電纜終端局部放電診斷方法的研究與應用

白 皓，欒 茜，趙祥龍，焦 偉，孫 鵬

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264000；2.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

電纜終端是連接GIS 設備和電力電纜的電氣設備，電力電纜絕緣的薄弱位置是中間接頭和終端接頭，大多由于設計不良、制作工藝或材料選擇不當而帶有缺陷和隱患［1-2］。有的隱患缺陷可在交接驗收試驗中檢測出來，而實際上多數隱患缺陷在運行中逐漸形成、發展、劣化直至出現故障［3］。

根據電力電纜長期運行經驗，除外力破壞情況外，電纜附件內部絕緣缺陷占電力電纜故障比重相對較高［4-7］。目前，局部放電檢測技術被認為是對電力電纜絕緣狀況評價的最佳方法［7］。隨著局部放電檢測技術的不斷發展，有效檢測出局部放電信號已不是難題，但由于局部放電信號傳播的復雜性，確定局部放電源的位置是整個局部放電檢測工作的難 點［7-11］。

結合一起110 kV GIS 電纜終端局部放電缺陷，針對GIS 電纜終端局部放電異常的分析診斷過程，對GIS 應用特高頻局部放電檢測技術和超聲波局部放電檢測技術進行局部放電檢測［12］。采用高頻局部放電檢測技術對電力電纜進行檢測，并采用局部放電源定相和定位技術確定局部放電源的位置。確定放電源位置后對設備進行解體檢修，根據缺陷部件進行分析，得出產生缺陷的原因。

1 局部放電檢測技術

1.1 特高頻局部放電檢測技術

電力設備內發生局部放電時的電流脈沖（上升沿為納秒級） 能在內部激發頻率高達數吉赫茲的電磁波，特高頻局部放電檢測技術就是通過檢測這種電磁波的信號來實現局部放電檢測的［13-14］。

1.2 超聲波局部放電檢測技術

電力設備內部產生局部放電信號時，會產生沖擊的振動及聲波。局部放電導致放電點周圍介質的振動現象，從而產生聲波信號［13］。

1.3 高頻局部放電檢測技術

高頻局部放電檢測技術采用的高頻電流傳感器為羅氏線圈結構，羅氏線圈一般為圓形或矩形，線圈骨架尅選擇空心或者磁性骨架，導線均勻繞制在骨架上［13，15］。

1.4 局部放電定位技術

目前局部放電定位技術最常采用的是時差定位法［16］。時差法定位法首先判斷放電信號來自GIS 內部還是外部，檢測示意如圖1 所示。先將傳感器A放置在盆式絕緣子上，然后將傳感器B 接收信號面置于空氣中。以傳感器A 為中心，傳感器B 沿盆式絕緣子圓周方向不斷移動，若傳感器A 檢測到的信號始終領先傳感器B 檢測到的信號，則可判斷信號來自GIS 設備內部，反之，則信號是外部干擾信號［16］。

圖1 時差定位法檢測位置

判斷出放電源來自GIS 內部后，采用時差法定位進行放電源位置確認。檢測原理如圖2 所示。在臨近兩側GIS 盆式絕緣子處分別放置A 和B 傳感器，測量兩傳感器之間軸向距離L，并通過示波器讀取兩傳感器接收信號時差Δt，則可計算出放電源距A傳感器的距離［16］。

GIS 內部放電源距A 傳感器距離設為x，可按下列公式計算局部放電放電源的具體位置。

式中：c 為電磁波等效傳播速度，3×108m／s；t1為放電信號到達傳感器A 所用時間；t2為放電信號到達傳感器B 所用時間。

圖2 特高頻局部放電時差法定位原理

2 案例分析

2019 年1 月9 日，在對220 kV 某變電站110 kV GIS 進行特高頻局部放電檢測時，發現110 kV 某線114 間隔出線電纜氣室有異常放電信號。該異常信號放電次數較少，幅值較大，在工頻的正負半周均有出現，且具有一定的對稱型，放電重復率較低，脈沖序列相位分布圖譜具有“外八字”特征，有別于背景信號。高頻電流測試時，有不對稱的兩簇信號特征。超聲波局部放電檢測未見明顯放電特征。經高頻電流定相和特高頻時差定位法，定位放電位置在110 kV 某線114 間隔出線電纜終端氣室內A 相電纜頭區域，經解體處理發現在電纜線芯和限位均壓環之間有明顯的放電痕跡。

2.1 特高頻局部放電檢測

在110 kV GIS 設備區空氣中檢測，未見異常局部放電信號，在110 kV 某線114 間隔出線電纜罐氣室處檢測到異常特高頻局部放電信號，異常信號放電次數較少，一個工頻周期內有兩簇放電信號，信號幅值較大，最大值為57 dB，具有典型的懸浮放電特征，檢測圖譜如圖3 和圖4 所示。

