摘 要：為提高高壓XLPE電纜的局放檢測(cè)準(zhǔn)確性，對(duì)局放進(jìn)行精確定位，本文介紹了振蕩波技術(shù)進(jìn)行XLPE電纜局放檢測(cè)的原理，分析了該技術(shù)基于TDR時(shí)域反射的局放判斷方法，論述了振蕩波電壓下與工頻運(yùn)行電壓下XLPE電纜局放的良好等效性。重點(diǎn)介紹了北京市電力公司最新引進(jìn)的適用于高壓XLPE電纜的OWTS設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及使用，通過(guò)對(duì)北京市高壓電纜現(xiàn)場(chǎng)振蕩波局放測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了振蕩波技術(shù)能夠有效的發(fā)現(xiàn)并定位對(duì)110kV、220kVXLPE電纜的不同類(lèi)型缺陷局放，并指出振蕩波技術(shù)針對(duì)近端電纜終端局放判斷受環(huán)境干擾影響過(guò)大的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；局部放電；振蕩波；110kV；220kV；時(shí)域反射法

交聯(lián)聚乙烯（XLPE，以下簡(jiǎn)稱(chēng)交聯(lián)）電纜由于具有制造工藝簡(jiǎn)單，安裝敷設(shè)容易，電氣性能優(yōu)良，傳輸容量大，運(yùn)行維護(hù)方便，無(wú)漏油隱患等諸多優(yōu)點(diǎn)已成為電纜發(fā)展和工程應(yīng)用的主流[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)電纜運(yùn)行部門(mén)已經(jīng)對(duì)高壓、超高壓交聯(lián)電纜交接試驗(yàn)和投運(yùn)后的診斷性試驗(yàn)（包括預(yù)防性試驗(yàn)和在線監(jiān)測(cè)）高度重視，采取了多種檢測(cè)手段和方法力圖確保電纜的運(yùn)行可靠性[2]。

從2008年1月開(kāi)始，北京市電力公司開(kāi)始廣泛采用振蕩波法電纜局部放電定位（Oscillating Wave Test System，以下簡(jiǎn)稱(chēng) OWTS）測(cè)試技術(shù)對(duì)10kV電纜進(jìn)行局部放電測(cè)試，幾年中發(fā)現(xiàn)并處理了大量故障和缺陷。2011年11月，北京市電力公司引進(jìn)了

用于110kV及220kV電纜的振蕩波局放定位系統(tǒng)（OWTS HV250），并對(duì)部分電纜的進(jìn)行了試驗(yàn)，積累了一定的現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)。

1 常用高壓電纜局放檢測(cè)技術(shù)

超聲波法，可探測(cè)、存儲(chǔ)和分析超聲波信息，主要用于電力設(shè)備局部放電引起的超聲波信號(hào)檢測(cè)。

高頻法，利用高頻CT對(duì)放電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生具有不同隨機(jī)特征的脈沖信號(hào)進(jìn)行高速寬帶采樣獲取信號(hào)完整的時(shí)域波形，針對(duì)不同放電及噪聲間的差異提取多種信號(hào)特征，從而將不同的放電分離開(kāi)來(lái)。

超高頻法，通過(guò)超高頻傳感器，獲得局部放電超高頻電磁波信號(hào)，將檢測(cè)到的局部放電信號(hào)進(jìn)行演算及處理，根據(jù)三維及二維圖形及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和診斷，判斷局部放電的類(lèi)型，確定設(shè)備狀態(tài)。

