220kV大截面XLPE電纜絕緣局部放電在線監測研究

王祖林，吳宏亮

(河北國華定州發電有限責任公司，河北 保定 073000)

0 前言

隨著工業技術水平的提高，220kV大截面XLPE電纜絕緣隨之出現，該型號的電纜，進一步加強了電力系統的運行穩定性。隨著制備工藝的不斷升級，這類電纜的最大使用年限已經達到了30年，但電纜在長期使用過程中，容易出現局部放電問題，若不及時解決這一故障，嚴重時會引發絕緣擊穿事故，造成難以估計的停電損失[1]。為了減少此類損失，提高供電的穩定性與安全性，應對電纜絕緣局部放電進行監測。傳統的電纜絕緣局部放電在線監測方法是以XLPE材料的局部放電特征為依據，通過電流傳感器采集局部放電電流信號，利用分配箱實現多信號任務分配，完成對局部放電故障的在線監測[2，3]。而此次研究在傳統監測方法的基礎上，提出全新的220kV大截面XLPE電纜絕緣局部放電在線監測方法，將為國家的電網安全、用電設備安全、用電場所安全，提供更加可靠的技術保障。

1 局部放電在線監測方法

1.1 提取局部放電在電纜中的傳輸信號

電纜中局部放電信號在傳輸時會有不同的傳輸特性，因此采用同軸傳輸線模型分析電纜[4-5]。電纜在工頻電壓下工作時，電流信號產生正弦變化，并在電纜周圍形成電磁場，因此電纜具有電感效應。同時電纜具有十分復雜的結構，每一層之間均存在電容，因此利用圖1所示的模型，表示電力電纜在工作狀態下的參數分布模型[6-7]。

圖1 電纜參數分布模型

圖中，R0表示一定長度上，電纜芯線的分布電阻，單位為Ω/km；G0表示對應長度上的分布電感，單位為H/km；D0表示電纜絕緣的分布電導，單位為S/km；W0表示電纜每層介質之間的分布電容，單位為F/km。上述四個參數均為電纜傳輸線的最基本參數，決定了局部放電信號在電力電纜中的傳播規律。正常情況下，絕緣介質的電阻較大、分布電感較小，而電導則可以被忽略[8-10]。由于無法直接獲取電纜的傳輸系數、特性阻抗以及傳播速度，因此可利用上述四個參數來進行求解[11-13]。傳輸線上一點的特性阻抗表示流入該點的電壓與電流的比值，其計算公式為:

式中，j表示點位置；p表示信號頻率。

當p值較大時，R0≤pG0，D0≤pW0，那么該特性阻抗A0可以簡化為:

特性阻抗是電纜的固有屬性，與電纜絕緣介質的材料類型、厚度和面積等參數有關，同時也與屏蔽層之間的距離有關。常用的XLPE電力電纜的特性阻抗在50Ω左右。

假設電纜輸入端信號為Xi，電纜長度為d，輸出端信號為Xo，傳輸系數為φ，則局部放電信號在電纜中的傳輸規律為:

根據局部放電信號在電纜中的傳輸規律，計算傳輸系數φ，其表達式為:

已知信號在傳輸過程中，會有部分能量損耗，用γ表示電纜固有衰減常數，同時信號相位也容易發生改變，用λ表示固有相移常數，則可將公式(4)變換為:

將公式 (5)帶入公式 (3)中，得到:

式中，e-jλd表示信號相位變化程度，該值不會影響電壓[14-15]。

因此根據上述計算，可得電壓幅值變化規律:

式中，Uo表示輸出端口電壓；Ui表示輸入端口電壓。

電纜固有衰減常數γ的計算結果為:

因為分布電感G0和分布電容W0存在，導致局部放電信號在電纜中的傳播具有一定程度的滯后性。假設局部放電信號的頻率為ω，那么可得到放電信號在電纜中的傳播速度:

當信號頻率提高時，信號的傳輸速度計算公式可以簡化為如下形式:

式中，ω0表示傳輸線的傳播常數；c表示光在真空中的傳播速度；σ表示電纜絕緣介質的磁導率；ε表示介電系數[16-17]。

1.2 電纜局部放電在線監測設計方案

通過前文可知，電纜固有衰減常數γ的大小由電纜自身特性決定，為大于0的常數，當傳輸距離增加時，局部放電信號會出現衰減。傳輸系數φ與分布參數和信號頻率相關，對于不同頻率的局部放電信號，其各頻率分量的幅值和相位變化程度不會完全一致，因此局部放電信號傳輸時，會存在信號失真的狀況。同時，受分布電感和分布電容的影響，局部放電信號的傳輸存在滯后效應，信號傳播速度只受電纜絕緣介質的影響[18-19]。

根據上述分析，得到局部放電信號在電纜中的傳輸特性，設計電纜局部放電在線監測方案。已知對于局部放電在線監測，需要考慮四個問題:(1)監測現場的抗干擾；(2)監測信號的去噪；(3)信號調理電路無失真采集時，局部放電脈沖信號的放大；(4)電纜接頭絕緣狀況的評判標準[20]。針對上述問題，結合局部放電信號傳輸特點，設計在線監測方案，如圖2所示。

圖2 電纜局部放電在線監測方案

該方案根據高頻電磁耦合原理，采用兩個羅果夫斯基線圈收集220kV電纜的局部放電信號，并根據電纜接頭處的局部放電信號傳輸特征，替換原有監測設備。采用通用分組無線業務(general packet radio service，GPRS)網絡傳輸監測到的數據，并利用小波變換原理，對監測信號進行降噪、去噪處理，使時域脈沖信號可以被監測設備識別顯示。最終通過百分制的電纜接頭絕緣評估標準，判斷電纜每一銜接處是否存在局部放電。至此實現對220kV大截面XLPE電纜絕緣局部放電進行在線監測的任務。

2 實驗與分析

2.1 實驗準備

由于近些年生產XLPE絕緣電纜的工藝不斷提高，過硬的技術手段降低了生產原材料的雜質含量，因此220kV大截面XLPE電纜絕緣本身出現故障的概率極低，故障基本均來源于電纜附件。電纜附件包含了終端和中間接頭，此次實驗以中間接頭故障為測試條件，通過建立仿真測試環境，模擬電纜中間接頭局部放電問題。電纜中間接頭故障常常包含線芯毛刺、內部氣隙、懸浮放電、沿面滑閃四種類型。其中毛刺放電是由于電纜中間接頭內部的兩條電纜線芯在壓接時導致連接管變形，令金屬屏蔽層有尖端凸起，從而引發局部放電；內部氣隙放電是絕緣內部存在微小氣隙導致的絕緣損傷；懸浮放電則是接頭內部主絕緣與增繞絕緣安裝界面間出現了導電微粒，進而產生電場畸變，形成局部放電；沿面滑閃是XLPE電纜的主絕緣層與硅橡膠中間接頭的分界面處進入了潮氣。根據這些局部放電問題的基本成因，設計四種放電模型。

模型一:制作厚度為5mm、直徑為100mm的聚乙烯板，并在其壓制成型階段制造氣隙。將該板放在兩電極之間，設置上下電極直徑為25mm、電極邊緣圓弧倒角為2mm。模型二:在下電極處放置制作的聚乙烯板，設置高壓電極針尖曲率半徑為0.5mm、錐角為30°、尖長為12mm，并將該板與高壓電極尖端連接。模型三:設置下電極直徑為60mm，邊緣圓弧倒角為2mm，在下電極處放置一個厚度為20mm的聚乙烯板，將一根細針插入該板內部，深度為10mm，然后將細針頂端連接高壓極。模型四:同樣選擇一個基本的聚乙烯板，將其安放在下電極上，并在其緣邊放置高度為10mm、半徑為6mm的銅柱，設置電極之間的距離為10mm。上述四個模型中，上電極與高壓相連，下電極與地線相連。

按照上述方法制作4個局部放電模型，再選擇調壓器、變壓器、信號檢測設備和存儲設備，建立高壓局部放電實驗平臺。實驗選擇的變壓器型號為TDM(G)-5/100，其額定容量為5kVA，額定電壓為100/0.2kV。連接超聲傳感器、高頻電流傳感器和示波器，將同軸電纜屏蔽線作為傳感器輸出線。實驗模擬電路及實物連接圖分別如圖3和4所示。

