XLPE电缆交叉互联系统中高频局放检测位置对幅值特征的影响

苟 欣,宋 伟,许 勇,吴照国,李文静

(1.重庆医科大学附属第一医院, 重庆 400042;2.国网重庆市电力公司超高压分公司, 重庆 400039;3.国网重庆市电力公司市区供电分公司, 重庆 400015;4.国网重庆市电力公司电力科学研究院, 重庆 400030;5.重庆市字水中学, 重庆 400023)

0 引言

交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)电力电缆因可靠性在城市电力输配电系统中占有重要地位,并得到了广泛应用[1-5],然而,由于电力电缆制造安装维修造成的缺陷,以及工作时电离辐射、高湿度、高温度等多种复杂的工作环境,XLPE电缆容易产生绝缘劣化[6-8]。电缆的绝缘劣化往往会产生局部放电(partial discharge,PD),简称局放。而长期局放会增加电缆线路的故障率,降低电缆的使用寿命[9-10]。通过合适的方法对局部放电进行监测和定位,对电力系统的安全运行具有重要意义。目前,局放在线监测已成为评估电缆系统绝缘状况的常用手段,应用于生产实际时能有效发现电缆缺陷[11-13],为电网的运维和检修提供可靠依据。

另外,为降低长电缆线路上的感应电压,常常采用交叉互联接地方式。国内外学者对电力电缆交叉互联系统中局放信号进行了大量仿真及试验研究,研究以高频局放为主[14-18]。姚翔等[14]在真实的XLPE电缆交叉互联系统进行了试验研究,分析在不同频带下局放检测信号的传播特性,得出了局放脉冲在交叉互联系统中的传播规律和特点。张磊祺等[15]通过实验研究了电缆导体层与屏蔽层间的耦合效应,研究得出了在交叉互联高压系统中的局放定位规则。Babaee等[16]利用ATP仿真软件对几种不同的交叉互联方式、不同局放源、不同源位置和噪声环境进行仿真研究,提出利用信号能量幅值分布进行局放相位选择和定位的方法。陈孝信等[17]从电缆的分布参数矩阵出发,搭建了仿真模型和实验模型,研究了交叉互联系统中交叉互联线长度对局放信号的影响。刘孟佳等[18]通过宽频带传感器现场检测交叉互联系统局放信号,基于三相幅值相位分析法对检测结果进行识别分析。

针对生产现场高压XLPE电缆交叉互联系统中基于高频电流法的局放带电检测,如何选取合适的检测位置,并根据信号幅值和信号特征的分析进行局放位置的判断,尚缺乏相关研究。

综上,为分析检测位置对交叉互联电缆线路中高频局放检测结果的影响,设计并搭建了真实的XLPE电缆线路局放检测试验平台,研究不同检测位置下的局放幅值变化规律,并结合研究结果对现场局放检测工作给出建议。

1 试验平台搭建和方法

1.1 试验平台搭建

为模拟实际电缆线路的局放传播特征,搭建110 kV电压等级的电缆高频局放试验平台,线路总长为120 m,包括1个完整的交叉互联段,每小段等长分布,均为40 m;采用的电缆型号为YJLW02-64/110 kV-1×500 mm2。该平台包括6个中间接头、6个户外电缆终端头、2个交叉互联接地箱和2个直接接地箱,其系统结构和实物分别见图1和图2。局放检测设备采用意大利Techimp公司的3通道局部放电测试仪PDCheck MKⅢ,其采样频率为100 MS/s,带宽为0.016～30 MHz。

图2 检测试验平台实物

1.2 试验方法

开展带交叉互联系统电缆线路的高频局放带电检测时,通常只需要在电缆本体、中间接头、交叉互联箱和电缆终端等几个位置安装高频电流传感器(high frequency current transformer,HFCT),不会对电缆线路的实际运行产生任何电气影响,是一种针对XLPE电缆交叉互联系统局放带电检测的安全有效的带电检测方式[19]。对于在运电缆线路,局放信号在交叉互联电缆线路中的传播路径极为复杂,不同检测位置对信号的影响较大;局放信号在电缆中传播时还存在衰减现象[20],电缆中间接头和同轴电缆会对信号传播产生耦合效应,这些都会进一步增加局放信号检测的难度[21-23]。

结合现场实际,高压电缆交叉互联系统中高频局放带电检测时,一般有4处位置可以安装HFCT,分别是交叉互联箱的接地线、中间接头接地引出线、交叉互联箱的同轴电缆、交叉互联箱内部的换位排。但交叉互联箱内部的换位排因高压电缆的感应电流,实际检测过程中对操作安全要求较高,通常为带电作业,本文中采用电容臂的方式对交叉互联箱换位排进行分相短接,根据电容隔直通交的特性,HFCT既可以获取有效的高频信号,同时不影响原交叉互联电缆线路的正常运行。各测点位置:1号检测点HFCT1位于中间接头接地引出线上,2号检测点HFCT2位于交叉互联箱同轴电缆上,3号检测点HFCT3位于交叉互联箱换位排上并采用电容臂的方式对换位排进行对接,4号检测点HFCT4位于交叉互联箱接地线上。三相电缆各检测点HFCT1至4号的具体位置和HFCT的安装位置见图3,所有HFCT夹钳的安装方向一致,统一指向大地方向。试验时,采用模拟局放源和标准脉冲发生器作为信号的注入,信号源均布置在户外终端上,注入在终端出线杆和接地极之间,如图4所示。

