多應力條件下電纜附件局部放電的演變過程

李巍巍,朱軻,周凱,葉彬,鄧元實,黃永祿

(1.四川省電力科學研究院,成都 610072; 2.四川大學 電氣工程學院,成都 610065)

0 引 言

電纜附件是電纜線路的重要組成部分,也是電纜線路絕緣最薄弱的環節。局部放電(Partial Discharge,PD)是電纜絕緣故障的主要原因之一[1-2]是電力設備絕緣老化的表現形式之一,同時也是絕緣進一步劣化并導致絕緣失效的主要原因之一[3-4]。電纜附件界面是多層復合介質絕緣結構,在多種應力條件下易引發局部放電。因此,摸清電纜附件在多種應力協同作用下的局放引發和發展規律能為現場局放在線監測提供數據支撐,實現故障預警,從而減少電纜附件事故發生。

為了探究電纜附件界面放電機理及影響因素,國內外學者從溫度、壓力、電應力等方面進行了大量研究。文獻[5-6]研究了溫度對電纜附件界面放電的影響,表明電纜附件界面放電需考慮熱-機械復合作用,低溫下應力管與主絕緣材料的匹配性降低,易產生氣隙放電。文獻[7-9]研究了壓力對電纜附件界面放電的影響,壓力較小,易產生沿面放電。文獻[10-12]研究了沖擊電壓對電纜附件界面放電的影響,沖擊電壓加速PD進程,絕緣進一步劣化。文獻[13]研究了負荷變化對電纜終端局放行為影響的研究,表明不同負荷下電纜終端的局放行為存在顯著差異。

目前,有大量相關的研究只考慮了單一應力下電纜附件局放的引發特征和演變規律,未考慮多應力下電纜附件局放的引發特征和演變規律。而實際工況下,電纜附件在冷熱負荷、工頻電壓、沖擊電壓協同下老化產生局部放電。因此,為了研究多應力老化條件下,電纜附件的局放引發特征及演變過程,文中搭建多應力(冷熱負荷-工頻電壓-沖擊電壓)可控老化平臺,實現多應力條件下電纜附件局放的引發與測試。首先利用多應力老化平臺對電纜進行老化,并在老化過程中采用工頻局放測試平臺檢測電纜附件局放信號,最后利用波動法對局放信號去噪,閾值窗提取PD脈沖,并構建相應的局放相位分布(phase resolved partial discharge,PRPD)譜圖,得到多應力下電纜附件局放的演變過程。

1 實驗設計

實驗平臺主要由多應力(冷熱負荷-工頻電壓-沖擊電壓)老化平臺和局放測試平臺組成。實驗過程包括電纜附件復合應力下老化和實時局放檢測。

1.1 冷熱負荷-工頻電壓老化平臺

為了模擬電纜實際運行工況,搭建多應力老化平臺。平臺結構如圖1所示。實驗平臺由實驗回路、工頻高壓單元和電流單元三部分組成。通過該平臺,可以改變電纜附件老化時的溫度、電壓、電流等條件。

圖1 冷熱負荷-工頻電壓老化原理圖

1)實驗回路：由三根長為1.5 m的10 kV的電纜首尾相連組成的三角形回路。其中一根電纜終端內置刀痕缺陷(長38 mm,寬1 mm,高1 mm),其余兩根電纜為正常電纜;

2)工頻高壓單元：采用無局放變壓器經保護電阻與電纜纜芯相連,電容分壓器用于采集電纜高壓端電壓,為局放測試提供相位信息。無局放變壓器型號為YD-100 kV/10 kV·A,滿足電纜試品容量要求,同時滿足局放測試條件;

3)電流單元：由三根電纜首末相連并穿過電流互感器,電流互感器線圈與調壓器相連?；陔姶鸥袘?調節調壓器輸出,在實驗回路中感應產生電流,回路電流最大可達600 A,其中電纜型號為YJLV-8.7/15-1×95 mm2,其額定載流量為240 A。

