基于OWTS技术的电缆局放检测应用分析

王 琪，刘晓飞，闫 杰

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

基于OWTS技术的电缆局放检测应用分析

王 琪，刘晓飞，闫 杰

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

论述了电力电缆由于其具有供电可靠的特性，并且满足城市规划的要求，正在得到广泛应用。指出为了保证电缆的安全可靠运行既要重视故障检测手段，也要从源头上把关，针对隐藏缺陷进行检测，OWTS（振荡波局放测试系统）作为一种方便有效的电缆检测新技术目前正不断推广。对于OW TS检测技术的原理进行了介绍，并通过两个现场案例分析验证了其有效性。阐明了OWTS检测技术的推广应用将对电网的安全可靠产生巨大的经济和社会效益。

振荡波局放测试系统；电力电缆；局部放电；故障定位

0 引言

随着城市电网的发展，尤其是城市规划日趋完善，城市配网电缆入地的要求不断加大，以往的架空电力线路正在逐渐被地埋电力电缆所替代。电力线路电缆化率逐年提高，电缆发生故障的次数也呈现相应的增长趋势[1-3]，但是电缆线路具有敷设隐蔽性强、故障点定位及检修恢复都较架空线路困难的特点，加上电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范的要求，使得电缆交接验收试验的必要性及重要性都有明显的增加。城市配网的管理水平也不断改善，改变了过去粗放式的巡检和故障抢修模式，要求从源头上把关，提前对电缆进行诊断，发现电力设备的缺陷，对潜在缺陷进行检修和维护，保证交接试验的可靠性和有效性，达到未雨绸缪的效果。长期的实践证明，局部放电是引起电力电缆绝缘破坏的主要原因，因此局部放电检测，对于保证电缆交接试验的可靠性起着至关重要的作用。近年来，振荡波局放测试系统OWTS（OscillatingWaveform TestSystem）由于良好的便携性、优秀的抗干扰能力及无损测试等优点得到了广泛的推广应用[4]。

1 OWTS测试系统原理

电缆局部放电振荡波检测系统首先通过直流高压源对测试电缆进行充电（电缆芯与屏蔽形成电容特性），然后通过快速关断高压开关形成电缆电容与外加电感之间的LC阻尼振荡（振荡频率20～500 Hz），在电缆芯线和接地层之间产生近似工频的振荡电压波，激发出绝缘薄弱处的局部放电。在不损坏电缆绝缘的前提下通过脉冲电流法检测电缆局部放电，并对视在放电量进行标定，在此基础上基于行波定位原理进行电缆故障源的定位（见图1）[5]。

图1 振荡波局放测试原理图

1.1 振荡波的产生原理

振荡波的产生主要依靠谐振，谐振是一种稳态性质的现象，虽然在某些情况下谐振并不能自保持，在发生后经过一段时间会自动消失，但也可稳定存在，直到破坏谐振条件为止。当系统进行操作或发生故障时，系统中的电感、电容原件参数满足一定的条件时，就有可能发生谐振。充电后快速关合高压开关可以简化成图2所示的原理图。

图2 谐振产生电路图

在此电路中，开关关合后3个元件等效成串联方式连接。其主要的微分方程可将3个元件的本构方程代入基尔霍夫电压定律（KVL）获得。由基尔霍夫电压定律得

其中VR、VL、VC分别为R、L、C两端的电压，V（t）为随时间变化的电源的电压。将本构方程代入得到

根据不同的阻尼系数ζ的值，该微分方程的解法有三种不同的情况，分别为：欠阻尼（ζ＜1），过阻尼（ζ＞1），以及临界阻尼（ζ=1）。该微分方程的特征方程为

1.2 基于行波原理的故障源定位

OWTS装置一般采用单端行波测距原理，在设备端包含有数据采集单元，通过检测局放行波的初始到达时刻与经对端反射回来的行波的时间差来进行故障距离的测算。对于行波的捕捉可采用多种计算方法，例如比较常用的小波变换法，小波变换法在检测行波方面具有良好的应用效果，与其他算法相比具有明显的优势。见图3所示。

原始局放电压脉冲（入射波）为

图3 行波测距原理

2 OWTS技术的现场应用

2.1 校准情况

在使用振荡波系统加压前，应使用校准仪对不同大小的局放信号（100 nC～100 pC）输入电缆进行模拟并通过这种方法检测高频信号在被检测电缆段中的具体传输衰减情况，可以通过电缆尾端是否存在发射波来判断信号传输状况（表1）。局放的模拟值越小证明该局放信号在被测电缆中的传输性越好。

表1 校准值状况评估表 pC

2.2 背景干扰测试

在进行局放检测时进场会受到干扰从而导致测试结果失准，在这里通过系统将检测现场的干扰值换算后以pC值来判别背景干扰值对测试结果的影响。参考检测仪器厂商所给出的背景干扰值并结合自身检测数据统计并总结出背景干扰评估表（如表 2）。

表2 校准值状况评估表 pC

2.3 数据分析

在对测试电缆经过逐级加压后进行单个脉冲分析和定位，以找出比较相似的两个脉冲波形，若发现前面幅值大的脉冲反射，而后面出现幅值小的脉冲波形，这就是典型电缆局放波形。

3 案例分析

OWTS现场检测要求停电作业，主要是对设备进行诊断，判断电缆内部是否存在局部放电缺陷，保证电缆的投运安全。下面针对山西省内某变电站的10 kV电缆进行现场局放检测，通过故障定位及分析判断验证OWTS检测手段的有效性。

