振蕩波技術在高壓XLPE電纜局放檢測中的分析及應用

摘 要：為提高高壓XLPE電纜的局放檢測準確性，對局放進行精確定位，本文介紹了振蕩波技術進行XLPE電纜局放檢測的原理，分析了該技術基于TDR時域反射的局放判斷方法，論述了振蕩波電壓下與工頻運行電壓下XLPE電纜局放的良好等效性。重點介紹了北京市電力公司最新引進的適用于高壓XLPE電纜的OWTS設備的系統結構功能及使用，通過對北京市高壓電纜現場振蕩波局放測試數據的分析，驗證了振蕩波技術能夠有效的發現并定位對110kV、220kVXLPE電纜的不同類型缺陷局放，并指出振蕩波技術針對近端電纜終端局放判斷受環境干擾影響過大的問題。

關鍵詞：高壓電纜；局部放電；振蕩波；110kV；220kV；時域反射法

交聯聚乙烯（XLPE，以下簡稱交聯）電纜由于具有制造工藝簡單，安裝敷設容易，電氣性能優良，傳輸容量大，運行維護方便，無漏油隱患等諸多優點已成為電纜發展和工程應用的主流[1]。當前，國內電纜運行部門已經對高壓、超高壓交聯電纜交接試驗和投運后的診斷性試驗（包括預防性試驗和在線監測）高度重視，采取了多種檢測手段和方法力圖確保電纜的運行可靠性[2]。

從2008年1月開始，北京市電力公司開始廣泛采用振蕩波法電纜局部放電定位（Oscillating Wave Test System，以下簡稱 OWTS）測試技術對10kV電纜進行局部放電測試，幾年中發現并處理了大量故障和缺陷。2011年11月，北京市電力公司引進了

用于110kV及220kV電纜的振蕩波局放定位系統（OWTS HV250），并對部分電纜的進行了試驗，積累了一定的現場使用經驗。

1 常用高壓電纜局放檢測技術

超聲波法，可探測、存儲和分析超聲波信息，主要用于電力設備局部放電引起的超聲波信號檢測。

高頻法，利用高頻CT對放電信號會產生具有不同隨機特征的脈沖信號進行高速寬帶采樣獲取信號完整的時域波形，針對不同放電及噪聲間的差異提取多種信號特征，從而將不同的放電分離開來。

超高頻法，通過超高頻傳感器，獲得局部放電超高頻電磁波信號，將檢測到的局部放電信號進行演算及處理，根據三維及二維圖形及數據信息進行分析和診斷，判斷局部放電的類型，確定設備狀態。

上述三種常用的高壓電纜局放測試技術[3]對電纜局部放電在不同頻段上信號進行采集的在線測試方法，需要電纜運行后才能夠進行測試，不能在發電前及時發現問題。而發電前的諧振耐壓試驗并不能對電纜的局部放電進行檢查，導致部分電纜在通過耐壓試驗后幾個月內發生絕緣擊穿。振蕩波檢測技術能夠排除在線檢測時電網系統的大量干擾信號，可根據 IEC 和 GB 標準獲取精確量化的局放測試結果，在多個試驗電壓等級下進行局放測試[4]。正是由于這些原因，OWTS試驗以其離線局放測試、局放定位的特點，已經在北京地區作為電力電纜投運前的例行試驗之一得到了廣泛應用。

2振蕩波局放測試技術

2.1振蕩波電壓的產生

振蕩波系統的高壓發生和測試原理電路如圖1所示，直流電源首先對電容充電，之后閉合高壓開關，通過設備電感與被測電纜電容發生諧振，在被測電纜端產生振蕩電壓。

2.2 振蕩波電壓與工頻電壓下電纜局部放電的等效性分析

工頻電源與振蕩波電源之間的等效性是運用振蕩波電源做局部放電試驗可行性的關鍵依據。文獻[5]中提到了振蕩波電壓和工頻交流電壓下試品局放特性的比較。表1是相同試品、相同缺陷條件下，工頻交流電壓與振蕩波下局部放電起始電壓及局部放電量的比較。可見除了應力錐安裝錯誤缺陷外，對其余兩種缺陷，振蕩波電壓下的局部放電起始電壓均大于交流電壓下。

同一試品（3235 m，50 kV三相電纜）在不同電壓等級下的放電量Q，見表2。從表中可見，在不同電壓等級下，試品的不同相在振蕩波與交流電壓下相比，都具有良好的等效性。

振蕩波的頻率對局放起始電壓和放電量Q 的之間的關系[5]見圖2。從圖中可見，振蕩波電壓的頻率并不影響其局放起始電壓，但振蕩波的頻率越小放電量越大，越容易檢測到局部放電。