根據圖1中的冷熱負荷-工頻電壓老化原理,在實驗室搭建如圖2所示的實驗老化平臺。

圖2 冷熱負荷-工頻電壓老化實驗平臺

1.2 沖擊電壓老化平臺

電纜附件的潛伏性缺陷在額定運行電壓下難以激發局放,但在過電壓時卻極易引發局放[14]。因此,在電纜附件電熱協同老化過程中需考慮沖擊電壓對電纜附件老化的影響,為了模擬電纜附件實際運行工況下的過電壓情況,在實驗室搭按照圖3所示的原理圖搭建沖擊電壓老化平臺。

圖3 工頻疊加沖擊原理圖

由圖3可知,工頻疊加沖擊的原理主要由工頻部分和沖擊部分組成,其中Sg、Sc為工頻高壓電源,Rg、Rc為保護電阻,D為電力二極管,g為球球間隙,C1為充電電容,C2為負載電容,Rf為波頭電阻,Rt為波尾電阻,C0為耦合電容,Cs為電纜試品電容。實驗室選用C1=0.1 μF,C2=0.125 μF,實測電纜試品電容量Cs=1 nF,C0=0.04 μF,根據文獻[15],文中選擇工頻電壓為U0(8.7 kV),操作沖擊電壓為負極性,電壓峰值為40 kV。

根據圖3的原理在實驗搭建如圖4所示的沖擊電壓老化實驗平臺。

圖4 沖擊電壓老化實驗平臺

1.3 局放測試平臺

為了實時測試電纜附件老化過程中產生的局放信號,搭建了如圖5所示的局放檢測平臺。

圖5 工頻局放檢測平臺

由圖5可知,局放檢測平臺由局放傳感器、示波器、搭載局放檢測軟件的計算機組成。高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT)檢測刀痕缺陷電纜樣本地線上的局放信號,并經同軸電纜與示波器相連,示波器經USB串口通信線與計算機相連。其中,示波器采用型號為Rigol DS6104,最高采樣率為5 Gs/s。為了實現局放數據的快速存儲,搭建了一套基于Labview的PD采集系統。該采集系統在示波器原始數據基礎上采用“毛刺捕獲”實現降頻采樣,存儲深度為1 400個點[16]。通過改變示波器采樣率,實現多組單周期內的PD信號及多組單個PD波形信號的采集。

1.4 老化及局放測試過程

經前期實驗驗證,當電壓加至4U0(34.8 kV)時,缺陷相短時內發生了擊穿故障性。因此,為了加速老化,縮短老化周期,文中實驗采用3U0(26.1 kV)電壓老化電纜附件,具體的實驗流程如圖6所示。文中以24 h為一個老化周期。

主要實驗步驟為：

1)以圖2的方式連接實驗電纜,通過控制調壓器讓電流互感器對電纜回路施加300 A的電流;

圖6 電纜附件老化流程

2)為了模擬電纜實際運行工況,將工頻疊加沖擊回來接入電纜纜心并施加400次的沖擊電壓;

3)撤去沖擊電壓,電纜在工頻3U0電壓,回路電流300 A條件下運行8 h;

4)為了避免其他兩相電纜產生局放對缺陷相局放檢測的影響干擾,將電纜解環,單獨對刀痕缺陷電纜樣本進行局放檢測,同時將PD測試時間控制在1 h以內。

2 局放信號處理

2.1 PD信號去噪

實驗室采集局放信號時易受到白噪聲的干擾,為了有效地提取局放脈沖和準確分析復合條件下局放演變過程,需抑制局放信號中的白噪聲。小波變換(wavelet transform,WT)去噪法雖能廣泛應用在局放噪聲抑制領域但去噪過程難以選取合適的小波基函數且分解尺度及閾值不唯一[17-19]。經驗模態分解(empirical mode decomposition,EMD)雖能抑制局放信號中的白噪聲,但該方法存在模態混疊和閾值選取不唯一的問題[20]。短時奇異值分解(short time singular value decomposition,STSVD)能實現較好的白噪聲抑制效果,但耗時較長[21-22]。為了在較短的時間里得到較好的局放白噪聲抑制效果,文中采用波動法抑制局放信號中的白噪聲。局放信號和白噪聲混疊使產生信號幅值變化,波動法利用該特點將原始信號中的相對高頻成分和相對低頻成分解耦,實現局放信號中白噪聲的抑制。其具體去噪步驟為：1)提取原始信號中的相對高頻成分;2)提取原始信號中的低頻成分;3)修正相對高頻成分;4)實現白噪聲抑制。具體算法見參考文獻[23],文中不再累贅。采用1.2節的局放采集平臺獲得圖7所示的局放信號,其中采樣頻率為2 GHz。并利用上述去噪法對圖7所示的局放信號進行去噪,其去噪結果如圖8所示。