上述三種常用的高壓電纜局放測(cè)試技術(shù)[3]對(duì)電纜局部放電在不同頻段上信號(hào)進(jìn)行采集的在線測(cè)試方法，需要電纜運(yùn)行后才能夠進(jìn)行測(cè)試，不能在發(fā)電前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。而發(fā)電前的諧振耐壓試驗(yàn)并不能對(duì)電纜的局部放電進(jìn)行檢查，導(dǎo)致部分電纜在通過(guò)耐壓試驗(yàn)后幾個(gè)月內(nèi)發(fā)生絕緣擊穿。振蕩波檢測(cè)技術(shù)能夠排除在線檢測(cè)時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)的大量干擾信號(hào)，可根據(jù) IEC 和 GB 標(biāo)準(zhǔn)獲取精確量化的局放測(cè)試結(jié)果，在多個(gè)試驗(yàn)電壓等級(jí)下進(jìn)行局放測(cè)試[4]。正是由于這些原因，OWTS試驗(yàn)以其離線局放測(cè)試、局放定位的特點(diǎn)，已經(jīng)在北京地區(qū)作為電力電纜投運(yùn)前的例行試驗(yàn)之一得到了廣泛應(yīng)用。

2振蕩波局放測(cè)試技術(shù)

2.1振蕩波電壓的產(chǎn)生

振蕩波系統(tǒng)的高壓發(fā)生和測(cè)試原理電路如圖1所示，直流電源首先對(duì)電容充電，之后閉合高壓開(kāi)關(guān)，通過(guò)設(shè)備電感與被測(cè)電纜電容發(fā)生諧振，在被測(cè)電纜端產(chǎn)生振蕩電壓。

2.2 振蕩波電壓與工頻電壓下電纜局部放電的等效性分析

工頻電源與振蕩波電源之間的等效性是運(yùn)用振蕩波電源做局部放電試驗(yàn)可行性的關(guān)鍵依據(jù)。文獻(xiàn)[5]中提到了振蕩波電壓和工頻交流電壓下試品局放特性的比較。表1是相同試品、相同缺陷條件下，工頻交流電壓與振蕩波下局部放電起始電壓及局部放電量的比較?？梢?jiàn)除了應(yīng)力錐安裝錯(cuò)誤缺陷外，對(duì)其余兩種缺陷，振蕩波電壓下的局部放電起始電壓均大于交流電壓下。

同一試品（3235 m，50 kV三相電纜）在不同電壓等級(jí)下的放電量Q，見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，在不同電壓等級(jí)下，試品的不同相在振蕩波與交流電壓下相比，都具有良好的等效性。

振蕩波的頻率對(duì)局放起始電壓和放電量Q 的之間的關(guān)系[5]見(jiàn)圖2。從圖中可見(jiàn)，振蕩波電壓的頻率并不影響其局放起始電壓，但振蕩波的頻率越小放電量越大，越容易檢測(cè)到局部放電。

2.3 時(shí)域反射法進(jìn)行局放定位

OWTS系統(tǒng)對(duì)振蕩波電壓下采集到的放電脈沖采用時(shí)域反射法（TDR）進(jìn)行局部放電定位，原理示意如圖3所示。測(cè)試一條長(zhǎng)度為 的電纜，假設(shè)在距測(cè)試端 處發(fā)生局部放電，脈沖沿電纜向兩個(gè)相反方向傳播，其中一個(gè)脈沖（入射波）經(jīng)過(guò)時(shí)間t1到達(dá)測(cè)試端；另一個(gè)脈沖（反射波）向測(cè)試對(duì)端傳播，并在對(duì)端發(fā)生反射，之后再向測(cè)試端傳播，經(jīng)過(guò)時(shí)間t2到達(dá)測(cè)試端。根據(jù)兩個(gè)脈沖到達(dá)測(cè)試端的時(shí)間差 ，可計(jì)算局部放電發(fā)生位置[6]，即：

2.4脈沖信號(hào)在電纜中的發(fā)散

電纜的電容特性會(huì)影響脈沖的波形，考慮發(fā)散的影響，反射脈沖不可能比原始脈沖含有更多高頻部分，或比原始脈沖更窄。如果兩個(gè)脈沖非?？拷ㄈ毕菰谶h(yuǎn)端），電纜發(fā)散也可能會(huì)使反射脈沖和原始脈沖重疊。

