供電系統(tǒng)的運(yùn)行危害，增強(qiáng)輸電線路工作的安全與穩(wěn)定性。但是，高壓電纜的電流故障測(cè)試在一定意義上還只是一個(gè)電阻電壓檢測(cè)。因?yàn)殡娏鞲蓴_控制等其他問(wèn)題，局部放電測(cè)試結(jié)果并不理想，而且局部放電測(cè)試范圍相對(duì)也比較小，因此高壓電纜局部放電的測(cè)試目前還處在探討與發(fā)展中，現(xiàn)場(chǎng)高壓電纜局部放電檢測(cè)如圖1所示。

圖1 高壓電纜局部放電檢測(cè)

2.2 局部放電的原理

電纜絕緣體的內(nèi)部極易遭受外界影響因子的干擾，尤其是在生產(chǎn)和加工過(guò)程中。這種影響容易形成氣體或者其他污染物，這將降低該部分的擊穿電壓，進(jìn)而更易使其放電。線路的劣化和終極節(jié)點(diǎn)的斷開(kāi)也不利于電力系統(tǒng)的使用壽命的延長(zhǎng)。電纜局部放電監(jiān)測(cè)的主要目的是通過(guò)獲取和研究局部放電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而有效地識(shí)別和解決存在的早期問(wèn)題、危害和風(fēng)險(xiǎn)，從而有效地推動(dòng)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。如果設(shè)備發(fā)生正電荷和負(fù)電荷通過(guò)不同電荷的兩端積聚，內(nèi)部電荷強(qiáng)度增加[2]。

根據(jù)這種放電行為，在對(duì)電子電氣的施加電壓擴(kuò)大到規(guī)定程度時(shí)，內(nèi)部的放電性就主要是由電離的電子放電引起。由于絕緣上的氣體、孔洞、雜質(zhì)和灰塵等的缺陷而造成的，很有必要經(jīng)常或者不定期地對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行局部放電測(cè)試，全面檢查設(shè)備的絕緣情況，從而判斷絕緣失效的原因和破壞范圍，變壓器局部放電原理如圖2所示。

圖2 變壓器局部放電原理

2.3 高壓電纜局部放電產(chǎn)生的原因

交聯(lián)聚乙烯電力電纜因?yàn)榫哂辛己玫碾姎夤δ芎湍蜔嵝裕诠I(yè)輸送領(lǐng)域獲得了廣泛的使用。一般將輸電線路高壓電纜的壓力級(jí)別分為10kV、35kV、220kV 等，但因?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)和生產(chǎn)工藝上的問(wèn)題，電纜絕緣材料中會(huì)產(chǎn)生雜物，引起了電纜隔熱材料表層及內(nèi)部區(qū)域的電荷不平衡現(xiàn)象。

在導(dǎo)線工作系統(tǒng)中，在平均電場(chǎng)的影響下，非導(dǎo)體內(nèi)部及表層的部分區(qū)域的電場(chǎng)技術(shù)強(qiáng)超過(guò)了平均電場(chǎng)強(qiáng)，而部分區(qū)域的電流場(chǎng)強(qiáng)則小于了平均電場(chǎng)強(qiáng)。所以，放電過(guò)程首先產(chǎn)生于這些部位，而其余部位則處于良好的絕緣，形成局部放電。當(dāng)絕緣層內(nèi)的氣隙大小放電后，物質(zhì)分解于氣隙大小中，中性物質(zhì)析出為帶電微粒，如正負(fù)離子[3]。再加上電荷后，正電子或負(fù)離子沿與電荷相反的方向運(yùn)動(dòng)，而正離子則沿電荷的方向運(yùn)動(dòng)。于是，這些空間電荷會(huì)在與外部強(qiáng)加的電荷相反的方向上，形成新的空間電荷。

高壓電纜局部放電是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的物理過(guò)程，需要幾個(gè)特征參數(shù)來(lái)充分描述其狀態(tài)。關(guān)鍵參數(shù)包括放電重復(fù)率、放電能量、平均放電電流和放電性能。長(zhǎng)期局部放電嚴(yán)重危害電纜絕緣材料的絕緣，主要是由于局部加熱、活性化學(xué)物質(zhì)、帶電粒子的影響以及放電絕緣材料造成的損壞。

