110 kV電纜中間接頭半導(dǎo)電層缺陷局部放電測試技術(shù)研究

項(xiàng)恩新，楊能，王科，徐肖偉，周婉亞，吳琦

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217； 2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 前言

電纜中間接頭是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行狀況直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-4]。但由于絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝工藝要求高、運(yùn)行環(huán)境惡劣等原因，電纜中間接頭的故障率遠(yuǎn)高于電纜本體[5-8]。局部放電是絕緣缺陷的重要表征，也是促使絕緣劣化的主要原因之一，通過對(duì)中間接頭局部放電信號(hào)的檢測分析，可對(duì)接頭絕緣狀況進(jìn)行有效評(píng)估[9-11]。因此開展高壓電纜中間接頭的局部放電檢測的研究，對(duì)提高電纜輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

近年來，對(duì)電纜及電纜附件的局部放電檢測方法進(jìn)行了較為深入的研究，針對(duì)伴隨局部放電出現(xiàn)的光、噪音、電脈沖、電磁波等現(xiàn)象發(fā)展出了光學(xué)檢測法、超聲波檢測法、高頻電流耦合法、檢測阻抗法以及超高頻檢測法等局部放電檢測方法[12-14]。但是光學(xué)檢測法易受干擾，超聲波信號(hào)及超高頻信號(hào)在電力電纜中衰減嚴(yán)重，給傳感器采集局部放電信號(hào)帶來很大困難[15-17]，因此在實(shí)際工程中局部放電檢測方法主要采用高頻電流耦合法和檢測阻抗法。

目前各個(gè)電力單位在電纜及電纜附件局部放電檢測中所使用的局部放電檢測方法、局部放電檢測裝置以及數(shù)據(jù)分析方法均不相同，致使帶電檢測數(shù)據(jù)難以橫向比對(duì)，無法形成通用性的局部放電判據(jù)。故比較高頻電流耦合法和檢測阻抗法的局部放電特性，為電力運(yùn)維人員提供可靠準(zhǔn)確的局部放電判據(jù)變得非常重要。

本文在110kV預(yù)制式中間接頭的外半導(dǎo)電層中設(shè)置氣隙缺陷，搭建了基于高頻電流耦合法和檢測阻抗法的電纜附件局部放電實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，對(duì)兩種檢測方法采集到的局部放電信號(hào)的放電譜圖、單次脈沖的時(shí)頻域特征進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)電纜中間接頭局部放電在線監(jiān)測和離線檢測給出建議。

1 電纜中間接頭氣隙缺陷試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)回路

搭建220kV電纜預(yù)制式中間接頭缺陷如圖1所示試驗(yàn)系統(tǒng)，通過高頻電流耦合法和檢測阻抗法采集電纜中間接頭中的局部放電信號(hào)。兩端YJV-64/110kV型電纜通過硅橡膠預(yù)制型單芯直通接頭相連，接頭中設(shè)置外半導(dǎo)電層氣隙缺陷。電纜終端通過引流線連接試驗(yàn)變壓器，電纜中間接頭外屏蔽層良好接地。

圖1 試驗(yàn)電路連接

局部放電測量使用PD-Check，其帶寬為100 MHz，最高采樣率為200 MSa/s，采用并聯(lián)測試回路。通過C1、C2實(shí)現(xiàn)分壓器和耦合電容的功能；R為10kΩ保護(hù)電阻；Zm為檢測阻抗。當(dāng)電纜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，脈沖電流通過外屏蔽層流入大地，HFCT 可感應(yīng)此時(shí)的局部放電脈沖電流，并通過同軸電纜③將感應(yīng)信號(hào)傳輸至局部放電測試分析儀。檢測阻抗法所測信號(hào)經(jīng)同軸電纜①傳送至PD-Check的輸入通道。[18]分壓比為1:3600的耦合電容分壓產(chǎn)生的分壓信號(hào)通過同軸電纜②傳輸至Techimp PD-Check的SYNC接口，使得局部放電信號(hào)的相位同步。使用中，為了測試安全并提高局部放電測試系統(tǒng)的靈敏度，PD-Check接地端可靠接地。PDCheck與計(jì)算機(jī)通過交叉網(wǎng)絡(luò)通訊線連接，二者通過網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行通信。在計(jì)算機(jī)上使用控制軟件PDC_Control控制采集單元遠(yuǎn)程、監(jiān)測時(shí)間，瀏覽監(jiān)測結(jié)果，處理采集數(shù)據(jù)。另外，使用TechImp提供的局部放電統(tǒng)計(jì)用PD_processing軟件可以將PD-Check中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并做進(jìn)一步分析處理。

在試驗(yàn)前對(duì)整套試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行耐壓及局部放電測試，在220 kV 最高試驗(yàn)電壓作用下，背景干擾水平不大于10 pC。