2.5 脈沖信號(hào)在電纜中的衰減

由于行波在電纜中傳播的衰減和畸變現(xiàn)象，在被測(cè)物終端記錄的視在放電量的幅值會(huì)和局放發(fā)生點(diǎn)的幅值不同。局放脈沖沿著電纜傳播時(shí)，能量消耗，脈沖會(huì)發(fā)生衰減。而衰減的強(qiáng)度取決于脈沖傳播的距離和電纜的參數(shù)。一般，局放脈沖在紙絕緣電纜比XLPE電纜的衰減大。所有局放和反射脈沖都受到電纜衰減的影響。因此可以推斷，反射脈沖的強(qiáng)度（pC）要比原始脈沖（觸發(fā)脈沖）的強(qiáng)度小（重疊的情況例外）。

2.6 脈沖信號(hào)形狀的相似性

脈沖應(yīng)具有相似性，反射脈沖應(yīng)該和原始脈沖的形狀相似。由于衰減，反射脈沖可能形狀有變化（高頻成分更少）。與其他脈沖的重疊同樣很大程度上影響了反射脈沖的形狀。圖4所示脈沖符合反射波形具備發(fā)散性、衰減性和相似性三個(gè)判斷原則。

3 高壓OWTS HV250測(cè)試系統(tǒng)組成及測(cè)試方案

3.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

振蕩波局放定位系統(tǒng)（OWTS HV250）最高可以產(chǎn)生250 kV （峰值）/ 176.7 kV （有效值）的振蕩波試驗(yàn)電壓，可測(cè)電容范圍0.035uF-8uF，測(cè)試范圍1pC-100nC，定位帶寬150kHz-20MHz。測(cè)試系統(tǒng)如圖5，主要由7個(gè)模塊組成：

其中A為新型高壓光觸開(kāi)關(guān)（LTT），B為高壓電感單元，C為高壓電源單元（HVPS），D為帶耦合電容的數(shù)字信號(hào)處理卡（局放探測(cè)器），E為帶遠(yuǎn)程控制功能的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（控制單元、局放分析儀等），F(xiàn)為高壓分壓器，G為筆記本電腦----操作控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.2 測(cè)試方案

（1）電纜終端的要求：

GIS終端需要提供無(wú)局放的延長(zhǎng)電纜連接進(jìn)行連接，較高的終端塔則可能需要搭建腳手架工作平臺(tái)。遠(yuǎn)端電纜終端為GIS終端的，可將電纜從GIS中退出，并接入SF6密封倉(cāng)。

（2）電纜兩端的處理

斷開(kāi)電纜與電網(wǎng)的連接，包括終端頭上的連接板、弓子以及周?chē)渌郊鏟T、避雷器等，露出電纜終端頭的銅棒，便于安裝OWTS高壓連接套件，保持屏蔽接地，打磨及清潔銅棒、接地處的金屬表面，用清洗劑清洗電纜終端表面。

（3）中間接頭的處理：

將交叉互聯(lián)箱和直接接地箱內(nèi)連板的連接方式恢復(fù)為正常相序，保證每相屏蔽線回路的直通，并將直接接地箱接地連板拆除。

（4）被測(cè)電纜周邊的處理：

試驗(yàn)開(kāi)始前，除被測(cè)相外，其他相和周?chē)饘袤w均要求接地，不得存在懸浮金屬體，工具及拆卸下來(lái)的零件放置于試驗(yàn)區(qū)域外。

（5）加壓方案

對(duì)于110kV和220kV交聯(lián)電纜，先進(jìn)行一次0kV加壓，然后在0.5Uo-1Uo之間ΔU為0.2Uo，1Uo以上ΔU為0.1Uo，每個(gè)電壓等級(jí)加壓3次，對(duì)施加最高電壓參考串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如發(fā)現(xiàn)局放可重復(fù)多次。由于設(shè)備最高施加電壓為峰值250kV，所以對(duì)于220kV交聯(lián)電纜，最高電壓可以加至約1.39Uo。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析

