配電電纜中受潮接頭的阻抗特性及其檢測方法研究

林鈺靈,徐澎磊,崔江靜,吳宏曉,楊賽柯,李洪杰

(1.廣東電網有限責任公司珠海供電局,廣東 珠海 519000; 2.西安交通大學 電氣工程學院,西安 710049)

0 引 言

交聯聚乙烯(XLPE)電纜因絕緣性能好、載流量大、結構簡單、附件安裝方便等優點廣泛應用于城市配電網中。電纜附件是電力電纜的重要組成部分,同時也是電纜線路中的絕緣薄弱點[1-3]。據統計,電纜附件的故障約占整個電纜線路故障的70%[4]。因此,電纜中間接頭的電氣性能影響電纜的安全穩定運行[5]。常見的接頭故障形式有受潮進水、制造缺陷、裝配工藝缺陷和老化等。在交聯聚乙烯絕緣電纜線路運行過程中,普遍存在電纜及附件、電纜通道滲水或積水的現象[6-7]。分析表明,在直接埋地電纜網絡的潮濕環境中,大部分接頭故障是由水侵入引起的。

電氣設備的阻抗是其固有屬性,研究并掌握阻抗特性對故障診斷具有重要意義。中間接頭位于兩節電纜的連接處,通常兩側電纜長度較長,難以單獨對電纜接頭的阻抗特性進行研究。另一方面,現場發生故障后被替換的電纜接頭,其內部存在不確定缺陷例如老化、銹蝕等對阻抗特性有一定影響。因此,有必要單獨對電纜接頭本體進行建模和實驗,掌握其正常運行和在特定缺陷下的阻抗特性。不同于中間接頭制作和安裝過程中引入的雜質、導電微粒、疤痕等對電纜的影響,進水受潮將會影響中間接頭進水部分的整體絕緣性能[8-9],對電纜的阻抗特性造成影響。前者可以通過局部放電檢測進行識別和定位,而局部放電檢測對引起絕緣變化的缺陷不敏感,在目前國際標準推薦的測試電壓水平下,10 kV接頭進水很難檢測到局部放電信號[10-11]。

時域反射法(TDR)是一種廣泛應用于電纜故障定位的方法,它可以根據波的傳播特性來定位電纜的阻抗不連續點。由于接頭本身是一個阻抗不連續點,因此有必要對接頭進水前后和不同進水情況下的阻抗及反射波形的變化進行比較。目前的國內外研究當中TDR技術主要用于定位[12-16],而對具體故障的TDR特征研究較少。文獻[17]使用布爾混沌時域反射法可以對電纜的短路、斷路和阻抗失配等故障進行檢測。文獻[18]使用時域反射原理對接頭受潮進行評估,但是其分析僅停留在理論部分。文中以時域反射理論為基礎,利用CST微波工作室對電纜接頭進行建模仿真,并在實驗室制作中間接頭進水缺陷,設置不同進水方案,研究了不同進水狀況下中間接頭阻抗特性,探討了反射波形與進水量的對應關系并提出受潮診斷方法。

1 建立模型

1.1 波在傳輸線上的折反射

波在傳輸線上傳播時,導線之間的電壓在導線周圍產生電場,導線內部流動的電流產生磁場。它們相互垂直,形成平面電磁波[19],如圖1所示。描述傳輸線上電壓與電流關系的參數稱為特征阻抗,可由傳輸線的阻抗和導納計算,如式(1)～式(5)所示[20-21]：

圖1 傳輸線上電磁波的建立

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Z0、R0、L0、G0、C0分別為單位長度電纜線路的特征阻抗、電阻、電感、電導和電容;V、I為傳輸線上某一點處的電壓和電流;Z、Y為阻抗和導納;ω為頻率;μ和μ0分別為導體的磁導率和真空中的磁導率;ρ1和ρ2分別為內外導體的電阻率;R1和R2分別為內導體半徑和外導體的內半徑;σ和ε分別為介質的電導率和介電常數。

以上公式中,電阻和電感考慮集膚效應和鄰近效應的影響：隨著頻率的變化,電阻和電感不是恒定不變的量。在無損或高頻情況下,線路的電阻和電導可以忽略不計,線路的特征阻抗可以近似為單位長度電感L0和電容C0的比值之開方。當波在傳播時遇到阻抗不連續點時,線路的特征阻抗由Z0變為Zi,會產生折射和反射,這使電磁波信號攜帶了大量關于線路狀態的信息。反射信號的幅值取決于反射系數,反射系數ρ定義為給定位置的反射電壓與入射電壓之比：

(6)

