江思杰 王繼紅 王定虎 江傳華

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

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交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜局部放電檢測技術(shù)的研究*

江思杰 王繼紅 王定虎 江傳華

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展,電力電纜在電力行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,論文通過研究交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電特性,提出了一種基于自衰減振蕩電力電纜局部放電定位檢測系統(tǒng),滿足了電力電纜離線檢測中的局部放電定位和檢測需求,較好地解決了目前國內(nèi)外離線檢測技術(shù)問題,為開展電力電纜在線檢測打下了夯實的基礎(chǔ)。

交聯(lián)聚乙烯電纜; 局部放電; 自衰減振蕩; 離線定位檢測

Class Number TN407

1 引言

一直以來,電力電纜絕緣性能是城市電網(wǎng)系統(tǒng)能夠安全運行的重要因素之一,交聯(lián)聚乙烯(XPLE)電纜正是憑借其優(yōu)秀的絕緣性與可靠性在電力行業(yè)尤其是高壓或超高壓領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在連續(xù)高壓工作下,對交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行絕緣檢測和監(jiān)測是判斷電纜絕緣狀況好壞、故障發(fā)生的趨勢、剩余壽命的必要措施。而對交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行局部放電測試是檢測電纜絕緣狀況最為安全和有效的方法。

在高壓檢測領(lǐng)域,對高壓設(shè)備包括各種電力電纜的絕緣檢測分為離線和在線兩種。離線檢測方法技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)采集清晰準(zhǔn)確,定位精確;在線檢測則能在不斷電的情況下進(jìn)行檢測,但數(shù)據(jù)獲取較難,容易受干擾影響,尤其在電纜局部放電定位上比較困難,可謂各有利弊。然而無論是離線還是在線檢測,其技術(shù)壁壘阻擋了我國廣泛開展電力電纜定位檢測和狀態(tài)監(jiān)測活動,對我國電力行業(yè)帶來了一系列問題,主要包括:

1) 我國供電營運的成本增高;

2) 缺乏有效的預(yù)警手段,規(guī)避電力事故。

本文立足于交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電特性的研究,提出了一種基于自衰減振蕩電力電纜局部放電定位檢測系統(tǒng),滿足了電力電纜離線檢測中的局部放電定位和檢測需求,較好地解決了目前國內(nèi)外離線檢測技術(shù)問題,為開展電力電纜在線檢測打下了夯實的基礎(chǔ)。

2 局部放電特性研究

在電力網(wǎng)絡(luò)絕緣系統(tǒng)中,大多數(shù)故障仍然都是由電力電纜內(nèi)部的缺陷引起的,且故障點密集分布于電力電纜的節(jié)點處,剩余的故障點一般出現(xiàn)在電纜的終端或者是由電纜本體的絕緣情況惡化造成的,而電力電纜生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)工藝所造成的瑕疵與長時間連續(xù)高壓作業(yè)是導(dǎo)致故障的主要原因。值得注意的是,上述故障在初期都會表現(xiàn)為一定程度的局部放電現(xiàn)象,經(jīng)過長期連續(xù)高壓作業(yè),這種小規(guī)模的放電現(xiàn)象通過日積月累,最終導(dǎo)致了安全故障的發(fā)生。

電力電纜局部放電現(xiàn)象可能發(fā)生在電纜附件和本體中,以電力行業(yè)中常用的兩種油紙電纜與電纜交聯(lián)聚乙烯電纜為例,兩者的局部放電特性也有所差別。

2.1 油紙電纜

油紙電纜的絕緣層為粘性浸漬結(jié)構(gòu),在電壓場強(qiáng)增加或者絕緣油泄露、絕緣干燥的時候容易發(fā)生局部放電現(xiàn)象,放電現(xiàn)象的產(chǎn)生反過來又導(dǎo)致絕緣層不斷碳化,最終使絕緣層絕緣性能下降。導(dǎo)致油紙電纜絕緣層局部放電現(xiàn)象出現(xiàn)的原因大體上分為兩種,如圖1所示:電纜外層絕緣油泄露,導(dǎo)致絕緣材料干燥、性能下降(圖1(a));電纜內(nèi)層鉛包破裂進(jìn)水,導(dǎo)致絕緣層變薄、局部場強(qiáng)升高、絕緣性能下降(圖1(b))。

圖1 油紙電纜絕緣層局部放電情況

2.2 交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜

與油紙電纜不同,交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的絕緣材料為固態(tài)塑料結(jié)構(gòu)。在制造過程中如混入金屬雜質(zhì)、出現(xiàn)氣孔空洞,或由于內(nèi)、外半導(dǎo)體層不規(guī)則突起引起高壓場強(qiáng)的不均勻,或絕緣中存在的電樹等,在這些部位都有可能導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。隨著電纜制造技術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量控制水平不斷提高,由于工藝水平產(chǎn)生的局部放電在現(xiàn)場檢測中已經(jīng)微乎其微。圖2為交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層引起局部放電現(xiàn)象的原因與實例。

圖2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象的原因(左)與實例(右)

2.3 電力電纜局部放電位置

在電力電纜附件中,電纜終端與中間接頭是最容易發(fā)生局部放電故障的位置,不合格的生產(chǎn)工藝或施工安裝人員的技術(shù)不熟練都有可能導(dǎo)致電纜附件存在隱患,從而誘發(fā)局部放電故障和擊穿故障。圖3為電纜接頭中可能出現(xiàn)局部放電的位置。