2.3 時域反射法進行局放定位

OWTS系統對振蕩波電壓下采集到的放電脈沖采用時域反射法（TDR）進行局部放電定位，原理示意如圖3所示。測試一條長度為 的電纜，假設在距測試端 處發生局部放電，脈沖沿電纜向兩個相反方向傳播，其中一個脈沖（入射波）經過時間t1到達測試端；另一個脈沖（反射波）向測試對端傳播，并在對端發生反射，之后再向測試端傳播，經過時間t2到達測試端。根據兩個脈沖到達測試端的時間差 ，可計算局部放電發生位置[6]，即：

2.4脈沖信號在電纜中的發散

電纜的電容特性會影響脈沖的波形，考慮發散的影響，反射脈沖不可能比原始脈沖含有更多高頻部分，或比原始脈沖更窄。如果兩個脈沖非常靠近（缺陷在遠端），電纜發散也可能會使反射脈沖和原始脈沖重疊。

2.5 脈沖信號在電纜中的衰減

由于行波在電纜中傳播的衰減和畸變現象，在被測物終端記錄的視在放電量的幅值會和局放發生點的幅值不同。局放脈沖沿著電纜傳播時，能量消耗，脈沖會發生衰減。而衰減的強度取決于脈沖傳播的距離和電纜的參數。一般，局放脈沖在紙絕緣電纜比XLPE電纜的衰減大。所有局放和反射脈沖都受到電纜衰減的影響。因此可以推斷，反射脈沖的強度（pC）要比原始脈沖（觸發脈沖）的強度小（重疊的情況例外）。

2.6 脈沖信號形狀的相似性

脈沖應具有相似性，反射脈沖應該和原始脈沖的形狀相似。由于衰減，反射脈沖可能形狀有變化（高頻成分更少）。與其他脈沖的重疊同樣很大程度上影響了反射脈沖的形狀。圖4所示脈沖符合反射波形具備發散性、衰減性和相似性三個判斷原則。

3 高壓OWTS HV250測試系統組成及測試方案

3.1 測試系統組成

振蕩波局放定位系統（OWTS HV250）最高可以產生250 kV （峰值）/ 176.7 kV （有效值）的振蕩波試驗電壓，可測電容范圍0.035uF-8uF，測試范圍1pC-100nC，定位帶寬150kHz-20MHz。測試系統如圖5，主要由7個模塊組成：

其中A為新型高壓光觸開關（LTT），B為高壓電感單元，C為高壓電源單元（HVPS），D為帶耦合電容的數字信號處理卡（局放探測器），E為帶遠程控制功能的嵌入式計算機系統（控制單元、局放分析儀等），F為高壓分壓器，G為筆記本電腦----操作控制和數據存儲。

3.2 測試方案

（1）電纜終端的要求：

GIS終端需要提供無局放的延長電纜連接進行連接，較高的終端塔則可能需要搭建腳手架工作平臺。遠端電纜終端為GIS終端的，可將電纜從GIS中退出，并接入SF6密封倉。

（2）電纜兩端的處理

斷開電纜與電網的連接，包括終端頭上的連接板、弓子以及周圍其他附件如PT、避雷器等，露出電纜終端頭的銅棒，便于安裝OWTS高壓連接套件，保持屏蔽接地，打磨及清潔銅棒、接地處的金屬表面，用清洗劑清洗電纜終端表面。

（3）中間接頭的處理：

將交叉互聯箱和直接接地箱內連板的連接方式恢復為正常相序，保證每相屏蔽線回路的直通，并將直接接地箱接地連板拆除。

（4）被測電纜周邊的處理：

試驗開始前，除被測相外，其他相和周圍金屬體均要求接地，不得存在懸浮金屬體，工具及拆卸下來的零件放置于試驗區域外。

（5）加壓方案

對于110kV和220kV交聯電纜，先進行一次0kV加壓，然后在0.5Uo-1Uo之間ΔU為0.2Uo，1Uo以上ΔU為0.1Uo，每個電壓等級加壓3次，對施加最高電壓參考串聯諧振耐壓試驗標準，如發現局放可重復多次。由于設備最高施加電壓為峰值250kV，所以對于220kV交聯電纜，最高電壓可以加至約1.39Uo。

4 現場應用及分析

OWTS HV250系統至今已對十余路高壓交聯電纜線路進行了局放測試。

4.1 設備有效性檢驗

2012年1月，在北京電力科學院高壓試驗大廳的110kV預埋缺陷電纜上，使用OWTS HV250設備進行了有效性檢驗。試驗電纜長度256m，安裝兩組中間接頭使電纜形成一個完整交叉互聯段。中間接頭距本次測試端距離分別為100m和176m。其中A相和B相分別含有一個缺陷，C相電纜不含缺陷。缺陷設置情況如下：

