局部放電論文：電纜局部放電的特點研討

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本文作者：常文治、葛振東、時翔、馬國明、陳志勇、崔瀟、李成榕、陳雪薇、唐志國單位：新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)、青島供電公司

在近似于工頻的阻尼振蕩電壓下檢測局部放電，其電壓波形與頻率滿足IEC60270[10]標準對試驗電壓特性的要求，能夠?qū)σ曉诜烹娏窟M行標定。系統(tǒng)體積小巧，特別適合現(xiàn)場條件下的電纜局部放電檢測。目前我國相關(guān)單位主要應用振蕩波檢測技術(shù)開展電纜絕緣缺陷的定位研究[11-17]，但是未對振蕩電壓下檢測到的局部放電信號進行統(tǒng)計特征分析。本文在真實10kV電纜上設置典型缺陷模型，使用自主研制的振蕩波檢測系統(tǒng)開展試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計特征分析。

振蕩波檢測技術(shù)的原理

振蕩電壓波測試方法的基本原理是利用電纜等值電容與外接電感、回路直流電阻構(gòu)成的LCR欠阻尼振蕩電路。振蕩波檢測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，包括高壓直流源、無暈電抗器、高速固態(tài)開關(guān)、局部放電及電壓檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試品電纜等。工作過程分為2個階段：一是直流充電階段，在圖1中，高速固態(tài)實時開關(guān)斷開，高壓直流源通過無暈電抗器對試品電纜充電，在試品電纜的芯線和接地層之間累積靜電荷；二是振蕩電壓生成及局部放電檢測階段。圖1中，高速固態(tài)開關(guān)瞬間閉合，電纜芯線上儲存的正電荷與外皮中的負電荷發(fā)生中和，電纜等值電容與電抗器電感、直流電阻形成LCR欠阻尼振蕩回路，在試品電纜芯線及接地層之間產(chǎn)生近似于工頻的阻尼振蕩電壓，激發(fā)出電纜絕緣缺陷處的局部放電信號，基于脈沖電流方法進行檢測。

10kV電纜局部放電實驗模型

試品電纜采用銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護套阻燃電力電纜，型號為ZC-YJV22，額定電壓15kV/8.7kV，規(guī)格為3*240mm2。整條試品電纜由一根129m長及一根262m長的電纜通過冷縮式中間接頭連接而成，電纜兩端均安裝冷縮式戶內(nèi)終端，電纜鎧裝及銅屏蔽層均與大地可靠連接。試品電纜總長391m，在129m處有一中間接頭。結(jié)合電纜實際故障，在電纜的中間接頭、終端、本體上設置以下4種潛在性放電缺陷：1）中間接頭線芯纏繞絕緣膠帶。制作中間接頭時，線芯接管外按規(guī)程應當纏繞半導電膠帶，模擬現(xiàn)場誤操作的情形，在壓接管外纏繞絕緣膠帶，如圖2(a)所示。2）端部針尖故障。選取一根銅針及交聯(lián)聚乙烯絕緣塊，將銅針的尖端插入絕緣塊內(nèi)部，銅針的另一端與試品電纜線芯相連，如圖2(b)所示。3）本體外半導電層破損故障。將試品電纜局部的接地銅帶撕開，露出外半導電層，將其刮開一直徑約2cm的豁口，如圖2(c)所示。4）端部懸浮故障源。將一根銅針的尖端插入試品電纜主絕緣表面約1mm深度，銅針不與線芯及內(nèi)半導電層接觸，如圖2(d)所示。

10kV電纜局部放電振蕩波測試系統(tǒng)

缺陷點定位方法自主研發(fā)的10kV電纜局部放電振蕩波檢測系統(tǒng)由前臺檢測單元和后臺計算機構(gòu)成，前臺檢測單元在計算機的遠程控制下對試品電纜主絕緣施加0~2.5U0(U0=8.7kV)的阻尼振蕩電壓，激發(fā)并檢測電纜缺陷處的局部放電信號，局部放電檢測靈敏度不低于5pC，缺陷點定位誤差小于10cm。基于局部放電脈沖信號在電纜中傳播的行波原理，利用時域反射法定位缺陷點位置[18]。

相位特征統(tǒng)計方法一組典型的振蕩波實測波形如圖3所示，其中上圖為阻尼振蕩電壓波形，下圖為局部放電信號。由電路理論可知，阻尼振蕩電壓波的形成屬于二階電路零狀態(tài)響應中的振蕩放電過程[19]?，F(xiàn)根據(jù)電路學原理分析振蕩電壓波的起始相位角。單次阻尼振蕩電壓持續(xù)時間較短，約數(shù)十ms，獲取的局部放電信號數(shù)據(jù)較少，統(tǒng)計特性不強。為擴充分析數(shù)據(jù)的樣本空間，在相同阻尼振蕩電壓作用下，進行多次加壓測試，獲取多組波形。從每組局部放電信號中提取超過閾值的放電脈沖，獲取其時間及幅值序列，同時測量振蕩電壓頻率。由此可以得到一組檢測數(shù)據(jù)中放電脈沖序列的相位序列，對每組檢測數(shù)據(jù)均依照該方法進行處理，最終可以得到多組實測信號中所有放電脈沖的相位序列。通過這樣的累積處理，可極大程度地擴展放電數(shù)據(jù)的樣本空間，得到規(guī)律明顯的相位特征譜圖。本文給出4種典型特征譜圖：1）局部放電灰度圖[20-21]，表征局部放電脈沖歸一化幅值在振蕩電壓相位上的分布情況；2）N-Φ譜圖(放電次數(shù)–振蕩電壓相位譜圖)，表征放電次數(shù)在振蕩電壓相位上的分布情況[22]；3）Q-Φ譜圖(放電量–振蕩電壓相位譜圖)，表征每個振蕩電壓相位段上最大放電量的分布情況[22]；4）N-Q譜圖(放電次數(shù)–放電量譜圖)，表征放電次數(shù)在放電量范圍內(nèi)的分布情況[22]。

