基于高频脉冲电流的风电场集电电缆带电检测研究

蔡高原

摘 要：随着可再生能源的兴起，风力发电得到迅速发展。集电电缆作为风力发电系统的重要组成部分，研究其带电检测方法，对提高集电电缆的运行可靠性具有重要意义。本文基于电缆接地线高频脉冲电流对集电电缆开展局部放电带电检测，判断集电电缆的绝缘健康状况和运行状态，以此来提高其运行可靠性。在对某风电场一号集电电缆进行局部放电带电检测时发现了局部放电缺陷，并对现场进行检查，确认电缆接头存在局部放电现象。

关键词：风电场；集电电缆；局部放电；带电检测

中图分类号：TM83 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0137-03

Study on Electrification Detection of Wind Farm Cable

Based on High Frequency Pulse Current

CAI Gaoyuan

（China Datang Group Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.， Huazhong Branch，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： With the rise of renewable energy， wind power has been developing rapidly. As an important part of the wind power generation system， the research of live detection method is very important for improving the reliability of the power cable. In this paper， based on the high frequency pulse current of the cable grounding wire， the local discharge charged detection of the electric cable was carried out to judge the insulation health status and running state of the electric cable， in order to improve its operation reliability. The partial discharge defect was found when the partial discharge charged in a wind electric field 1 electric cable was detected， and the field was checked to confirm the partial discharge of the cable joint.

Keywords： wind farm；electric cable；partial discharge；live detection

风电场集电电缆一般采用交联聚乙烯电缆（XLPE）。但XLPE电缆在运行过程中存在较多问题，除外力破坏、自然灾害外，其故障原因还表现为电缆本体、附件的出厂质量较差及安装敷设工艺欠佳。此外，电缆本体绝缘的树枝老化和附件因外界因素受潮等，也会使得XLPE电缆在运行过程中出现故障。同时，随着的环境变化和负荷的积累也会加剧电缆老化[1]。集电电缆是风场发电过程中的重要设备，如果风电场集电电缆发生严重放电、绝缘击穿等故障，将会直接导致所带多台风机非计划停运，从而严重影响风电场的供电可靠性和经济性。

目前，发电企业的检修大致包括故障检修、定期检修和状态检修。状态检修作为全生命周期的预防性检修，正在逐步替代以缺陷治理为主的故障检修和定期检修。状态检修就是根据设备运行过程中的关键参数来识别判断其运行状态或运行劣化趋势，可在设备不停运的情况下对其进行状态评估。状态检修能将设备的可用程度发挥到最佳状态。如何实现风电场的状态检修，尤其是风电场集电电缆的状态检修是本文研究的重点。

本文在电缆绝缘监测的基础上，提出基于高频脉冲电流的交联聚乙烯电缆局部放电带电检测方法，作为评价集电电缆状态检修的重要手段。通过跟踪监测集电电缆的绝缘状况，分析判断绝缘的劣化趋势，实现风电场集电电缆的状态评估，保证风电场运行的可靠性和经济性。

1 电缆带电检测概述

1.1 局部放电的产生机理

当电缆本体、接头或终端中的主绝缘存在空穴、气泡和杂质等不纯的物质时，相当于主绝缘中存在一個杂质电容，在电缆导体通过高压交流电时，会对杂质电容进行充电，当电压达到介质的击穿电压时，杂质电容间便发生一次击穿放电。如此反复地进行充电和击穿放电，其产生的热量会使主绝缘碳化，长期下去，主绝缘便会不断碳化变薄，从而导致主绝缘容易被击穿，产生接地故障[2]。

1.2 带电检测概述

电缆出现局部放电时会对电缆的绝缘和电能的传输产生巨大危害，局部放电长期发展会导致电缆产生严重的绝缘缺陷。电气设备的绝缘劣化、缺陷发展，都有一定的发展过程。在这期间，绝缘会发出反映绝缘状态变化的各种物理化学信息，通过对这些信息进行综合处理，就可以判断设备的可靠性，并预测绝缘寿命，必要时提供预警或预防措施[3]。

本文通过采集电缆内部放电瞬间产生的高频脉冲电流信号，并将脉冲电流信号传入局部放电分析仪进行分析判断，实现电缆局部放电的带电检测[4]。利用局部放电带电检测技术对可能存在局部放电现象的电缆进行跟踪观察，能有效地监测局部放电的发展趋势，便于制定相应的方案消除隐患[5]。

