配电电缆中受潮接头的阻抗特性及其检测方法研究

2024-01-19林钰灵徐澎磊崔江静吴宏晓杨赛柯李洪杰

电测与仪表 2024年1期

林钰灵,徐澎磊,崔江静,吴宏晓,杨赛柯,李洪杰

(1.广东电网有限责任公司珠海供电局,广东珠海 519000; 2.西安交通大学电气工程学院,西安 710049)

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)电缆因绝缘性能好、载流量大、结构简单、附件安装方便等优点广泛应用于城市配电网中。电缆附件是电力电缆的重要组成部分,同时也是电缆线路中的绝缘薄弱点[1-3]。据统计,电缆附件的故障约占整个电缆线路故障的70%[4]。因此,电缆中间接头的电气性能影响电缆的安全稳定运行[5]。常见的接头故障形式有受潮进水、制造缺陷、装配工艺缺陷和老化等。在交联聚乙烯绝缘电缆线路运行过程中,普遍存在电缆及附件、电缆通道渗水或积水的现象[6-7]。分析表明,在直接埋地电缆网络的潮湿环境中,大部分接头故障是由水侵入引起的。

电气设备的阻抗是其固有属性,研究并掌握阻抗特性对故障诊断具有重要意义。中间接头位于两节电缆的连接处,通常两侧电缆长度较长,难以单独对电缆接头的阻抗特性进行研究。另一方面,现场发生故障后被替换的电缆接头,其内部存在不确定缺陷例如老化、锈蚀等对阻抗特性有一定影响。因此,有必要单独对电缆接头本体进行建模和实验,掌握其正常运行和在特定缺陷下的阻抗特性。不同于中间接头制作和安装过程中引入的杂质、导电微粒、疤痕等对电缆的影响,进水受潮将会影响中间接头进水部分的整体绝缘性能[8-9],对电缆的阻抗特性造成影响。前者可以通过局部放电检测进行识别和定位,而局部放电检测对引起绝缘变化的缺陷不敏感,在目前国际标准推荐的测试电压水平下,10 kV接头进水很难检测到局部放电信号[10-11]。

时域反射法(TDR)是一种广泛应用于电缆故障定位的方法,它可以根据波的传播特性来定位电缆的阻抗不连续点。由于接头本身是一个阻抗不连续点,因此有必要对接头进水前后和不同进水情况下的阻抗及反射波形的变化进行比较。目前的国内外研究当中TDR技术主要用于定位[12-16],而对具体故障的TDR特征研究较少。文献[17]使用布尔混沌时域反射法可以对电缆的短路、断路和阻抗失配等故障进行检测。文献[18]使用时域反射原理对接头受潮进行评估,但是其分析仅停留在理论部分。文中以时域反射理论为基础,利用CST微波工作室对电缆接头进行建模仿真,并在实验室制作中间接头进水缺陷,设置不同进水方案,研究了不同进水状况下中间接头阻抗特性,探讨了反射波形与进水量的对应关系并提出受潮诊断方法。

1 建立模型

1.1 波在传输线上的折反射

波在传输线上传播时,导线之间的电压在导线周围产生电场,导线内部流动的电流产生磁场。它们相互垂直,形成平面电磁波[19],如图1所示。描述传输线上电压与电流关系的参数称为特征阻抗,可由传输线的阻抗和导纳计算,如式(1)～式(5)所示[20-21]：

图1 传输线上电磁波的建立

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Z0、R0、L0、G0、C0分别为单位长度电缆线路的特征阻抗、电阻、电感、电导和电容;V、I为传输线上某一点处的电压和电流;Z、Y为阻抗和导纳;ω为频率;μ和μ0分别为导体的磁导率和真空中的磁导率;ρ1和ρ2分别为内外导体的电阻率;R1和R2分别为内导体半径和外导体的内半径;σ和ε分别为介质的电导率和介电常数。