A相缺陷為氣隙缺陷，是在橡膠絕緣件（應力錐）外表面切開一個小口，然后用絕緣膠進行封堵而成，示意圖如圖6所示。

B相缺陷為電纜外半導電層尖端缺陷。半導電尖端長度設計為35mm，在套入應力錐后尖端缺陷可以伸出應力錐內半導電5mm，外半導電層斷口尖端缺陷示意圖和現場制備圖如7和圖8所示。

A、B兩相均在加壓過程均產生了局放脈沖信號，通過OWTS系統的TDR時域反射法進行局放定位如圖所示，符合局放定位發散性、衰減性和相似性三個判斷原則。

對A相電纜中間接頭上又分別采用高頻傳感器（卡交叉互聯線）、鉗形線圈高頻傳感器（卡電纜本體）、內置式傳感器、超高頻傳感器進行局部放電檢測。圖12和圖13是示波器記錄下波形圖，分別為不同傳感器在電壓為62kV時耦合的單脈沖（時域20μs）和工頻單周期（20ms）脈沖信號。圖12和圖13中C1、C2、C3、C4分別為傳感器、鉗形本體線圈傳感器、內置式傳感器、超高頻傳感器。可以看到傳感器、鉗形本體線圈傳感器、內置式傳感器均能很好的耦合到脈沖信號，而超高頻傳感器未耦合到脈沖信號。

（1）A相電纜在10m左右處存在較大局放信號（最大2000pc），考慮到OWTS設備高壓引線長度為7m，所以近端局放信號疑似由高壓引線天線效應、與電纜空氣終端導體連接部分接觸不實或空氣終端套管表面臟污引起。

（2）A、B兩相在180m左右處均存在100pc-200pc的局放信號，根據局放分布圖可以看到，A相與B相在該處局放點數量較多，位置集中。

（3）試驗電纜的缺陷設置在A相與B相的第二組中間接頭內，與測試端距離為176m， OWTS HV250系統所定位的A相、B相局放點位置與其第二組中間接頭位置相符，證明OWTS HV250能夠對高壓XLPE電纜的空穴和尖端等缺陷產生的局放進行有效檢測。

（4）高頻傳感器（卡交叉互聯線）、鉗形線圈高頻傳感器（卡電纜本體）、內置式傳感器和OWTS HV250幾種測試方法對電纜中間接頭預埋缺陷進行有效的檢測，而DMS超高頻傳感器檢測效果較差。

4.2 220kV交聯電纜振蕩波測試

該路220kV交聯電纜線路長度4.5kM，共11組中間接頭，電纜型號為ZR-YJLW02-127/220kV-1×2500mm2，振蕩波加壓在空氣終端側進行，對端為GIS終端，如圖14。

測試地點位于220kV電纜終端站，周邊有其他運行中的220kV電纜空氣終端，在0kV下進行了一次測試，環境噪聲達到1500pC以上，環境電暈產生的較大干擾造成高壓引線天線效應明顯，導致背景噪聲顯著增大。振蕩波試驗對該路電纜每相進行了單次0kV，三次0.5Uo， 三次0.7Uo， 三次0.9Uo， 三次1Uo， 三次1.1Uo， 三次1.2Uo， 三次1.3Uo， 三次1.36Uo加壓，測試等效電容C=1.02uF，振蕩頻率f=67Hz。

經過TDR時域反射法進行局放信號的分析，未發現超過背景噪聲的局放信號。

5 結論

（1）振蕩波激發局放起始電壓與工頻運行電壓下具有較良好的等效性。

（2）使用脈沖反射法（TDR）進行局放定位，通過分析一次反射脈沖和二次反射脈沖的發散性、衰減性和相似性能夠有效地排除噪音干擾，獲得準確的電纜局放點位置。

（3）通過對預埋缺陷的電纜進行檢測，驗證了測試系統局放檢測定位的有效性。并在振蕩波電壓下進行220kV電壓等級電纜的局放定位，積累了寶貴的高壓電纜振蕩波測試技術的現場經驗和實際數據。

（4）OWTS HV250測試系統采集到的近端電纜終端放電信號受到套管臟污程度、高壓引線與導體連接和終端附近金屬結構等影響，容易在振蕩波電壓下引入干擾放電信號。

（5）采用振蕩波局放測試的方法，能夠有效地對高壓電纜多種類型缺陷產生的局部放電進行檢測，在設備投運前及時發現缺陷，減少帶電局放檢測發現問題后帶來的設備停電。

參考文獻：

1） 吳 倩，劉毅剛.高壓交聯聚乙烯電纜絕緣老化及診斷技術述評[J].廣東電力， 2003， 16（4）：1-6.

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