當傳輸線的末端負載恰好等于特征阻抗時,不存在反射,ρ=(Z0-Z0)/(Z0+Z0)=0,稱為末端匹配。電路開路時,ρ=(∞-Z0)/(∞+Z0)=1,反射信號與原信號同相。在短路的情況下,ρ=(0-Z0)/(0+Z0)=-1,反射信號與原信號反向。根據反射系數、特征阻抗和不連續點阻抗,可以得到電纜上信號的波形變化。如果電磁波在線路中的傳播速度已知,通過測量入射信號和反射信號之間的時間間隔,可以計算出阻抗不連續點的位置。TDR正是基于此原理的一種遠程測量技術,利用該方法可以檢測電纜中的異常位置并擁有進行線路故障類型識別的優勢[22]。

1.2 CST中建立接頭模型

以深圳國電巨龍公司生產的10 kV冷縮式電纜接頭為仿真對象。配電電纜由內到外由鋁芯導線、導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、內護套、金屬鎧裝層和外護套組成。表1列出了電纜的尺寸和各層材料。

表1 電纜的尺寸和各層材料

由于電纜各相具有相同的結構并且位置對稱,因此可以將三相接頭簡化為單相進行建模仿真。根據實際電纜接頭的尺寸在CST中建立單相冷縮式接頭模型,如圖2所示。電纜中的半導電材料用于均勻導體外側和絕緣外側的電場;在電纜接頭中,預制高壓屏蔽管和應力錐也使用半導電材料用于消除電場集中。高頻電磁波信號在電力電纜內傳播時其衰減和色散主要是由半導電層引起,其在整個頻率內的相對介電常數及電導率的波動變化較大,考慮到仿真軟件對各媒質參數的線性不變的特征,選取半導電層絕緣的相對介電常數為30,電導率為2[23]。冷縮式接頭的各個部位材料及電氣參數如表2所示。

圖2 電纜接頭模型

表2 冷縮接頭各個部位材料及電氣參數

2 電纜接頭阻抗特性仿真

在CST中建立中間接頭的三維模型,通過在電纜本體交聯聚乙烯絕緣和冷縮接頭硅橡膠絕緣界面處設置不同厚度水層,模擬不同情況的進水情況。CST時域求解器主要依據端口的反射信號來計算阻抗特性。使用CST時域求解器計算阻抗時有兩種激勵方式：階躍信號和高斯信號。矩形上升脈沖作為激勵信號是評估阻抗變化的典型激勵。但它存在一定缺點,即能量不會衰減(時間信號永遠不會停止),同時由于激勵頻譜的零幅度,導致一些頻域數據比如S參數會出現未定義的頻率。使用高斯脈沖激勵時能夠避免這兩個缺點。因此,文中選用高斯信號作為激勵,在不連續點處的阻抗可由式(7)計算。其中,Z(t)為測量的線路特征阻抗,Z0為電纜端口阻抗,i(t)為輸入的高斯脈沖信號,o(t)為入射端口接收到的反射信號。

(7)

通過在電纜接頭的兩端設置波導端口,在端口1上施加一個激勵信號(高斯脈沖,寬度3.55 ns,振幅1),如圖3所示。波導端口是計算域中的一種特殊邊界條件,既能激發能量又能吸收能量。這種端口模擬連接在模型結構上的無限長波導,使計算域具有非常低的反射水平。

圖3 在端口1處施加一個激勵信號

正常情況下,接頭的反射波形和阻抗特性如圖4所示。為了節省運行時間和計算量,根據中間接頭的對稱性,只求解接頭前半部分的阻抗特性,其后半部分阻抗特性在正常無缺陷情況下是完全相同和不變的。

圖4 無缺陷下反射波形和接頭阻抗

從結果中可以看出,高斯信號峰值從端口1到端口2(端口2位于接頭另一端,與端口1處于對稱位置)需要3.92 ns,傳播的距離是600 mm,可得傳播速度153.06 m/μs。接頭的阻抗明顯大于電纜本體的阻抗。其主要原因是由于接頭的內外導體距離增大,在兩者之間加入了一層硅橡膠絕緣。由式(3)、式(5)可知,這些變化將會導致電容減小,電感增大,進而引起阻抗增大。此外,阻抗從4.25 ns開始下降。產生這種現象的原因是在接頭的中間有金屬壓接管,內導體直徑的增加導致阻抗下降。接下來,將仿真和實驗相結合對中間接頭進水后的阻抗特性進行分析。

