振荡波缺陷定位系统的无晕设计

赵　鲲, 郭钰静

(中国长江电力股份有限公司 葛洲坝电厂，湖北宜昌443002)



振荡波缺陷定位系统的无晕设计

赵鲲, 郭钰静

(中国长江电力股份有限公司 葛洲坝电厂，湖北宜昌443002)

摘要：目前振荡波装置在试验过程中非电缆本体的电晕放电容易引起电缆缺陷的误诊断。为了有效减小外接装置引入的局部放电，增加试验中局部放电识别的准确性，采用对电缆终端建立电场仿真模型的方法，探究振荡波系统中的强电场区域，针对仿真结果，对电缆本体以外强电场区域进行了无晕处理，包括油浸电缆终端头、使用蛇皮管导线、套接均压环等改进方式，进而，对真实电缆进行了缺陷定位试验。实验结果表明，无晕设计后，采集到的干扰信号大幅减少，缺陷识别准确性显著提高。通过研究发现，振荡波系统的无晕设计是提高定位精度的关键因素。

关键词：振荡波系统；缺陷定位；无晕设计；局部放电

0引言

随着国内大中城市现代化建设的迅速发展，交联聚乙烯电缆(简称 XLPE 电缆)因其电气性能优越，物理特性稳定的特点，为城市输电通道节省了大量空间，进而成为国内配网系统主要送电工具[1]。然而，随着固体绝缘材料长期投运后的老化，保障 XPLE 电缆供电可靠性具有更大的挑战，在电缆故障前发现缺陷并排除一直是输电运行维护中的努力方向。

振荡波电源具有带动大容量试品，对电缆绝缘损伤小的优势，其技术与近年来广泛应用的时域反射法(TDR)思想结合，形成了用以长电缆缺陷定位的振荡波测试系统(OWTS)。该诊断方式在交联聚乙烯电缆现场试验中已逐渐被认可。同时国内外学者针对应用过程中面临的问题作出大量研究，同时国内外学者针对应用过程中面临的问题作出大量研究，如文献[2-5]大量研究了振荡波激发电缆不同类型缺陷的局部放电特征，以及现有装置在工程应用中的效果，验证了振荡波试验与传统耐压试验的等效性。文献[6-9]考虑到难以精确确定行波传播速度，从多个角度提出了减小波速计算误差的方法。这些研究使得目前振荡波装置在信号提取、模式识别等方面取得突出进展，然而，在实际对OWTS应用过程中，振荡波装置与电缆终端之间难以保证无晕设计，以致试验过程中终端附近发生大量局部放电，淹没了电缆本体中缺陷处的局部放电，使得大量无用数据存入采集系统，难以实现电缆本体缺陷的准确定位。

本文从硬件优化的角度对振荡波测试系统进行改进，利用仿真软件对电缆终端附近区域建立电场仿真，针对电场较强区域进行无晕设计，并对实际电缆进行振荡波试验验证。

1振荡波测试系统工作原理

1.1振荡波谐振原理

振荡波电缆局部放电定位装置如图1。直流电源能够产生10～25 kV的电压，测试电缆与特定电感值的谐振电感形成谐振回路，高压固体开关控制系统产生谐振。

图1　振荡波装置图

谐振是由R，L，C3种元件组成的串联电路。通过分析R，L，C串联电路发生谐振的条件和谐振时电路的特性来产生理想的振荡波电压。其谐振频率为：

(1)

串联电路的谐振频率是由电路自身的两个参数电感L与电容C决定的，与其他的外部条件无关。高压开关闭合后，试品的等效电容与谐振电感构成串联谐振，电路中的能量仅通过回路电阻损耗，在没有持续的能量供应情况下，振荡电压不断衰减，称为阻尼振荡。

1.2振荡波平台中的局部放电

IEC60270指出：局部放电是指在高电场作用下，高压设备的绝缘介质发生在电极之间的未贯穿的放电。局部放电在绝缘介质内部或表面产生重复性的击穿和熄灭，局部放电在放电初期不超过5 pC，信号被噪声淹没，甚至专业测量设备也难以发现，但在长期放电过程中，绝缘介质的介电常数和电导率会发生改变，致使电场畸变，放电规模扩大，最终导致形成树枝并导致击穿，达到击穿边缘时放电量可超过1 000 pC。局部放电按照放电位置可分为3种：发生在绝缘内部的内部放电；发生在绝缘体表面的表面放电；发生在导体尖端附近的电晕放电[10]。

在振荡波测试装置中，产生局部放电区域主要分为电缆本体局部放电和电缆以外区域的局部放电，在现场预防性试验中，操作人员只需要关注电缆本体内的局部放电，从而实现缺陷定位，达到预防性试验的目的，然而振荡波电源与电缆终端连接区域处理不当容易产生电晕放电，大量终端头位置的放电信号传入电缆中，使得采集得到的信号中，电缆本体放电信号极少，定位准确性大大降低。

电晕放电通常被认为是极不均匀的电场在气息击穿的初始过程，同时也被认为是长期存在的稳定放电的形式，通常发生在电极或悬浮电位的尖端而不发生在绝缘介质内部，这种放电将电离自恢复绝缘的空气而对绝缘的破坏作用很小。空气击穿空间电场强度E是由电场决定的，由矢量分析可知，空间电场强度可以由电势φ的梯度表示[11-13]，即

(2)

电场的大小是由电势对空间的梯度，在表面介质不均匀、曲率半径小的高压导体附近，局部区域将呈现强电场，该区域周围空气在强电场作用下电子被激发成为游离态形成电晕。而实际现场中振荡波装置与被测电缆之间的连接区域为系统的薄弱点，缺少有效的无晕措施。

