振蕩波缺陷定位系統的無暈設計

趙　鯤, 郭鈺靜

(中國長江電力股份有限公司 葛洲壩電廠，湖北宜昌443002)

?

振蕩波缺陷定位系統的無暈設計

趙鯤, 郭鈺靜

(中國長江電力股份有限公司 葛洲壩電廠，湖北宜昌443002)

摘要：目前振蕩波裝置在試驗過程中非電纜本體的電暈放電容易引起電纜缺陷的誤診斷。為了有效減小外接裝置引入的局部放電，增加試驗中局部放電識別的準確性，采用對電纜終端建立電場仿真模型的方法，探究振蕩波系統中的強電場區域，針對仿真結果，對電纜本體以外強電場區域進行了無暈處理，包括油浸電纜終端頭、使用蛇皮管導線、套接均壓環等改進方式，進而，對真實電纜進行了缺陷定位試驗。實驗結果表明，無暈設計后，采集到的干擾信號大幅減少，缺陷識別準確性顯著提高。通過研究發現，振蕩波系統的無暈設計是提高定位精度的關鍵因素。

關鍵詞：振蕩波系統；缺陷定位；無暈設計；局部放電

0引言

隨著國內大中城市現代化建設的迅速發展，交聯聚乙烯電纜(簡稱 XLPE 電纜)因其電氣性能優越，物理特性穩定的特點，為城市輸電通道節省了大量空間，進而成為國內配網系統主要送電工具[1]。然而，隨著固體絕緣材料長期投運后的老化，保障 XPLE 電纜供電可靠性具有更大的挑戰，在電纜故障前發現缺陷并排除一直是輸電運行維護中的努力方向。

振蕩波電源具有帶動大容量試品，對電纜絕緣損傷小的優勢，其技術與近年來廣泛應用的時域反射法(TDR)思想結合，形成了用以長電纜缺陷定位的振蕩波測試系統(OWTS)。該診斷方式在交聯聚乙烯電纜現場試驗中已逐漸被認可。同時國內外學者針對應用過程中面臨的問題作出大量研究，同時國內外學者針對應用過程中面臨的問題作出大量研究，如文獻[2-5]大量研究了振蕩波激發電纜不同類型缺陷的局部放電特征，以及現有裝置在工程應用中的效果，驗證了振蕩波試驗與傳統耐壓試驗的等效性。文獻[6-9]考慮到難以精確確定行波傳播速度，從多個角度提出了減小波速計算誤差的方法。這些研究使得目前振蕩波裝置在信號提取、模式識別等方面取得突出進展，然而，在實際對OWTS應用過程中，振蕩波裝置與電纜終端之間難以保證無暈設計，以致試驗過程中終端附近發生大量局部放電，淹沒了電纜本體中缺陷處的局部放電，使得大量無用數據存入采集系統，難以實現電纜本體缺陷的準確定位。

本文從硬件優化的角度對振蕩波測試系統進行改進，利用仿真軟件對電纜終端附近區域建立電場仿真，針對電場較強區域進行無暈設計，并對實際電纜進行振蕩波試驗驗證。

1振蕩波測試系統工作原理

1.1振蕩波諧振原理

振蕩波電纜局部放電定位裝置如圖1。直流電源能夠產生10～25 kV的電壓，測試電纜與特定電感值的諧振電感形成諧振回路，高壓固體開關控制系統產生諧振。

圖1　振蕩波裝置圖

諧振是由R，L，C3種元件組成的串聯電路。通過分析R，L，C串聯電路發生諧振的條件和諧振時電路的特性來產生理想的振蕩波電壓。其諧振頻率為：

(1)

串聯電路的諧振頻率是由電路自身的兩個參數電感L與電容C決定的，與其他的外部條件無關。高壓開關閉合后，試品的等效電容與諧振電感構成串聯諧振，電路中的能量僅通過回路電阻損耗，在沒有持續的能量供應情況下，振蕩電壓不斷衰減，稱為阻尼振蕩。

1.2振蕩波平臺中的局部放電

IEC60270指出：局部放電是指在高電場作用下，高壓設備的絕緣介質發生在電極之間的未貫穿的放電。局部放電在絕緣介質內部或表面產生重復性的擊穿和熄滅，局部放電在放電初期不超過5 pC，信號被噪聲淹沒，甚至專業測量設備也難以發現，但在長期放電過程中，絕緣介質的介電常數和電導率會發生改變，致使電場畸變，放電規模擴大，最終導致形成樹枝并導致擊穿，達到擊穿邊緣時放電量可超過1 000 pC。局部放電按照放電位置可分為3種：發生在絕緣內部的內部放電；發生在絕緣體表面的表面放電；發生在導體尖端附近的電暈放電[10]。

