多應(yīng)力條件下電纜附件局部放電的演變過程

李巍巍,朱軻,周凱,葉彬,鄧元實(shí),黃永祿

(1.四川省電力科學(xué)研究院,成都 610072; 2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610065)

0 引 言

電纜附件是電纜線路的重要組成部分,也是電纜線路絕緣最薄弱的環(huán)節(jié)。局部放電(Partial Discharge,PD)是電纜絕緣故障的主要原因之一[1-2]是電力設(shè)備絕緣老化的表現(xiàn)形式之一,同時(shí)也是絕緣進(jìn)一步劣化并導(dǎo)致絕緣失效的主要原因之一[3-4]。電纜附件界面是多層復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu),在多種應(yīng)力條件下易引發(fā)局部放電。因此,摸清電纜附件在多種應(yīng)力協(xié)同作用下的局放引發(fā)和發(fā)展規(guī)律能為現(xiàn)場(chǎng)局放在線監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐,實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警,從而減少電纜附件事故發(fā)生。

為了探究電纜附件界面放電機(jī)理及影響因素,國內(nèi)外學(xué)者從溫度、壓力、電應(yīng)力等方面進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[5-6]研究了溫度對(duì)電纜附件界面放電的影響,表明電纜附件界面放電需考慮熱-機(jī)械復(fù)合作用,低溫下應(yīng)力管與主絕緣材料的匹配性降低,易產(chǎn)生氣隙放電。文獻(xiàn)[7-9]研究了壓力對(duì)電纜附件界面放電的影響,壓力較小,易產(chǎn)生沿面放電。文獻(xiàn)[10-12]研究了沖擊電壓對(duì)電纜附件界面放電的影響,沖擊電壓加速PD進(jìn)程,絕緣進(jìn)一步劣化。文獻(xiàn)[13]研究了負(fù)荷變化對(duì)電纜終端局放行為影響的研究,表明不同負(fù)荷下電纜終端的局放行為存在顯著差異。

目前,有大量相關(guān)的研究只考慮了單一應(yīng)力下電纜附件局放的引發(fā)特征和演變規(guī)律,未考慮多應(yīng)力下電纜附件局放的引發(fā)特征和演變規(guī)律。而實(shí)際工況下,電纜附件在冷熱負(fù)荷、工頻電壓、沖擊電壓協(xié)同下老化產(chǎn)生局部放電。因此,為了研究多應(yīng)力老化條件下,電纜附件的局放引發(fā)特征及演變過程,文中搭建多應(yīng)力(冷熱負(fù)荷-工頻電壓-沖擊電壓)可控老化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)多應(yīng)力條件下電纜附件局放的引發(fā)與測(cè)試。首先利用多應(yīng)力老化平臺(tái)對(duì)電纜進(jìn)行老化,并在老化過程中采用工頻局放測(cè)試平臺(tái)檢測(cè)電纜附件局放信號(hào),最后利用波動(dòng)法對(duì)局放信號(hào)去噪,閾值窗提取PD脈沖,并構(gòu)建相應(yīng)的局放相位分布(phase resolved partial discharge,PRPD)譜圖,得到多應(yīng)力下電纜附件局放的演變過程。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由多應(yīng)力(冷熱負(fù)荷-工頻電壓-沖擊電壓)老化平臺(tái)和局放測(cè)試平臺(tái)組成。實(shí)驗(yàn)過程包括電纜附件復(fù)合應(yīng)力下老化和實(shí)時(shí)局放檢測(cè)。

1.1 冷熱負(fù)荷-工頻電壓老化平臺(tái)

為了模擬電纜實(shí)際運(yùn)行工況,搭建多應(yīng)力老化平臺(tái)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)回路、工頻高壓?jiǎn)卧碗娏鲉卧糠纸M成。通過該平臺(tái),可以改變電纜附件老化時(shí)的溫度、電壓、電流等條件。

圖1 冷熱負(fù)荷-工頻電壓老化原理圖

1)實(shí)驗(yàn)回路：由三根長(zhǎng)為1.5 m的10 kV的電纜首尾相連組成的三角形回路。其中一根電纜終端內(nèi)置刀痕缺陷(長(zhǎng)38 mm,寬1 mm,高1 mm),其余兩根電纜為正常電纜;