以上公式中,电阻和电感考虑集肤效应和邻近效应的影响：随着频率的变化,电阻和电感不是恒定不变的量。在无损或高频情况下,线路的电阻和电导可以忽略不计,线路的特征阻抗可以近似为单位长度电感L0和电容C0的比值之开方。当波在传播时遇到阻抗不连续点时,线路的特征阻抗由Z0变为Zi,会产生折射和反射,这使电磁波信号携带了大量关于线路状态的信息。反射信号的幅值取决于反射系数,反射系数ρ定义为给定位置的反射电压与入射电压之比：

(6)

当传输线的末端负载恰好等于特征阻抗时,不存在反射,ρ=(Z0-Z0)/(Z0+Z0)=0,称为末端匹配。电路开路时,ρ=(∞-Z0)/(∞+Z0)=1,反射信号与原信号同相。在短路的情况下,ρ=(0-Z0)/(0+Z0)=-1,反射信号与原信号反向。根据反射系数、特征阻抗和不连续点阻抗,可以得到电缆上信号的波形变化。如果电磁波在线路中的传播速度已知,通过测量入射信号和反射信号之间的时间间隔,可以计算出阻抗不连续点的位置。TDR正是基于此原理的一种远程测量技术,利用该方法可以检测电缆中的异常位置并拥有进行线路故障类型识别的优势[22]。

1.2 CST中建立接头模型

以深圳国电巨龙公司生产的10 kV冷缩式电缆接头为仿真对象。配电电缆由内到外由铝芯导线、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、内护套、金属铠装层和外护套组成。表1列出了电缆的尺寸和各层材料。

表1 电缆的尺寸和各层材料

由于电缆各相具有相同的结构并且位置对称,因此可以将三相接头简化为单相进行建模仿真。根据实际电缆接头的尺寸在CST中建立单相冷缩式接头模型,如图2所示。电缆中的半导电材料用于均匀导体外侧和绝缘外侧的电场;在电缆接头中,预制高压屏蔽管和应力锥也使用半导电材料用于消除电场集中。高频电磁波信号在电力电缆内传播时其衰减和色散主要是由半导电层引起,其在整个频率内的相对介电常数及电导率的波动变化较大,考虑到仿真软件对各媒质参数的线性不变的特征,选取半导电层绝缘的相对介电常数为30,电导率为2[23]。冷缩式接头的各个部位材料及电气参数如表2所示。

图2 电缆接头模型

表2 冷缩接头各个部位材料及电气参数

2 电缆接头阻抗特性仿真

在CST中建立中间接头的三维模型,通过在电缆本体交联聚乙烯绝缘和冷缩接头硅橡胶绝缘界面处设置不同厚度水层,模拟不同情况的进水情况。CST时域求解器主要依据端口的反射信号来计算阻抗特性。使用CST时域求解器计算阻抗时有两种激励方式：阶跃信号和高斯信号。矩形上升脉冲作为激励信号是评估阻抗变化的典型激励。但它存在一定缺点,即能量不会衰减(时间信号永远不会停止),同时由于激励频谱的零幅度,导致一些频域数据比如S参数会出现未定义的频率。使用高斯脉冲激励时能够避免这两个缺点。因此,文中选用高斯信号作为激励,在不连续点处的阻抗可由式(7)计算。其中,Z(t)为测量的线路特征阻抗,Z0为电缆端口阻抗,i(t)为输入的高斯脉冲信号,o(t)为入射端口接收到的反射信号。

(7)

通过在电缆接头的两端设置波导端口,在端口1上施加一个激励信号(高斯脉冲,宽度3.55 ns,振幅1),如图3所示。波导端口是计算域中的一种特殊边界条件,既能激发能量又能吸收能量。这种端口模拟连接在模型结构上的无限长波导,使计算域具有非常低的反射水平。

图3 在端口1处施加一个激励信号

正常情况下,接头的反射波形和阻抗特性如图4所示。为了节省运行时间和计算量,根据中间接头的对称性,只求解接头前半部分的阻抗特性,其后半部分阻抗特性在正常无缺陷情况下是完全相同和不变的。