在振蕩波測試裝置中，產生局部放電區域主要分為電纜本體局部放電和電纜以外區域的局部放電，在現場預防性試驗中，操作人員只需要關注電纜本體內的局部放電，從而實現缺陷定位，達到預防性試驗的目的，然而振蕩波電源與電纜終端連接區域處理不當容易產生電暈放電，大量終端頭位置的放電信號傳入電纜中，使得采集得到的信號中，電纜本體放電信號極少，定位準確性大大降低。

電暈放電通常被認為是極不均勻的電場在氣息擊穿的初始過程，同時也被認為是長期存在的穩定放電的形式，通常發生在電極或懸浮電位的尖端而不發生在絕緣介質內部，這種放電將電離自恢復絕緣的空氣而對絕緣的破壞作用很小?？諝鈸舸┛臻g電場強度E是由電場決定的，由矢量分析可知，空間電場強度可以由電勢φ的梯度表示[11-13]，即

(2)

電場的大小是由電勢對空間的梯度，在表面介質不均勻、曲率半徑小的高壓導體附近，局部區域將呈現強電場，該區域周圍空氣在強電場作用下電子被激發成為游離態形成電暈。而實際現場中振蕩波裝置與被測電纜之間的連接區域為系統的薄弱點，缺少有效的無暈措施。

2振蕩波系統的無暈設計

2.1電纜終端電場仿真

針對振蕩波裝置與電纜連接區域出現的電暈放電現象，本文重點對纜芯末端、線夾尖端區域進行分析，并根據分析結果對裝置進行無暈設計。文章對纜芯接頭位置建立三維仿真模型，實驗研究對象為中壓電纜線路中常用的95 mm截面8.7/15 kV鋁芯電纜，該終端與振蕩波電源連接方式如圖2所示，并進行電場計算[14]。

圖2　電纜接頭處三維模型

圖3　電纜接頭區域電場分布

仿真結果如圖3所示，當纜芯電壓取值到10 kV，在電纜終端、線夾尖端和連接導線3個區域電場強度較高，其中，實驗用的連接導線截面僅為4 mm，存在30 kV/cm及以上的高場強，線夾表面的電場強度平均能達到25 kV/cm，而其中較為尖銳部位可能存在更高電場，電纜終端通常是電纜的薄弱區域，不僅可能發生電暈放電，還能夠沿剝離的主絕緣表面向接地屏蔽層放電。

在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的游離場強，使氣體發生電離和激勵，因而出現電暈放電。空氣游離場強電場受空氣濕度與氣壓等因素影響較大，通常不超過30 kV/cm[15]。由于只要電場強度超過空氣游離場強，電暈放電就將持續進行，因此放電相位集中在90°與270°區間，并且存在的極性效應。當電纜本體以外發生電暈放電，振蕩波裝置將其誤識別并定位在電纜首端或末端附近，嚴重影響振蕩波裝置的定位精度。

圖4　均壓環設計圖

2.2無暈平臺設計

振蕩波裝置與電纜接頭連接區域設計如圖4所示，通過擴大接觸點和連接導線的表面積，能夠呈平方倍的減小導體表面的電場強度，從而消除電暈，電纜終端與振蕩波裝置用直徑為50 mm的蛇皮導管連接，接頭處采用鋁制均壓環固定，極大增加接觸點的曲率半徑，其較為尖銳的部分被均壓環包納在內部，由于兩者屬于等勢體，其內部的電場強度為零，將不存在電暈放電。

對于電纜終端頭區域，可以通過增加介質絕緣強度的方式提高終端頭局部放電起始電壓，本文根據10 kV電纜絕緣水平設計了油終端裝置如圖5所示，其纜芯直接與油終端底部鋁質電極接觸，利用均壓環與蛇皮導管連接，導體上方絕緣層外利用螺絲與上電極固定，上電極與地線連接保證其上部區域零電勢，保持線芯豎直懸空，并在玻璃罩中25號變壓器油，使得電纜終端頭被油完全淹沒，國標GBT 7595-2008要求：“新出廠的25號變壓器油擊穿電壓(間距2.5 mm)不小于35 kV”，其絕緣強度能夠達到140 kV/cm，比空氣絕緣強度(30 kV/cm)大數倍[16]，采用油終端的方式可以較好地抑制終端頭的局部放電。

圖5　油終端設計

3試驗過程

實驗選用德國OHV電纜振蕩波局放測試系統，利用上文所設計的均壓環和蛇皮管連接電纜首端，并使末端懸空不接，試品電纜為100 m長YJLV-22型交聯聚乙烯三芯電纜，等效電容為0.024 μF，距電纜首段60 m位置預置一處外半導破損缺陷。實驗采用逐級升壓方式，分別升至0.5U0,U0,1.3U0,1.5U0以及1.7U0，放電效果不明顯，減小裝置諧振回路電阻，并將振蕩波電壓升值2U0，在振蕩波前幾個周波觀察到放電現象，分別測量振蕩波電壓與局部放電信號如圖6所示，振蕩波的頻率為120 Hz，局部放電信號集中分布在1，3象限，放電量不均勻，其中，在一象限放電量大、次數少，三象限放電量小、次數多，屬于典型的表面放電。

