探析高壓電纜帶電檢測仿真平臺的建立

云南電網有限責任公司玉溪供電局 楊金海 劉雪鋒 王紅平

高壓電纜作為輸電系統的重要構成部分，高壓絕緣電力電纜具有良好電熱性能，工作耐受溫度高，廣泛應用于電力系統各電壓等級，在安裝運維等方面具有獨特優點，可保證長期安全運行，對我國電力穩定運行而言發揮著重要作用[1]，高壓電纜經長期運行后絕緣部分受土壤理化作用等影響，易受到腐蝕引起絕緣缺陷，而電纜缺陷狀態會對電力系統運行的穩定性產生影響，檢測維護是保障高壓電纜可靠運行的重要手段，發生電纜故障無法采用常規方法判斷電纜工作狀態正常。建立電纜狀態仿真模擬平臺實現高壓電纜帶電檢測具備重要意義。

1 局部放電現象

高壓電纜絕緣檢測維護是保證高壓電纜可靠運行的重要手段，目前我國廣泛采用預防性實驗方法保證設備安全運行，預防性實驗方法存在檢測周期長等問題。高壓電纜局放帶電檢測成為絕緣診斷發展趨勢，隨著計算機傳感器技術的發展，可通過信息分析實現對絕緣可靠性判斷，提供預警實現規定操作。

局部放電是絕緣介質內產生局部重復熄滅、擊穿現象，絕緣分解產生分散性物質。絕緣物質外施電壓產生電離放電。局部放電多產生于絕緣物質局部缺陷位置，長期局部放電導致損壞電纜絕緣。其還主要發生在絕緣局部缺陷處，絕緣在局部放電長期作用下會逐漸損壞。電纜爆炸會對供電企業用戶帶來巨大損失，局放是絕緣非破壞性實驗的主要項目，20世紀50年代后各國對電纜絕緣進行局放檢測。

電纜附件主絕緣本體中雜質，產生脈沖電流信號與絕緣介質特性不同，產生的頻率存在差異，同時產生高頻脈沖信號沿電纜屏蔽層傳播，可在電纜外層屏蔽接地線中，依據高頻電流互感裝置耦合高頻電流信號。分析導致電纜局部放電原因主要包括如下幾方面：由于不同介質交界面接觸不良所產生的局部放電，熱效應產生脫層，處理半導體均壓層時損傷絕緣，或外皮接地不良等原因。

2 高壓電纜局放檢測研究

高壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜具有良好的電性能，工作耐受溫度高，廣泛應用于電力系統各電壓等級，高壓交聯聚乙烯電纜安裝等方面具有很大優點，可以保證長期安全運行。在交聯聚乙烯電纜制造中由于工藝問題造成氣泡等絕緣隱患，敷設可能受到外界機械力作用造成損害。高壓電纜發生故障后無法采用常規方法判斷工作狀態，電纜絕緣劣化狀態檢測對保證電力系統安全運行非常重要。

高壓電纜絕緣檢測是保證可靠運行的重要手段，高壓電纜局放帶電檢測成為高壓電纜絕緣診斷的發展趨勢。國內外學者對高壓電纜局放檢測問題深入研究，通過局放電量可以反映電纜絕緣受損程度，國際權威機構推薦將局放實驗作為電力電纜絕緣狀況評價最佳方法，由于高壓電纜接頭是薄弱環節，測量局放選在接頭處。局放主要發生在絕緣局部缺陷，絕緣局放長期作用損壞導致爆炸。對局放檢測是根據產生現象測量表述現象物理量，局放檢測方法包括電橋法與非電檢測法等，脈沖電流法是廣泛采用的方法，通過磁耦合檢測局放在接地線中產生脈沖電信號，耦合器輸出脈沖電信號電流波形容易分辨[2]。

