局部放電論文：電纜局部放電的特點(diǎn)研討

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本文作者：常文治、葛振東、時(shí)翔、馬國(guó)明、陳志勇、崔瀟、李成榕、陳雪薇、唐志國(guó)單位：新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))、青島供電公司

在近似于工頻的阻尼振蕩電壓下檢測(cè)局部放電，其電壓波形與頻率滿(mǎn)足IEC60270[10]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)電壓特性的要求，能夠?qū)σ曉诜烹娏窟M(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)體積小巧，特別適合現(xiàn)場(chǎng)條件下的電纜局部放電檢測(cè)。目前我國(guó)相關(guān)單位主要應(yīng)用振蕩波檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展電纜絕緣缺陷的定位研究[11-17]，但是未對(duì)振蕩電壓下檢測(cè)到的局部放電信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析。本文在真實(shí)10kV電纜上設(shè)置典型缺陷模型，使用自主研制的振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析。

振蕩波檢測(cè)技術(shù)的原理

振蕩電壓波測(cè)試方法的基本原理是利用電纜等值電容與外接電感、回路直流電阻構(gòu)成的LCR欠阻尼振蕩電路。振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，包括高壓直流源、無(wú)暈電抗器、高速固態(tài)開(kāi)關(guān)、局部放電及電壓檢測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試品電纜等。工作過(guò)程分為2個(gè)階段：一是直流充電階段，在圖1中，高速固態(tài)實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，高壓直流源通過(guò)無(wú)暈電抗器對(duì)試品電纜充電，在試品電纜的芯線(xiàn)和接地層之間累積靜電荷；二是振蕩電壓生成及局部放電檢測(cè)階段。圖1中，高速固態(tài)開(kāi)關(guān)瞬間閉合，電纜芯線(xiàn)上儲(chǔ)存的正電荷與外皮中的負(fù)電荷發(fā)生中和，電纜等值電容與電抗器電感、直流電阻形成LCR欠阻尼振蕩回路，在試品電纜芯線(xiàn)及接地層之間產(chǎn)生近似于工頻的阻尼振蕩電壓，激發(fā)出電纜絕緣缺陷處的局部放電信號(hào)，基于脈沖電流方法進(jìn)行檢測(cè)。

10kV電纜局部放電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試品電纜采用銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套阻燃電力電纜，型號(hào)為ZC-YJV22，額定電壓15kV/8.7kV，規(guī)格為3*240mm2。整條試品電纜由一根129m長(zhǎng)及一根262m長(zhǎng)的電纜通過(guò)冷縮式中間接頭連接而成，電纜兩端均安裝冷縮式戶(hù)內(nèi)終端，電纜鎧裝及銅屏蔽層均與大地可靠連接。試品電纜總長(zhǎng)391m，在129m處有一中間接頭。結(jié)合電纜實(shí)際故障，在電纜的中間接頭、終端、本體上設(shè)置以下4種潛在性放電缺陷：1）中間接頭線(xiàn)芯纏繞絕緣膠帶。制作中間接頭時(shí)，線(xiàn)芯接管外按規(guī)程應(yīng)當(dāng)纏繞半導(dǎo)電膠帶，模擬現(xiàn)場(chǎng)誤操作的情形，在壓接管外纏繞絕緣膠帶，如圖2(a)所示。2）端部針尖故障。選取一根銅針及交聯(lián)聚乙烯絕緣塊，將銅針的尖端插入絕緣塊內(nèi)部，銅針的另一端與試品電纜線(xiàn)芯相連，如圖2(b)所示。3）本體外半導(dǎo)電層破損故障。將試品電纜局部的接地銅帶撕開(kāi)，露出外半導(dǎo)電層，將其刮開(kāi)一直徑約2cm的豁口，如圖2(c)所示。4）端部懸浮故障源。將一根銅針的尖端插入試品電纜主絕緣表面約1mm深度，銅針不與線(xiàn)芯及內(nèi)半導(dǎo)電層接觸，如圖2(d)所示。

10kV電纜局部放電振蕩波測(cè)試系統(tǒng)

缺陷點(diǎn)定位方法自主研發(fā)的10kV電纜局部放電振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)由前臺(tái)檢測(cè)單元和后臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，前臺(tái)檢測(cè)單元在計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制下對(duì)試品電纜主絕緣施加0~2.5U0(U0=8.7kV)的阻尼振蕩電壓，激發(fā)并檢測(cè)電纜缺陷處的局部放電信號(hào)，局部放電檢測(cè)靈敏度不低于5pC，缺陷點(diǎn)定位誤差小于10cm?；诰植糠烹娒}沖信號(hào)在電纜中傳播的行波原理，利用時(shí)域反射法定位缺陷點(diǎn)位置[18]。