圖7 實測電纜附件局放信號

圖8 實測PD信號去噪效果

2.2 PD信號提取

為了構建局放信號的PRPD譜圖,需對去噪后的信號進行脈沖提取。文中采用自適應閾值滑動窗進行脈沖提取。該方法先用OSWT算法[24]自適應選取閾值,再采用滑動閾值窗掃描去噪后的信號,當窗內出現大于該閾值的數據時,記下該點為脈沖起始點,繼續移動滑動窗,直至窗內數據小于該閾值,且記下該點為脈沖結束點,提取兩點間的數據即為一個局放脈沖,重復該過程提取局放信號中的所有局放脈沖,最后利用提取的脈沖波形構建PRPD譜圖。對如圖9(a)所示的去噪PD信號進行脈沖提取結果如圖9(b)所示。

圖9 實測PD信號的PD脈沖提取效果

3 實驗結果與分析

文中利用多應力老化平臺對帶有刀痕缺陷的電纜附件進行老化,并實時檢測不同老化階段下的PD變化情況。刀痕缺陷電纜樣本經過13個老化周期后,在第14個老化周期期間擊穿。局放檢測時,記錄單次局放測試時的PDIV和500組工頻周期內的放電數據,統計該時間段內每個工頻周期的平均放電次數及放電總量,構成PRPD譜圖。

為了研究多應力下,電纜附件老化過程中局放引發的特征。因此,記錄下了如圖10所示的整個老化過程中PD的PDIV。

圖10 PDIV變化趨勢

由圖10可知,附件在整個壽命周期內,PDIV呈波動變化,其中0時刻為附件老化前的測試結果。

為了清晰地表示一個周期里正負半周的放電次數和放電幅值,定義等效放電量Q,如：

Q=(α+·Count++α-·Count-)/N

(1)

式中N為工頻周期數;α+為正半周放電量;Count+為正半周放電次數;α-為負半周放電量;Count-為負半周放電次數;Q為一段時間內平均每個工頻周期放電量,表明電纜附件絕緣破壞程度,即Q越大,電纜附件老化越嚴重。通過式(1)計算可得到如圖11所示的刀痕缺陷電纜附件在整個老化過程中等效電量Q的演變規律。

圖11 等效放電量Q演變規律

由圖11可知,刀痕缺陷電纜附件在老化過程中PD放電量經歷三個“起伏”且放電幅值存在多段式“增-減”的變化趨勢。缺陷電纜附件在老化96 h、192 h和288 h時,PD等效放電量存在極大值,這表明電纜附件在這三個老化時間點,絕緣破壞加重,劣化更嚴重。

為了更清楚和直觀地反應整個老化過程中局放的演變規律,構造了PD變化時刻的PRPD譜圖,如圖12所示。

由圖12可知,電纜附件老化96 h時,局放的 PRPD譜圖模式為“兔耳+龜背”。電纜附件老化168 h時,PRPD譜圖中的“兔耳”斜率降低。在隨后的老化周期里,PD放電幅值減小,放電相位變窄,放電甚至出現不對稱的情況。

圖12 不同老化時段下PRPD譜圖

4 結束語

文中研究了帶有刀痕缺陷的電纜樣本在冷熱負荷-工頻電壓-沖擊電壓的多應力件下老化過程中局放的演變過程,實驗結果表明：

1)多應力老化條件下,缺陷電纜附件的PDIV呈波動性變化,并無明顯特征,故實際工況下不宜單用PDIV評估電纜附件缺陷嚴重度;

2)由老化過程中PD的等效電量變化趨勢可知,缺陷電纜附件經歷了三個“起伏”擊穿;

3)由四個階段的PRPD譜圖可知,在整個老化過程中,放電幅值存在多段式“增-減”變化趨勢,放電量也先增后減再增再減,且隨著放電量減少,放電相位變窄,放電甚至出現不對稱情況。