多应力条件下电缆附件局部放电的演变过程

李巍巍,朱轲,周凯,叶彬,邓元实,黄永禄

(1.四川省电力科学研究院,成都 610072; 2.四川大学 电气工程学院,成都 610065)

0 引 言

电缆附件是电缆线路的重要组成部分,也是电缆线路绝缘最薄弱的环节。局部放电(Partial Discharge,PD)是电缆绝缘故障的主要原因之一[1-2]是电力设备绝缘老化的表现形式之一,同时也是绝缘进一步劣化并导致绝缘失效的主要原因之一[3-4]。电缆附件界面是多层复合介质绝缘结构,在多种应力条件下易引发局部放电。因此,摸清电缆附件在多种应力协同作用下的局放引发和发展规律能为现场局放在线监测提供数据支撑,实现故障预警,从而减少电缆附件事故发生。

为了探究电缆附件界面放电机理及影响因素,国内外学者从温度、压力、电应力等方面进行了大量研究。文献[5-6]研究了温度对电缆附件界面放电的影响,表明电缆附件界面放电需考虑热-机械复合作用,低温下应力管与主绝缘材料的匹配性降低,易产生气隙放电。文献[7-9]研究了压力对电缆附件界面放电的影响,压力较小,易产生沿面放电。文献[10-12]研究了冲击电压对电缆附件界面放电的影响,冲击电压加速PD进程,绝缘进一步劣化。文献[13]研究了负荷变化对电缆终端局放行为影响的研究,表明不同负荷下电缆终端的局放行为存在显著差异。

目前,有大量相关的研究只考虑了单一应力下电缆附件局放的引发特征和演变规律,未考虑多应力下电缆附件局放的引发特征和演变规律。而实际工况下,电缆附件在冷热负荷、工频电压、冲击电压协同下老化产生局部放电。因此,为了研究多应力老化条件下,电缆附件的局放引发特征及演变过程,文中搭建多应力(冷热负荷-工频电压-冲击电压)可控老化平台,实现多应力条件下电缆附件局放的引发与测试。首先利用多应力老化平台对电缆进行老化,并在老化过程中采用工频局放测试平台检测电缆附件局放信号,最后利用波动法对局放信号去噪,阈值窗提取PD脉冲,并构建相应的局放相位分布(phase resolved partial discharge,PRPD)谱图,得到多应力下电缆附件局放的演变过程。

1 实验设计

实验平台主要由多应力(冷热负荷-工频电压-冲击电压)老化平台和局放测试平台组成。实验过程包括电缆附件复合应力下老化和实时局放检测。

1.1 冷热负荷-工频电压老化平台

为了模拟电缆实际运行工况,搭建多应力老化平台。平台结构如图1所示。实验平台由实验回路、工频高压单元和电流单元三部分组成。通过该平台,可以改变电缆附件老化时的温度、电压、电流等条件。

图1 冷热负荷-工频电压老化原理图

1)实验回路：由三根长为1.5 m的10 kV的电缆首尾相连组成的三角形回路。其中一根电缆终端内置刀痕缺陷(长38 mm,宽1 mm,高1 mm),其余两根电缆为正常电缆;

2)工频高压单元：采用无局放变压器经保护电阻与电缆缆芯相连,电容分压器用于采集电缆高压端电压,为局放测试提供相位信息。无局放变压器型号为YD-100 kV/10 kV·A,满足电缆试品容量要求,同时满足局放测试条件;

3)电流单元：由三根电缆首末相连并穿过电流互感器,电流互感器线圈与调压器相连。基于电磁感应原理,调节调压器输出,在实验回路中感应产生电流,回路电流最大可达600 A,其中电缆型号为YJLV-8.7/15-1×95 mm2,其额定载流量为240 A。

