XLPE電纜交叉互聯系統中高頻局放檢測位置對幅值特征的影響

茍 欣,宋 偉,許 勇,吳照國,李文靜

(1.重慶醫科大學附屬第一醫院, 重慶 400042;2.國網重慶市電力公司超高壓分公司, 重慶 400039;3.國網重慶市電力公司市區供電分公司, 重慶 400015;4.國網重慶市電力公司電力科學研究院, 重慶 400030;5.重慶市字水中學, 重慶 400023)

0 引言

交聯聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)電力電纜因可靠性在城市電力輸配電系統中占有重要地位,并得到了廣泛應用[1-5],然而,由于電力電纜制造安裝維修造成的缺陷,以及工作時電離輻射、高濕度、高溫度等多種復雜的工作環境,XLPE電纜容易產生絕緣劣化[6-8]。電纜的絕緣劣化往往會產生局部放電(partial discharge,PD),簡稱局放。而長期局放會增加電纜線路的故障率,降低電纜的使用壽命[9-10]。通過合適的方法對局部放電進行監測和定位,對電力系統的安全運行具有重要意義。目前,局放在線監測已成為評估電纜系統絕緣狀況的常用手段,應用于生產實際時能有效發現電纜缺陷[11-13],為電網的運維和檢修提供可靠依據。

另外,為降低長電纜線路上的感應電壓,常常采用交叉互聯接地方式。國內外學者對電力電纜交叉互聯系統中局放信號進行了大量仿真及試驗研究,研究以高頻局放為主[14-18]。姚翔等[14]在真實的XLPE電纜交叉互聯系統進行了試驗研究,分析在不同頻帶下局放檢測信號的傳播特性,得出了局放脈沖在交叉互聯系統中的傳播規律和特點。張磊祺等[15]通過實驗研究了電纜導體層與屏蔽層間的耦合效應,研究得出了在交叉互聯高壓系統中的局放定位規則。Babaee等[16]利用ATP仿真軟件對幾種不同的交叉互聯方式、不同局放源、不同源位置和噪聲環境進行仿真研究,提出利用信號能量幅值分布進行局放相位選擇和定位的方法。陳孝信等[17]從電纜的分布參數矩陣出發,搭建了仿真模型和實驗模型,研究了交叉互聯系統中交叉互聯線長度對局放信號的影響。劉孟佳等[18]通過寬頻帶傳感器現場檢測交叉互聯系統局放信號,基于三相幅值相位分析法對檢測結果進行識別分析。

針對生產現場高壓XLPE電纜交叉互聯系統中基于高頻電流法的局放帶電檢測,如何選取合適的檢測位置,并根據信號幅值和信號特征的分析進行局放位置的判斷,尚缺乏相關研究。

綜上,為分析檢測位置對交叉互聯電纜線路中高頻局放檢測結果的影響,設計并搭建了真實的XLPE電纜線路局放檢測試驗平臺,研究不同檢測位置下的局放幅值變化規律,并結合研究結果對現場局放檢測工作給出建議。

1 試驗平臺搭建和方法

1.1 試驗平臺搭建

為模擬實際電纜線路的局放傳播特征,搭建110 kV電壓等級的電纜高頻局放試驗平臺,線路總長為120 m,包括1個完整的交叉互聯段,每小段等長分布,均為40 m;采用的電纜型號為YJLW02-64/110 kV-1×500 mm2。該平臺包括6個中間接頭、6個戶外電纜終端頭、2個交叉互聯接地箱和2個直接接地箱,其系統結構和實物分別見圖1和圖2。局放檢測設備采用意大利Techimp公司的3通道局部放電測試儀PDCheck MKⅢ,其采樣頻率為100 MS/s,帶寬為0.016～30 MHz。

