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中压电缆局部放电双通道同步测量方法的应用研究

2017-04-12顾朝敏高树国杨光明李晓峰

河北电力技术 2017年1期
关键词:局放双通道绝缘

顾朝敏,高树国,杨光明,李晓峰,杨 桦

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021;2.北京兴迪仪器有限责任公司,北京 100085)

中压电缆局部放电双通道同步测量方法的应用研究

顾朝敏1,高树国1,杨光明2,李晓峰1,杨 桦1

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021;2.北京兴迪仪器有限责任公司,北京 100085)

针对不同长度中压电缆的模拟缺陷,进行了局部放电检测与定位研究,根据研究结果总结现有局部放电检测方法的局限性,提出一种新的双通道无线远程局部放电缺陷诊断定位的新技术、新方法,并在10 k V中压电缆进行局部放电模拟缺陷测试和现场成功应用,验证了该方法在现场应用中的有效性。

中压电缆;局部放电;双通道;无线远程

0 引言

近年来,交联聚乙烯(XLPE)电缆由于具有运行维护简单、耐高温和绝缘性能优良等优点,在10 k V及以上输配电网中得到了大量应用,并逐渐成为城市电网发展的主流[1]。由于电缆在生产、运输、安装以及运行过程中不可避免地会产生绝缘缺陷,导致运行中产生局部放电(简称“局放”),成为电缆安全运行隐患。统计分析表明,XLPE电缆线路事故80%以上最终表现为绝缘击穿[2]。

针对电缆绝缘缺陷,传统测试技术是通过测量电缆线路的绝缘电阻值和进行交流耐压试验来判断电缆的绝缘状态,据此发现比较明显的绝缘缺陷,但该方法无法有效检测出轻微的绝缘缺陷。对于较轻微的绝缘缺陷,在施加较高电压的情况下往往会在缺陷点产生局放,伴随着声、光、电、热、化学分解等现象,可通过脉冲电流法、超声波法、特高频法、紫外成像法、红外检测法、色谱分析等一系列方法予以检测[3 4]。

局放是表征电气绝缘性能的基本参数之一,就中压电缆局放检测而言,目前应用较为广泛的方法为离线的正弦波局放测试、振荡波局放测试和在线的高频TA测试等,但当电缆线路较长时,将会面临局放信号传输衰减等问题,需要研究新型的检测方法予以解决。

1 电缆局放传统检测方法

电缆离线局放测量系统采用符合IEC 60270标准的脉冲测量法,通过耦合电容耦合局放信号,采用检测阻抗检出局放信号。

现场试验对于局放的要求与IEC标准有所不同,局放检测有效性与电缆的型号、衰减、传播时间因数等特性密切相关,局放量的大小取决于绝缘的缺陷类型和引起局放信号衰减的长度。因此,对于现场局放诊断来说,局放源的定位相较实测局放量的大小更为重要。对于局放信号定位,目前多采用行波传播定位法实现。行波传播法进行局放定位示意见图1。

图1 行波传播法进行局放定位示意

即可计算得出电缆发生局放的位置,实现放电信号定位。

2 长距离电缆局放检测方法的局限性

2.1 局放信号沿电缆传输的衰减特性

局放信号在长距离电缆线路上具有明显的衰减特性,在最优现场条件下,局放量为50 pC的信号测量目前只能在2 km以下长度的电缆上实现。

现场对某长电缆线路在进行交流耐压试验带分布式局部放电检测,每隔550 m在中间接头设置一个高频 TA检测单元。从电缆终端注入10 000 p C的局放校准信号,在各个检测单元4 MHz±150 k Hz频带下检测到的信号衰减,见图2。

图2 现场局放试验校准信号衰减示意

通过以上试验数据显示,局放信号在电缆上的衰减是以指数方式展开的,研究表明每km的衰减率达到90%以上。对于局放检测应尽量靠近电缆附件进行,传感器应尽量接近附件内部引出线安装,以有效缩短检测回路中信号传输路径长度[5]。

2.2 现场电缆局放检出率

电力电缆局放量与电力电缆绝缘状况密切相关,局放量的变化预示着电缆绝缘存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。在PE或XLPE电缆运行情况下,仅仅需要很少p C的放电及很短时间(几小时或几天)就可以击穿内部的绝缘。

故障实例表明击穿大多发生在附件上,对于电缆局放的试验,重点在于局放量的测量和定位。目前已可在现场条件下测量到放电量为20 p C的局放信号,并在对疑似缺陷接头进行解剖后,发现了放电痕迹。

德国RWE公司使用4种电缆现场局放测量设备,针对电缆9种模拟缺陷进行局放检测并定位,其检测结果显示,在进行局放检测中,靠近检测近端的缺陷更容易被检测并定位,而远端的缺陷检出率较低,不易实现对局放信号的定位。

如果遇到较长的中压电缆,可以采用电缆两端分别进行局放检测的办法,此时2个检测端可检测的灵敏度较高,而趋向该段电缆中间的部位可检测的灵敏度逐步降低。图3为中压电缆长度和局放可检测灵敏度的关系曲线。

图3 中压电缆长度和局放可检测灵敏度示意

如在电缆两端分别检测,所需时间较长,且在试验过程中升压超过运行电压时间过长,对电缆的绝缘性能会有所损伤。同时,首末两端分别检测,会出现因检测时间、测试信号不同步,导致定位出现偏差的情况。

3 双通道无线远程局放诊断技术

在充分研究放电信号在电缆上传播衰减规律的基础上,对于长度超过500 m的中压电缆线路,可以采用双通道无线远程局放检测方式,实现电缆线路的双端同步局放检测,大大提高了微小局放缺陷的检测灵敏度。

