交联聚乙烯(XLPE)电缆局部放电检测技术的研究*

江思杰 王继红 王定虎 江传华

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)



交联聚乙烯(XLPE)电缆局部放电检测技术的研究*

江思杰 王继红 王定虎 江传华

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

随着电力行业的快速发展,电力电缆在电力行业中得到了广泛的应用,论文通过研究交联聚乙烯电缆局部放电特性,提出了一种基于自衰减振荡电力电缆局部放电定位检测系统,满足了电力电缆离线检测中的局部放电定位和检测需求,较好地解决了目前国内外离线检测技术问题,为开展电力电缆在线检测打下了夯实的基础。

交联聚乙烯电缆; 局部放电; 自衰减振荡; 离线定位检测

Class Number TN407

1 引言

一直以来,电力电缆绝缘性能是城市电网系统能够安全运行的重要因素之一,交联聚乙烯(XPLE)电缆正是凭借其优秀的绝缘性与可靠性在电力行业尤其是高压或超高压领域得到了广泛的应用。在连续高压工作下,对交联聚乙烯电缆进行绝缘检测和监测是判断电缆绝缘状况好坏、故障发生的趋势、剩余寿命的必要措施。而对交联聚乙烯电缆进行局部放电测试是检测电缆绝缘状况最为安全和有效的方法。

在高压检测领域,对高压设备包括各种电力电缆的绝缘检测分为离线和在线两种。离线检测方法技术成熟、应用广泛、数据采集清晰准确,定位精确;在线检测则能在不断电的情况下进行检测,但数据获取较难,容易受干扰影响,尤其在电缆局部放电定位上比较困难,可谓各有利弊。然而无论是离线还是在线检测,其技术壁垒阻挡了我国广泛开展电力电缆定位检测和状态监测活动,对我国电力行业带来了一系列问题,主要包括:

1) 我国供电营运的成本增高;

2) 缺乏有效的预警手段,规避电力事故。

本文立足于交联聚乙烯电缆局部放电特性的研究,提出了一种基于自衰减振荡电力电缆局部放电定位检测系统,满足了电力电缆离线检测中的局部放电定位和检测需求,较好地解决了目前国内外离线检测技术问题,为开展电力电缆在线检测打下了夯实的基础。

2 局部放电特性研究

在电力网络绝缘系统中,大多数故障仍然都是由电力电缆内部的缺陷引起的,且故障点密集分布于电力电缆的节点处,剩余的故障点一般出现在电缆的终端或者是由电缆本体的绝缘情况恶化造成的,而电力电缆生产过程中由于生产工艺所造成的瑕疵与长时间连续高压作业是导致故障的主要原因。值得注意的是,上述故障在初期都会表现为一定程度的局部放电现象,经过长期连续高压作业,这种小规模的放电现象通过日积月累,最终导致了安全故障的发生。

电力电缆局部放电现象可能发生在电缆附件和本体中,以电力行业中常用的两种油纸电缆与电缆交联聚乙烯电缆为例,两者的局部放电特性也有所差别。

2.1 油纸电缆

油纸电缆的绝缘层为粘性浸渍结构,在电压场强增加或者绝缘油泄露、绝缘干燥的时候容易发生局部放电现象,放电现象的产生反过来又导致绝缘层不断碳化,最终使绝缘层绝缘性能下降。导致油纸电缆绝缘层局部放电现象出现的原因大体上分为两种,如图1所示:电缆外层绝缘油泄露,导致绝缘材料干燥、性能下降(图1(a));电缆内层铅包破裂进水,导致绝缘层变薄、局部场强升高、绝缘性能下降(图1(b))。

图1 油纸电缆绝缘层局部放电情况

2.2 交联聚乙烯(XLPE)电缆

与油纸电缆不同,交联聚乙烯(XLPE)电缆的绝缘材料为固态塑料结构。在制造过程中如混入金属杂质、出现气孔空洞,或由于内、外半导体层不规则突起引起高压场强的不均匀,或绝缘中存在的电树等,在这些部位都有可能导致局部放电现象的产生。随着电缆制造技术的发展和质量控制水平不断提高,由于工艺水平产生的局部放电在现场检测中已经微乎其微。图2为交联聚乙烯电缆绝缘层引起局部放电现象的原因与实例。

图2 交联聚乙烯电缆绝缘层产生局部放电现象的原因(左)与实例(右)