圖3 空氣背景特高頻檢測圖譜

圖4 電纜氣室特高頻檢測圖譜

2.2 高頻局部放電檢測

對該110 kV 線路114 間隔出線電纜終端ABC三相電纜屏蔽接地線采用高頻電流局部放電檢測，由高頻電流圖譜可見，檢測結果如圖5—圖8 所示，ABC 三相均能檢測到異常信號，ABC 三相均有明顯的一大一小兩簇信號，A 相幅值最大。由于電纜高頻電流檢測容易外界干擾，現階段該高頻信號難以有效分析電纜放電情況。

2.3 超聲波局部放電檢測

對該110 kV 線路114 間隔出線電纜氣室超聲波局部放電檢測，現場和檢測圖譜如圖9 所示，超聲波幅值未見異常無50 Hz、100 Hz 頻率相關性。

圖5 空氣背景高頻電流檢測圖譜

圖6 A 相電纜高頻電流檢測圖譜

圖7 B 相電纜高頻電流檢測圖譜

圖8 C 相電纜高頻電流檢測圖譜

2.4 高頻局部放電定相和時差法定位檢測

為判斷異常信號來自哪一相電纜，將3 個高頻傳感器分別放在ABC 三相電纜屏蔽接地線上，如圖10 所示。

圖9 110 kV 線114 間隔電纜氣室現場超聲局部放電檢測和檢測圖譜

圖10 三相電纜屏蔽線進行高頻電流檢測

A 相電纜屏蔽接地線線上檢測的信號的起始沿波形與B、C 兩相上檢測到的信號的起始沿波形相位相反，如圖11 所示。由于A 相信號與B、C 相信號相反說明A 相傳感器檢測到的局部放電信號與B、C 相傳感器檢測到的局部放電信號方向相反，即局部放電信號先從A 相電纜終端進入接地線，然后再從同一接地返回B、C 相電纜終端。局部放電傳輸如圖12 所示。綜上所述，異常信號來自A相電纜。

圖11 三相電纜屏蔽線高頻電流檢測圖譜

圖12 局部放電信號傳輸

為更進一步判斷異常信號來自電纜還是上部的電纜罐氣室，對A 相電纜屏蔽接地線進行高頻電流檢測，檢測現場如圖13 所示，檢測圖譜如圖14所示。

圖13 A 相電纜屏蔽接地線上下部位進行高頻局部放電檢測

上部傳感器先檢測到異常信號，上下部傳感器檢測的異常信號時差為2.55 ns，兩傳感器距離L=Δt×c=76.5 cm。現場測量兩傳感器的距離為76 cm，與計算結果基本一致，說明局部放電信號來自上部傳感器以上部位。

2.5 特高頻時差定位檢測

對該110 kV 線路114 間隔出線電纜終端A 相電纜進線處，進行特高頻局部放電定位檢測。采用特高頻局部放電定位判斷放電異常信號來自哪一區域，在該110 kV 線路114 間隔出線電纜罐氣室上下部放置兩個特高頻傳感器，如圖15 所示。時差圖譜如圖16 所示。

圖14 A 相電纜屏蔽接地線上下高頻局部放電檢測圖譜

圖15 110 kV 線路114 間隔出線電纜終端A 相特高頻時差檢測傳感器位置

下部傳感器先檢測到信號，下部傳感器與上部傳感器信號時差為3.05 ns。信號到兩傳感器的距離差為L′=Δt′×c=91.5 cm。現場測量上下傳感器距離為L″=95 cm。上部傳感器到放電信號的距離為。即放電源的位置大致在下部傳感器以上2 cm 處，如圖17 紅色標注框內。

圖16 110 kV 線路114 間隔出線電纜終端A 相特高頻時差圖譜

圖17 110 kV 線路114 間隔出線電纜終端A 相放電源位置

3 解體處理分析

停電解體發現114 間隔出線電纜終端A 相電纜線芯和限位均壓環處存在放電痕跡，放電痕跡如圖18 所示。解體后，可明顯發現導體觸頭未頂緊限位均壓環，導致懸浮放電解體，驗證了之前時差定位法準確判斷放電點位置，特高頻和高頻檢測判斷為懸浮放電的正確性。通過此次解體檢修，及時準確地消除了設備存在的局部放電隱患，保障了電力系統的安全穩定運行，避免了由于設備故障引發的大規模停電事件。

圖18 電纜線芯和限位均壓環處放電痕跡

4 結語

結合一起110 kV GIS 電纜終端的局部異常放電的發現與消缺，介紹了GIS 電纜終端局部放電診斷與分析過程。GIS 電纜終端局部放電檢測時，應運用特高頻局部放電法、超聲波局部放電法和高頻局部放電法對設備進行綜合分析與缺陷定位，重點介紹了高頻局部放電定相和時差定位法的原理和判斷過程。

超聲波信號在SF6氣體中傳播時的衰減較大，對于導體上的放電可能不敏感，特高頻局部放電檢測可能受殼體屏蔽的干擾而無法測得放電信號，因此對電氣設備的局部放電檢測需要運用多種手段進行綜合分析，綜合定位，提高測量準確性。

本文電纜終端的局部放電是由于電纜線芯觸頭與限位均壓環未頂緊造成的屬于產品制作工藝或者設計的原因。因此，應加強設備初裝時的監管力度，防止設備“帶病服役”。