OWTS HV250系統(tǒng)至今已對(duì)十余路高壓交聯(lián)電纜線路進(jìn)行了局放測(cè)試。

4.1 設(shè)備有效性檢驗(yàn)

2012年1月，在北京電力科學(xué)院高壓試驗(yàn)大廳的110kV預(yù)埋缺陷電纜上，使用OWTS HV250設(shè)備進(jìn)行了有效性檢驗(yàn)。試驗(yàn)電纜長(zhǎng)度256m，安裝兩組中間接頭使電纜形成一個(gè)完整交叉互聯(lián)段。中間接頭距本次測(cè)試端距離分別為100m和176m。其中A相和B相分別含有一個(gè)缺陷，C相電纜不含缺陷。缺陷設(shè)置情況如下：

A相缺陷為氣隙缺陷，是在橡膠絕緣件（應(yīng)力錐）外表面切開(kāi)一個(gè)小口，然后用絕緣膠進(jìn)行封堵而成，示意圖如圖6所示。

B相缺陷為電纜外半導(dǎo)電層尖端缺陷。半導(dǎo)電尖端長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為35mm，在套入應(yīng)力錐后尖端缺陷可以伸出應(yīng)力錐內(nèi)半導(dǎo)電5mm，外半導(dǎo)電層斷口尖端缺陷示意圖和現(xiàn)場(chǎng)制備圖如7和圖8所示。

A、B兩相均在加壓過(guò)程均產(chǎn)生了局放脈沖信號(hào)，通過(guò)OWTS系統(tǒng)的TDR時(shí)域反射法進(jìn)行局放定位如圖所示，符合局放定位發(fā)散性、衰減性和相似性三個(gè)判斷原則。

對(duì)A相電纜中間接頭上又分別采用高頻傳感器（卡交叉互聯(lián)線）、鉗形線圈高頻傳感器（卡電纜本體）、內(nèi)置式傳感器、超高頻傳感器進(jìn)行局部放電檢測(cè)。圖12和圖13是示波器記錄下波形圖，分別為不同傳感器在電壓為62kV時(shí)耦合的單脈沖（時(shí)域20μs）和工頻單周期（20ms）脈沖信號(hào)。圖12和圖13中C1、C2、C3、C4分別為傳感器、鉗形本體線圈傳感器、內(nèi)置式傳感器、超高頻傳感器?？梢钥吹絺鞲衅鳌Q形本體線圈傳感器、內(nèi)置式傳感器均能很好的耦合到脈沖信號(hào)，而超高頻傳感器未耦合到脈沖信號(hào)。

（1）A相電纜在10m左右處存在較大局放信號(hào)（最大2000pc），考慮到OWTS設(shè)備高壓引線長(zhǎng)度為7m，所以近端局放信號(hào)疑似由高壓引線天線效應(yīng)、與電纜空氣終端導(dǎo)體連接部分接觸不實(shí)或空氣終端套管表面臟污引起。

（2）A、B兩相在180m左右處均存在100pc-200pc的局放信號(hào)，根據(jù)局放分布圖可以看到，A相與B相在該處局放點(diǎn)數(shù)量較多，位置集中。

（3）試驗(yàn)電纜的缺陷設(shè)置在A相與B相的第二組中間接頭內(nèi)，與測(cè)試端距離為176m， OWTS HV250系統(tǒng)所定位的A相、B相局放點(diǎn)位置與其第二組中間接頭位置相符，證明OWTS HV250能夠?qū)Ω邏篨LPE電纜的空穴和尖端等缺陷產(chǎn)生的局放進(jìn)行有效檢測(cè)。

（4）高頻傳感器（卡交叉互聯(lián)線）、鉗形線圈高頻傳感器（卡電纜本體）、內(nèi)置式傳感器和OWTS HV250幾種測(cè)試方法對(duì)電纜中間接頭預(yù)埋缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)，而DMS超高頻傳感器檢測(cè)效果較差。