2.4 局部放電檢測(cè)的必要性

高壓電纜作為一種重要的電力傳輸介質(zhì)，具有電氣性能好、耐熱性好、機(jī)械性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，高壓電纜在輸電和配電中得到了廣泛的應(yīng)用，但高壓電纜很難避免自身的問(wèn)題，特別是在高壓電纜的生產(chǎn)過(guò)程中，很難確保絕緣的絕對(duì)完整性。在電纜安裝和敷設(shè)過(guò)程中，由于機(jī)械力很容易被擠壓而破裂。最關(guān)鍵的是，絕緣材料因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用和水分等因素而被侵蝕，甚至破壞，局部放電的危害如圖3所示。

圖3 局部放電的危害

這種危害也將破壞高壓電纜的正常絕緣，又因?yàn)楦邏弘娎|敷設(shè)的特點(diǎn)，故障診斷和維修都十分困難。而隨著我國(guó)高壓和特高壓系統(tǒng)的逐步開(kāi)發(fā)，電力標(biāo)準(zhǔn)日益提高，對(duì)高壓電纜連接器的絕緣要求也愈來(lái)愈高，電纜附件的設(shè)計(jì)將顯得越來(lái)越繁雜，而錯(cuò)誤可能性也將大大增加。而為了保證高壓電纜的順利工作，就有必要經(jīng)常和不定期地對(duì)高壓電纜進(jìn)行絕緣檢查。

近年來(lái)，通過(guò)我國(guó)的預(yù)防性測(cè)試，更廣泛的保障電力保障項(xiàng)目，但也很容易造成停電和生活極大的不便。為在不干擾正常功耗的前提下保護(hù)好高壓線纜，近年來(lái)高壓電纜連接器的絕緣測(cè)試技術(shù)已成為一項(xiàng)全新的研發(fā)重點(diǎn)。通過(guò)在線測(cè)試技術(shù)的不斷探索，已經(jīng)可以通過(guò)比較良好線纜絕緣質(zhì)量的信號(hào)特征等指標(biāo)，成功合理地判斷出在工作過(guò)程線纜絕緣受到破壞的情況[4]。

3 高壓電纜接頭局部放電檢測(cè)方法

3.1 電纜局部放電定位法

當(dāng)測(cè)量電纜放電后，一旦發(fā)生局部放電的情況，放電測(cè)量的質(zhì)量與準(zhǔn)確度就明顯降低。為達(dá)到這一效果，一般采用時(shí)域反射技術(shù)來(lái)判斷放電情況。這種技術(shù)的應(yīng)用原理是在導(dǎo)線的一側(cè)安裝脈沖檢測(cè)裝置，通過(guò)內(nèi)部的電脈沖在導(dǎo)線上產(chǎn)生并引起的反射，得到電纜中同一脈沖的往復(fù)傳播和時(shí)差數(shù)據(jù)，然后利用脈沖位置，以確定局部放電源的位置。如果局部放電信號(hào)耦合裝置安裝在電纜的近端也可通過(guò)脈沖電流法來(lái)測(cè)量電流。

當(dāng)然，放電時(shí)脈沖信號(hào)的傳播方向還可使用高頻電流傳感器來(lái)判斷。在電纜連接器的局部放電時(shí)，所產(chǎn)生的電流脈沖構(gòu)成了兩個(gè)相同振幅的頻率。不同的頻率存在不同的傳輸距離，局部的電脈沖的面積可通過(guò)電纜中脈沖的傳播速度，以及兩種頻率間的延遲差來(lái)大致判斷。同樣的，如果在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電纜中，傳感器也能夠探測(cè)到同樣的脈沖組數(shù)據(jù)，這種方式可能有助于早期判斷供電系統(tǒng)的情況，可在帶電部位探測(cè)到故障，然后進(jìn)行其他檢測(cè)來(lái)保證電纜的工作。

