振蕩波電纜局放檢測(cè)和定位技術(shù)基本原理研究

1、振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位技術(shù)基本原理研究 隨著城市電網(wǎng)電纜化率的程度不斷提高，社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步對(duì)供電可靠性的要求也不斷提高，如何準(zhǔn)確掌握配電電纜的健康狀態(tài)，制定正確的檢修對(duì)策，避免因電纜本身質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的突發(fā)性事故的發(fā)生，變得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，電纜的局部放電量與其絕緣狀況密切相關(guān)，局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣可能存在危害電纜安全運(yùn)行的缺陷。目前，國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位技術(shù)，能夠有效檢測(cè)和定位配電電纜局部放電的位置且檢測(cè)本身不對(duì)電纜造成傷害。本文主要從該系統(tǒng)的電源技術(shù)、抗干擾技術(shù)、定位技術(shù)、典型案例等方面進(jìn)行介紹，為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用、改進(jìn)創(chuàng)新提供技術(shù)參考。

2、近十年來(lái)，擠塑型電力電纜特別是XLPE電力電纜由于其絕緣性能好、易于制造、安裝方便、供電安全可靠、有利于城市和廠礦布局等優(yōu)點(diǎn)，在城市電網(wǎng)中得到廣泛使用。但是這種電纜的絕緣結(jié)構(gòu)中往往會(huì)由于加工技術(shù)上的難度或原材料不純而存在氣隙和有害性雜質(zhì)，或者由于工藝原因在絕緣介質(zhì)與半導(dǎo)電屏蔽層之間存在間隙或半導(dǎo)電體向絕緣層突出，在這些氣隙和雜質(zhì)尖端處極易產(chǎn)生局部放電，同時(shí)在電力電纜的安裝和運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中也可能會(huì)產(chǎn)生各種絕緣缺陷導(dǎo)致局部放電。由于 XLPE等擠塑型絕緣材料耐放電性較差，在局部放電的長(zhǎng)期作用下，絕緣材料不斷老化最終導(dǎo)致絕緣擊穿，造成重大事故。 根據(jù)北京市電力公司相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，電纜老化、附件質(zhì)量和

3、工藝不良在 10kV 電纜故障中占有較大比重。隨著電纜運(yùn)行時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，潛伏的局部缺陷對(duì)城市電網(wǎng)可靠性的危害將會(huì)越來(lái)越突出，對(duì)供電質(zhì)量和公司形象造成的危害也會(huì)越來(lái)越大。因此，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)及時(shí)檢測(cè)出電纜潛伏性缺陷的要求也越來(lái)越迫切。 根據(jù) 2007 年北京市電力公司對(duì)新能源電網(wǎng)公司開展國(guó)際對(duì)標(biāo)的重要成果并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，采用振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位技術(shù)對(duì)配電電纜進(jìn)行測(cè)試，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位潛伏性局部放電缺陷且不會(huì)對(duì)電纜造成傷害，可以大大提高供電可靠性。 振蕩波電源技術(shù) 電力電纜由于其電容量大，很難在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工頻電壓下的局部放電檢測(cè)。過(guò)去充油電纜采用直流試驗(yàn)，可以大大降低電源的要求。

4、但對(duì)XLPE電力電纜，由于其絕緣電阻較高，且交流和直流下電壓分布差別較大，直流耐壓試驗(yàn)后，在XLPE電纜中，特別是電纜缺陷處會(huì)殘留大量空間電荷，電纜投運(yùn)后，這些空間電荷常造成電纜的絕緣擊穿事故1、2。采用超低頻（0.1Hz）電源進(jìn)行試驗(yàn)，要求試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，電纜絕緣損傷較大，可引發(fā)電纜中的新的缺陷3。 振蕩波電壓是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究較多的一種用于 XLPE 電力電纜局部放電檢測(cè)和定位的電源。該電源與交流電源等效性好，作用時(shí)間短、操作方便、易于攜帶，可有效檢測(cè)XLPE電力電纜中的各種缺陷，且試驗(yàn)不會(huì)對(duì)電纜造成傷害4。 OWTS振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位裝置如圖1所示。檢測(cè)時(shí)可以靈活施加028kV的直