圖2 檢測試驗平臺實物

1.2 試驗方法

開展帶交叉互聯系統電纜線路的高頻局放帶電檢測時,通常只需要在電纜本體、中間接頭、交叉互聯箱和電纜終端等幾個位置安裝高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT),不會對電纜線路的實際運行產生任何電氣影響,是一種針對XLPE電纜交叉互聯系統局放帶電檢測的安全有效的帶電檢測方式[19]。對于在運電纜線路,局放信號在交叉互聯電纜線路中的傳播路徑極為復雜,不同檢測位置對信號的影響較大;局放信號在電纜中傳播時還存在衰減現象[20],電纜中間接頭和同軸電纜會對信號傳播產生耦合效應,這些都會進一步增加局放信號檢測的難度[21-23]。

結合現場實際,高壓電纜交叉互聯系統中高頻局放帶電檢測時,一般有4處位置可以安裝HFCT,分別是交叉互聯箱的接地線、中間接頭接地引出線、交叉互聯箱的同軸電纜、交叉互聯箱內部的換位排。但交叉互聯箱內部的換位排因高壓電纜的感應電流,實際檢測過程中對操作安全要求較高,通常為帶電作業,本文中采用電容臂的方式對交叉互聯箱換位排進行分相短接,根據電容隔直通交的特性,HFCT既可以獲取有效的高頻信號,同時不影響原交叉互聯電纜線路的正常運行。各測點位置:1號檢測點HFCT1位于中間接頭接地引出線上,2號檢測點HFCT2位于交叉互聯箱同軸電纜上,3號檢測點HFCT3位于交叉互聯箱換位排上并采用電容臂的方式對換位排進行對接,4號檢測點HFCT4位于交叉互聯箱接地線上。三相電纜各檢測點HFCT1至4號的具體位置和HFCT的安裝位置見圖3,所有HFCT夾鉗的安裝方向一致,統一指向大地方向。試驗時,采用模擬局放源和標準脈沖發生器作為信號的注入,信號源均布置在戶外終端上,注入在終端出線桿和接地極之間,如圖4所示。

圖3 交叉互聯系統高頻局放檢測點安裝位置示意圖

圖4 信號發生器安裝實物

2 試驗分析

為分析單信號源下各檢測位置的局放檢測結果,進行試驗1的單信號源試驗。在B相戶外電纜終端頭OB2上單獨注入1 000 pC的標準脈沖信號。試驗用標準脈沖發生器的脈沖頻率為300 Hz,具備±50～1 000 pC范圍內輸出幅值可調的能力。通過PDCheck獲取輸出信號的相位譜圖(phase resolved partial discharge,PRPD)和脈沖波形圖,如圖5所示。PRPD圖呈直線狀,信號幅值為1 V,脈沖波形呈標準的振蕩衰減特征。

圖5 輸出信號PRPD圖和脈沖波形圖

為驗證各檢測位置在干擾狀態下的局放檢測結果,模擬生產現場中的實際情況,進行試驗2的雙信號源試驗,在A相在戶外電纜終端頭OA2上注入模擬局放源來模擬實際現場局部放電,注入1 000 pC的標準脈沖信號模擬現場干擾源。采用的模擬局放源是一種信號發生器,通過控制針-板電極放電來模擬真實的局放信號,其產生的放電類型為尖端放電。

2.1 單信號源試驗

試驗1采用同一個HFCT分別測量電纜ABC三相4個測點的放電信號,同步信號通過同步線圈從試驗現場220 V市電進行獲取。以3號檢測點為例進行分析,3號檢測點各相的相位譜圖和分類特征譜圖(classification feature pattern,CFP)見圖6。可以看出,所有檢測點均有2簇分離明顯的信號,其中1簇為注入信號源(紅簇團),1簇為背景信號。從PRPD圖可以看出,A相和C相的信號最大幅值均在100 mV左右,主要分布在負半周;B相的信號分布在正半周,最大幅值約為 200 mV,且大于A相和C相,信號源疑似來源于B相。