圖6　實驗所測局部放電

采集儀器采集到數據后，分析定位結果如圖7，所有缺陷點集中在61 m附近區域，其比實際位置超出1 m，其原因是定制的蛇皮連接導管增加了電纜長度，從定位點的分布情況看來，沒有在電纜首段或末端測試到缺陷，說明本文提出的無暈設計有效消除了電纜終端的放電。

圖7　振蕩波定位結果

4結論

本文通過在實際振蕩波試驗過程中發現的問題，提出對系統接頭處的無暈設計，并對實際振蕩波裝置進行了改進，通過實驗結果發現，無暈化處理后，振蕩波裝置的定位結果會出現1 m左右的偏差，但能夠有效消除電纜連接區域的電暈放電，提高測試系統的準確性，對振蕩波裝置現場的應用起到重要作用。

參考文獻:

[1]孫志明. 10 kV 電纜振蕩波局部放電檢測技術研究與應用[D]. 北京：華北電力大學, 2012.

[2]李婧, 黃晨曦, 郭金明, 等. 30 kV 阻尼交流振蕩波測試系統用新型電力電子開關的研制[J]. 電氣技術, 2015，16(12): 66-70.

[3]李學斌, 康激揚, 魯旭臣, 等. 高壓電纜帶電檢測有效性評估系統研究[J]. 電氣應用, 2016, 35(2): 50-53.

[4]趙崇幸. 振蕩波電壓法在 10 kV 電纜故障查找中的應用[J]. 企業技術開發, 2015, 34(10): 54-54.

[5]常文治, 葛振東, 時翔, 等. 振蕩電壓下電纜典型缺陷局部放電的統計特征及定位研究[J]. 電網技術, 2013, 37(3): 746-752.

[6]林圣, 武驍, 何正友, 等. 基于行波固有頻率的電網故障定位方法[J]. 電網技術, 2012, 37(1): 270-275.

[7]王珺, 董新洲, 施慎行. 考慮參數依頻變化特性的輻射狀架空配電線路行波傳播研究[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(22): 96-102.

[8]HASHMI G M, PAPAZYAN R, LEHTONEN M. Determining wave propagation characteristics of MV XLPE power cable using time domain reflectometry technique[J]. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 2009, 19(2): 1159-1163.

[9]SHIN Y J, SONG E S, KIM J W, et al. Time-frequency domain reflectometry for smart wiring systems[C]//International Society for Optics and Photonics, 2002: 86-95.[10]李喆, 惠寶軍, 徐陽, 等. 10 kV 電纜中間接頭典型缺陷局部放電發展過程研究[J]. 電線電纜, 2015 (5): 5-10.

[11]陳亞林. 基于有限元法的 550 kV SF_6 終端電場分析[J]. 高壓電器, 2015, 51(10): 128-131.

[12]梁建鋒, 謝紅玲, 賈自杭, 等. 10 kV 電纜接頭局部放電在線監測系統研究[J]. 電力科學與工程, 2014, 30(1): 66-70.

[13]賈秀敏. 有限長均勻帶電圓柱殼的電場[J]. 浙江大學學報(理學版), 2014, 41(5): 528-530.

[14]莊池杰, 耿屹楠, 曾嶸. 基于不連續有限元的短間隙氣體放電仿真算法及其應用[J]. 高電壓技術, 2013, 39(4): 970-978.

[15]龐丹, 劉蔥柏, 趙昌鵬, 等. 電力電纜局部放電模式識別技術分析[J]. 電子技術與軟件工程, 2015 (5): 242-242.

[16]GBT 7595-2008 運行中變壓器油質量[S].北京：中國標準出版社，2009.

The Non-corona Design of the Oscillating Wave Defect Location System

ZHAO Kun， GUO Yujing

(China Yangtze Power Co., Ltd., Gezhouba Hydropower Plant, Yichang 443002, China)

Abstract：At present, the corona discharge not from cable itself is easy to cause mistake when diagnoses the cable defects with oscillating wave system. In order to reduce partial discharge from the external device effectively, and increase the accuracy of PD recognition, this paper establishes an electric field simulation model, and explores the strong electric field in the oscillating wave system. According to the simulation results, proposes non-corona treatment in strong electric field, such as oil filled cable terminal, using snakeskin conduit, improving grading ring. Furthermore, the defect location experiment of the actual cable is carried out. According the results, the interference signal is greatly reduced, and the accuracy is significantly improved. Oscillation wave system non-corona design is the key factor to improve the positioning accuracy.

Keywords：oscillating wave system；defect localization；non-corona design；partial discharge

收稿日期：2016-04-08。

作者簡介：趙鯤(1981-)，男，工程師，主要從事電氣一次設備的試驗、檢修、維護等方面的技術管理工作，E-mail: freak_big@163.com。

中圖分類號:TM731

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.004