水的相對介電常數為81,電導率為5.5×10-6S/m。考慮到水的滲透會影響介質的介電常數,根據Lichtenecker公式對介電常數進行校正[24]：

ln(εeff)=v2·ln(ε1)+v1·ln(ε2)

(8)

兩種介質的相對介電常數分別是ε1和ε2,相對應的體積百分率分別是v1和v2(v1+v2=1)。設置水分和原介質體積各占50%,經過修正后受潮的硅橡膠和交聯聚乙烯絕緣介電常數是15.06和13.6。水分對磁導率幾乎沒有影響,而電導率的數量級很小,所以對磁導率和電導率的修正可以忽略。為了達到模型表征的準確性與實際接頭的關聯性,引入S參數來對模型和實際缺陷進行修正。在高頻下,二端口網絡的特性可由其各對端子的出、入波的振幅和相位關系的散射矩陣S矩陣來確定,S矩陣的各要素稱為S參數。對于如圖5所示的二端口網絡,激勵源和負載阻抗都是Zo。

圖5 二端口網絡的S參數

S矩陣則表示歸一化的入射電壓波(a1,a2)與反射電壓波(b1,b2)之間的關系,即：

(9)

對實際缺陷使用網絡分析儀對其S參數進行求解,同時使用CST仿真軟件對建立的模型進行S參數求解,將兩者進行分析比對后,完善模型結構,從而達到模型與實際缺陷的等效性,實現對實際缺陷阻抗的準確測量。

為了達到實際的進水效果,制作兩個中間接頭,其中一個在套入預制冷縮接頭前,在交聯聚乙烯絕緣表面加入水分,將未做處理的接頭標記為接頭①,加入水分的接頭標記為接頭②,兩個接頭銅網均直接裸露不做防水、防火、加固和封裝處理。對兩個接頭分別做以下處理：

1)將接頭①浸水處理6天;

2)將接頭②浸水處理6天;

3)將接頭②浸水處理12天;

4)將接頭②浸水處理18天。

在電纜接頭模型將部分硅橡膠絕緣和交聯聚乙烯絕緣使用修正后的材料參數替代,以模擬中間接頭受潮。接頭浸水如圖6所示,使用矢量分析儀分別獲取四種情況下中間接頭的S參數,在實驗室實物測量如圖7所示。

圖6 將接頭作浸水處理

圖7 S參數檢測示意圖

在仿真模型中設置水分,使其S參數與實測S參數近似達到一致。正常無缺陷和四種進水情況下仿真與實測的中間接頭在50 Ω參考阻抗下的S參數如圖8所示。

圖8 無缺陷和四種進水情況下仿真和實測S參數對比

從圖8中可以看出,隨著進水程度的加深,S11振蕩加劇,表明接頭受潮以后,內部的反射情況更加復雜。在設置仿真缺陷和實際缺陷后,CST中的接頭模型和實際接頭的S參數相近,因此使用前者仿真得到的阻抗特性是符合實際情況的。正常情況和四種進水情況下電纜接頭反射波形和阻抗特性如圖9所示。

圖9 正常情況和四種進水情況下電纜接頭

從圖9(a)可以看出,隨著進水程度的加深,反射波形振幅逐漸減小,甚至出現一個負脈沖。電纜接頭的具體阻抗變化情況如圖9(b)所示,相比正常無缺陷情況,接頭受潮時阻抗明顯下降,在受潮嚴重的情況下,接頭阻抗小于電纜本體阻抗。分析可知,產生這些現象的主要原因是水分的進入引起中間接頭內部各部分電氣參數發生變化,接頭內對地電導逐漸增大,隨著進水程度的加深,接頭部分對地電容有所增加,由式(1)可知,這將導致接頭受潮后阻抗減小,直接呈現出在受潮接頭處反射系數減小甚至出現負反射系數。

3 基于TDR的電纜接頭進水故障識別

在第1節中已經說明,TDR技術是基于波的反射原理的一種遠程檢測手段。在電纜首端注入脈沖,當傳播到電纜接頭處,由于阻抗不匹配會產生反射波,如上節所述進水后將導致阻抗變化,反射波形亦隨之變化。上節中對不同進水情況下的反射波形進行了研究,但是由于現場電纜長度較長,電磁波在電纜上傳播存在衰減,且存在復雜的電磁環境,因此這些反射波形與現實情況相比并不完全等效,實際電纜中間接頭的反射波形和基于TDR方法對電纜接頭進水識別還需要通過實驗來進行驗證。