相位特征統(tǒng)計(jì)方法一組典型的振蕩波實(shí)測(cè)波形如圖3所示，其中上圖為阻尼振蕩電壓波形，下圖為局部放電信號(hào)。由電路理論可知，阻尼振蕩電壓波的形成屬于二階電路零狀態(tài)響應(yīng)中的振蕩放電過(guò)程[19]?，F(xiàn)根據(jù)電路學(xué)原理分析振蕩電壓波的起始相位角。單次阻尼振蕩電壓持續(xù)時(shí)間較短，約數(shù)十ms，獲取的局部放電信號(hào)數(shù)據(jù)較少，統(tǒng)計(jì)特性不強(qiáng)。為擴(kuò)充分析數(shù)據(jù)的樣本空間，在相同阻尼振蕩電壓作用下，進(jìn)行多次加壓測(cè)試，獲取多組波形。從每組局部放電信號(hào)中提取超過(guò)閾值的放電脈沖，獲取其時(shí)間及幅值序列，同時(shí)測(cè)量振蕩電壓頻率。由此可以得到一組檢測(cè)數(shù)據(jù)中放電脈沖序列的相位序列，對(duì)每組檢測(cè)數(shù)據(jù)均依照該方法進(jìn)行處理，最終可以得到多組實(shí)測(cè)信號(hào)中所有放電脈沖的相位序列。通過(guò)這樣的累積處理，可極大程度地?cái)U(kuò)展放電數(shù)據(jù)的樣本空間，得到規(guī)律明顯的相位特征譜圖。本文給出4種典型特征譜圖：1）局部放電灰度圖[20-21]，表征局部放電脈沖歸一化幅值在振蕩電壓相位上的分布情況；2）N-Φ譜圖(放電次數(shù)–振蕩電壓相位譜圖)，表征放電次數(shù)在振蕩電壓相位上的分布情況[22]；3）Q-Φ譜圖(放電量–振蕩電壓相位譜圖)，表征每個(gè)振蕩電壓相位段上最大放電量的分布情況[22]；4）N-Q譜圖(放電次數(shù)–放電量譜圖)，表征放電次數(shù)在放電量范圍內(nèi)的分布情況[22]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將10kV電纜局部放電振蕩波測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)高壓連接電纜與試品電纜被試相線(xiàn)芯連接(試品電纜已預(yù)置缺陷)，振蕩波檢測(cè)系統(tǒng)及試品電纜銅屏蔽層均良好接地。使用滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)的局部放電校準(zhǔn)儀向試品電纜注入1000pC的校準(zhǔn)脈沖信號(hào)，系統(tǒng)檢測(cè)到的校準(zhǔn)脈沖波形如圖4所示。由于注入的校準(zhǔn)脈沖傳播至電纜終端后會(huì)發(fā)生發(fā)射，因此在一定時(shí)間段內(nèi)可同時(shí)采集到入射及反射校準(zhǔn)脈沖波形，提取入射及反射脈沖的峰值，可計(jì)算出視在放電量的校準(zhǔn)系數(shù)。測(cè)量入射及反射脈沖之間的時(shí)間差，結(jié)合波速也可校核電纜全長(zhǎng)。對(duì)被試相電纜主絕緣施加阻尼振蕩電壓，針對(duì)預(yù)置的每種缺陷，施加的阻尼振蕩電壓分為9個(gè)等級(jí)：0.8U0、1.0U0、1.2U0、1.3U0、1.5U0、1.6U0、1.7U0、1.8U0、2.0U0(U0=8.7kV)，加壓時(shí)從最低電壓等級(jí)開(kāi)始，記錄能夠檢測(cè)到局部放電信號(hào)且信噪比S/N>2時(shí)的電壓檔位，將該電壓檔位及以上的1個(gè)電壓檔位作為測(cè)試電壓，每個(gè)測(cè)試電壓下施加阻尼振蕩電壓50次，保存50組測(cè)試數(shù)據(jù)，每組測(cè)試數(shù)據(jù)包括振蕩電壓波形及局部放電波形。4類(lèi)缺陷的測(cè)試電壓如表1所示。