根据图1中的冷热负荷-工频电压老化原理,在实验室搭建如图2所示的实验老化平台。

图2 冷热负荷-工频电压老化实验平台

1.2 冲击电压老化平台

电缆附件的潜伏性缺陷在额定运行电压下难以激发局放,但在过电压时却极易引发局放[14]。因此,在电缆附件电热协同老化过程中需考虑冲击电压对电缆附件老化的影响,为了模拟电缆附件实际运行工况下的过电压情况,在实验室搭按照图3所示的原理图搭建冲击电压老化平台。

图3 工频叠加冲击原理图

由图3可知,工频叠加冲击的原理主要由工频部分和冲击部分组成,其中Sg、Sc为工频高压电源,Rg、Rc为保护电阻,D为电力二极管,g为球球间隙,C1为充电电容,C2为负载电容,Rf为波头电阻,Rt为波尾电阻,C0为耦合电容,Cs为电缆试品电容。实验室选用C1=0.1 μF,C2=0.125 μF,实测电缆试品电容量Cs=1 nF,C0=0.04 μF,根据文献[15],文中选择工频电压为U0(8.7 kV),操作冲击电压为负极性,电压峰值为40 kV。

根据图3的原理在实验搭建如图4所示的冲击电压老化实验平台。

图4 冲击电压老化实验平台

1.3 局放测试平台

为了实时测试电缆附件老化过程中产生的局放信号,搭建了如图5所示的局放检测平台。

图5 工频局放检测平台

由图5可知,局放检测平台由局放传感器、示波器、搭载局放检测软件的计算机组成。高频电流传感器(high frequency current transformer,HFCT)检测刀痕缺陷电缆样本地线上的局放信号,并经同轴电缆与示波器相连,示波器经USB串口通信线与计算机相连。其中,示波器采用型号为Rigol DS6104,最高采样率为5 Gs/s。为了实现局放数据的快速存储,搭建了一套基于Labview的PD采集系统。该采集系统在示波器原始数据基础上采用“毛刺捕获”实现降频采样,存储深度为1 400个点[16]。通过改变示波器采样率,实现多组单周期内的PD信号及多组单个PD波形信号的采集。

1.4 老化及局放测试过程

经前期实验验证,当电压加至4U0(34.8 kV)时,缺陷相短时内发生了击穿故障性。因此,为了加速老化,缩短老化周期,文中实验采用3U0(26.1 kV)电压老化电缆附件,具体的实验流程如图6所示。文中以24 h为一个老化周期。

主要实验步骤为：

1)以图2的方式连接实验电缆,通过控制调压器让电流互感器对电缆回路施加300 A的电流;

图6 电缆附件老化流程

2)为了模拟电缆实际运行工况,将工频叠加冲击回来接入电缆缆心并施加400次的冲击电压;

3)撤去冲击电压,电缆在工频3U0电压,回路电流300 A条件下运行8 h;

4)为了避免其他两相电缆产生局放对缺陷相局放检测的影响干扰,将电缆解环,单独对刀痕缺陷电缆样本进行局放检测,同时将PD测试时间控制在1 h以内。

2 局放信号处理

2.1 PD信号去噪

实验室采集局放信号时易受到白噪声的干扰,为了有效地提取局放脉冲和准确分析复合条件下局放演变过程,需抑制局放信号中的白噪声。小波变换(wavelet transform,WT)去噪法虽能广泛应用在局放噪声抑制领域但去噪过程难以选取合适的小波基函数且分解尺度及阈值不唯一[17-19]。经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)虽能抑制局放信号中的白噪声,但该方法存在模态混叠和阈值选取不唯一的问题[20]。短时奇异值分解(short time singular value decomposition,STSVD)能实现较好的白噪声抑制效果,但耗时较长[21-22]。为了在较短的时间里得到较好的局放白噪声抑制效果,文中采用波动法抑制局放信号中的白噪声。局放信号和白噪声混叠使产生信号幅值变化,波动法利用该特点将原始信号中的相对高频成分和相对低频成分解耦,实现局放信号中白噪声的抑制。其具体去噪步骤为：1)提取原始信号中的相对高频成分;2)提取原始信号中的低频成分;3)修正相对高频成分;4)实现白噪声抑制。具体算法见参考文献[23],文中不再累赘。采用1.2节的局放采集平台获得图7所示的局放信号,其中采样频率为2 GHz。并利用上述去噪法对图7所示的局放信号进行去噪,其去噪结果如图8所示。