在實驗室200 m電纜中間部位的接頭上進行實驗。使用自制脈沖源作為入射波的發射源,發射雙指數脈沖。為了滿足不同電纜長度的需求,脈沖源可以進行脈寬和幅值調節：對于長電纜,為了解決信號衰減問題,使用高幅值、寬脈寬脈沖,加以首末端雙端檢測減少衰減造成的靈敏度低等問題;對于短電纜,為了減少測量盲區,使用低幅值、窄脈寬脈沖。數據采集單元采用Picoscope 5000系列示波器。實驗平臺搭建原理圖與實物圖如圖10所示。將脈沖和采集模塊整體置于金屬屏蔽殼以內解決外部電磁干擾問題。該系統能夠在5 000 m測量范圍內保證2 m以內的測量精度。

圖10 實驗平臺原理圖與實物圖

根據上一節中間接頭的處理方式,設置進水缺陷。從電纜一端注入幅值為400 V,脈寬120 ns(上升沿10 ns)的雙指數脈沖,分別采集正常情況和四種進水狀況下入射波在中間接頭處的反射波形,結果如圖11所示。

圖11 實測TDR波形

從圖11中可以看出,由于連接線上的雜散電容和電感的影響,采集到的注入脈沖并不是雙指數波形,在上升沿存在與脈沖峰值相比微小的反射,呈現出過沖狀態,而經過后續的折反射衰減這種過沖基本消失,因此末端反射脈沖為雙指數波形。波從首端傳輸到末端的時間需要2.303 μs,電纜總長度為200 m,由此可知波在電纜中的傳播速度為173.69 m/μs,推算可得中間接頭位置在100.2 m處,與實際位置基本一致,精度在1 m以內。隨著進水程度的加深,反射波形的幅值逐漸減小,在一定程度時,接頭的反射波形幅值很小以致難以區分;在進水嚴重時,出現與入射波方向相反的脈沖,這與仿真情形一致。與仿真注入脈沖相比,實驗注入脈沖的脈寬較寬,中間接頭內部的反射將疊加在一起,因此反射波形只表現出兩個明顯的極性,呈現倒“S”型。因此,使用時域脈沖反射法對配電電纜接頭進水及其程度進行檢測具有可行性和有效性。在實際應用中,由于電纜接頭本身為阻抗不連續位置會產生反射,因此利用該方法對接頭的進水狀況進行檢測需要一定條件,即電纜接頭在完好時和階段檢測的反射波形記錄,將檢測數據和歷史數據進行對照能夠對電纜接頭的受潮程度有更好的掌握。

對于無法獲取歷史數據的情形,根據三相電纜接頭位置、結構完全相同,理論上正常情況下接頭的反射波形完全一致,對三相電纜分別測量。通過對比三者反射波形的異同進而對接頭中的進水和進水程度進行評估。這種策略在現場測試中得到了驗證。對下陵線35 kV配電線路進行檢測,如圖12所示。在距離首端240.6 m處三相電纜接頭的反射波形存在較大差異。A、C兩相240.6 m處中間接頭反射波形相較B相發生很大畸變,幾乎難以分辨。初步判斷為進水且較為嚴重。上電后,距首端240 m處電纜接頭發生爆炸,TDR測量精度在1 m以內。

圖12 對三相分別進行TDR檢測

對其進行解剖發現A、C兩相有明顯的進水情況,如圖13所示,接頭銅網與冷縮硅橡膠絕緣接觸面、硅橡膠和交聯聚乙烯絕緣接觸面處均有大量進水痕跡,接頭密封處外銅屏蔽層因進水而導致銹蝕。這些進水缺陷最終導致絕緣擊穿事故,驗證了診斷策略的有效性。

圖13 電纜接頭解剖圖

4 結束語

文中基于時域反射理論,在全波仿真軟件中建立配電電纜中間接頭三維模型,通過仿真和實驗相結合對接頭受潮的阻抗特性和檢測方法進行研究,得出以下結論：

1)中間接頭進水后將對接頭的S參數產生影響,隨著進水程度的加深,S11振蕩加劇,表明接頭受潮以后,內部的反射情況更加復雜;

2)相比正常無缺陷情況,接頭受潮時阻抗明顯下降,在受潮嚴重的情況下,接頭阻抗小于電纜本體阻抗,此時電磁波傳播遇到受潮接頭會出現負反射系數;

3)在實際測量中,當注入脈沖為雙指數波,中間接頭反射波形呈現倒“S”型,隨著進水程度加深,反射波形的兩個極性向相反的方向發展,幅值先減小后增大,進水嚴重時將出現極性與無缺陷情況完全相反的波形;利用文中提出的受潮診斷現場檢測方案和依據,使用時域脈沖反射法對接頭進水進行檢測具有可行性。