电力电缆振荡波局部放电检测应用

曾泽宇， 段建家， 段肖力， 刘三伟， 黄福勇

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院， 湖南 长沙410007)

0 引言

电力电缆线路是城市供电的心脏, 电缆线路的安全稳定运行直接影响到一个城市可靠供电[1-2]。据统计, 2019 年湖南地区35 kV 电缆线路故障跳闸32 次, 跳闸率达到22. 45 次/ (百公里·年)。 电缆附件一直是电缆线路的薄弱环节, 存在安装质量问题, 主要表现在防水密封不良、 安装尺寸错误、电缆绝缘层处理不当、 导体压接处理不当等[3-5]。然而, 目前常规的检测手段如红外测温、 交流耐压等难以有效发现电缆本体和附件绝缘缺陷, 振荡波局部放电检测较好地弥补了这一不足。

2017 年, 中国电力科学研究院开展了电缆状态检测手段实验室比对试验, 模拟了电缆附件安装缺陷(终端握紧力不足、 接头主绝缘层刀痕、 接头导体压接绕包绝缘带、 接头半导电尖端) 与典型运行缺陷(终端电晕、 终端受潮污秽、 接头进水)。 试验结果表明, 振荡波局部放电检测效率明显高于工频耐压, 该检测方式有助于发现工频耐压方式下难以发现的缺陷。

除此之外, 振荡波局部放电检测设备质量轻、加压时间短(仅几百毫秒, 属于无损检测), 可准确评估电缆局部放电缺陷的严重程度、 精确定位电缆局部放电源位置, 容易避开及分辨干扰, 具有广泛的应用前景[6-7]。 本文针对振荡波局部放电检测原理、 现场应用、 局部放电脉冲分析原则进行了深入分析, 并结合现场试验案例证明了振荡波局部放电检测的有效性。

1 振荡波局部放电检测原理

1.1 局部放电的激发

振荡波产生原理如图1 所示, 整个试验回路分为两个部分: 一是直流电源回路, 二是电缆与电感充放电过程, 即振荡过程, 两个部分之间通过快速开关实现转换。 试验时, 直流电源通过电感对被试电缆充电, 快速开关并联在直流电源两端, 当所加电压逐渐升高到预设值时, 快速开关闭合, 直流电源退出回路, 被试电缆和电感形成LC 阻尼振荡回路, 产生20～500 Hz 的振荡波电压, 激发出电缆缺陷处局部放电信号[8-9]。

图1 振荡波产生原理

1.2 局部放电的测量

振荡波局部放电系统采用的测量方法为脉冲电流法, 其测量原理为: 局部放电过程中产生的脉冲电流经耦合电容的低阻抗通道形成脉冲电压, 再对脉冲电压进行放大滤波处理, 得到局部放电量[10]。

在试验前、 电缆断电的情况下, 利用标准电荷量的脉冲注入电缆进行校正定量, 试验时即可获取放电点实际放电量数值。

假设距离测试端x处发生局部放电,upd为放电脉冲电压,u′pd为在测试端采集到的电压, 则放电点的局放量q如式(1) 所示。

式中,γ为电缆中波传播常数；z0为电缆特效阻抗；t0为放电脉冲的持续时间。

1.3 局部放电的定位

局部放电定位采用脉冲反射原理[11-12], 如图2所示。 加压诱发局部放电发生后, 同一局部放电脉冲同时向电缆两端传播。 其中一个脉冲先传至试验设备(入射波t1), 另一个放电脉冲传播至电缆对端后再经反射传至试验设备(反射波t2)。 振荡波主机通过检测入射波与发射波之间的时间差Δt,并结合放电脉冲在该电缆中的传播速度v和电缆长度l, 根据公式(2) 计算得出局部放电缺陷的精确位置x。

图2 局部放电定位原理

2 振荡波局部放电检测现场应用

2.1 试验前准备

在进行振荡波局部放电试验之前, 首先需确定电缆及附件参数和进行现场勘查。 确定电缆长度、 接头数量和位置、 每公里电容量、 终端类型等参数。 试验前若已知准确的电缆长度, 则可计算精确的电缆波速, 否则只能通过经验波速求取电缆全长。 波速度只与电缆的绝缘介质有关, 而与电缆芯线的线径、 芯线的材料以及绝缘厚度等都没有关系, 对于交联聚乙烯电缆, 其经验波速为172 m/ μs。 电缆局部放电缺陷基本集中在接头上,因此了解接头数量和位置, 可以辅助局部放电信号定位。 利用每公里电容量计算电缆电容量, 从而确定所需电抗个数以及振荡频率, 试验要求振荡频率在20～500 Hz 之间。 另外, 若终端为GIS 且作为测试端时, 试验前要拆除电压互感器、 避雷器并安装试验套管, 若为非测试端, 则需拆除GIS 电缆筒内导体, 如图3 所示。

现场勘查内容包括电缆敷设方式( 隧道、 直埋、 管道等)、 是否Y 接、 测试位置情况(空间大小、 高度等)、 加压地点等。 试验前确定电缆敷设方式, 特别是对于长电缆来说, 局部放电信号经过长电缆衰减较大, 需要辅助分布式局部放电测试方法, 不同敷设方法对应的辅助局部放电测量方法有差异, Y 接则给局部放电定位带来麻烦。 测试端场地大小和高度试验前同样需要确认, 以便确定现场仪器摆放方法和高压导线飞线长度, 飞线太长会影响局部放电测量灵敏度。 加压地点在站外杆塔终端时, 要确保有检修电源, 若无则要考虑携带发电机或发电车给仪器设备供电, 在站内则需要考虑户内户外, 在户内的要确保有足够的安全距离来施加高压。

