局部放電在線監(jiān)測技術(shù)在電力電纜運(yùn)行中的應(yīng)用

趙法強(qiáng)

摘要：局部放電是導(dǎo)致電力電纜絕緣擊穿事故發(fā)生的主要原因。文章介紹電力電纜帶電局部放電檢測方法，基于局部放電諧波分析方法對電力電纜潛在的缺陷進(jìn)行監(jiān)測，確保在未停電情況下發(fā)現(xiàn)電力電纜的缺陷，通過在線局放檢測技術(shù)對電纜測試發(fā)現(xiàn)電纜潛在隱患及缺陷，從而有效地解決現(xiàn)場實際問題。

關(guān)鍵詞：電力電纜；在線監(jiān)測技術(shù)；局部放電；絕緣擊穿事故；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM855 文章編號：1009-2374（2016）35-0070-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.034

電力電纜是配網(wǎng)線路最關(guān)鍵的輸送電能設(shè)備，而電力電纜因運(yùn)行環(huán)境及電纜本體老化、中間頭制作工藝等原因而經(jīng)常發(fā)生故障，影響了供電質(zhì)量和供電可靠性，這就迫切需要對電力電纜絕緣狀態(tài)檢測方法進(jìn)行研究。龍崗供電局截止到2015年年底共有電纜線路1137條線路長度4835km，中間頭有16850個，若按照預(yù)防性規(guī)程要求，每條電纜線路每三年進(jìn)行一次停電測試，則每年需要停電312次，供電可靠性將下降0.02%，明顯影響供電可靠率。同時停電預(yù)試是破壞性試驗，這就有可能將還可運(yùn)行的電纜或中間頭附件擊穿，造成新的缺陷，同時很多線路狀況良好，未必就需要進(jìn)行停電預(yù)試，這就造成了“該修的未修，不該修的反而修了”的被動局面。為了避免以上的不利影響，龍崗供電局在與國際先進(jìn)水平供電企業(yè)可靠性及技術(shù)對標(biāo)及調(diào)研基礎(chǔ)上，引進(jìn)了英國高電壓公司生產(chǎn)的在線局放設(shè)備檢測儀（HVPD），同時積極開展了規(guī)模性的測試，基本建立了測試圖形數(shù)據(jù)庫，同時也發(fā)現(xiàn)了電纜線路的部分缺陷。本文將對帶電局部放電檢測方法進(jìn)行介紹，同時將對針對目前環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的電力電纜的屏蔽接地線進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，提高設(shè)備利用率，從而發(fā)現(xiàn)電纜線路缺陷。

1 電力電纜局部放電的基本原理

XLPE電纜的絕緣層在制造過程中不可避免滲入很少部分的其他雜質(zhì)或殘留一些氣泡，而這些存有雜質(zhì)或氣泡的區(qū)域，在場強(qiáng)作用下絕緣介質(zhì)的樹枝狀老化，因此在這些區(qū)域就會首先發(fā)生放電現(xiàn)象。樹枝引發(fā)初期，其局部放電量約0.1PC；當(dāng)樹枝發(fā)展到介質(zhì)擊穿臨界狀態(tài)時，其局部放電量可達(dá)到1000PC。引起局部放電的雜質(zhì)或氣泡形成實阻抗，其產(chǎn)生的脈沖基本上是單極性脈沖，上升時間很短，并且脈沖寬度也很窄。這是電纜的浪涌阻抗，在開始時是純阻性的。圖1描述了電纜局放的典型的脈沖波形：

