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局部放电在线监测技术在电力电缆运行中的应用

摘要：局部放电是导致电力电缆绝缘击穿事故发生的主要原因.文章介绍电力电缆带电局部放电检测方法,基于局部放电谐波分析方法对电力电缆潜在的缺陷进行监测,确保在未停电情况下发现电力电缆的缺陷,通过在线局放检测技术对电缆测试发现电缆潜在隐患及缺陷,从而有效地解决现场实际问题.

关键词：电力电缆；在线监测技术；局部放电；绝缘击穿事故；电力系统　　文献标识码：A

中图分类号：TM855　　文章编号：1009-2374（2016）35-0070-03　　DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.034

电力电缆是配网线路最关键的输送电能设备,而电力电缆因运行环境及电缆本体老化、中间头制作工艺等原因而经常发生故障,影响了供电质量和供电可靠性,这就迫切需要对电力电缆绝缘状态检测方法进行研究.龙岗供电局截止到2015年年底共有电缆线路1137条线路长度4835km,中间头有16850个,若按照预防性规程要求,每条电缆线路每三年进行一次停电测试,则每年需要停电312次,供电可靠性将下降0.02%,明显影响供电可靠率.同时停电预试是破坏性试验,这就有可能将还可运行的电缆或中间头附件击穿,造成新的缺陷,同时很多线路状况良好,未必就需要进行停电预试,这就造成了“该修的未修,不该修的反而修了”的被动局面.为了避免以上的不利影响,龙岗供电局在与国际先进水平供电企业可靠性及技术对标及调研基础上,引进了英国高电压公司生产的在线局放设备检测仪（HVPD）,同时积极开展了规模性的测试,基本建立了测试图形数据库,同时也发现了电缆线路的部分缺陷.本文将对带电局部放电检测方法进行介绍,同时将对针对目前环网柜内的电力电缆的屏蔽接地线进行相关改进,提高设备利用率,从而发现电缆线路缺陷.

1　电力电缆局部放电的基本原理

XLPE电缆的绝缘层在制造过程中不可避免渗入很少部分的其他杂质或残留一些气泡,而这些存有杂质或气泡的区域,在场强作用下绝缘介质的树枝状老化,因此在这些区域就会首先发生放电现象.树枝引发初期,其局部放电量约0.1PC；当树枝发展到介质击穿临界状态时,其局部放电量可达到1000PC.引起局部放电的杂质或气泡形成实阻抗,其产生的脉冲基本上是单极性脉冲,上升时间很短,并且脉冲宽度也很窄.这是电缆的浪涌阻抗,在开始时是纯阻性的.图1描述了电缆局放的典型的脉冲波形：

2　局部放电信号在电缆中的传播特性

根据HVPD提供的相关数据表明,电缆局部放电的上升时间非常短只有几十纳秒到微秒级之间,而脉宽一般小于10个微秒.一般脉冲信号都是由多次谐波构成,我们可以将脉冲信号由多个不同频率的正弦信号叠加组成,因电缆分布参数不均匀致使中高频成分的脉冲信号衰减最为严重,根据HVPD给出数据及测试,当局放发生在传播了2000m或以上时,信号的宽度已经变化了一半以上,使局放的脉冲信号发生明显的失真,剩下的较多为低频的信号,当局放信号离监测点较近时（例如500m内）,此时电缆的脉冲信号将会在电缆终端头及相关电缆中间头之间不断来回反射,形成脉冲重叠现象.脉冲经过了几次反射,已经衰减到忽略的程度,因此在局放的测量及定位中,前两个或三个脉冲捕捉是很相当重要的,下图为在我局利用HVPD局部放电检测仪测试过程中捕捉到的110kV清林站F61天健现代城线中间头局放的波形（图2）.

3　局部放电在线检测在电力电缆运行中的应用

通常电缆或电缆附件的局放会有电量和非电量的各种变量参数的发生,例如,电量的参数包括电脉冲、电磁、地电波（TEV）等,非电量参数包括光、热、气体压力和化学变化现象等.根据以上的物理参数,目前我局已经采用了暂态接地电压波法（TEV）与超高频法（UHF）联合方法对电缆进行在线监测,发现隐患及缺陷再对电缆停电进行用OWTS振荡波局部放电检测.