图4 无缺陷下反射波形和接头阻抗

从结果中可以看出,高斯信号峰值从端口1到端口2(端口2位于接头另一端,与端口1处于对称位置)需要3.92 ns,传播的距离是600 mm,可得传播速度153.06 m/μs。接头的阻抗明显大于电缆本体的阻抗。其主要原因是由于接头的内外导体距离增大,在两者之间加入了一层硅橡胶绝缘。由式(3)、式(5)可知,这些变化将会导致电容减小,电感增大,进而引起阻抗增大。此外,阻抗从4.25 ns开始下降。产生这种现象的原因是在接头的中间有金属压接管,内导体直径的增加导致阻抗下降。接下来,将仿真和实验相结合对中间接头进水后的阻抗特性进行分析。

水的相对介电常数为81,电导率为5.5×10-6S/m。考虑到水的渗透会影响介质的介电常数,根据Lichtenecker公式对介电常数进行校正[24]：

ln(εeff)=v2·ln(ε1)+v1·ln(ε2)

(8)

两种介质的相对介电常数分别是ε1和ε2,相对应的体积百分率分别是v1和v2(v1+v2=1)。设置水分和原介质体积各占50%,经过修正后受潮的硅橡胶和交联聚乙烯绝缘介电常数是15.06和13.6。水分对磁导率几乎没有影响,而电导率的数量级很小,所以对磁导率和电导率的修正可以忽略。为了达到模型表征的准确性与实际接头的关联性,引入S参数来对模型和实际缺陷进行修正。在高频下,二端口网络的特性可由其各对端子的出、入波的振幅和相位关系的散射矩阵S矩阵来确定,S矩阵的各要素称为S参数。对于如图5所示的二端口网络,激励源和负载阻抗都是Zo。

图5 二端口网络的S参数

S矩阵则表示归一化的入射电压波(a1,a2)与反射电压波(b1,b2)之间的关系,即：

(9)

对实际缺陷使用网络分析仪对其S参数进行求解,同时使用CST仿真软件对建立的模型进行S参数求解,将两者进行分析比对后,完善模型结构,从而达到模型与实际缺陷的等效性,实现对实际缺陷阻抗的准确测量。

为了达到实际的进水效果,制作两个中间接头,其中一个在套入预制冷缩接头前,在交联聚乙烯绝缘表面加入水分,将未做处理的接头标记为接头①,加入水分的接头标记为接头②,两个接头铜网均直接裸露不做防水、防火、加固和封装处理。对两个接头分别做以下处理：

1)将接头①浸水处理6天;

2)将接头②浸水处理6天;

3)将接头②浸水处理12天;

4)将接头②浸水处理18天。

在电缆接头模型将部分硅橡胶绝缘和交联聚乙烯绝缘使用修正后的材料参数替代,以模拟中间接头受潮。接头浸水如图6所示,使用矢量分析仪分别获取四种情况下中间接头的S参数,在实验室实物测量如图7所示。

图6 将接头作浸水处理

图7 S参数检测示意图

在仿真模型中设置水分,使其S参数与实测S参数近似达到一致。正常无缺陷和四种进水情况下仿真与实测的中间接头在50 Ω参考阻抗下的S参数如图8所示。

图8 无缺陷和四种进水情况下仿真和实测S参数对比

从图8中可以看出,随着进水程度的加深,S11振荡加剧,表明接头受潮以后,内部的反射情况更加复杂。在设置仿真缺陷和实际缺陷后,CST中的接头模型和实际接头的S参数相近,因此使用前者仿真得到的阻抗特性是符合实际情况的。正常情况和四种进水情况下电缆接头反射波形和阻抗特性如图9所示。

图9 正常情况和四种进水情况下电缆接头

从图9(a)可以看出,随着进水程度的加深,反射波形振幅逐渐减小,甚至出现一个负脉冲。电缆接头的具体阻抗变化情况如图9(b)所示,相比正常无缺陷情况,接头受潮时阻抗明显下降,在受潮严重的情况下,接头阻抗小于电缆本体阻抗。分析可知,产生这些现象的主要原因是水分的进入引起中间接头内部各部分电气参数发生变化,接头内对地电导逐渐增大,随着进水程度的加深,接头部分对地电容有所增加,由式(1)可知,这将导致接头受潮后阻抗减小,直接呈现出在受潮接头处反射系数减小甚至出现负反射系数。