2 局部放電信號在電纜中的傳播特性

根據(jù)HVPD提供的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，電纜局部放電的上升時間非常短只有幾十納秒到微秒級之間，而脈寬一般小于10個微秒。一般脈沖信號都是由多次諧波構(gòu)成，我們可以將脈沖信號由多個不同頻率的正弦信號疊加組成，因電纜分布參數(shù)不均勻致使中高頻成分的脈沖信號衰減最為嚴(yán)重，根據(jù)HVPD給出數(shù)據(jù)及測試，當(dāng)局放發(fā)生在傳播了2000m或以上時，信號的寬度已經(jīng)變化了一半以上，使局放的脈沖信號發(fā)生明顯的失真，剩下的較多為低頻的信號，當(dāng)局放信號離監(jiān)測點較近時（例如500m內(nèi)），此時電纜的脈沖信號將會在電纜終端頭及相關(guān)電纜中間頭之間不斷來回反射，形成脈沖重疊現(xiàn)象。脈沖經(jīng)過了幾次反射，已經(jīng)衰減到忽略的程度，因此在局放的測量及定位中，前兩個或三個脈沖捕捉是很相當(dāng)重要的，下圖為在我局利用HVPD局部放電檢測儀測試過程中捕捉到的110kV清林站F61天健現(xiàn)代城線中間頭局放的波形（圖2）。

3 局部放電在線檢測在電力電纜運(yùn)行中的應(yīng)用

通常電纜或電纜附件的局放會有電量和非電量的各種變量參數(shù)的發(fā)生，例如，電量的參數(shù)包括電脈沖、電磁、地電波（TEV）等，非電量參數(shù)包括光、熱、氣體壓力和化學(xué)變化現(xiàn)象等。根據(jù)以上的物理參數(shù)，目前我局已經(jīng)采用了暫態(tài)接地電壓波法（TEV）與超高頻法（UHF）聯(lián)合方法對電纜進(jìn)行在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隱患及缺陷再對電纜停電進(jìn)行用OWTS振蕩波局部放電檢測。

3.1 利用地電波法（TEV）與超高頻法（UHF）聯(lián)合方法快速監(jiān)測

常規(guī)的預(yù)試及OWTS振蕩波局部放電檢測都需要停電，為了防止不必要的停電預(yù)試及對電纜進(jìn)行破壞性試驗，我局首先采用暫態(tài)接地電壓波法（TEV）和高頻脈沖法（HFCT）聯(lián)合測試手段，HVPD提供的產(chǎn)品High Voltage Partial Discharge就包含暫態(tài)接地電壓波法（TEV）和高頻脈沖法（HFCT，通常采用30～900MHz）聯(lián)合測試，可同時測試4單元環(huán)網(wǎng)柜及相關(guān)電纜出線的終端頭附件及電纜的局放。HVPD PD Longshot一般可對環(huán)網(wǎng)柜有關(guān)設(shè)備進(jìn)行定點檢測，每一檢測點的時間周期一般為3～5分鐘即可，系統(tǒng)將每0.20秒（也可以根據(jù)需要延長數(shù)據(jù)點的間隔時間）進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收集，有經(jīng)驗的用戶可在一天內(nèi)進(jìn)行50～100個點（電纜頭或開關(guān)設(shè)備）的檢測，但如在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)了異常的局放信號，則需要花費(fèi)較長的時間去做進(jìn)一步的定位測試。如使用應(yīng)答器在一個雙端電纜上找出確切的局放點則需要花費(fèi)1～2小時的時間。為確定局放源，則必須對后面的環(huán)網(wǎng)柜之間的電纜段分別進(jìn)行檢測。圖3為我局在現(xiàn)場High Voltage Partial Discharge的接線實圖：