3.1　利用地电波法（TEV）与超高频法（UHF）联合方法快速监测

常规的预试及OWTS振荡波局部放电检测都需要停电,为了防止不必要的停电预试及对电缆进行破坏性试验,我局首先采用暂态接地电压波法（TEV）和高频脉冲法（HFCT）联合测试手段,HVPD提供的产品High Voltage Partial Discharge就包含暂态接地电压波法（TEV）和高频脉冲法（HFCT,通常采用30～900MHz）联合测试,可同时测试4单元环网柜及相关电缆出线的终端头附件及电缆的局放.HVPD PD Longshot一般可对环网柜有关设备进行定点检测,每一检测点的时间周期一般为3～5分钟即可,系统将每0.20秒（也可以根据需要延长数据点的间隔时间）进行一次数据收集,有经验的用户可在一天内进行50～100个点（电缆头或开关设备）的检测,但如在监测过程中发现了异常的局放信号,则需要花费较长的时间去做进一步的定位测试.如使用应答器在一个双端电缆上找出确切的局放点则需要花费1～2小时的时间.为确定局放源,则必须对后面的环网柜之间的电缆段分别进行检测.图3为我局在现场High Voltage Partial Discharge的接线实图：

3.2　“指纹”诊断识别系统判别XLPE电缆局放

High Voltage Partial Discharge系统内设了“指纹”诊断识别系统,通过测试收集环网柜接线柱头上电缆附件局放或通过CC-SG1 TEV传感器或在电缆屏蔽线上的HFCT 100/50传感器收集的局部放电信号或其他环境噪声信号通过高通滤波进入系统,形成的测试波形与“指纹”诊断识别系统,再通过算法和噪音识别技术进行快速对比,最后形成一个概率性饼状图.通过饼状图判据得出电缆运行状况,High Voltage Partial Discharge系统设置了自动储存测试波形的系统,测试过程中仪器自动采集记录相关数据,该系统可输入相关时间、地点、环网柜编号等参数,同时会自动生成测试报告,我们可以利用国外成熟的经验和相关数据库,再建立自己数据图库（图4）.

3.3　利用在线局部放电监测仪器发现电缆缺陷的实例

5月2日,我局利用英国高电压公司生产的在线局放设备检测仪（HVPD）对中海怡海山居电缆进行在线监测发现有局部放电现象,当时录得的局放波形如下（图5）,从图中可以看出,当时的局部放电现象较为严重,已经达到1680PC.

为了验证该电缆局部放电现象是否存在,我们于当天就进行了震荡波局部放电的离线检测,通过检测到的波形确定确实存在局部放电现象,接收到的反射波形如图6所示：

根据提供软件测算在730m左右的地方存在局部放电,后派出人员利用声磁判别法发现电缆头存在局部放电现象.然后再通过解剖,发现该电缆头为热缩中间头,因制作工艺不良,在环切电缆半导体层时用力过度,导致线芯的绝缘层损伤,造成局部放电.根据以上典型案例,再通过深圳地区电缆情况,结合英国高电压公司生产的在线局放设备检测仪设备厂商提供的判据标准,我们总结今后在线检测时的数据作为不关注、需要进一步检测、需要检修或维护的初步标准.具体数值如表1所示：

3.4　局部放电在线检测的局限性

3.4.1　远距离的局部放电检测存在困难,High Voltage Partial Discharge测试仪器使用表明,因高频成分的脉冲信号衰减严重,局部放电信号超过2000m后,其幅值已经衰减了1/3,测试波形中局部放电的突起不明显甚至给环境噪声淹没；传输3000m后,其幅值已经衰减得十分微弱,基本检测不到.