2振荡波系统的无晕设计

2.1电缆终端电场仿真

针对振荡波装置与电缆连接区域出现的电晕放电现象，本文重点对缆芯末端、线夹尖端区域进行分析，并根据分析结果对装置进行无晕设计。文章对缆芯接头位置建立三维仿真模型，实验研究对象为中压电缆线路中常用的95 mm截面8.7/15 kV铝芯电缆，该终端与振荡波电源连接方式如图2所示，并进行电场计算[14]。

图2　电缆接头处三维模型

图3　电缆接头区域电场分布

仿真结果如图3所示，当缆芯电压取值到10 kV，在电缆终端、线夹尖端和连接导线3个区域电场强度较高，其中，实验用的连接导线截面仅为4 mm，存在30 kV/cm及以上的高场强，线夹表面的电场强度平均能达到25 kV/cm，而其中较为尖锐部位可能存在更高电场，电缆终端通常是电缆的薄弱区域，不仅可能发生电晕放电，还能够沿剥离的主绝缘表面向接地屏蔽层放电。

在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的游离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。空气游离场强电场受空气湿度与气压等因素影响较大，通常不超过30 kV/cm[15]。由于只要电场强度超过空气游离场强，电晕放电就将持续进行，因此放电相位集中在90°与270°区间，并且存在的极性效应。当电缆本体以外发生电晕放电，振荡波装置将其误识别并定位在电缆首端或末端附近，严重影响振荡波装置的定位精度。

图4　均压环设计图

2.2无晕平台设计

振荡波装置与电缆接头连接区域设计如图4所示，通过扩大接触点和连接导线的表面积，能够呈平方倍的减小导体表面的电场强度，从而消除电晕，电缆终端与振荡波装置用直径为50 mm的蛇皮导管连接，接头处采用铝制均压环固定，极大增加接触点的曲率半径，其较为尖锐的部分被均压环包纳在内部，由于两者属于等势体，其内部的电场强度为零，将不存在电晕放电。

对于电缆终端头区域，可以通过增加介质绝缘强度的方式提高终端头局部放电起始电压，本文根据10 kV电缆绝缘水平设计了油终端装置如图5所示，其缆芯直接与油终端底部铝质电极接触，利用均压环与蛇皮导管连接，导体上方绝缘层外利用螺丝与上电极固定，上电极与地线连接保证其上部区域零电势，保持线芯竖直悬空，并在玻璃罩中25号变压器油，使得电缆终端头被油完全淹没，国标GBT 7595-2008要求：“新出厂的25号变压器油击穿电压(间距2.5 mm)不小于35 kV”，其绝缘强度能够达到140 kV/cm，比空气绝缘强度(30 kV/cm)大数倍[16]，采用油终端的方式可以较好地抑制终端头的局部放电。

图5　油终端设计

3试验过程

实验选用德国OHV电缆振荡波局放测试系统，利用上文所设计的均压环和蛇皮管连接电缆首端，并使末端悬空不接，试品电缆为100 m长YJLV-22型交联聚乙烯三芯电缆，等效电容为0.024 μF，距电缆首段60 m位置预置一处外半导破损缺陷。实验采用逐级升压方式，分别升至0.5U0,U0,1.3U0,1.5U0以及1.7U0，放电效果不明显，减小装置谐振回路电阻，并将振荡波电压升值2U0，在振荡波前几个周波观察到放电现象，分别测量振荡波电压与局部放电信号如图6所示，振荡波的频率为120 Hz，局部放电信号集中分布在1，3象限，放电量不均匀，其中，在一象限放电量大、次数少，三象限放电量小、次数多，属于典型的表面放电。

图6　实验所测局部放电

采集仪器采集到数据后，分析定位结果如图7，所有缺陷点集中在61 m附近区域，其比实际位置超出1 m，其原因是定制的蛇皮连接导管增加了电缆长度，从定位点的分布情况看来，没有在电缆首段或末端测试到缺陷，说明本文提出的无晕设计有效消除了电缆终端的放电。

图7　振荡波定位结果

4结论

本文通过在实际振荡波试验过程中发现的问题，提出对系统接头处的无晕设计，并对实际振荡波装置进行了改进，通过实验结果发现，无晕化处理后，振荡波装置的定位结果会出现1 m左右的偏差，但能够有效消除电缆连接区域的电晕放电，提高测试系统的准确性，对振荡波装置现场的应用起到重要作用。

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The Non-corona Design of the Oscillating Wave Defect Location System

ZHAO Kun， GUO Yujing

(China Yangtze Power Co., Ltd., Gezhouba Hydropower Plant, Yichang 443002, China)

Abstract：At present, the corona discharge not from cable itself is easy to cause mistake when diagnoses the cable defects with oscillating wave system. In order to reduce partial discharge from the external device effectively, and increase the accuracy of PD recognition, this paper establishes an electric field simulation model, and explores the strong electric field in the oscillating wave system. According to the simulation results, proposes non-corona treatment in strong electric field, such as oil filled cable terminal, using snakeskin conduit, improving grading ring. Furthermore, the defect location experiment of the actual cable is carried out. According the results, the interference signal is greatly reduced, and the accuracy is significantly improved. Oscillation wave system non-corona design is the key factor to improve the positioning accuracy.

Keywords：oscillating wave system；defect localization；non-corona design；partial discharge

收稿日期：2016-04-08。

作者简介：赵鲲(1981-)，男，工程师，主要从事电气一次设备的试验、检修、维护等方面的技术管理工作，E-mail: freak_big@163.com。

中图分类号:TM731

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.004