2)工頻高壓?jiǎn)卧翰捎脽o局放變壓器經(jīng)保護(hù)電阻與電纜纜芯相連,電容分壓器用于采集電纜高壓端電壓,為局放測(cè)試提供相位信息。無局放變壓器型號(hào)為YD-100 kV/10 kV·A,滿足電纜試品容量要求,同時(shí)滿足局放測(cè)試條件;

3)電流單元：由三根電纜首末相連并穿過電流互感器,電流互感器線圈與調(diào)壓器相連。基于電磁感應(yīng)原理,調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出,在實(shí)驗(yàn)回路中感應(yīng)產(chǎn)生電流,回路電流最大可達(dá)600 A,其中電纜型號(hào)為YJLV-8.7/15-1×95 mm2,其額定載流量為240 A。

根據(jù)圖1中的冷熱負(fù)荷-工頻電壓老化原理,在實(shí)驗(yàn)室搭建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)老化平臺(tái)。

圖2 冷熱負(fù)荷-工頻電壓老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.2 沖擊電壓老化平臺(tái)

電纜附件的潛伏性缺陷在額定運(yùn)行電壓下難以激發(fā)局放,但在過電壓時(shí)卻極易引發(fā)局放[14]。因此,在電纜附件電熱協(xié)同老化過程中需考慮沖擊電壓對(duì)電纜附件老化的影響,為了模擬電纜附件實(shí)際運(yùn)行工況下的過電壓情況,在實(shí)驗(yàn)室搭按照?qǐng)D3所示的原理圖搭建沖擊電壓老化平臺(tái)。

圖3 工頻疊加沖擊原理圖

由圖3可知,工頻疊加沖擊的原理主要由工頻部分和沖擊部分組成,其中Sg、Sc為工頻高壓電源,Rg、Rc為保護(hù)電阻,D為電力二極管,g為球球間隙,C1為充電電容,C2為負(fù)載電容,Rf為波頭電阻,Rt為波尾電阻,C0為耦合電容,Cs為電纜試品電容。實(shí)驗(yàn)室選用C1=0.1 μF,C2=0.125 μF,實(shí)測(cè)電纜試品電容量Cs=1 nF,C0=0.04 μF,根據(jù)文獻(xiàn)[15],文中選擇工頻電壓為U0(8.7 kV),操作沖擊電壓為負(fù)極性,電壓峰值為40 kV。

根據(jù)圖3的原理在實(shí)驗(yàn)搭建如圖4所示的沖擊電壓老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖4 沖擊電壓老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.3 局放測(cè)試平臺(tái)

為了實(shí)時(shí)測(cè)試電纜附件老化過程中產(chǎn)生的局放信號(hào),搭建了如圖5所示的局放檢測(cè)平臺(tái)。

圖5 工頻局放檢測(cè)平臺(tái)

由圖5可知,局放檢測(cè)平臺(tái)由局放傳感器、示波器、搭載局放檢測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)組成。高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT)檢測(cè)刀痕缺陷電纜樣本地線上的局放信號(hào),并經(jīng)同軸電纜與示波器相連,示波器經(jīng)USB串口通信線與計(jì)算機(jī)相連。其中,示波器采用型號(hào)為Rigol DS6104,最高采樣率為5 Gs/s。為了實(shí)現(xiàn)局放數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ),搭建了一套基于Labview的PD采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)在示波器原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用“毛刺捕獲”實(shí)現(xiàn)降頻采樣,存儲(chǔ)深度為1 400個(gè)點(diǎn)[16]。通過改變示波器采樣率,實(shí)現(xiàn)多組單周期內(nèi)的PD信號(hào)及多組單個(gè)PD波形信號(hào)的采集。

1.4 老化及局放測(cè)試過程

經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)電壓加至4U0(34.8 kV)時(shí),缺陷相短時(shí)內(nèi)發(fā)生了擊穿故障性。因此,為了加速老化,縮短老化周期,文中實(shí)驗(yàn)采用3U0(26.1 kV)電壓老化電纜附件,具體的實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。文中以24 h為一個(gè)老化周期。