3.4.2　测试电缆局放的传感器接线不方便,根据原理利用高频脉冲法时,传感器（HFCT）必需按照方向套上电缆的三相分别的相线上,或者套在电缆的屏蔽线的接地线上,因环网柜的五防要求,在环网柜的开关未断,地刀未合上情况下柜门是不能开启的,因此每次对电缆局部放电检测尚需停电,未真正实现“带电”监测.

3.4.3　High Voltage Partial Discharge测试仪器只能监测出电缆线路是否存在局部放电,尚未能对电缆局部放电的地点进行定位,在发现局部放电后,还需用OWTS振荡波局部放电检测系统进行故障定位.

3.4.4　XLPE电缆局部放电在线监测尚需解决的问题,局部放电检测技术研究虽然遍地开花,很多技术手段还在理论推断的基础上,就国内研究表明,XLPE电力电缆局部放电检测试验还很多停留在实验室阶段,主要存在以下几点需解决问题,“指纹”诊断识别系统可以解决谐波分法的难题,但毕竟国内应用也是刚刚开始,监测过程中发现局部放电的“指纹”图库较少,分析软件还需进一步提高；因采集的信号微弱,脉冲幅度小,在电缆中来回反射及散射后被背景噪声淹没,能被传感器接受的谐波分量相当少,单纯用硬件不断放大谐波信号,将会引起信号失真严重,最后要的信号会误断.

3.5　局部放电在线检测的改进技术措施

3.5.1　改进屏蔽线的接地方式.为了配合在线监测仪器的传感器的使用对环网柜内电缆附件屏蔽线的接地端进行改接,改接屏蔽线,只要把屏蔽线改接至环网柜外,在遵守原有技术规范的前提下对新增配网工程及业扩工程的电缆屏蔽线进行改接,对存量环网柜的屏蔽线进行改接,这就克服了“五防”要求,在环网柜门未开启情况下不能将传感器互感器套上屏蔽线的弊端.

3.5.2　对电缆中间头直接在线监测.采用暂态接地电压波法（TEV）直接对电缆中间头进行测试,该法是基于目前深圳供电局的电缆故障有37%左右是中间头故障引起的,中间头的局部放电监测是解决电缆线路运行正常与否的关键,深圳地区的电缆基本实现了电缆沟道的敷设方式,就连直埋中间头都有设置工井,因此我们可以利用在线监测仪器的TEV传感器直接吸附在电缆中间头保护盒上,收集相关信号进行监测,我局利用该法已经对电缆中间头进行了测试,发现局部放电的中间头有3个.目前,我局正与相关厂家合作,研究将局部放电传感器收集的信号利用蓝牙设备或无线GPRS设备进行远距离传输,利用接收设备进行解码及相关滤波,再将相关局部放电信号进入“指纹”诊断识别系统,这样可以实现“云”监控,大大提高设备的利用率和在线监测的实效性.

3.5.3　环网柜之间的电缆分段测试.因高频成分的脉冲信号衰减严重,局部放电信号超过一定距离后,在线监测的效果不够理想,这就要求我们将一条线路进行分段在线监测,对线路进行分段测试.目前,我局的做法是在测试电缆线路时将另一端的屏蔽线先解开,测试一段后,如此类推.

4　结语

带电测试技术已经渐渐成熟,在状态检修中发挥了“为设备听诊”的作用,也为电力电缆线路提供了最为有效的检测方法,同时新设备的应用为龙岗供电局提供了在线监测试验与应用的平台,为制订停电检修计划提供了技术基础.龙岗供电局将不断累积现场测试的数据,充实新的“指纹”识别系统,不断完善检测手段及相关测试技术,建立相关的测试规程及导则,使在线监测技术发挥新贡献.

参考文献

[1]　吴倩,刘毅刚．高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术述评[J]．广东电力,2003,16（4）．

[2]　肖登明．电力设备在线监测与故障诊断[M]．上海：上海交通大学出版社,2005．

[3]　刘炳亮．10kV配电网电力电缆局部放电监测研究及应用[J]．电气开关,2011,（5）

[4]　High Voltage Partial Discharge测试仪器使用说明书[S]．

（责任编辑：蒋建华）

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