為了更好地區分背景信號與脈沖信號,進一步判斷信號的來源,通過PDprocesing軟件分離功能對信號進行分離,得到紅簇信號的PRPD圖和波形圖,如圖7所示。B相紅簇信號波形圖呈放電衰減特征,脈沖信號幅值為223 mV,為三相中最大,極性為正,與A、C相(負極性)相反,可以確定脈沖信號來源于B相電纜,與信號施加位置一致。

圖7 紅簇信號的PRPD圖和波形圖

通過上述方法,對所有測點信號進行分離,提取到各測點在標準脈沖信號下的放電量幅值見圖8。分析試驗數據可知,HFCT1(中間接頭接地引出線)和HFCT3(交叉互聯箱換位排)處的放電量幅值均遠高于HFCT2(同軸電纜)和HFCT4(交叉互聯箱接地線),最大值與最小值相差約10倍;HFCT1和HFCT3處B相各檢測點的放電量幅值均大于A、C相,根據放電信號在傳播過程中的衰減規律,進一步確定局放源位于B相;HFCT2和HFCT4的各相檢測點放電量差異較小。由于檢測點的選取對局部放電檢測結果的影響較大,故可以作為考慮因素加入到實際操作的局放檢測中。

2.2 雙信號源試驗

對試驗2中A相的檢測點試驗結果進行分析,A相各測點在模擬局放源和標準脈沖信號共同作用下的PRPD圖見圖9。

從圖9可以看出,各測點的PRPD圖正負半周均存在放電信號,且放電幅值和形態不對稱,呈“眉眼”狀,放電幅值正負分明,具備100 Hz相位相關性,符合典型的金屬尖端放電類型。另一類信號呈現直線或虛短線狀,放電幅值穩定,均勻分布在所有象限上,無明顯相位相關性,為標準脈沖干擾。

對4個測點的局放信號與干擾信號進行分離,分別得到模擬局放源和標準脈沖信號在各測點處檢測到的放電量幅值,見圖10。分析可知,在分離出的模擬局放源信號和標準脈沖信號放電量幅值中,HFCT1和HFCT3測得的三相電纜放電量幅值均大于HFCT2和HFCT4。

圖9 A相各測點的PRPD圖(試驗2)

從圖10(a)可知,HFCT1處各相傳感器檢測出的局部放電信號幅值比例近似為10∶4∶4.5,HFCT3處各相信號幅值之比近似為8∶4∶4,HFCT2處各相信號幅值之比近似為4∶3∶3,HFCT4處各相信號幅值之比近似為1∶1∶1。由此可以看出,對于交叉互聯系統中即使在干擾環境下的局放放電量幅值信號,HFCT1和HFCT3處檢測出的信號幅值也較高,對局放的識別和判相更具有效性。HFCT2和HFCT4處檢測出的信號幅值基本相近,不利于現場帶電檢測時對局放的識別和定位。

局放信號在電纜中的傳播特性與電纜長度、電纜實際分布有明顯關聯。信號的傳播是從電纜中間接頭接地引線處通過同軸電纜到交叉互聯接地箱,最后傳播到交叉互聯箱接地線,但試驗測得的同軸電纜上的局放放電量與交叉互聯箱接地線上相似,處于較低水平,與傳播特性有一定差別。因此,在實際進行局部放電檢測時應避開同軸電纜和交叉互聯箱接地線2個位置,更應該選擇中間接頭接地引出線和交叉互聯箱換位排(電容臂跨接)2個位置來進行局放帶電檢測。

3 結論

1) 對于高壓XLPE電纜交叉互聯系統,中間接頭接地引出線或交叉互聯箱換位排檢測出的局部放電量幅值均遠大于同軸電纜和交叉互聯箱接地線,前兩者對局放的識別和相位判定更具參考性。可以通過比較所測局放信號的幅值大小來判斷信號源所在相別,并結合軟件分離所得的PRPD圖和波形圖等來判斷是真實局放信號或干擾信號。

2) 在實際工作現場,局放帶電檢測的HFCT傳感器最優安裝位置是在中間接頭接地引出線和交叉互聯箱換位排處(采用電容臂短接)。