探讨振荡波测试系统在配电电缆局部放电测定位中的应用

孙占功 杨金伟

1.济南供电公司 山东 济南 250011；2.临沂供电公司 山东 临沂 276004

0 引言

交联聚乙烯绝缘电力电缆由于其安装维护方便，绝缘性能优良，传输容量大，生产制造简便等优点，在电网建设中得到了广泛应用。随着市经济社会的快速发展，城区电网电缆化率已达76%，电缆绝缘状态的诊断工作变得尤为重要，以往惯用测试方法是对被测电缆绝缘施加直流高压，检测直流泄漏电流的大小，以及0.1Hz超低频交流耐压试验，这些方法，一方面都只能诊断出电缆承受电压情况，无法定位出电缆绝缘的缺陷点，无法发现和定位局部放电隐患，另一方面对电缆绝缘都有一定的损伤，属于破坏性试验，特别是直流高压试验后，交联聚乙烯绝缘内部仍然保持极化状态的分子排列，不易恢复到加压前的状态，导致试验合格送电后绝缘很快击穿的事故时有发生。

通过对电缆运行检修数据分析，局部放电引发的电缆绝缘击穿故障占有较大比重，迫切需要引进先进技术，及时发现定位电缆潜伏性局部放电缺陷。振荡波局放测试理论自上世纪90年代提出以来，一直飞速发展，2000年之后国内开始探讨其在电力系统中应用。在充分借鉴国外成功经验的基础上，采用振荡波电缆局部放电定位 （Oscillating Wave Test System）测试技术对10kV配网电缆进行局部放电检测。通过对现场数百条电缆进行检测分析，并针对测试局放值超标的电缆部分进行解剖，成功地定位并发现了潜伏性局部放电缺陷。为提前掌握电缆的绝缘水平，进行电缆状态检修提供了有力支持，且每次加压作用时间极短，不会对电缆造成伤害。

本文将对电缆局部放电的原因、OWTS系统的原理、系统与测试电缆连接及补偿电容的使用等方面进行阐述，对现场测试典型案例进行详细分析。

1 局放过程及振荡波测试原理分析

1.1 电缆局部放电过程分析

局部放电是指高压设备中的绝缘介质在高电场强度作用下，发生在电极之间的未贯穿的放电。这种放电只存在于绝缘的局部位置，而不会立即形成贯穿性通道，因此称为局部放电 （Partial Discharge）。引发交联聚乙烯绝缘电缆局部放电，导致最终绝缘击穿的主要原因存在于三个环节，一是电缆生产制造环节，由于加工技术和原料不纯，致使电缆绝缘层存在气泡、间隙、微孔和有害杂质，在气隙、杂质的尖端处、半导电层突起处易发生局部放电；二是电缆敷设、电缆附件安装环节，敷设过程中造成的绝缘局部损伤，附件安装工艺不良产生气隙或进入杂质；三是电缆运行环节，交联聚乙烯材料在高压电场的长期作用下，绝缘不断老化，在不同的运行环境下形成水树或者电树。

图1、2为交联聚乙烯绝缘层引起局放的原因和运行过程中存在局放的电缆案例。

图1 交联聚乙烯电缆引起局放的原因

图2 交联聚乙烯电缆的局放实例

1.2 电缆局部放电测试原理

OWTS系统的高压发生和测试原理电路如图3所示。直流电源首先在被测电缆端加压至预设值Uc（0－），对测试电缆充电，之后闭合IGBT高压开关，通过设备电感与被测电缆电容发生谐振，在被测电缆端产生阻尼振荡（DAC）电压。通过对振荡回路分析计算可知测试时加在电缆上的电压、电流分别为:

其中，R为导体电阻和地电阻之和，L为系统电感0.8H，C为测试电缆等效电容值。

图3 OWTS系统原理电路图

因为试验时采用固定电感和电缆谐振产生正弦振荡波进行加压，其波形及频率接近工频，且电压持续时间小于100ms，不会对电缆产生损伤。

利用阻容式分压器可以测试快速变化过程的特性来测试振荡电压的波形及电缆局部放电，测快速变化过程时沿分压器各点的电压主要按电容分布，大大减小了对地杂散电容对电阻分压波形的畸变。

1.3 电缆局部放电定位原理

OWTS系统采用脉冲反射法进行局部放电定位，其原理如图4所示。对于一条长度为l的测试电缆，假设在距测试端x处发生局部放电，脉冲沿电缆向两个相反方向传播，入射波经过时间t1到达测试端，反射波向测试对端传播，并在电缆末端发生反射，之后再向测试端传播，经过时间t2到达测试端。根据两个脉冲到达测试端的时间差Δt，可计算局部放电发生位置，即

式中，v为脉冲在电缆中传播的波速,对于交联聚乙烯绝缘的波速一般在170m／us左右。

图4 脉冲反射法原理图

局放信号及其末端反射信号通过局放耦合单元经运算放大器和滤波器采集到系统中，通过测试软件的计算分析后直观地显示出来。

2 OWTS系统的现场应用

2.1 补偿电容的应用

采用补偿电容的方法，使用150nF的补偿电容与测试电缆并联进行降频，使得空载测试频率理论上达到460Hz，对短电缆测试时的振荡频率降低到了500Hz以内，从而解决了因电缆长度小于400米，电容值太小，振荡频率过高无法测试的问题，缩小了测试盲区，增大了测试范围。