3.2 “指紋”診斷識別系統(tǒng)判別XLPE電纜局放

High Voltage Partial Discharge系統(tǒng)內(nèi)設(shè)了“指紋”診斷識別系統(tǒng)，通過測試收集環(huán)網(wǎng)柜接線柱頭上電纜附件局放或通過CC-SG1 TEV傳感器或在電纜屏蔽線上的HFCT 100/50傳感器收集的局部放電信號或其他環(huán)境噪聲信號通過高通濾波進(jìn)入系統(tǒng)，形成的測試波形與“指紋”診斷識別系統(tǒng)，再通過算法和噪音識別技術(shù)進(jìn)行快速對比，最后形成一個概率性餅狀圖。通過餅狀圖判據(jù)得出電纜運(yùn)行狀況，High Voltage Partial Discharge系統(tǒng)設(shè)置了自動儲存測試波形的系統(tǒng)，測試過程中儀器自動采集記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可輸入相關(guān)時間、地點、環(huán)網(wǎng)柜編號等參數(shù)，同時會自動生成測試報告，我們可以利用國外成熟的經(jīng)驗和相關(guān)數(shù)據(jù)庫，再建立自己數(shù)據(jù)圖庫（圖4）。

3.3 利用在線局部放電監(jiān)測儀器發(fā)現(xiàn)電纜缺陷的實例

5月2日，我局利用英國高電壓公司生產(chǎn)的在線局放設(shè)備檢測儀（HVPD）對中海怡海山居電纜進(jìn)行在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)有局部放電現(xiàn)象，當(dāng)時錄得的局放波形如下（圖5），從圖中可以看出，當(dāng)時的局部放電現(xiàn)象較為嚴(yán)重，已經(jīng)達(dá)到1680PC。

為了驗證該電纜局部放電現(xiàn)象是否存在，我們于當(dāng)天就進(jìn)行了震蕩波局部放電的離線檢測，通過檢測到的波形確定確實存在局部放電現(xiàn)象，接收到的反射波形如圖6所示：

根據(jù)提供軟件測算在730m左右的地方存在局部放電，后派出人員利用聲磁判別法發(fā)現(xiàn)電纜頭存在局部放電現(xiàn)象。然后再通過解剖，發(fā)現(xiàn)該電纜頭為熱縮中間頭，因制作工藝不良，在環(huán)切電纜半導(dǎo)體層時用力過度，導(dǎo)致線芯的絕緣層損傷，造成局部放電。根據(jù)以上典型案例，再通過深圳地區(qū)電纜情況，結(jié)合英國高電壓公司生產(chǎn)的在線局放設(shè)備檢測儀設(shè)備廠商提供的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，我們總結(jié)今后在線檢測時的數(shù)據(jù)作為不關(guān)注、需要進(jìn)一步檢測、需要檢修或維護(hù)的初步標(biāo)準(zhǔn)。具體數(shù)值如表1所示：

3.4 局部放電在線檢測的局限性

3.4.1 遠(yuǎn)距離的局部放電檢測存在困難，High Voltage Partial Discharge測試儀器使用表明，因高頻成分的脈沖信號衰減嚴(yán)重，局部放電信號超過2000m后，其幅值已經(jīng)衰減了1/3，測試波形中局部放電的突起不明顯甚至給環(huán)境噪聲淹沒；傳輸3000m后，其幅值已經(jīng)衰減得十分微弱，基本檢測不到。

3.4.2 測試電纜局放的傳感器接線不方便，根據(jù)原理利用高頻脈沖法時，傳感器（HFCT）必需按照方向套上電纜的三相分別的相線上，或者套在電纜的屏蔽線的接地線上，因環(huán)網(wǎng)柜的五防要求，在環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)未斷，地刀未合上情況下柜門是不能開啟的，因此每次對電纜局部放電檢測尚需停電，未真正實現(xiàn)“帶電”監(jiān)測。

3.4.3 High Voltage Partial Discharge測試儀器只能監(jiān)測出電纜線路是否存在局部放電，尚未能對電纜局部放電的地點進(jìn)行定位，在發(fā)現(xiàn)局部放電后，還需用OWTS振蕩波局部放電檢測系統(tǒng)進(jìn)行故障定位。