圖3 電力電纜接頭可能產(chǎn)生局部放電的位置

電力電纜接頭中可能發(fā)生局部放電的地方:絕緣與導(dǎo)體表面的間隙、絕緣材料中的空腔與雜質(zhì)、導(dǎo)體或半導(dǎo)體表面的空腔或毛刺、半導(dǎo)體層或屏蔽層電陰率高或屏蔽層遭破壞、由水樹發(fā)展成電樹。

3 檢測方案設(shè)計

局部放電的產(chǎn)生需要在一定條件下才能形成,在交聯(lián)聚乙烯電纜正常負(fù)荷下,局部放電現(xiàn)象非常微弱或者依然處于潛伏狀態(tài)。因此在離線檢測時,可通過提高激勵電壓,誘使局部放電的產(chǎn)生。在早期的電力電纜出廠檢驗和驗收檢驗中,就是采用3倍高壓行波法檢測電纜的局部放電情況。這種方式,由于加壓時間較長,實質(zhì)上是一種破壞檢驗。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和器件制造水平的發(fā)展,產(chǎn)生了電力電纜的振蕩波檢測方法,其基本工作原理是利用電力電纜的容性阻抗,并聯(lián)一個固定電抗器,在符合試驗規(guī)定的高壓直流激勵下,產(chǎn)生自衰減振蕩。通過對衰減振蕩的不同幅值電壓下導(dǎo)致的局部放電脈沖的探測,檢測局部放電位置、幅值、頻率等局部放電參量。由于衰減振蕩的時間可很好的通過電抗器參數(shù)得到控制,其振蕩時間一般在100ms內(nèi)結(jié)束。因此對電纜造成的損傷較小,或者基本上沒有損傷。

振蕩波電力電纜檢測系統(tǒng)的高壓發(fā)生和測試原理電路如圖4所示。直流電源首先在被測電纜端加壓至直流電壓預(yù)設(shè)值(0kV～28kV),之后閉合IGBT高壓開關(guān),通過設(shè)備電感與被測電纜電容發(fā)生諧振,在被測電纜端產(chǎn)生阻尼振蕩電壓,因為試驗時采用固定電感和電纜諧振產(chǎn)生正弦振蕩波進(jìn)行加壓,其波形及頻率接近工頻,且電壓持續(xù)時間小于100ms,不會對電纜產(chǎn)生損傷。該裝置可以檢測的電力電纜電容范圍為:0.05μF～2μF。

圖4 系統(tǒng)高壓發(fā)生和測試原理示意圖

系統(tǒng)采用脈沖反射法進(jìn)行局部放電定位,原理示意如圖5所示。測試一條長度為L的電纜,假設(shè)在距測試端處發(fā)生局部放電,脈沖沿電纜向兩個相反方向傳播,其中一個脈沖經(jīng)過時間t1到達(dá)測試端;另一個脈沖向測試對端傳播,在電纜末端發(fā)生反射,之后再向測試端傳播,經(jīng)過時間t2到達(dá)測試端。根據(jù)兩個脈沖到達(dá)測試端的時間差,可計算局部放電發(fā)生位置:

(1)

式中,v為電纜中的波速。

圖5 脈沖反射法原理示意圖

脈沖反射法在10kV電力電纜離線故障定位中被廣泛采用,這種方法很容易被電纜檢修專業(yè)操作人員掌握。

假設(shè)高壓起振電壓為運行電壓的2.8倍,其局部放電探測靈敏度為0.01V,如果將靈敏度提高2.8倍,則應(yīng)該完全滿足在線測試的局部放電靈敏度要求。

對于在線測試,可采用傳感器感應(yīng)的方式,最為簡單的傳感器就是羅氏線圈感應(yīng)方式。在滿足在線檢測的傳感器、放大器、濾波器的條件下,結(jié)合電力電纜局部放電物理模型,完成局部放電定位和局部放電參量的計算。

4 結(jié)語

本文旨在研究交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電物理模型,提出了一種基于自衰減振蕩的電力電纜離線局部放電檢測方式,可完美地實現(xiàn)電力電纜中局部放電信號定位檢測。其持續(xù)振蕩時間在100ms,對電纜損傷小,探測靈敏度高,對于在線測試具有實際的指導(dǎo)意義。

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Crosslinked Polyethylene(XLPE) Cable Partial Discharge Detection Technology

JIANG Sijie WANG Jihong WANG Dinghu JIANG Chuanhua

(No. 722 of CSIC, Wuhan 430079)

With the rapid development of power industry, power cable has been widely used in electric power industry. Through studies of crosslinking polyethylene cable performance, this paper proposes an attenuation of oscillation power cable partial discharge detection system, to satisfy the orientation of partial discharge in power cable offline testing and inspection requirements, better solve the problem of off-line detection technology at home and abroad, to carry out on-line power cable laid a solid foundation.

cross-linked polyethylene cable, partial discharge, attenuation oscillation, offline location detection

2014年11月14日,

2014年12月21日

江思杰,男,碩士,工程師,研究方向:儀器與測試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、機(jī)械自動化控制、低頻通信技術(shù)、計量科研等。王繼紅,男,碩士,高級工程師,研究方向:計量科研、儀器與測試技術(shù)、低頻通信技術(shù)、儀器校準(zhǔn)技術(shù)等。王定虎,男,博士,高級工程師,研究方向:電磁兼容技術(shù)、儀器與測試技術(shù)、低頻通信技術(shù)、數(shù)據(jù)信號處理等。江傳華,女,碩士,研究員,研究方向:低頻通信技術(shù)、天線理論技術(shù)、儀器與測試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、計量科研等。

TN407

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.033