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(xué))、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(yīng)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(shè)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?zāi)Ｐ?/p>

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(shè)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(yīng)當纏繞半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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?；诰植糠烹娒}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(yīng)中的振蕩放電過程[19]?，F(xiàn)根據(jù)電路學(xué)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(yù)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(yù)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(dǎo)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)電層破損導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)設(shè)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(fù)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?；诒疚乃〉玫难芯砍晒?，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)。