交聯聚乙烯(XLPE)電纜局部放電檢測技術的研究*

江思杰 王繼紅 王定虎 江傳華

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

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交聯聚乙烯(XLPE)電纜局部放電檢測技術的研究*

江思杰 王繼紅 王定虎 江傳華

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

隨著電力行業的快速發展,電力電纜在電力行業中得到了廣泛的應用,論文通過研究交聯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,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外離線檢測技術問題,為開展電力電纜在線檢測打下了夯實的基礎。

交聯聚乙烯電纜; 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系統能夠安全運行的重要因素之一,交聯聚乙烯(XPLE)電纜正是憑借其優秀的絕緣性與可靠性在電力行業尤其是高壓或超高壓領域得到了廣泛的應用。在連續高壓工作下,對交聯聚乙烯電纜進行絕緣檢測和監測是判斷電纜絕緣狀況好壞、故障發生的趨勢、剩余壽命的必要措施。而對交聯聚乙烯電纜進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。

在高壓檢測領域,對高壓設備包括各種電力電纜的絕緣檢測分為離線和在線兩種。離線檢測方法技術成熟、應用廣泛、數據采集清晰準確,定位精確;在線檢測則能在不斷電的情況下進行檢測,但數據獲取較難,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,其技術壁壘阻擋了我國廣泛開展電力電纜定位檢測和狀態監測活動,對我國電力行業帶來了一系列問題,主要包括:

1) 我國供電營運的成本增高;

2) 缺乏有效的預警手段,規避電力事故。

本文立足于交聯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,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外離線檢測技術問題,為開展電力電纜在線檢測打下了夯實的基礎。

2 局部放電特性研究

在電力網絡絕緣系統中,大多數故障仍然都是由電力電纜內部的缺陷引起的,且故障點密集分布于電力電纜的節點處,剩余的故障點一般出現在電纜的終端或者是由電纜本體的絕緣情況惡化造成的,而電力電纜生產過程中由于生產工藝所造成的瑕疵與長時間連續高壓作業是導致故障的主要原因。值得注意的是,上述故障在初期都會表現為一定程度的局部放電現象,經過長期連續高壓作業,這種小規模的放電現象通過日積月累,最終導致了安全故障的發生。

電力電纜局部放電現象可能發生在電纜附件和本體中,以電力行業中常用的兩種油紙電纜與電纜交聯聚乙烯電纜為例,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構,在電壓場強增加或者絕緣油泄露、絕緣干燥的時候容易發生局部放電現象,放電現象的產生反過來又導致絕緣層不斷碳化,最終使絕緣層絕緣性能下降。導致油紙電纜絕緣層局部放電現象出現的原因大體上分為兩種,如圖1所示:電纜外層絕緣油泄露,導致絕緣材料干燥、性能下降(圖1(a));電纜內層鉛包破裂進水,導致絕緣層變薄、局部場強升高、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 交聯聚乙烯(XLPE)電纜

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

圖2 交聯聚乙烯電纜絕緣層產生局部放電現象的原因(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生局部放電故障的位置,不合格的生產工藝或施工安裝人員的技術不熟練都有可能導致電纜附件存在隱患,從而誘發局部放電故障和擊穿故障。圖3為電纜接頭中可能出現局部放電的位置。

圖3 電力電纜接頭可能產生局部放電的位置

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

3 檢測方案設計

局部放電的產生需要在一定條件下才能形成,在交聯聚乙烯電纜正常負荷下,局部放電現象非常微弱或者依然處于潛伏狀態。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,實質上是一種破壞檢驗。

隨著技術的進步和器件制造水平的發展,產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,并聯一個固定電抗器,在符合試驗規定的高壓直流激勵下,產生自衰減振蕩。通過對衰減振蕩的不同幅值電壓下導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得到控制,其振蕩時間一般在100ms內結束。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的高壓發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設值(0kV～28kV),之后閉合IGBT高壓開關,通過設備電感與被測電纜電容發生諧振,在被測電纜端產生阻尼振蕩電壓,因為試驗時采用固定電感和電纜諧振產生正弦振蕩波進行加壓,其波形及頻率接近工頻,且電壓持續時間小于100ms,不會對電纜產生損傷。該裝置可以檢測的電力電纜電容范圍為:0.05μF～2μF。

圖4 系統高壓發生和測試原理示意圖

系統采用脈沖反射法進行局部放電定位,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,其中一個脈沖經過時間t1到達測試端;另一個脈沖向測試對端傳播,在電纜末端發生反射,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:

(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操作人員掌握。

假設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,可采用傳感器感應的方式,最為簡單的傳感器就是羅氏線圈感應方式。在滿足在線檢測的傳感器、放大器、濾波器的條件下,結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 結語

本文旨在研究交聯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,可完美地實現電力電纜中局部放電信號定位檢測。其持續振蕩時間在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意義。

[1] 張曉陽,浦子耿,徐洪峰.電力電纜局部放電測量小波降噪技術[J].自動化應用,2012(5):59-62.

[2] 金金元.影響交聯電纜局部放電水平的因素[J].光纖與電纜及其應用技術,2012(6):22-25.

[3] 錢志明.淺析高壓交聯電纜絕緣芯質量缺陷的控制[J].電力建設,2009(2):66-72.

[4] 黃智偉,付婷婷,何榮濤,等.高壓電纜附件局放電磁脈沖船舶特性及電容型傳感器性能研究[J].絕緣材料,2012,45(6):60-64.

[5] 王凱,徐陽,曹曉瓏,等.超高頻技術檢測高壓電力電纜及接頭中局部放電的研究[J].電線電纜,2002(3):35-37,46.

[6] 江傳華,王繼紅,江思杰.基于瞬態響應的低頻天線阻抗測試方法研究[J].艦船電子工程,2013,33(9):65-67.

[7] 胡凱.高壓電纜附件局部放電在線監測方法研究與系統設計[D].長沙:胡南大學,2012.

[8] 唐炬,鄧志勇,龔寧濤,等.檢測電纜附件局部放電內置傳感器的特性分析[J].重慶大學學報,2008,31(7):74-76.

[9] 劉紅霞,錢勇,姚林朋,等.基于模糊聚類的XLPE電纜隨機脈沖干擾抑制方法研究[J].測量與檢測技術,2011,33(2):76-78.

[10] 聶家榮,冷劍,莫有光,等.淺析振蕩波測試在配電電纜局部測試中的應用[J].電子測試,2013(18):151-152.

[11] 梁犇,李訓誥,林江.基于MATLAB與LabVIEW的信號處理分析與研究[J].實驗科學與技術,2010,8(6):39-41,170.

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、數據算法處理、機械自動化控制、低頻通信技術、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、低頻通信技術、儀器校準技術等。王定虎,男,博士,高級工程師,研究方向:電磁兼容技術、儀器與測試技術、低頻通信技術、數據信號處理等。江傳華,女,碩士,研究員,研究方向:低頻通信技術、天線理論技術、儀器與測試技術、數據算法處理、計量科研等。

TN407

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.033