现场使用的设备为青岛华电公司生产的检测设备，设备加压充电阶段采用直流充电，最大输出电压（峰值）28 kV，最大输出电压（有效值）20 kV。局放测试范围，5pC~100nC；工作电源，220V，50Hz。

试验1：测试电缆长度为50m，测试时在电缆头线芯中插入钉子，将设备接线端连接于钉子顶端进行试验。

通过捕捉入射波和反射波的波谷的时间，计算时间差带入公式（19）中求得故障点位于距离测试端1.6m的位置，经过仔细分析得出，电缆线路较短，测试时线路的长度可能不是准确的50m，存在一定误差，加之测试接线也有一定的长度。又由于接触采用钉子与线芯连接，接触并不十分良好，存在间隙，加压后可能会在接触点产生放电。分析认为检测到的放电即为电缆头接触不良引起的，电缆本身并无损伤，试验结束后对电缆本身进行了仔细的检查及其他相关试验未发现异常，改变了接触方式后重新试验，放电点消除。

试验2：测试电缆长度为390m，直埋于地下，测试前已经停运。进行OWTS局放检测，检测结果如图4。

图4 局放量结果图

最大局部放电量475 pC。入射波的波谷对应的横坐标为292.8ms，反射波同样截取波谷对应的横坐标为295.9ms，根据入射波和反射波波谷对应的检测点计算出故障距离为127.3m，沿着电缆路径对可能故障点直径2m的范围进行开挖检查，发现127m处存在电缆外半导电层破损，进一步验证了测试方法的有效性。

试验3：测试电缆长度为3 285m，为新投运电缆，电缆终端、接头及本体为塑料绝缘，分别在780m、1 455m、2 101m及2 671m处存在中间接头。OWTS局放检测结果见图5，最大局部放电量950 pC。

图5 局放量结果图

从图5局部放电量结果图可以明显看出在距测试端1400m处存在三相放电，其中A相放电量最大为950 pC，2 350m处B相放电量也达到了900 pC，本段新投运电缆存在问题，不能直接投运。

由于放电位置与接头位置不重合，判断接头制作良好，两处放电均为电缆本体放电。现场沿电缆敷设路径测距，对放电点位置进行了确认并开挖，发现电缆受到了一定程度的外力破坏，解剖后发现1 400 m处三相绝缘受到了不同程度的损伤，而2 350m处B相绝缘损伤较为明显，其余两相完好。重新制作电缆中间接头后，再次进行检测，未检测到明显局部放电。该次电缆损伤主要是由于电缆敷设施工过程中的不规范施工所致，应在以后的电缆敷设过程中加强规范作业及施工监理，保证敷设质量[6]。

4 结语

OWTS检测方法对于电力电缆缺陷的检测具有很好的效果，可以用来检测内部隐藏缺陷引起的局部放电。电缆敷设完毕投运前进行OWTS检测可以保证电缆投运的可靠性。在测试过程中应该考虑现场实际情况，保证接线良好，双端的屏蔽层均需接地，尽量保证测试安全及准确性。随着电力电缆的普及和振荡波测试技术的不断发展，应用振荡波局部放电检测电缆必将成为未来的发展趋势。

［1］ 刘刚，阮班义.基于OWTS 10 kV XLPE电缆终端半导电层制作缺陷的实验研究［J］.高压电器，2012（9）：31-36.

［2］ 刘炳亮.10 kV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）：63-65.

［3］ 魏金蓉，周亚玲.电力电缆故障测试技术及应用的概述［J］.动力与电气工程，2013（18）：117.

［4］ 张耀文.10 kV电缆局部放电振荡波测试系统应用探讨［J］.中国电力教育，2011（33）：138-139.

［5］ 冯建强.浅析电缆振荡局部放电试验的原理和方法［J］.应用科技，2012（7）：71-72.

［6］ 葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术（第二版）［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.

App lication Analysis of Cable Partial Discharge Detection Technology Based on OWTS

WANG Qi，LIU Xiao-fei，YAN Jie
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

With the characteristics such as reliable power supply，and great significance for the city’s beauty，power cable is widely applied.In order to guarantee the safe and reliable operation of the cable，we should notonly attach great importance to the fault detection method，but also not ignore hidden defects.OWTS as a convenient and effective technology for cable testing is continuously popularized.This article introduces the principle ofOWTSdetection technology，the effectiveness ofwhich is verified through the analysis of two cases.It is illustrated thatOWTS detection technology will produce great economic and social benefits for power grid’s safe and reliable operation.

OWTS；electricity cables；partialdischarge；fault location

TM206

A

1671-0320（2014）05-0014-04

2014-06-10，

2014-08-30

王 琪（1976-），男，山西太原人，1998年毕业于华北电力大学电气技术专业，硕士，高级工程师，从事电力设备试验、输变电设备状态检修工作；

刘晓飞（1988-），男，山西怀仁人，2012年毕业于武汉大学电力系统及其自动化专业，硕士，助理工程师，从事电力系统运行与控制研究工作；

闫 杰（1983-），男，山西运城人，2009年毕业于华北电力大学高电压与绝缘技术专业，硕士，工程师，从事高电压技术及高压试验工作。