5、流電壓，合上半導(dǎo)體開關(guān)后，被試電纜與電感產(chǎn)生阻尼振蕩。該裝置可以檢測(cè)的電力電纜電容范圍為0.05 F2F。 圖1 OWTS振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位裝置 2抗干擾技術(shù) 由于電纜的電容量大（近µF 級(jí)），局部放電要求嚴(yán)（幾pC），而電力電纜局部放電測(cè)量中不可避免的存在著環(huán)境噪聲和外部干擾，局部放電信號(hào)往往湮沒于這些噪聲和干擾中，使測(cè)量變得非常困難，抗干擾手段的提高顯得尤為重要。這些干擾按其時(shí)域和頻域特征的不同，可分為窄帶干擾、脈沖型干擾和背景噪聲三類。由于干擾強(qiáng)弱、頻域特性的不同，抗干擾技術(shù)要有一定的針對(duì)性5、6。 （1） 對(duì)于窄帶干擾，由于其頻域特征與局部放電信號(hào)的頻域特征有較大差

6、異，而且頻帶十分窄，故大多采用頻域?yàn)V波的方法進(jìn)行抑制。 （2） 對(duì)于脈沖型干擾，由于它和局部放電信號(hào)非常相似，從單個(gè)波形上很難將它們區(qū)分開來(lái)。目前主要采取時(shí)延鑒別法進(jìn)行鑒別。時(shí)延鑒別法是利用外來(lái)干擾脈沖及發(fā)射波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差與內(nèi)部放電及反射波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差的不同進(jìn)行鑒別。 （4）對(duì)于背景噪聲，由于其在時(shí)域中表現(xiàn)為無(wú)規(guī)律的隨機(jī)脈動(dòng)，在頻域中則表現(xiàn)為在整個(gè)頻帶上均勻分布，因而單從頻域或時(shí)域都不能有效地抑制。在小波去噪算法提出之前，往往采用時(shí)域平均的方法來(lái)抑制這種隨機(jī)性的背景噪聲，但效果并不理想。小波去噪算法的出現(xiàn)可以比較有效地解決這個(gè)問(wèn)題7、8。 OWTS振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位裝置具

7、有帶通濾波、小波分析、時(shí)延分析等抗干擾功能，可根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，方便的進(jìn)行放電脈沖的取舍，如圖2所示。該裝置還可以生成清晰的局部放電圖形（如電壓波形與局部放電信號(hào)關(guān)系圖、三維譜圖等），以便確定局部放電的類型，如圖3所示。 （a）帶通濾波功能 （b）小波分析功能圖 2 OWTS 軟件抗干擾功能 （a）電壓波形與放電關(guān)系 （b）三維譜圖分析圖 3 OWTS 軟件圖形顯示功能 3定位技術(shù) 對(duì)于電力電纜局部放電的定位，早期就有對(duì)電纜實(shí)行掃描式檢測(cè)查找局部放電點(diǎn)的技術(shù)，現(xiàn)在實(shí)際中采用的是70年代發(fā)展起來(lái)利用局部放電脈沖在電纜上的傳播特性，用10MHz以上的高頻掃描示波器進(jìn)行定位測(cè)量的方法，該法也叫行波法或T

8、DR法，其原理如圖4所示。 HVCDO/PDS10xLvv2v12a）b）c）t1CkZkt20t首波反射波12 圖 4 行波法定位原理 a）接線圖 b）檢測(cè)阻抗上的脈沖信號(hào)示意圖 c）脈沖波在電纜上的傳播 CDO-示波器 PDS局部放電測(cè)試儀 其中，Ck為高壓電容，Zk為檢測(cè)阻抗，同時(shí)也做匹配阻抗，消除脈沖在高壓端的反射。設(shè)在t0時(shí)，在電纜x處發(fā)生放電，送出的兩個(gè)脈沖按相反方向沿電纜傳播，t1時(shí)刻第一個(gè)脈沖到達(dá)測(cè)試儀，第二個(gè)脈沖在電纜遠(yuǎn)端反射后在t2 時(shí)刻到達(dá)測(cè)試儀（如圖4）。由于電纜中電脈沖的傳播速度相對(duì)于確定的電纜絕緣型式是已知的常數(shù)，所以根據(jù)式（1）就可以算出放電點(diǎn)離電纜近端（高壓端）