2.2 试验方法及要点

1) 进行状态确认, 判断电缆线路是否具备试验条件。 要求被试电缆已断电, 并充分放电保持接地, 电缆终端一次引线已拆除, 电缆被测相终端应有足够的绝缘距离, 其他相应可靠接地。

2) 测量电缆三相绝缘电阻, 使用绝缘电阻表5 000 V 档摇绝缘, 阻值低于30 MΩ 时不宜开展振荡波局部放电检测。 待三相试验结束后需再次测量绝缘电阻, 并与试验前数值比较, 确认阻值有无明显变化。

3) 对照事先了解的电缆参数信息, 使用低压时域反射仪(TDR) 确认电缆的长度和接头位置。

4) 进行振荡波局部放电试验接线, 如图4 所示。 220 V 电源通过隔离变压器输入至振荡波主机, 紧急情况下按急停按钮以防止设备和人身事故, 振荡波高压输出引线应采用专用高压屏蔽线,两端采取防电晕措施[13-14](加均压环), 当电缆长度较长时(一般大于250 m), 无需连接补偿电容。待确认试验接线准确、 接地可靠后启动振荡波局部放电测试系统, 输入电缆基本信息。

图4 试验接线图

5) 进行局部放电校准。 局部放电校准在本次试验中至关重要, 其主要有两个作用: 一是通过实际放电脉冲波形与校准波形对比, 便于准确抓取入射波和反射波； 二是通过标准电荷量注入获取放电点实际放电量。 局部放电校准的准确性直接影响测量数据准确性, 加压试验前必须使用标准脉冲发生器在20 pC～20 nC 范围内逐档校准。

6) 进行加压测试, 严格按照标准或厂家规定选取不同的测试电压及其加压次数。 一相试验完成后, 先关闭高压单元和电源开关, 放电并确认无电后, 挂接地线, 再更换接线, 重复试验, 分别对另外两相电缆进行加压测试。

7) 分析局部放电脉冲波形。

2.3 局部放电脉冲分析原则

同一放电脉冲的入射波和反射波具有相似的形状[15], 但是反射波在电缆中传播了更远的距离(当放电点位于电缆首段或尾端时, 反射波比入射波多传播了2 倍电缆全长), 因而脉冲幅值变小、脉冲宽度变宽。 典型局部放电脉冲图谱如图5所示。

图5 典型局部放电脉冲图谱

局部放电与干扰的判别原则有两个要点: 一是局部放电的放电量与放电频次随着测试电压的升高而升高； 二是局部放电有典型的相位分布特效, 定位图谱上有较为明显的集中性。

通过与校准波形进行分析对比, 准确抓取到入射波和反射波后, 分析软件自动在放电源定位图谱中生成相应的点, 横坐标为到测试端的距离, 纵坐标为放电幅值, 当同一横坐标标记的放电点较为密集时, 一般可认为此位置存在局部放电缺陷。

3 典型试验案例分析

3.1 案例简介

2020 年4 月, 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院利用振荡波局部放电检测技术发现某35 kV 线路电缆终端绝缘缺陷。 该电缆线路采用直埋敷设, 无中间接头, TDR 测量全长219 m。 经振荡波检测站内终端三相均存在局部放电, A、 B、 C相最大局部放电量分别为7122 pC、 12 121 pC、3 206 pC, 其中A 相和B 相超过DL/ T 1576—2016《6 kV～35 kV电缆振荡波局部放电测试方法》 中规定的对交联聚乙烯绝缘电缆终端的局部放电允许值为5 000 pC, 建议更换。 解剖该电缆终端, 发现存在明显的放电迹象, 分析造成局部放电的主要原因为制作工艺粗糙、 内部受潮。 重新制作终端经振荡波局部放电等试验检测合格后恢复运行。

3.2 检测分析

被测35 kV 电缆2012 年投运, 额定电压26 /35 kV。 振荡波测试结果: A、 B、 C 相最大局部放电量分别为7 122 pC、 12 121 pC、 3 206 pC。 图6—7 分别为典型局部放电图谱、 局部放电源定位结果, 从图7 可知在距离测试端约38 m 处存在局部放电, 由于试验时振荡波主机输出加了一段高压延长线, 该位置实际为站内电缆终端。

图6 典型局部放电图谱

图7 局部放电源定位结果

根据局部放电源定位结果, 对此电缆终端进行解体, 发现A、 B、 C 三相均有明显的放电迹象,其中B 相最为严重, 与试验结果吻合。

经分析, 造成局部放电的原因如下:

1) 制作工艺粗糙。 终端主绝缘上留有施工刮痕, 并残留黑色外半导电屏蔽层痕迹, 未根据施工工艺要求进行仔细打磨, 外半导电屏蔽层断口不平整, 存在台阶及凹口, 这些缺陷是造成局部放电超标的主要原因。

2) 终端内部受潮。 根据终端施工工艺, 电缆终端应做防水处理, 但实际上该终端未做防水, 在长期运行后可能进水受潮。

综上所述, 振荡波局部放电检测技术能准确评估电缆局部放电缺陷的严重程度, 精确定位局部放电源, 现场解剖结果与试验情况完成吻合, 由此可证明该技术的有效性。

4 结语

本文介绍了振荡波局部放电检测技术, 包括局部放电的激发、 测量和定位原理, 阐述了振荡波局部放电技术现场应用方法、 要点和局部放电脉冲分析原则, 最后结合现场试验案例, 对终端进行解体分析验证了振荡波局部放电检测技术的有效性。 振荡波局部放电试验能够满足绝大部分主绝缘和附件缺陷检测要求, 因为其检测有效性及方便性, 建议在电力电缆试验中推广。