3.1 双通道无线远程局放检测

选择在电缆线路的近端和远端各安装1台局放采集单元,相互之间采用无线互联技术和远程测量方式实现完全同步的局放测量。采用双端同步检测模式。使用3G/4G无线网将2台检测器相连,在近端的计算机上实现双通道同步实时检测信号处理。

外施电压使用超低频电源,在电缆停电状态下加压,以激发电缆线路缺陷的局放,近端和远端同时利用耦合电容器和检测阻抗提取放电信号,采用脉冲电流法进行局放检测,通过选频法排除干扰信号,运用信号分离技术和时频反射技术进行缺陷点定位。

3.2 数据远程传输选择及实现方式

双端无线远程局放数据传输基于3G无线通信,采用VPN组网方式构成整个无线通信网络, VPN属于远程访问技术,利用公用网络架设专用网络,局放检测主机使用本地的数据专线,远端局放采集单元通过VPN通道就可以和近端局放测量主机进行通信。

3.3 双端检测缺陷点定位方法

利用线路两端的局放检测装置,检测缺陷点产生的局放信号,根据局放脉冲到达线路两端的时间差并借助3G无线连接来实现缺陷点定位。

假设发生故障后,脉冲波形到达线路两侧的时间分别是t1和t2,波速为vXLPE,故障点到近端的距离为x1,线路长度为L,则有:

双端检测缺陷点定位利用局放脉冲的第1个波头到达线路两端的时刻进行测距计算的,因而只需要捕捉局放脉冲的第1个波头,不考虑反射与折射,易于辨识,使得处理结果较为简单,从而能够更加准确的判断缺陷点的位置。

3.4 双通道无线远程局放检测技术实验模拟

在一段200 m长10 k V电缆的130 m处制作一个模拟主绝缘破损缺陷。使用超低频正弦波电源作为高压源为试品加压,使用双通道无线远程局部放电诊断系统进行局放检测及缺陷点定位。

3.4.1 检测频率的选取

选频式检测方式,可分别对近端、远端的测量中心频率、测试带宽进行调整。局放信号具有较为特殊的频谱图,与背景干扰频谱存在明显的差异。选频的目的是将检测频率选择在频谱图中两者差异最大的位置进行测量,取得最佳的抗干扰效果。在所选取的最佳频率范围内能够提取到较好的脉冲反射定位图,将背景信号和局放信号区较好的区分开。

3.4.2 局放检测

分别在电缆检测近端和远端测量局放信号,采用脉冲电流法检测局放PRPD谱图及局放量,对局放进行定性放电类型判断和局放水平定量分析,见图4。通过显示局放脉冲和利用时域反射技术进行缺陷放电点定位。

图4 缺陷局放脉冲定位示意

由图4可知t1、t2分别约为1.1μs、0.716μs,根据公式(2),可计算出缺陷点距近端约133 m。

4 检测应用实例

10 k V电缆线路进行局放试验,在2号线U相检测局放信号,并成功定位,图5为定位结果。

根据图5,该电缆线路U相将局放缺陷位置确定在离近端检测点1 534 m处的定位结果。图6为检测到U相局放量与PRPD谱图。

根据缺陷点进行定位结果,解剖后发现该部位电缆应力管半导电层悬浮和应力管内进水缺陷,并发现局放痕迹。进水后的电缆,使得悬浮的半导体变成了高压电极,电缆本体的半导电层成为了地电极,由于2个电极之间严重受潮,导致在电极之间的界面上发生了严重的滑闪放电。

图5 U相近端检测局放定位

图6 局放相位谱图

5 结束语

现有中压电缆局放检测方法存在一定的局限性,当电缆较长或者检测点距离缺陷点较远时,局放信号的衰减将使得缺陷检出变得困难,采用双通道无线远程局放检测方式,可以实现电缆线路的双端同步局放检测,能够显著提升微小局放缺陷的检测灵敏度。人工设置缺陷实验验证与现场检测实例均证明此方法的可行性和有效性,针对于2 km以上的中压电缆,采用双端检测的方式检测灵敏度提高尤为明显。

[1] 朱启林.电力电缆故障测试方法与案例分析[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 罗俊华,邱毓昌,杨黎明.10 k V及以上电力电缆运行故障统计分析[J].高电压技术,2003,29(6):1416.

[3] 苏文群,张 丽,钱 勇,等.XLPE电缆局部放电检测技术及其应用[J].华东电力,2009,39(4):5457.

[4] 黄志伟,杨宇琦,薛 荣,等.XLPE电缆及其中间接头中局部放电电磁波传播特性的数值分析[J].绝缘材料,2014,47 (5):.

[5] 王昱力,杨 丹,夏 荣.高压交联电缆局放传播特性分析及试验研究[J].武汉大学学报(工学版)2015,48(2):233.

本文责任编辑:齐胜涛

Application Study on Partial Discharge Double Channel Detection Methods in Medium Voltage Cable

Gu Chaomin1,Gao Shuguo1,Yang Guangming2,Li Xiaofeng1,Yang Hua1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.Sindia Instruments Company Limited,Beijing 100085,China)

This paper studies diagnosis and locates the partial discharge by different detection methods according to the defects for medium voltage cable which with different length,from the comparison of the detection results,finds the limitation of the existing detection methods for partial discharge,so puts forward a new method which locate the partial discharge with double channel wireless remote technology.Moreover,takes successful simulated application in 10 k V cable,verifies the effectiveness of the method in field application.

medium voltage cable;partial discharge;double channel;wireless remote

TM835.4

:B

顾朝敏(1985-),男,工程师,主要从事高压试验、电力设备局部放电测试技术研究。

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