3.2 四種檢測(cè)法分析

超高頻電容耦合器件，是由金屬屏蔽層、電容耦合器、導(dǎo)線芯、導(dǎo)電薄膜、XLPE 絕緣構(gòu)成。光電耦合器的檢測(cè)方法的主要特征是采用了電容耦合器，極限帶寬是500MHz，可用作為線纜、附件局部放電時(shí)的超高頻感應(yīng)器，按照較以往的局部放電檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，其靈敏度要更高。由于同時(shí)還存在著超高頻電子的衰減現(xiàn)象，所以必須在該導(dǎo)線接頭、端部，利用感應(yīng)器的設(shè)置，所進(jìn)行的熱放電測(cè)量作用，才能對(duì)該導(dǎo)線表面，造成不同程度的破壞。

Rogowski 線圈電流傳感器檢測(cè)法，由于高壓導(dǎo)線的局部放電信號(hào)幅度極小，并且傳播時(shí)間也較小，約在納秒數(shù)量級(jí)，但也具有范圍較廣的頻譜。所以要實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓導(dǎo)線的放電測(cè)量，就需要具有較寬頻帶、電流敏感度較高、線性度高、電壓畸變小且平穩(wěn)穩(wěn)定的電流耦合器件。RogowskI 線圈電流傳感器，是一種I/V轉(zhuǎn)換器的電流傳感器應(yīng)用非常普遍[5]。通常將Rogowski 卷材制作成橢圓或長(zhǎng)方形，并使用中空的產(chǎn)生磁性的金屬骨架，在骨架周?chē)鶆虻乩@著螺電流互感器。

在Rogowski 線圈的原邊是一匝線圈，副邊則是多匝線圈，被測(cè)脈沖電流會(huì)產(chǎn)生磁通，磁通會(huì)與副邊線圈相交鏈。當(dāng)Rogowski 線圈有脈沖電流通過(guò)時(shí)，螺線管的每一匝中就會(huì)產(chǎn)生磁通，Rogowski 線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)大小與導(dǎo)體中脈沖電流大小的磁鏈成正比，電動(dòng)勢(shì)會(huì)因磁鏈的變化而變化，且電動(dòng)勢(shì)與電流成正比。這種傳感器檢測(cè)方法能夠較好地找出局部放電源之所在，為快速排除故障奠定基礎(chǔ)，應(yīng)用較為便捷。

電磁耦合法，應(yīng)用由羅氏線圈、前置放大器、頻譜分析儀等組成的電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng);探測(cè)的基本原理是在金屬內(nèi)部放電信號(hào)出現(xiàn)后，金屬的屏蔽層就會(huì)對(duì)其脈沖電流作出反應(yīng)，而當(dāng)其脈沖電流反饋給感應(yīng)器后，就會(huì)通過(guò)金屬二次繞組內(nèi)部，從而探測(cè)其產(chǎn)生的異樣放電信號(hào)，并由此探測(cè)到金屬內(nèi)部的電信號(hào)。超聲波檢測(cè)法，該測(cè)量技術(shù)，采用壓電晶體作為感應(yīng)器，壓電晶體具有頻率、電荷量轉(zhuǎn)換的特性，并采用了前置放大器，可以進(jìn)行光電器件變換，從而完成了光、電信號(hào)的變換;最后在示波器上，則表現(xiàn)為放大了局的電信號(hào)。這種檢測(cè)法雖然具有簡(jiǎn)便可靠的優(yōu)點(diǎn)，但具有精度低下的缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，對(duì)電纜線路的測(cè)試技術(shù)主要有四種檢測(cè)法，導(dǎo)線的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分釋能脈沖電流在導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散途徑不明確，部分視覺(jué)信號(hào)在導(dǎo)線中的擴(kuò)散與時(shí)間密切相關(guān)，同時(shí)受衰減與反射等各種因素的干擾，測(cè)量精度較差，并且電纜局部放電測(cè)量受窄帶干擾的巨大作用。一般的檢測(cè)方法不能保證靈敏度，高壓電力電纜局部放電的檢測(cè)仍存在許多尚未解決的問(wèn)題，需要更多的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和理論研究。