图7 实测电缆附件局放信号

图8 实测PD信号去噪效果

2.2 PD信号提取

为了构建局放信号的PRPD谱图,需对去噪后的信号进行脉冲提取。文中采用自适应阈值滑动窗进行脉冲提取。该方法先用OSWT算法[24]自适应选取阈值,再采用滑动阈值窗扫描去噪后的信号,当窗内出现大于该阈值的数据时,记下该点为脉冲起始点,继续移动滑动窗,直至窗内数据小于该阈值,且记下该点为脉冲结束点,提取两点间的数据即为一个局放脉冲,重复该过程提取局放信号中的所有局放脉冲,最后利用提取的脉冲波形构建PRPD谱图。对如图9(a)所示的去噪PD信号进行脉冲提取结果如图9(b)所示。

图9 实测PD信号的PD脉冲提取效果

3 实验结果与分析

文中利用多应力老化平台对带有刀痕缺陷的电缆附件进行老化,并实时检测不同老化阶段下的PD变化情况。刀痕缺陷电缆样本经过13个老化周期后,在第14个老化周期期间击穿。局放检测时,记录单次局放测试时的PDIV和500组工频周期内的放电数据,统计该时间段内每个工频周期的平均放电次数及放电总量,构成PRPD谱图。

为了研究多应力下,电缆附件老化过程中局放引发的特征。因此,记录下了如图10所示的整个老化过程中PD的PDIV。

图10 PDIV变化趋势

由图10可知,附件在整个寿命周期内,PDIV呈波动变化,其中0时刻为附件老化前的测试结果。

为了清晰地表示一个周期里正负半周的放电次数和放电幅值,定义等效放电量Q,如：

Q=(α+·Count++α-·Count-)/N

(1)

式中N为工频周期数;α+为正半周放电量;Count+为正半周放电次数;α-为负半周放电量;Count-为负半周放电次数;Q为一段时间内平均每个工频周期放电量,表明电缆附件绝缘破坏程度,即Q越大,电缆附件老化越严重。通过式(1)计算可得到如图11所示的刀痕缺陷电缆附件在整个老化过程中等效电量Q的演变规律。

图11 等效放电量Q演变规律

由图11可知,刀痕缺陷电缆附件在老化过程中PD放电量经历三个“起伏”且放电幅值存在多段式“增-减”的变化趋势。缺陷电缆附件在老化96 h、192 h和288 h时,PD等效放电量存在极大值,这表明电缆附件在这三个老化时间点,绝缘破坏加重,劣化更严重。

为了更清楚和直观地反应整个老化过程中局放的演变规律,构造了PD变化时刻的PRPD谱图,如图12所示。

由图12可知,电缆附件老化96 h时,局放的 PRPD谱图模式为“兔耳+龟背”。电缆附件老化168 h时,PRPD谱图中的“兔耳”斜率降低。在随后的老化周期里,PD放电幅值减小,放电相位变窄,放电甚至出现不对称的情况。

图12 不同老化时段下PRPD谱图

4 结束语

文中研究了带有刀痕缺陷的电缆样本在冷热负荷-工频电压-冲击电压的多应力件下老化过程中局放的演变过程,实验结果表明：

1)多应力老化条件下,缺陷电缆附件的PDIV呈波动性变化,并无明显特征,故实际工况下不宜单用PDIV评估电缆附件缺陷严重度;

2)由老化过程中PD的等效电量变化趋势可知,缺陷电缆附件经历了三个“起伏”击穿;

3)由四个阶段的PRPD谱图可知,在整个老化过程中,放电幅值存在多段式“增-减”变化趋势,放电量也先增后减再增再减,且随着放电量减少,放电相位变窄,放电甚至出现不对称情况。