高频与振荡波检测技术在电缆局部放电定位中的综合应用

李 旭 ,朱明正 ,李 季 ,孟峥峥 ,于 洋

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院,天津 300384;2.国网天津市电力公司,天津 300310)

电力电缆在运行期间,由于施工安装、运行环境等因素,可能会形成微小缺陷,这些缺陷多数情况下均伴随有局部放电的发生。因此,开展电缆局部放电检测,是及时发现电缆故障隐患的重要方法[1]。目前,电缆局部放电检测主要可分为在线检测与离线检测两大类。在线检测方法中,高频耦合法由于其测试简便,是目前应用较多的在线检测手段[2-4]。离线检测方法中,由于阻尼振荡电压与交流电压等效性好,且设备容量小、操作方便,能够对电缆线路上的局部放电点进行定位,是目前广泛使用的检测手段[5]。结合日常工作中某条电缆线路的局部放电检测情况,介绍了应用高频及振荡波检测技术的综合测试方法,并通过信号分析处理发现电缆中间接头局部放电缺陷的过程。

1 2种检测技术概述

1.1 高频局部放电检测技术

电缆或附件中存在缺陷时,如果该点的局部场强超过绝缘介质的耐受强度时,将会产生局部放电,并产生频率在500 k Hz～30 MHz的高频脉冲信号[6],沿电缆向两端传播。通过在电缆上安装高频电流互感器(HFCT)可以采集到这类高频电流信号。

1.2 振荡波局部放电检测技术

振荡波局部放电测试是利用电缆自身电容与测试设备电抗串联,形成LC 振荡电路,进而产生阻尼振荡电压激发局部放电的检测方法。该方法利用脉冲反射法对局部放电信号进行定位。具体定位方法如图1及公式(1)所示[7]。

图1 脉冲反射法原理示意

式中:t1为局部放电入射波传播至测试端的时间;t2为局部放电反射波传播至测试端的时间;v为局部放电信号在电缆中的传播速度;x为局部放电点距测试端的距离;l为电缆全长;Q为局部放电量幅值;C k为高压电容;Z k为匹配阻抗。

1.3 2种方法优缺点对比

高频检测方法可以在电缆不停电的条件下进行测试,测量回路与高压设备间没有直接的电气连接,具有灵活方便、操作安全等优点,是目前电缆带电检测的主要方法。但高频检测法无法对局部放电点进行快速有效的定位,因此目前主要作为电缆设备普测的主要手段之一。

与高频检测不同的是,振荡波检测需要将电缆两端悬空,因此必须将电缆停电。由此可见,振荡波检测对现场要求较为复杂,但具有能够局部放电定位的优点。因此,该方法一般根据电缆运行状态,有计划地结合停电对电缆进行检测,排查是否存在局部放电缺陷。

2 电缆局部放电定位的现场测试

2.1 高频局部放电检测

对某35 kV 电缆线路电缆终端进行高频局部放电带电检测时,发现电缆终端接地线处存在局部放电异常信号。该电缆的型号为YJV22-3×300 mm2,长度343 m,负荷108 A,从DS.17开闭站到自来水厂采用直埋方式敷设。

为了确定局部放电信号来源,在每相电缆终端上安装高频传感器进行测试,测得的三相信号图谱如图2所示。

从三相终端处测得的PRPD 图谱、分类图谱中可以看出,每相信号中均包含多个中心频率不同的信号基团,频率分布在2.2～6 MHz,利用分析软件的信号分离功能,分别提取不同的信号基团,观察其图谱特征,如图3所示。

图2 三相终端高频局部放电图谱

图3 三相终端信号中分离出的局部放电图谱

分离时根据信号中心频率进行聚类,每相信号中可分离出至少两簇不同信号。分离出的信号在一三象限具有180°相位相关性,呈不对称分布,具有沿面放电特征,初步怀疑为多点沿面放电。但仅根据目前数据无法判断局部放电源位置,遂决定对线路对侧终端进行检测,图谱如图4所示。