主要實(shí)驗(yàn)步驟為：

1)以圖2的方式連接實(shí)驗(yàn)電纜,通過控制調(diào)壓器讓電流互感器對(duì)電纜回路施加300 A的電流;

圖6 電纜附件老化流程

2)為了模擬電纜實(shí)際運(yùn)行工況,將工頻疊加沖擊回來接入電纜纜心并施加400次的沖擊電壓;

3)撤去沖擊電壓,電纜在工頻3U0電壓,回路電流300 A條件下運(yùn)行8 h;

4)為了避免其他兩相電纜產(chǎn)生局放對(duì)缺陷相局放檢測(cè)的影響干擾,將電纜解環(huán),單獨(dú)對(duì)刀痕缺陷電纜樣本進(jìn)行局放檢測(cè),同時(shí)將PD測(cè)試時(shí)間控制在1 h以內(nèi)。

2 局放信號(hào)處理

2.1 PD信號(hào)去噪

實(shí)驗(yàn)室采集局放信號(hào)時(shí)易受到白噪聲的干擾,為了有效地提取局放脈沖和準(zhǔn)確分析復(fù)合條件下局放演變過程,需抑制局放信號(hào)中的白噪聲。小波變換(wavelet transform,WT)去噪法雖能廣泛應(yīng)用在局放噪聲抑制領(lǐng)域但去噪過程難以選取合適的小波基函數(shù)且分解尺度及閾值不唯一[17-19]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)雖能抑制局放信號(hào)中的白噪聲,但該方法存在模態(tài)混疊和閾值選取不唯一的問題[20]。短時(shí)奇異值分解(short time singular value decomposition,STSVD)能實(shí)現(xiàn)較好的白噪聲抑制效果,但耗時(shí)較長(zhǎng)[21-22]。為了在較短的時(shí)間里得到較好的局放白噪聲抑制效果,文中采用波動(dòng)法抑制局放信號(hào)中的白噪聲。局放信號(hào)和白噪聲混疊使產(chǎn)生信號(hào)幅值變化,波動(dòng)法利用該特點(diǎn)將原始信號(hào)中的相對(duì)高頻成分和相對(duì)低頻成分解耦,實(shí)現(xiàn)局放信號(hào)中白噪聲的抑制。其具體去噪步驟為：1)提取原始信號(hào)中的相對(duì)高頻成分;2)提取原始信號(hào)中的低頻成分;3)修正相對(duì)高頻成分;4)實(shí)現(xiàn)白噪聲抑制。具體算法見參考文獻(xiàn)[23],文中不再累贅。采用1.2節(jié)的局放采集平臺(tái)獲得圖7所示的局放信號(hào),其中采樣頻率為2 GHz。并利用上述去噪法對(duì)圖7所示的局放信號(hào)進(jìn)行去噪,其去噪結(jié)果如圖8所示。

圖7 實(shí)測(cè)電纜附件局放信號(hào)

圖8 實(shí)測(cè)PD信號(hào)去噪效果

2.2 PD信號(hào)提取

為了構(gòu)建局放信號(hào)的PRPD譜圖,需對(duì)去噪后的信號(hào)進(jìn)行脈沖提取。文中采用自適應(yīng)閾值滑動(dòng)窗進(jìn)行脈沖提取。該方法先用OSWT算法[24]自適應(yīng)選取閾值,再采用滑動(dòng)閾值窗掃描去噪后的信號(hào),當(dāng)窗內(nèi)出現(xiàn)大于該閾值的數(shù)據(jù)時(shí),記下該點(diǎn)為脈沖起始點(diǎn),繼續(xù)移動(dòng)滑動(dòng)窗,直至窗內(nèi)數(shù)據(jù)小于該閾值,且記下該點(diǎn)為脈沖結(jié)束點(diǎn),提取兩點(diǎn)間的數(shù)據(jù)即為一個(gè)局放脈沖,重復(fù)該過程提取局放信號(hào)中的所有局放脈沖,最后利用提取的脈沖波形構(gòu)建PRPD譜圖。對(duì)如圖9(a)所示的去噪PD信號(hào)進(jìn)行脈沖提取結(jié)果如圖9(b)所示。