图3 交叉互联系统高频局放检测点安装位置示意图

图4 信号发生器安装实物

2 试验分析

为分析单信号源下各检测位置的局放检测结果,进行试验1的单信号源试验。在B相户外电缆终端头OB2上单独注入1 000 pC的标准脉冲信号。试验用标准脉冲发生器的脉冲频率为300 Hz,具备±50～1 000 pC范围内输出幅值可调的能力。通过PDCheck获取输出信号的相位谱图(phase resolved partial discharge,PRPD)和脉冲波形图,如图5所示。PRPD图呈直线状,信号幅值为1 V,脉冲波形呈标准的振荡衰减特征。

图5 输出信号PRPD图和脉冲波形图

为验证各检测位置在干扰状态下的局放检测结果,模拟生产现场中的实际情况,进行试验2的双信号源试验,在A相在户外电缆终端头OA2上注入模拟局放源来模拟实际现场局部放电,注入1 000 pC的标准脉冲信号模拟现场干扰源。采用的模拟局放源是一种信号发生器,通过控制针-板电极放电来模拟真实的局放信号,其产生的放电类型为尖端放电。

2.1 单信号源试验

试验1采用同一个HFCT分别测量电缆ABC三相4个测点的放电信号,同步信号通过同步线圈从试验现场220 V市电进行获取。以3号检测点为例进行分析,3号检测点各相的相位谱图和分类特征谱图(classification feature pattern,CFP)见图6。可以看出,所有检测点均有2簇分离明显的信号,其中1簇为注入信号源(红簇团),1簇为背景信号。从PRPD图可以看出,A相和C相的信号最大幅值均在100 mV左右,主要分布在负半周;B相的信号分布在正半周,最大幅值约为 200 mV,且大于A相和C相,信号源疑似来源于B相。

为了更好地区分背景信号与脉冲信号,进一步判断信号的来源,通过PDprocesing软件分离功能对信号进行分离,得到红簇信号的PRPD图和波形图,如图7所示。B相红簇信号波形图呈放电衰减特征,脉冲信号幅值为223 mV,为三相中最大,极性为正,与A、C相(负极性)相反,可以确定脉冲信号来源于B相电缆,与信号施加位置一致。

图7 红簇信号的PRPD图和波形图

通过上述方法,对所有测点信号进行分离,提取到各测点在标准脉冲信号下的放电量幅值见图8。分析试验数据可知,HFCT1(中间接头接地引出线)和HFCT3(交叉互联箱换位排)处的放电量幅值均远高于HFCT2(同轴电缆)和HFCT4(交叉互联箱接地线),最大值与最小值相差约10倍;HFCT1和HFCT3处B相各检测点的放电量幅值均大于A、C相,根据放电信号在传播过程中的衰减规律,进一步确定局放源位于B相;HFCT2和HFCT4的各相检测点放电量差异较小。由于检测点的选取对局部放电检测结果的影响较大,故可以作为考虑因素加入到实际操作的局放检测中。

2.2 双信号源试验

对试验2中A相的检测点试验结果进行分析,A相各测点在模拟局放源和标准脉冲信号共同作用下的PRPD图见图9。

从图9可以看出,各测点的PRPD图正负半周均存在放电信号,且放电幅值和形态不对称,呈“眉眼”状,放电幅值正负分明,具备100 Hz相位相关性,符合典型的金属尖端放电类型。另一类信号呈现直线或虚短线状,放电幅值稳定,均匀分布在所有象限上,无明显相位相关性,为标准脉冲干扰。

对4个测点的局放信号与干扰信号进行分离,分别得到模拟局放源和标准脉冲信号在各测点处检测到的放电量幅值,见图10。分析可知,在分离出的模拟局放源信号和标准脉冲信号放电量幅值中,HFCT1和HFCT3测得的三相电缆放电量幅值均大于HFCT2和HFCT4。

图9 A相各测点的PRPD图(试验2)

从图10(a)可知,HFCT1处各相传感器检测出的局部放电信号幅值比例近似为10∶4∶4.5,HFCT3处各相信号幅值之比近似为8∶4∶4,HFCT2处各相信号幅值之比近似为4∶3∶3,HFCT4处各相信号幅值之比近似为1∶1∶1。由此可以看出,对于交叉互联系统中即使在干扰环境下的局放放电量幅值信号,HFCT1和HFCT3处检测出的信号幅值也较高,对局放的识别和判相更具有效性。HFCT2和HFCT4处检测出的信号幅值基本相近,不利于现场带电检测时对局放的识别和定位。

局放信号在电缆中的传播特性与电缆长度、电缆实际分布有明显关联。信号的传播是从电缆中间接头接地引线处通过同轴电缆到交叉互联接地箱,最后传播到交叉互联箱接地线,但试验测得的同轴电缆上的局放放电量与交叉互联箱接地线上相似,处于较低水平,与传播特性有一定差别。因此,在实际进行局部放电检测时应避开同轴电缆和交叉互联箱接地线2个位置,更应该选择中间接头接地引出线和交叉互联箱换位排(电容臂跨接)2个位置来进行局放带电检测。

3 结论

1) 对于高压XLPE电缆交叉互联系统,中间接头接地引出线或交叉互联箱换位排检测出的局部放电量幅值均远大于同轴电缆和交叉互联箱接地线,前两者对局放的识别和相位判定更具参考性。可以通过比较所测局放信号的幅值大小来判断信号源所在相别,并结合软件分离所得的PRPD图和波形图等来判断是真实局放信号或干扰信号。

2) 在实际工作现场,局放带电检测的HFCT传感器最优安装位置是在中间接头接地引出线和交叉互联箱换位排处(采用电容臂短接)。