4.2 220kV交聯(lián)電纜振蕩波測(cè)試

該路220kV交聯(lián)電纜線路長(zhǎng)度4.5kM，共11組中間接頭，電纜型號(hào)為ZR-YJLW02-127/220kV-1×2500mm2，振蕩波加壓在空氣終端側(cè)進(jìn)行，對(duì)端為GIS終端，如圖14。

測(cè)試地點(diǎn)位于220kV電纜終端站，周邊有其他運(yùn)行中的220kV電纜空氣終端，在0kV下進(jìn)行了一次測(cè)試，環(huán)境噪聲達(dá)到1500pC以上，環(huán)境電暈產(chǎn)生的較大干擾造成高壓引線天線效應(yīng)明顯，導(dǎo)致背景噪聲顯著增大。振蕩波試驗(yàn)對(duì)該路電纜每相進(jìn)行了單次0kV，三次0.5Uo， 三次0.7Uo， 三次0.9Uo， 三次1Uo， 三次1.1Uo， 三次1.2Uo， 三次1.3Uo， 三次1.36Uo加壓，測(cè)試等效電容C=1.02uF，振蕩頻率f=67Hz。

經(jīng)過(guò)TDR時(shí)域反射法進(jìn)行局放信號(hào)的分析，未發(fā)現(xiàn)超過(guò)背景噪聲的局放信號(hào)。

5 結(jié)論

（1）振蕩波激發(fā)局放起始電壓與工頻運(yùn)行電壓下具有較良好的等效性。

（2）使用脈沖反射法（TDR）進(jìn)行局放定位，通過(guò)分析一次反射脈沖和二次反射脈沖的發(fā)散性、衰減性和相似性能夠有效地排除噪音干擾，獲得準(zhǔn)確的電纜局放點(diǎn)位置。

（3）通過(guò)對(duì)預(yù)埋缺陷的電纜進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)局放檢測(cè)定位的有效性。并在振蕩波電壓下進(jìn)行220kV電壓等級(jí)電纜的局放定位，積累了寶貴的高壓電纜振蕩波測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)。

（4）OWTS HV250測(cè)試系統(tǒng)采集到的近端電纜終端放電信號(hào)受到套管臟污程度、高壓引線與導(dǎo)體連接和終端附近金屬結(jié)構(gòu)等影響，容易在振蕩波電壓下引入干擾放電信號(hào)。

（5）采用振蕩波局放測(cè)試的方法，能夠有效地對(duì)高壓電纜多種類(lèi)型缺陷產(chǎn)生的局部放電進(jìn)行檢測(cè)，在設(shè)備投運(yùn)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，減少帶電局放檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后帶來(lái)的設(shè)備停電。

參考文獻(xiàn)：

1） 吳 倩，劉毅剛.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化及診斷技術(shù)述評(píng)[J].廣東電力， 2003， 16（4）：1-6.

2） 夏榮，趙健康，歐陽(yáng)本紅，等. 阻尼振蕩波電壓下110 kV交聯(lián)電纜絕緣性能檢測(cè)[J].高電壓技術(shù).2010，36（7）：1753-1759.

3） 李譞，錢(qián)華，吳彤，等.運(yùn)用多種技術(shù)手段測(cè)試電纜局部放電的對(duì)比分析[J].北京電力技術(shù).2011，7（1）：16-20.

4） 羅智奕.110kV、220kV交聯(lián)電纜阻尼振蕩波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用[D]. 華南理工大學(xué)，2011.

5） 楊連殿，朱俊棟，孫 福，等.振蕩波電壓在XLPE電力電纜檢測(cè)中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2006， 32（3）：27-30.

6）張 皓，唐嘉婷，張立志，等.振蕩波測(cè)試系統(tǒng)在電纜局放測(cè)試定位中的典型案例分析[J].電力設(shè)備，2008，9 （12）：31-34.