2.2 系统与防晕电极

OWTS系统与测试系统连接必须使用无局放（PD Free）电缆，避免连接电缆的局放信号干扰测试过程如图5、6所示。

图5 补偿电容器现场应用

图6 OWTS系统和测试电缆连接图

电缆终端头和OWTS系统连接惯用的夹钳本身在电压升高到U0以上时就会发生沿面放电，干扰了测试过程，对近端电缆局放点的定位带来了很大的不便。现场采用了防晕电极的连接方式，如图7所示，在对新投运电缆进行试验时电压升高到2U0采用Ф80mm防晕电极连接件，对最高加压至1.7U0的检修电缆使用Ф40mm防晕电极，有效消除了电缆终端头和系统连接处的放电干扰，根据测试数据就可以判断出电缆终端头内部的局放情况，并有效的避免了连接夹钳的沿面放电使3D图放电点杂乱的情况，提高了3D图的参考意义。

图7 惯用夹钳连接件和新型防晕电极连接件

2.3 3D图分析

把一次测试每个振荡周期的局放图叠加在一起，就得到OWTS系统的3D图，这些局放点一般都集中在一三象限，可知局部放电均发生在振荡波的升压过程。根据对大量数据的分析得出如图8、9、10所示结论，绝缘内部空洞气隙对应的3D图中一三象限中的局放点基本对称，靠近电缆铜屏蔽层接地侧孔洞对应的测试3D图在第一象限的局放量大于第三象限，靠近电缆导体线芯侧孔洞对应的测试3D图在第一象限的局放量小于第三象限。

图8 绝缘内部空洞气隙对应的测试3D图

图9 靠近电缆铜屏蔽层接地侧孔洞对应的测试3D图

图10 靠近电缆导体线芯侧孔洞对应的测试3D图

3 典型局放测试案例

例1： 某10kV电缆型号为YJV22－3×70mm2，长度923米，在465米、744米处各有一个中间接头。在测试端模拟100PC局放进行校准的波形如图11所示，波速170m／us，测试频率421.05Hz。

通过局放测试图12、图13可以发现A相在电压升高到U0时局放值达到了601PC，升高到2U0时局放值高达983PC，超出了交联电缆的危险局放临界值。

而B、C相的测试值和环境噪声相当，只有20PC左右，如图14、15所示。从而可以确认测试电缆B、C相没有局部放电。

图11 局放测试校准图

图12 电压升高到U0时A相的局放测试图

图13 电压升高到2U0时A相的局放测试图

图14 B相局放测试图

图15 C相局放测试图

在对A相测试结果进行时间轴放大分析，发现如图16所示系统接收到电缆249.3m局部放电的入射波及反射波,进行局放点定位分析得到图17所示局部放电定位图，发现在249米左右确实有局部放电集中点。

图16 时间轴开窗图

图17 局放点定位图

图18 测试电缆局部放电点解剖图片

我们通过现场测距，对局部放电点位置进行了确认，开挖发现电缆受到外力破坏，对电缆进行解剖后，可以清晰地看到A相绝缘损伤，如图18所示，B、C相未受损伤。重新制作电缆中间接头后，再次进行局放测试，A、B、C三相均未检测到局部放电。后据电缆运行管理单位提供信息，该段电缆路径上确曾有土建施工，施工过程中伤及电缆，施工单位对电缆外护套使用绝缘带进行简单处理后填埋，并进行耐压试验合格。通过OWTS测试，发现了潜伏性缺陷，防止了电缆事故的发生。

例2：某10kV电缆为1988年投运，型号YJV22－3×185mm2，长度381米，在315米处有一个中间接头。局放校准波形正常，波速170m／us，测试频率455Hz。

通过局放测试发现A相在电压升高到U0时三相局放值均超过170PC，图19所示电压升高到2U0时C相的局放值高达666PC，A、B两相局放值也在340PC以上，超出了交联电缆的危险局放临界值。

图19 电压升高到2U0时的C相局放测试图

在对三相测试结果分别进行时间轴放大分析，发现如图20所示系统接收到的电缆316米局部放电的入射波及反射波,进行局放点定位分析得到图21所示局部放电定位图，发现三相在316米左右确实有局部放电集中点，其中C相放电最为严重，根据历史资料确定为中间接头处有局部放电。

图20 时间轴开窗图

图21 局放点定位图

我们对电缆中间接头进行了解剖，发现电缆接头处绝缘严重老化，尤其C相绝缘材料老化变色最为严重，且电缆工艺较陈旧，外半导电层为绕包型半导电布，而非现今采用的三层共挤工艺，绝缘层较粗糙，双钢带铠装及铜屏蔽层严重锈蚀，如图22可以清晰地看到铜屏蔽锈蚀及C相绝缘严重老化变色。

图22 锈蚀的铜屏蔽和严重老化变色的C相绝缘

4 结论

振荡波电缆局放测试系统（OWTS）使用方便，能够准确定位局部放电点，且电压持续时间短，不会损伤电缆，适合现场使用。现场测试说明，OWTS系统能够对电缆本体、附件、接头等各部分的局部放电都有很好的测试效果，可以对电缆质量、附件制作、接头工艺等每个环节存在的缺陷进行监督。补偿电容使用增大了电缆长度的测试范围，并使正弦振荡波的频率接近工频，提高了试验与实际运行状态的可比性。通过防晕电极连接有效的防止了测试端沿面放电带来的干扰，使数据采集的准确度得到提高。

振荡波法电缆局部放电定位系统（OWTS）作为状态监测的重要手段，及时、准确地掌握电力电缆绝缘水平，预防电缆事故的发生。随着振荡波电缆局放测定位技术的发展和推广,将逐步替代交、直流耐压等破坏性试验,成为诊断电缆绝缘状况的首选方法。

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