國內外對高壓電纜局放檢測方法有很多，由于波形復雜多變，高壓電纜局放帶電檢測技術難度較大。常用方法IEC60270對高頻信號捕捉能力較差。近年來國內外常用電纜局放檢測法包括方向耦合法、電容耦合法等。高壓電纜局放檢測中開展廣泛研究，瑞士學者設計高壓電纜運行現場檢測低于個數pC放電量的VHF 電流傳感器。局放超聲波檢測法廣泛應用于油浸式電力變壓器，超聲波非侵入式現場檢測可實現對局放精確定位。

3 高壓電纜狀態仿真平臺搭建

為確保試驗數據真實、有效，需在屏蔽環境下搭建高壓電纜狀態仿真平臺，可設置各類絕緣件缺陷，借助集成的接地電流等在線監測裝置，分析各類典型缺陷狀態[3]。對仿真平臺各構成單元展開驗證，以此對仿真試驗結果真實性、有效性加以保障。

3.1 整體設計

高壓電纜狀態仿真平臺主要設置控制與測量單元、升流單元，圖1為詳細接線圖。

圖1 高壓電纜狀態仿真平臺接線圖

3.2 升壓單元

由負責控制回路的GIS 和SF6鎧裝式氣體無局部放電試驗變壓器共同構成升壓單元。其中回路控制選用GIS 刀閘，主要涵蓋CSE 電纜終端、DES隔離接地開關，額定電壓為252kV，并設置5把DES 獨立控制，此種設置方式可滿足試驗回路靈活多變的要求，還可為研究電纜缺點針對GIS 的影響研究提供有利條件。SF6鎧裝式氣體無局部放電試驗變壓器主要涵蓋保護電阻、變壓器、補償電抗器、濾波器、調壓器、NSP 快速保護裝置及控制臺等諸多部件，最高輸出電壓為280kV，最高容量為560kVA。

3.3 升流單元

由監控平臺、電流互感器CT、調壓器等構成升流單元。利用調壓器輸出可變電壓，借助監控模擬試驗回路溫度，滿足主回路所需溫度的電流控制要求。模擬回路、主回路同時升流最高為2500A。

3.4 電纜模型單元

由電纜終端、電纜本體等部件構成電纜模型單元，支路1為配置中間接頭的完整回路，支路2為中間接頭產生缺陷模擬試驗支路，電纜中間接頭缺陷模型為插拔式結構，在戶外終端頂部配置均壓環，此均壓環選取單環結構。

3.5 控制與測量單元

此單元主要由控制展示前臺、在線監測裝置兩部分構成。其中在線監測裝置為多項在線監測技術的集成，主要包括接地電流、溫度、局部放電等，利用接地線高頻、本體極性鑒別高頻、內置式超高頻3種方式，實現局部放電監測；利用分布式光纖測溫、中間接頭內置式測溫的方式展開溫度監測；在保護接地箱內、直接接地箱內安裝接地電流監測設備，實時監控接地電流[4]。分析控制展示前臺發現，由集成監控展示系統部分構成控制展示前臺；集成監控展示系統可實時展示接地電流等電流監測結果。

4 不同單元功能分析驗證

高壓電纜局放帶電檢測系統研制后進行現場測試，對電纜出線進行局放帶電檢測驗證系統有效性。選擇變電站承擔工農業用電任務，110kV 系統主接線形式為單母線接線，35kV 系統為單母線分段接線，220kV 變電站進線2回，變電站投運提高供電局供電能力，由于主要負荷為高能耗設備，帶來很大諧波問題造成設備頻繁爆炸，為用電企業帶來巨大經濟損失，需要開發局放帶電檢測系統滿足檢修要求。

4.1 升壓單元

設計局部放電試驗、電壓校準試驗等環節，校驗并考核升壓單元的本體局部放電水平、電壓精度、加壓能力等。

4.1.1 電壓校準試驗

安裝GIS 及變壓器，在隔離開關K2上部蓋板打開后，安裝試驗套管，試驗準備完成。由200kV 標準分壓器連接試驗套管頂部，比對、校準加壓至5、10、20、100kV 時標準分壓器測量電壓、變壓器輸出電壓，詳細數據詳見表1。