2.3 电力电缆局部放电位置

在电力电缆附件中,电缆终端与中间接头是最容易发生局部放电故障的位置,不合格的生产工艺或施工安装人员的技术不熟练都有可能导致电缆附件存在隐患,从而诱发局部放电故障和击穿故障。图3为电缆接头中可能出现局部放电的位置。

图3 电力电缆接头可能产生局部放电的位置

电力电缆接头中可能发生局部放电的地方:绝缘与导体表面的间隙、绝缘材料中的空腔与杂质、导体或半导体表面的空腔或毛刺、半导体层或屏蔽层电阴率高或屏蔽层遭破坏、由水树发展成电树。

3 检测方案设计

局部放电的产生需要在一定条件下才能形成,在交联聚乙烯电缆正常负荷下,局部放电现象非常微弱或者依然处于潜伏状态。因此在离线检测时,可通过提高激励电压,诱使局部放电的产生。在早期的电力电缆出厂检验和验收检验中,就是采用3倍高压行波法检测电缆的局部放电情况。这种方式,由于加压时间较长,实质上是一种破坏检验。

随着技术的进步和器件制造水平的发展,产生了电力电缆的振荡波检测方法,其基本工作原理是利用电力电缆的容性阻抗,并联一个固定电抗器,在符合试验规定的高压直流激励下,产生自衰减振荡。通过对衰减振荡的不同幅值电压下导致的局部放电脉冲的探测,检测局部放电位置、幅值、频率等局部放电参量。由于衰减振荡的时间可很好的通过电抗器参数得到控制,其振荡时间一般在100ms内结束。因此对电缆造成的损伤较小,或者基本上没有损伤。

振荡波电力电缆检测系统的高压发生和测试原理电路如图4所示。直流电源首先在被测电缆端加压至直流电压预设值(0kV～28kV),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电压,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。该装置可以检测的电力电缆电容范围为:0.05μF～2μF。

图4 系统高压发生和测试原理示意图

系统采用脉冲反射法进行局部放电定位,原理示意如图5所示。测试一条长度为L的电缆,假设在距测试端处发生局部放电,脉冲沿电缆向两个相反方向传播,其中一个脉冲经过时间t1到达测试端;另一个脉冲向测试对端传播,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,可计算局部放电发生位置:

(1)

式中,v为电缆中的波速。

图5 脉冲反射法原理示意图

脉冲反射法在10kV电力电缆离线故障定位中被广泛采用,这种方法很容易被电缆检修专业操作人员掌握。

假设高压起振电压为运行电压的2.8倍,其局部放电探测灵敏度为0.01V,如果将灵敏度提高2.8倍,则应该完全满足在线测试的局部放电灵敏度要求。

对于在线测试,可采用传感器感应的方式,最为简单的传感器就是罗氏线圈感应方式。在满足在线检测的传感器、放大器、滤波器的条件下,结合电力电缆局部放电物理模型,完成局部放电定位和局部放电参量的计算。

4 结语

本文旨在研究交联聚乙烯电缆局部放电物理模型,提出了一种基于自衰减振荡的电力电缆离线局部放电检测方式,可完美地实现电力电缆中局部放电信号定位检测。其持续振荡时间在100ms,对电缆损伤小,探测灵敏度高,对于在线测试具有实际的指导意义。

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Crosslinked Polyethylene(XLPE) Cable Partial Discharge Detection Technology

JIANG Sijie WANG Jihong WANG Dinghu JIANG Chuanhua

(No. 722 of CSIC, Wuhan 430079)

With the rapid development of power industry, power cable has been widely used in electric power industry. Through studies of crosslinking polyethylene cable performance, this paper proposes an attenuation of oscillation power cable partial discharge detection system, to satisfy the orientation of partial discharge in power cable offline testing and inspection requirements, better solve the problem of off-line detection technology at home and abroad, to carry out on-line power cable laid a solid foundation.

cross-linked polyethylene cable, partial discharge, attenuation oscillation, offline location detection

2014年11月14日,

2014年12月21日

江思杰,男,硕士,工程师,研究方向:仪器与测试技术、数据算法处理、机械自动化控制、低频通信技术、计量科研等。王继红,男,硕士,高级工程师,研究方向:计量科研、仪器与测试技术、低频通信技术、仪器校准技术等。王定虎,男,博士,高级工程师,研究方向:电磁兼容技术、仪器与测试技术、低频通信技术、数据信号处理等。江传华,女,硕士,研究员,研究方向:低频通信技术、天线理论技术、仪器与测试技术、数据算法处理、计量科研等。

TN407

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.033