图4 对端三相终端高频局部放电图谱

从对端三相终端处测得的PRPD图谱、分类图谱中可以看出,每相信号中同样包含多个中心频率不同的信号基团,频率分布在3～6 MHz,与始端相似。利用分析软件的信号分离功能,分别提取不同的信号基团,观察其图谱特征,如图5所示。

图5 对端三相终端信号中分离出的局部放电图谱

观察对端分离出的信号发现,信号图谱同样在一三象限具有180°相位相关性,且呈不对称分布,具有沿面放电特征,与始端信号特征几乎完全吻合。

通过对比电缆两端终端处测得的信号发现:分类图谱中均存在多个中心频率不同的信号基团,频率分布在2.2～6 MHz;将信号分离提取后对比发现,两端PRPD 图谱均具有沿面放电特征,且图谱图形特征基本一致。根据以上2点,判断电缆两端测得的信号为同源信号,放电源位置很可能位于2个电缆终端之间,即该电缆线路的本体或中间接头处。

2.2 振荡波局部放电检测

为了进一步确定局部放电源位置,计划采用振荡波局部放电检测技术进行缺陷定位,通过查询线路台账得知,该电缆线路全长343 m,满足振荡波设备测试长度。振荡波局部放电定位结果如图6所示。

图6 振荡波测试定位结果

测试前利用低压脉冲反射仪测距时发现,在距测试端90 m、225 m 处波形出现变化,疑似存在中间接头。根据DL/T 1576—2016《6～35 kV 电缆振荡波局部放电测试方法》要求完成测试后,在90 m 处可观察到三相存在明显局部放电集中现象,放电起始电压约0.7U0,最大局部放电量约1 700 pC,依据标准要求判断存在局部放电缺陷。通过核实电缆路径图,确认90 m 处为中间接头所在位置,初步判断局部放电源为该位置U、V、W三相电缆接头。

3 电缆缺陷解体及验证

将该疑似缺陷接头更换后进行解体检查,发现该接头为热缩式电缆中间接头。剖开外层热缩套,发现铜带及铜网屏蔽存在锈蚀,严重处已透至电缆外半导电屏蔽。剖开最外层绝缘热缩管,发现在最外层绝缘热缩管与内层绝缘管的界面间存在气隙,且气隙处的绝缘管表面存在放电灼烧痕迹,如图7所示。

图7 热缩管界面气隙及灼烧痕迹

根据以上解剖情况,判断此热缩式中间接头在安装时加热不均匀,导致内、外层绝缘管界面未能紧密良好贴合,产生气隙。由于空气的相对介电常数为1,而热缩管其主要材质为聚乙烯、聚氯乙烯等聚合物,相对介电常数通常为2.5～6,因此在电缆运行期间,气隙处首先产生局部放电。

通过解体后检查发现气隙处存在放电烧灼痕迹,验证了检测结论。

由此可见,导致此次缺陷的原因为附件安装工艺不良,结合后续解剖发现的应力控制管突起和主绝缘脏污,也暴露了在施工过程中作业人员不仔细、验收不到位等问题。

4 结论

介绍一起利用高频、振荡波局部放电检测技术,实现电缆中间接头局部放电缺陷诊断及定位的案例。通过对分析过程进行总结,可概括如下几点。

a.高频局部放电检测技术不仅仅适用于电缆终端的局部放电检测。对于直埋接头无法在接头处直接测试时,若电缆线路较短,或局部放电信号较强时,电缆线路中的局部放电信号可传播至电缆终端处,利用高频局部放电带电检测手段同样能够发现。

b.利用高频局部放电检测手段判断电缆线路中的局部放电信号时,需要结合线路两端的测试情况,单从一端进行分析难以判断信号来源,有可能为其他设备引起的干扰信号。

c.对电缆线路,尤其是中间接头的局部放电缺陷进行检测时,振荡波局部放电检测技术相比高频局部放电检测技术更为有效,且更容易操作,便于检测人员快速确定放电源位置,但需要停电。

d.当需要对电缆线路中的局部放电缺陷进行缺陷类型判定及缺陷位置定位时,建议结合多种手段的测试结果综合分析,提高缺陷判定准确率。