表1 電壓校準試驗數據

分析電壓校準試驗數據可知，標準分壓器測量電壓相對誤差不高于0.5%，與升壓精度要求相符。

4.1.2 局部放電試驗

電纜缺陷試驗中針對模擬平臺展開局部放電試驗尤為重要，以升壓單元為例，主要即指GIS或變壓器自身產生明顯局部放電，將會干擾試驗數據，影響試驗結果。因此，完成GIS、變壓器安裝后，需分別展開局部放電檢測試驗，校核局部放電水平[5]。試驗過程中，以6.3pC 作為背景局部放電，將變壓器設置為200kV，并持續1h。試驗全程并未檢測到超出背景局部放電信號，因此，升壓單元本體局部放電水平與試驗要求相契合。

4.2 升流單元

利用穿心變控制回路電流，支路1、2在升流試驗中共同組成主回路，并與模擬回路在同一時間均升流至1000A，利用標準CT 測量電流，針對升流單元CT結果展開校準、比對。在此過程中，還應針對測溫模塊測量結果變化趨勢展開觀測、分析，對測溫能力加以考核。通流維持7h 后，測得模擬試驗回路表皮溫度升高，達到27.6℃，導體溫度升高，達到42.6℃。升流單元具備電纜熱循環試驗所要求的升流能力。

4.3 電纜模型單元

利用局部放電試驗、交流耐壓試驗對各支路局部放電水平、耐壓能力展開考核[6]。由升壓單元提供試驗電壓，利用高頻局部放電測量方式測量接地纜位置局部放電水平，以128kV（2U0）作為試驗電壓，將1h 作為試驗時長，3條支路均通過耐壓試驗，支路1無局部放電，支路2和3存在局部放電，詳細試驗數據見表2。

表2 電纜試驗數據

4.4 控制與測量單元

控制單元中設計在線監測裝置在仿真平臺中占據重要地位，裝置功能的完整影響平臺試驗結果可信度，需將驗證并檢測在線監測裝置測量能力作為重點。

4.4.1 終端尖端電暈模擬試驗

在支路1上開展電暈模擬試驗，將φ5mm 鐵絲一端與電纜終端高壓端相連，將鐵絲垂直向下。當電壓升至110kV 時產生穩定電暈放電信號，經歸算后打點圖及Q-Φ 二維譜圖如下，詳見圖2、3。

圖2 1#接地接頭傳感器響應結果

圖3 2#接地接頭傳感器響應結果

局部放電監測系統具備穩定的在線工作能力，可測量穩定局部放電信號，測量譜圖也與電暈放電特征相契合。

4.4.2 接地電流監測系統

利用萬用表針對保護接地箱電壓值、直接接地箱電流值展開測量，比對系統測試數據，經數據分析可知，保護接地箱與直接接地箱測量精度均與要求相契合，可滿足在線監測要求。

詳細測量結果見表3。

表3 接地電流監測實測數據比對

5 結論

近年來城市電力基礎設建設施持續發展，電力電纜可以減少對城市環境的影響，電纜發生故障需要投入大量人力物力進行搶修，停電影響居民生活等正常運轉。電纜接頭故障是導致電纜故障主要原因，缺陷電纜接頭投運后缺陷部位易發生局放導致擊穿，及時檢測局放分析判斷電纜狀態成為提高配電網運行可靠性的有效方法。本文研究檢測高壓電纜缺陷狀態，建立電纜狀態仿真平臺，由升流單元等部分構成，可針對電纜缺陷狀態展開在線檢測，且檢測數據、檢測能力均可得以保障，針對維護高壓電纜穩定運行而言發揮著重要作用。試驗中，通過搭建模擬檢測仿真平臺，可展開高壓電纜中間接頭仿真模擬試驗；模擬檢測仿真平臺具備穩定的在線監測能力，且誤差在允許范圍內。