圖9 實(shí)測(cè)PD信號(hào)的PD脈沖提取效果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

文中利用多應(yīng)力老化平臺(tái)對(duì)帶有刀痕缺陷的電纜附件進(jìn)行老化,并實(shí)時(shí)檢測(cè)不同老化階段下的PD變化情況。刀痕缺陷電纜樣本經(jīng)過13個(gè)老化周期后,在第14個(gè)老化周期期間擊穿。局放檢測(cè)時(shí),記錄單次局放測(cè)試時(shí)的PDIV和500組工頻周期內(nèi)的放電數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段內(nèi)每個(gè)工頻周期的平均放電次數(shù)及放電總量,構(gòu)成PRPD譜圖。

為了研究多應(yīng)力下,電纜附件老化過程中局放引發(fā)的特征。因此,記錄下了如圖10所示的整個(gè)老化過程中PD的PDIV。

圖10 PDIV變化趨勢(shì)

由圖10可知,附件在整個(gè)壽命周期內(nèi),PDIV呈波動(dòng)變化,其中0時(shí)刻為附件老化前的測(cè)試結(jié)果。

為了清晰地表示一個(gè)周期里正負(fù)半周的放電次數(shù)和放電幅值,定義等效放電量Q,如：

Q=(α+·Count++α-·Count-)/N

(1)

式中N為工頻周期數(shù);α+為正半周放電量;Count+為正半周放電次數(shù);α-為負(fù)半周放電量;Count-為負(fù)半周放電次數(shù);Q為一段時(shí)間內(nèi)平均每個(gè)工頻周期放電量,表明電纜附件絕緣破壞程度,即Q越大,電纜附件老化越嚴(yán)重。通過式(1)計(jì)算可得到如圖11所示的刀痕缺陷電纜附件在整個(gè)老化過程中等效電量Q的演變規(guī)律。

圖11 等效放電量Q演變規(guī)律

由圖11可知,刀痕缺陷電纜附件在老化過程中PD放電量經(jīng)歷三個(gè)“起伏”且放電幅值存在多段式“增-減”的變化趨勢(shì)。缺陷電纜附件在老化96 h、192 h和288 h時(shí),PD等效放電量存在極大值,這表明電纜附件在這三個(gè)老化時(shí)間點(diǎn),絕緣破壞加重,劣化更嚴(yán)重。

為了更清楚和直觀地反應(yīng)整個(gè)老化過程中局放的演變規(guī)律,構(gòu)造了PD變化時(shí)刻的PRPD譜圖,如圖12所示。

由圖12可知,電纜附件老化96 h時(shí),局放的 PRPD譜圖模式為“兔耳+龜背”。電纜附件老化168 h時(shí),PRPD譜圖中的“兔耳”斜率降低。在隨后的老化周期里,PD放電幅值減小,放電相位變窄,放電甚至出現(xiàn)不對(duì)稱的情況。

圖12 不同老化時(shí)段下PRPD譜圖

4 結(jié)束語

文中研究了帶有刀痕缺陷的電纜樣本在冷熱負(fù)荷-工頻電壓-沖擊電壓的多應(yīng)力件下老化過程中局放的演變過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)多應(yīng)力老化條件下,缺陷電纜附件的PDIV呈波動(dòng)性變化,并無明顯特征,故實(shí)際工況下不宜單用PDIV評(píng)估電纜附件缺陷嚴(yán)重度;

2)由老化過程中PD的等效電量變化趨勢(shì)可知,缺陷電纜附件經(jīng)歷了三個(gè)“起伏”擊穿;

3)由四個(gè)階段的PRPD譜圖可知,在整個(gè)老化過程中,放電幅值存在多段式“增-減”變化趨勢(shì),放電量也先增后減再增再減,且隨著放電量減少,放電相位變窄,放電甚至出現(xiàn)不對(duì)稱情況。