實驗結(jié)果分析

將10kV電纜局部放電振蕩波測試系統(tǒng)通過高壓連接電纜與試品電纜被試相線芯連接(試品電纜已預置缺陷)，振蕩波檢測系統(tǒng)及試品電纜銅屏蔽層均良好接地。使用滿足IEC標準的局部放電校準儀向試品電纜注入1000pC的校準脈沖信號，系統(tǒng)檢測到的校準脈沖波形如圖4所示。由于注入的校準脈沖傳播至電纜終端后會發(fā)生發(fā)射，因此在一定時間段內(nèi)可同時采集到入射及反射校準脈沖波形，提取入射及反射脈沖的峰值，可計算出視在放電量的校準系數(shù)。測量入射及反射脈沖之間的時間差，結(jié)合波速也可校核電纜全長。對被試相電纜主絕緣施加阻尼振蕩電壓，針對預置的每種缺陷，施加的阻尼振蕩電壓分為9個等級：0.8U0、1.0U0、1.2U0、1.3U0、1.5U0、1.6U0、1.7U0、1.8U0、2.0U0(U0=8.7kV)，加壓時從最低電壓等級開始，記錄能夠檢測到局部放電信號且信噪比S/N>2時的電壓檔位，將該電壓檔位及以上的1個電壓檔位作為測試電壓，每個測試電壓下施加阻尼振蕩電壓50次，保存50組測試數(shù)據(jù)，每組測試數(shù)據(jù)包括振蕩電壓波形及局部放電波形。4類缺陷的測試電壓如表1所示。

給出本體外半導電層破損缺陷在1.5U0振蕩電壓作用下的實測波形如圖5所示，其中上圖為阻尼振蕩電壓波形，振蕩頻率550Hz，下圖為激發(fā)出的局部放電信號。其余缺陷放電實測波形與此類似。從實測的局部放電信號中提取并匹配入射–反射脈沖對，測量脈沖對中入射脈沖、反射脈沖之間的時間差，結(jié)合電纜長度、波速等參數(shù)，即可計算出缺陷點所在的位置，如圖6所示。圖中橫軸表示電纜長度，縱軸表示缺陷點的視在放電量。所有預設缺陷點的定位結(jié)果統(tǒng)計于表2中，從表2中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，4種缺陷點的定位誤差不大于10cm。分析4類預設缺陷在不同振蕩電壓下產(chǎn)生局部放電信號的統(tǒng)計特征，分別給出放電灰度圖、N-譜圖、Q-譜圖、N-Q譜圖共計4類典型譜圖，如圖7—10所示。比較圖7—10給出的局部放電特征譜圖可以看出，4類預設缺陷在不同電壓等級的振蕩電壓作用下產(chǎn)生的局部放電信號重復率及視在放電量存在一定的差異，但是其統(tǒng)計特征基本一致，簡要分析各類缺陷在其最高測試電壓下產(chǎn)生局部放電信號的統(tǒng)計特征如下。

中間接頭線芯壓接管外錯用絕緣膠帶導致的放電比較稀疏，主要集中在20°~70°和200°~280°2個相位區(qū)間段內(nèi)，230°附近分布最為密集，負半周放電密度略大于正半周。放電脈沖在灰度圖上2個集中分布區(qū)域呈三角形。端部針尖故障的放電脈沖分布最廣，分布在20°~110°、200°~280°的相位段內(nèi)，且正、負2個半軸內(nèi)的分布密度基本一致，分布形狀均呈矩形，具有較好的對稱性。本體半導電層破損導致放電集中分布在負半周過零點和振蕩電壓反向升高的階段，從相位特征上看主要集中在180°~280°，其中190°~230°相位段內(nèi)的分布最為密集，放電脈沖在灰度圖上的分布區(qū)域呈三角形。端部懸浮故障放電主要分布在200°~300°的相位區(qū)間內(nèi)。從相位分布上來看，該故障放電與本體半導電層破損故障相似度較高，但該故障放電在過零點處沒有分布，且從在灰度圖上的分布形狀來看，該故障放電分布形狀近似于矩形，與半導電層破損放電呈現(xiàn)的三角形有明顯差異。表3中給出4類典型缺陷放電的統(tǒng)計特征。

結(jié)論

本文在真實10kV電纜上預設了4類典型缺陷，對試品電纜施加阻尼振蕩電壓并測量缺陷的局部放電信號。使用時域脈沖反射法對缺陷點進行定位，4類缺陷點的定位誤差均不超過10cm。使用振蕩電壓相位特征統(tǒng)計方法分析局部放電信號在阻尼振蕩電壓相位上的分布特征，發(fā)現(xiàn)不同振蕩電壓作用下同一缺陷局部放電信號的統(tǒng)計特征基本一致，放電重復率及視在放電量存在差異；不同缺陷局部放電的統(tǒng)計特征存在明顯差異。基于本文所取得的研究成果，下一步可建立阻尼振蕩電壓作用下典型缺陷的放電模式庫，或研究放電的嚴重程度，與故障定位相結(jié)合，可全面判斷電纜絕緣狀態(tài)。