1.2 試樣制作

根據(jù)實(shí)際110kV電纜中間接頭運(yùn)行條件和現(xiàn)場故障勘察分析，發(fā)現(xiàn)在預(yù)制式接頭制作、安裝過程中，外半導(dǎo)電層劃傷是電纜中間接頭的常見缺陷。為模擬外半導(dǎo)電層劃傷所引起的氣隙缺陷，將YJJTI-64/110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜整體預(yù)制橡膠絕緣件直通接頭110kV電纜中間接頭在中間位置的半導(dǎo)電層挖出一個(gè)圓錐體的小槽，深度為5mm，上直徑為2.5cm，露出增強(qiáng)絕緣，如圖2所示。用酒精擦拭后，在缺陷外部包裹一層寬度為4cm的薄銅箔片，將其壓緊，使其和電纜附件外層半導(dǎo)電接觸良好，最后用絕緣膠帶纏繞薄銅箔片將其固定，再將接地的屏蔽銅網(wǎng)均勻纏繞在接頭上，恢復(fù)屏蔽作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)制作的半導(dǎo)電層缺陷模型

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 噪聲剔除

檢測阻抗法采集局部放電脈沖電流信號(hào)，其頻帶一般在10～200 kHz之間，通過測試到局部放電視在放電量后，利用放電量與放電相位的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行譜圖展示，根據(jù)相位想關(guān)心進(jìn)行放電類型的識(shí)別判斷，但該方法通常將噪聲信號(hào)與局部放電信號(hào)同時(shí)采集，無法通過濾噪手段有效區(qū)分或分離，抗噪能力較弱。

圖3 噪聲干擾的剔除

高頻電流耦合法將噪聲信號(hào)與局部放電信號(hào)采集后，對(duì)脈沖波型進(jìn)行快速傅立葉變換，提取兩個(gè)相關(guān)量來分析數(shù)據(jù)，一個(gè)是等效時(shí)長，再一個(gè)是等效頻寬，這樣就可以把所有的脈沖信號(hào)進(jìn)行分離和分類。這種變換首先將局部放電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的PD信號(hào)表達(dá)式如公式（1）所示

進(jìn)一步計(jì)算出關(guān)于時(shí)間和頻率的函數(shù)

公式（2）（3）是公式（1）中s(t)在時(shí)域和頻域的標(biāo)準(zhǔn)偏差。s(f)是s(t)的傅立葉變換，t0是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)間中心，t0表達(dá)式是

上面這種轉(zhuǎn)換將一個(gè)PD數(shù)字化，這些數(shù)字量里保存了信號(hào)的時(shí)間和頻率信息。通過分類計(jì)算，將不同特征的信號(hào)分成不同部分，噪聲信號(hào)譜圖分布呈散點(diǎn)狀，且相位與外施電壓之間無必然聯(lián)系，而局部放電信號(hào)則固定在某一個(gè)或者某幾個(gè)相位上，有著相對(duì)固定的相角，由此可以區(qū)分出噪聲干擾。

基于以上過程，在放電分布中利用TF分析方法將噪聲信號(hào)從放電信號(hào)中剔除（如圖4所示），其中紅色的為噪聲信號(hào)，黑色為局部放電信號(hào)。利用PD Check中噪聲剔除的方法，將兩種檢測手段獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)電壓升高到182.75kV時(shí)，檢測阻抗法檢測到局部放電信號(hào)，得到的放電信號(hào)及單個(gè)脈沖時(shí)域波形如圖4所示。

圖4 檢測阻抗法采集的數(shù)據(jù)

當(dāng)電壓升高到214.42kV kV時(shí)，高頻電流耦合法檢測到局部放電信號(hào)，得到的放電信號(hào)及單個(gè)脈沖時(shí)域波形如圖5所示。

圖5 高頻電流耦合法采集的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在升壓到182.75kV的時(shí)候，檢測阻抗法測到明顯的局部放電信號(hào)，但是高頻電流耦合法測不到局部放電，直到升壓到214.42kV才出現(xiàn)局部放電信號(hào)。可見檢測阻抗法比高頻電流耦合法靈敏。

為方便比較兩者局放特性，將兩種局部放電信息對(duì)比于表1。

表1 檢測阻抗法和高頻電流耦合法特征對(duì)比

由表1可見，兩種帶電檢測方法差異較大，脈沖電流測得放電較為靈敏，而高頻電流耦合法測得局部放電信號(hào)出現(xiàn)衰減。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)實(shí)際110kV電纜中間接頭實(shí)際運(yùn)行條件和結(jié)合大量現(xiàn)場故障勘察分析，制作了外半導(dǎo)電層氣隙缺陷，來模擬電纜中間接頭的外半導(dǎo)層刀痕缺陷所誘發(fā)的放電，搭建電纜中間接頭氣隙缺陷試驗(yàn)系統(tǒng)，采集了兩種檢測方法獲取的數(shù)據(jù)，通過分析放電譜圖、單次時(shí)域波形和頻域能量分布發(fā)現(xiàn)：

1）外半導(dǎo)層刀痕缺陷的放電相位分布在0°和180°處附近，放電能量主要分布在低頻范圍內(nèi)（0-10MHz），放電信號(hào)幅值不超過500mV。為提高測試靈敏度及信噪比，建議在對(duì)電纜接頭進(jìn)行局部放電檢測時(shí)選擇帶寬為10MHz左右的傳感器。

2）在同樣的測試環(huán)境下，檢測阻抗法測得的局部放電脈沖數(shù)遠(yuǎn)多于高頻電流耦合法所測得局部放電脈沖數(shù)，可見檢測阻抗法的抗干擾能力和檢測靈敏度優(yōu)于高頻電流耦合法。