2 带电检测方案

图1为风电场集电电缆带电检测方案。

集电电缆的带电检测方案采用高频脉冲电流（HFCT）法。当电缆内部发生放电的瞬间，会产生一个高频的脉冲电流，高频脉冲电流通过线芯与金属护套（铠装）之间的电容，由高电位的线芯流到低电位的金属护套（铠装）上，并且通过电缆中间接头或终端处的接地线流入大地，通过嵌套在中间接头或终端处接地线上的高频电流互感器（High Frequency Current Transformer，HFCT）采集高频电流信号，经过控制单元进行信号滤波、放大、检波等处理。处理后的信号被传输至采集单元终端进行AD变换、记录，最终得到局部放电波形。其信号流流程框图如图2所示。

3 测试案例分析

3.1 测试案例

对某风电场35kV集电电缆终端进行带电检测，利用电缆局部放电检测系统进行高频脉冲电流法检测。在检测过程中，信号传感器卡装于集电电缆终端头的接地线上，以耦合其内部局部放电产生的行波电流信号；噪声传感器耦合空间的各类特高频（Ultra High Frequency，UHF）干扰信号。通过多次测量分析放电的幅值特征、频率特征、相位分布局部放电（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD图谱）及相位分辨脉冲序列（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS图谱）等，以推断集电电缆的绝缘缺陷情况。

3.2 测试结果

图3是被测风电场一号集电电缆局部放电测试波形图。从波形图可以看出，局部放电波形图存在明显的对称性，放电信号具有连续性，波形具有明显的脉冲特性，且放电数值较大，该组电缆存在明显放电特征的信号。

图4是被测风电场一号集电电缆局部放电测试的几种特征图谱，从PRPD图、Q-[?]图及PRPS图可以看出，局部放电信号集中在相位0°～90°和180°～270°，放电信号集中且对称，存在明显的对称性，放电信号具有连续性，波形具有明显的脉冲特性，且放电数值较大，判断该测试电缆存在明显放电特征的信号。

带电检测过程中采用横向对比分析法，同时对相邻的二号集电电缆进行局部放电带电检测，观察相同运行环境下其他集电电缆的局部放电情况。图5是被测风电场二号集电电缆局部放电测试波形图，图6是被测风电场二号集电电缆局部放电测试的几种特征图谱。从图5和图6可以看出，二号集电电缆放电波形幅值明显小于一号集电电缆，放电波形无明显放电脉冲，各放电特征图中无明显放电特征。

通过对一号集电电缆放电特征图谱进行分析，同时对比二号集电电缆放电特征图谱，判断一号集电电缆存在明显的放电现象。

3.3 现场检查

经现场检查发现，一号集电电缆故障点为电缆接头，在接头处发现明显的放电痕迹（见图7）。对电缆接头进行解体，发现电缆头中有水渍，存在进水现象，导致电缆接头处放电。电缆接头进水的主要原因是电缆接头制作工藝不良，密封不严，使得电缆头中间存在空隙，造成电缆头渗水。在对放电的电缆接头按照标准工艺重新进行制作后，重新投运一号集电电缆，投运后多次对该电缆的局部放电带电进行检测，多次检测数据均正常。

4 结论

①基于宽带高频脉冲电流法的局部放电检查带宽、频带高，能够通过脉冲信号进行多源识别，非常有利于局部放电的测量。

②通过放电波形图、PRPD及PRPS等多种放电特征图，同时采取横向对比分析法，综合分析确定被测电缆的局部放电情况，判断结果准确有效，利于通过定期检测判断被测电缆的绝缘变化情况，能及时发现绝缘缺陷。

③通过对多个风电场集电电缆局部放电检测及现场验证，发现多条电缆存在局部放电情况，证明宽带高频脉冲电流法用于风电场集电电缆的局部放电检测行之有效，具有较高的现场应用价值，能很好地为风电场的状态检修提供技术依据。

参考文献：

[1]王备贝.电力电缆绝缘缺陷检测方法的研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[2]李鹤南.高压电缆接头局部放电检测方法[D].北京：华北电力大学，2011.

[3]杜言.交联聚乙烯电缆局部放电在线监测及定位研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[4]江秀臣，蔡军，董小兵，等.110kV及以上电压等级交联电缆在线监测技术[J].电力自动化设备，2005（8）：13-17.

[5]胡洪飞.基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测的研究[D].武汉：武汉大学，2004.