3.4.4 XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測尚需解決的問題，局部放電檢測技術(shù)研究雖然遍地開花，很多技術(shù)手段還在理論推斷的基礎(chǔ)上，就國內(nèi)研究表明，XLPE電力電纜局部放電檢測試驗還很多停留在實驗室階段，主要存在以下幾點需解決問題，“指紋”診斷識別系統(tǒng)可以解決諧波分法的難題，但畢竟國內(nèi)應(yīng)用也是剛剛開始，監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)局部放電的“指紋”圖庫較少，分析軟件還需進(jìn)一步提高；因采集的信號微弱，脈沖幅度小，在電纜中來回反射及散射后被背景噪聲淹沒，能被傳感器接受的諧波分量相當(dāng)少，單純用硬件不斷放大諧波信號，將會引起信號失真嚴(yán)重，最后要的信號會誤斷。

3.5 局部放電在線檢測的改進(jìn)技術(shù)措施

3.5.1 改進(jìn)屏蔽線的接地方式。為了配合在線監(jiān)測儀器的傳感器的使用對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電纜附件屏蔽線的接地端進(jìn)行改接，改接屏蔽線，只要把屏蔽線改接至環(huán)網(wǎng)柜外，在遵守原有技術(shù)規(guī)范的前提下對新增配網(wǎng)工程及業(yè)擴(kuò)工程的電纜屏蔽線進(jìn)行改接，對存量環(huán)網(wǎng)柜的屏蔽線進(jìn)行改接，這就克服了“五防”要求，在環(huán)網(wǎng)柜門未開啟情況下不能將傳感器互感器套上屏蔽線的弊端。

3.5.2 對電纜中間頭直接在線監(jiān)測。采用暫態(tài)接地電壓波法（TEV）直接對電纜中間頭進(jìn)行測試，該法是基于目前深圳供電局的電纜故障有37%左右是中間頭故障引起的，中間頭的局部放電監(jiān)測是解決電纜線路運(yùn)行正常與否的關(guān)鍵，深圳地區(qū)的電纜基本實現(xiàn)了電纜溝道的敷設(shè)方式，就連直埋中間頭都有設(shè)置工井，因此我們可以利用在線監(jiān)測儀器的TEV傳感器直接吸附在電纜中間頭保護(hù)盒上，收集相關(guān)信號進(jìn)行監(jiān)測，我局利用該法已經(jīng)對電纜中間頭進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)局部放電的中間頭有3個。目前，我局正與相關(guān)廠家合作，研究將局部放電傳感器收集的信號利用藍(lán)牙設(shè)備或無線GPRS設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，利用接收設(shè)備進(jìn)行解碼及相關(guān)濾波，再將相關(guān)局部放電信號進(jìn)入“指紋”診斷識別系統(tǒng)，這樣可以實現(xiàn)“云”監(jiān)控，大大提高設(shè)備的利用率和在線監(jiān)測的實效性。

3.5.3 環(huán)網(wǎng)柜之間的電纜分段測試。因高頻成分的脈沖信號衰減嚴(yán)重，局部放電信號超過一定距離后，在線監(jiān)測的效果不夠理想，這就要求我們將一條線路進(jìn)行分段在線監(jiān)測，對線路進(jìn)行分段測試。目前，我局的做法是在測試電纜線路時將另一端的屏蔽線先解開，測試一段后，如此類推。

4 結(jié)語

帶電測試技術(shù)已經(jīng)漸漸成熟，在狀態(tài)檢修中發(fā)揮了“為設(shè)備聽診”的作用，也為電力電纜線路提供了最為有效的檢測方法，同時新設(shè)備的應(yīng)用為龍崗供電局提供了在線監(jiān)測試驗與應(yīng)用的平臺，為制訂停電檢修計劃提供了技術(shù)基礎(chǔ)。龍崗供電局將不斷累積現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，充實新的“指紋”識別系統(tǒng)，不斷完善檢測手段及相關(guān)測試技術(shù)，建立相關(guān)的測試規(guī)程及導(dǎo)則，使在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)揮新貢獻(xiàn)。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）