3 基于TDR的电缆接头进水故障识别

在第1节中已经说明,TDR技术是基于波的反射原理的一种远程检测手段。在电缆首端注入脉冲,当传播到电缆接头处,由于阻抗不匹配会产生反射波,如上节所述进水后将导致阻抗变化,反射波形亦随之变化。上节中对不同进水情况下的反射波形进行了研究,但是由于现场电缆长度较长,电磁波在电缆上传播存在衰减,且存在复杂的电磁环境,因此这些反射波形与现实情况相比并不完全等效,实际电缆中间接头的反射波形和基于TDR方法对电缆接头进水识别还需要通过实验来进行验证。

在实验室200 m电缆中间部位的接头上进行实验。使用自制脉冲源作为入射波的发射源,发射双指数脉冲。为了满足不同电缆长度的需求,脉冲源可以进行脉宽和幅值调节：对于长电缆,为了解决信号衰减问题,使用高幅值、宽脉宽脉冲,加以首末端双端检测减少衰减造成的灵敏度低等问题;对于短电缆,为了减少测量盲区,使用低幅值、窄脉宽脉冲。数据采集单元采用Picoscope 5000系列示波器。实验平台搭建原理图与实物图如图10所示。将脉冲和采集模块整体置于金属屏蔽壳以内解决外部电磁干扰问题。该系统能够在5 000 m测量范围内保证2 m以内的测量精度。

图10 实验平台原理图与实物图

根据上一节中间接头的处理方式,设置进水缺陷。从电缆一端注入幅值为400 V,脉宽120 ns(上升沿10 ns)的双指数脉冲,分别采集正常情况和四种进水状况下入射波在中间接头处的反射波形,结果如图11所示。

图11 实测TDR波形

从图11中可以看出,由于连接线上的杂散电容和电感的影响,采集到的注入脉冲并不是双指数波形,在上升沿存在与脉冲峰值相比微小的反射,呈现出过冲状态,而经过后续的折反射衰减这种过冲基本消失,因此末端反射脉冲为双指数波形。波从首端传输到末端的时间需要2.303 μs,电缆总长度为200 m,由此可知波在电缆中的传播速度为173.69 m/μs,推算可得中间接头位置在100.2 m处,与实际位置基本一致,精度在1 m以内。随着进水程度的加深,反射波形的幅值逐渐减小,在一定程度时,接头的反射波形幅值很小以致难以区分;在进水严重时,出现与入射波方向相反的脉冲,这与仿真情形一致。与仿真注入脉冲相比,实验注入脉冲的脉宽较宽,中间接头内部的反射将叠加在一起,因此反射波形只表现出两个明显的极性,呈现倒“S”型。因此,使用时域脉冲反射法对配电电缆接头进水及其程度进行检测具有可行性和有效性。在实际应用中,由于电缆接头本身为阻抗不连续位置会产生反射,因此利用该方法对接头的进水状况进行检测需要一定条件,即电缆接头在完好时和阶段检测的反射波形记录,将检测数据和历史数据进行对照能够对电缆接头的受潮程度有更好的掌握。

对于无法获取历史数据的情形,根据三相电缆接头位置、结构完全相同,理论上正常情况下接头的反射波形完全一致,对三相电缆分别测量。通过对比三者反射波形的异同进而对接头中的进水和进水程度进行评估。这种策略在现场测试中得到了验证。对下陵线35 kV配电线路进行检测,如图12所示。在距离首端240.6 m处三相电缆接头的反射波形存在较大差异。A、C两相240.6 m处中间接头反射波形相较B相发生很大畸变,几乎难以分辨。初步判断为进水且较为严重。上电后,距首端240 m处电缆接头发生爆炸,TDR测量精度在1 m以内。