圖3 局部放電模擬實驗電路圖

圖4 實驗儀器連接實物圖

將此次研究的監測方法作為實驗組，將應用本文研究前的方法作為對照組，對上述模擬的四組局部放電進行在線監測。實際測試到的毛刺放電脈沖在250°～310°相位區間內，內部氣隙放電脈沖在20°～80°和200°～260°相位區間內，懸浮放電脈沖在70°～120°和230°～280°相位區間內，沿面放電脈沖在20°～80°和225°～295°相位區間內。 將實驗組與對照組的監測結果與實際測試結果進行對比。

2.2 測試結果分析

分別利用兩種監測方法，監測四種局部放電類型，實驗組得到的放電譜圖如圖5所示。

圖5 實驗組局部放電譜圖

根據圖5所示的四組監測結果可知，毛刺放電譜圖在正負半周期的放電波形都是不對稱的，在工頻電壓正半周期，監測到的放電脈沖個數極少，且放電脈沖主要集中在250°～310°相位區間，該區間內的放電更加劇烈，符合毛刺放電的特點；內部氣隙放電譜圖中，放電脈沖存在于1個周期內的正半周期和負半周期中， 主要集中在20°～80°和200°～260°相位區間內，總體來說，正半周期和負半周期的監測結果大致對稱，符合內部氣隙放電的特點；懸浮放電譜圖中，當對懸浮模型兩端施加剛剛達到起始放電狀態的電壓時，其電壓偏低，當外加電壓的絕對值增大時，放電脈沖主要集中在70°～120°和230°～280°相位區間內，符合懸浮放電特點；沿面放電譜圖具有極為明顯的極性效應，即工頻周期中，負半周期的放電次數和放電量均比正半周期要大，且局部放電脈沖集中在30°～90°和220°～310°兩個相位區間中，符合沿面放電特點。

應用本文研究前的方法 (即對照組)得到的局部放電譜圖結果如圖6所示。

根據圖6放電譜圖可知，對照組的監測結果與實驗組均有所差異。不僅是監測的放電相位有細微差異，最嚴重的是監測到的放電量大小差異相對較大。經粗略計算，每一組放電量的差異值均在50pC左右。為了讓測試結果更加直觀，計算兩個測試組的放電量監測差異和局部放電相位差異，為了保證測試結果的可靠性，實驗共進行兩次，結果見表1。

表1 局部放電監測數據差異統計

圖6 對照組局部放電譜圖

根據表1數據統計結果可知，對照組的四種局部放電監測均與實驗組存在約50pC的差異。而根據模擬實驗預設的各項數據可知，實驗組的測試結果更加接近真實值，可見此次研究的局部放電在線監測方法更適用于220kV大截面XLPE電纜絕緣的監測要求。

3 結論

本文主要研究了XLPE電纜典型缺陷的局部放電特性，設計制作了四種常見缺陷類型，即毛刺放電、氣隙放電、懸浮放電及沿面放電，通過分析研究結果得到如下結論:

(1)采用本文方法進行毛刺放電監測可知，監測到的放電脈沖個數極少，且放電脈沖主要集中在250°～310°相位區間內，監測到該區間內的放電更加劇烈，符合毛刺放電的特點。

(2)根據內部氣隙放電監測可知，監測到的放電脈沖主要集中在20°～80°和200°～260°相位區間內，正半周期和負半周期的監測結果大致對稱，符合內部氣隙放電的特點。

(3)根據懸浮放電監測可知，監測到的放電脈沖主要集中在70°～120°和230°～280°相位區間內， 符合懸浮放電特點。

(4)根據沿面放電監測可知，監測到的放電脈沖主要集中在30°～90°和220°～310°相位區間中， 符合沿面放電特點。

由于現階段絕緣電纜存在固有問題，加上受自身研究經驗的限制，對XLPE電纜絕緣局部放電監測的研究還有不盡如人意之處。在今后的研究中，可以對XLPE絕緣電纜本身進一步優化，同時在人工安裝過程中，注意操作程序，加強電纜的使用安全。在局部放電監測過程中，可以投入新型的監測設備，并及時更新監測方案，保證監測結果與真實情況一致。