9、的距離x。 x = L V2 （1） 其中L為電纜長(zhǎng)度，V為脈沖波在電纜中的速度，為兩個(gè)脈沖的時(shí)延，即= t2t1。 OWTS振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位裝置采用該原理對(duì)電力電纜局部放電進(jìn)行定位，如圖5所示。 （a）單個(gè)脈沖分析及定位情況 （b）放電量及放電位置圖5 脈沖分析及定位情況 4典型案例分析 利用該裝置對(duì)某10/8.7kV XLPE三芯電纜進(jìn)行局部放電檢測(cè)和定位，該電纜全長(zhǎng)383米，距離測(cè)試端100米處有一個(gè)熱縮中間接頭。 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該電纜在1.7U0時(shí)放電量達(dá)到10000pC左右，0.5U0時(shí)放電量達(dá)到1000pC左右，定位發(fā)現(xiàn)放電缺陷就在接頭處。測(cè)試情況如圖6所示。 （a）方波標(biāo)定

10、 （b）加壓至9kV時(shí)電纜局部放電與施加電壓的關(guān)系 （c）單個(gè)脈沖分析及定位情況 （d）放電量及放電位置圖 6 某 10kV 電纜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況 經(jīng)過(guò)解體分析，該電纜內(nèi)、外半導(dǎo)電管端口不整齊有突起，且端部未纏繞半導(dǎo)電帶形成坡口，外屏蔽層剝離不整齊，有突起是造成嚴(yán)重局部放電的原因，如圖7所示。 （a） （b） （c） （d）圖 7 電纜解體圖片 （a）外屏蔽剝削不整齊，有突起，未打磨；（b）黑色熱縮管是半導(dǎo)電材料，紅色熱縮管是絕緣材料。黑色熱縮管端部不整齊，且未用半導(dǎo)電帶做過(guò)渡形成坡口，熱縮管表面有凹陷，不平滑。（c）里層黑色熱縮管與電纜導(dǎo)體接觸，表面有凹陷，不平滑。（d）內(nèi)、外半導(dǎo)電熱縮管的端部

11、均沒有用半導(dǎo)電帶纏繞形成坡口。 5 小結(jié) 實(shí)踐證明，OWTS振蕩波電纜局部放電檢測(cè)和定位裝置通過(guò)采用振蕩波電源技術(shù)、時(shí)延鑒別等抗干擾技術(shù)、行波法定位技術(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)有效檢測(cè)出10kV配電電纜的局部放電水平并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而避免因?yàn)榘惭b工藝或電纜劣化導(dǎo)致的突發(fā)性事故的發(fā)生，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。 參考資料： 1 饒強(qiáng)，交聯(lián)聚乙烯新的試驗(yàn)方法J，廣西電業(yè)，2004（8）：107-109 2 羅俊華 等，35kV 及以下 XLPE 電力電纜試驗(yàn)方法的研究J，電網(wǎng)技術(shù)，2000.24 3 張平康，韓伯鋒，XLPE 電纜的試驗(yàn)方法J，高電壓技術(shù)，2004.30（增） 4 楊連殿等，振蕩波電壓在 XLPE 電力電纜檢測(cè)中的應(yīng)用J，高電壓技術(shù)，2006.03 5 邱昌容等. 絕緣測(cè)試技術(shù)進(jìn)展. 第二屆全國(guó)電氣絕緣測(cè)試技術(shù)會(huì)議論文集，pp115，October 1991，桂林. 6 胡龍龍. 數(shù)字信號(hào)處理方法在局部放電信號(hào)提取中的應(yīng)用，碩士學(xué)位論文，西安：西安交通大學(xué)，2002. 7 Xu Y.S.，Weaver J.B.，Healy D.M.，Jr.，and Lu J. Wavelet Transform Domain Filters：A Spatially Selective Noise Fi