給出本體外半導(dǎo)電層破損缺陷在1.5U0振蕩電壓作用下的實(shí)測(cè)波形如圖5所示，其中上圖為阻尼振蕩電壓波形，振蕩頻率550Hz，下圖為激發(fā)出的局部放電信號(hào)。其余缺陷放電實(shí)測(cè)波形與此類(lèi)似。從實(shí)測(cè)的局部放電信號(hào)中提取并匹配入射–反射脈沖對(duì)，測(cè)量脈沖對(duì)中入射脈沖、反射脈沖之間的時(shí)間差，結(jié)合電纜長(zhǎng)度、波速等參數(shù)，即可計(jì)算出缺陷點(diǎn)所在的位置，如圖6所示。圖中橫軸表示電纜長(zhǎng)度，縱軸表示缺陷點(diǎn)的視在放電量。所有預(yù)設(shè)缺陷點(diǎn)的定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表2中，從表2中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，4種缺陷點(diǎn)的定位誤差不大于10cm。分析4類(lèi)預(yù)設(shè)缺陷在不同振蕩電壓下產(chǎn)生局部放電信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征，分別給出放電灰度圖、N-譜圖、Q-譜圖、N-Q譜圖共計(jì)4類(lèi)典型譜圖，如圖7—10所示。比較圖7—10給出的局部放電特征譜圖可以看出，4類(lèi)預(yù)設(shè)缺陷在不同電壓等級(jí)的振蕩電壓作用下產(chǎn)生的局部放電信號(hào)重復(fù)率及視在放電量存在一定的差異，但是其統(tǒng)計(jì)特征基本一致，簡(jiǎn)要分析各類(lèi)缺陷在其最高測(cè)試電壓下產(chǎn)生局部放電信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征如下。

中間接頭線(xiàn)芯壓接管外錯(cuò)用絕緣膠帶導(dǎo)致的放電比較稀疏，主要集中在20°~70°和200°~280°2個(gè)相位區(qū)間段內(nèi)，230°附近分布最為密集，負(fù)半周放電密度略大于正半周。放電脈沖在灰度圖上2個(gè)集中分布區(qū)域呈三角形。端部針尖故障的放電脈沖分布最廣，分布在20°~110°、200°~280°的相位段內(nèi)，且正、負(fù)2個(gè)半軸內(nèi)的分布密度基本一致，分布形狀均呈矩形，具有較好的對(duì)稱(chēng)性。本體半導(dǎo)電層破損導(dǎo)致放電集中分布在負(fù)半周過(guò)零點(diǎn)和振蕩電壓反向升高的階段，從相位特征上看主要集中在180°~280°，其中190°~230°相位段內(nèi)的分布最為密集，放電脈沖在灰度圖上的分布區(qū)域呈三角形。端部懸浮故障放電主要分布在200°~300°的相位區(qū)間內(nèi)。從相位分布上來(lái)看，該故障放電與本體半導(dǎo)電層破損故障相似度較高，但該故障放電在過(guò)零點(diǎn)處沒(méi)有分布，且從在灰度圖上的分布形狀來(lái)看，該故障放電分布形狀近似于矩形，與半導(dǎo)電層破損放電呈現(xiàn)的三角形有明顯差異。表3中給出4類(lèi)典型缺陷放電的統(tǒng)計(jì)特征。

結(jié)論

本文在真實(shí)10kV電纜上預(yù)設(shè)了4類(lèi)典型缺陷，對(duì)試品電纜施加阻尼振蕩電壓并測(cè)量缺陷的局部放電信號(hào)。使用時(shí)域脈沖反射法對(duì)缺陷點(diǎn)進(jìn)行定位，4類(lèi)缺陷點(diǎn)的定位誤差均不超過(guò)10cm。使用振蕩電壓相位特征統(tǒng)計(jì)方法分析局部放電信號(hào)在阻尼振蕩電壓相位上的分布特征，發(fā)現(xiàn)不同振蕩電壓作用下同一缺陷局部放電信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征基本一致，放電重復(fù)率及視在放電量存在差異；不同缺陷局部放電的統(tǒng)計(jì)特征存在明顯差異。基于本文所取得的研究成果，下一步可建立阻尼振蕩電壓作用下典型缺陷的放電模式庫(kù)，或研究放電的嚴(yán)重程度，與故障定位相結(jié)合，可全面判斷電纜絕緣狀態(tài)。