周桂平，唐佳能，金 鑫，楊 鶴，畢海濤

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

分布式局部放電檢測技術(shù)在高壓電纜交接試驗中的應(yīng)用

周桂平，唐佳能，金 鑫，楊 鶴，畢海濤

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

充分研究了現(xiàn)有的局放檢測技術(shù)，分析了局部放電信號在電纜中的傳輸特性，以高頻電流法為檢測手段，采用無線或光纖作為傳輸媒介，提出分布式局部放電檢測技術(shù)。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，證明分布式局部放電檢測技術(shù)在高壓電纜交接試驗時可以有效地檢測出電纜中的微小絕緣缺陷。

交接試驗；局部放電；分布式系統(tǒng)；光纖連接

隨著城市的不斷發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模越來越大，各供電公司需要通過電網(wǎng)將電能輸送到城市的每個角落，因此，電纜作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備尤其66kV及以上高壓電力電纜的安全運行尤為重要［1］。當(dāng)高壓電力電纜發(fā)生故障時，不僅會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失，而且由于其發(fā)生故障導(dǎo)致大面積停電將產(chǎn)生不良的社會影響。

雖然在出廠前高壓電纜和相應(yīng)的附件已通過了相關(guān)的型式試驗，但經(jīng)過運輸及現(xiàn)場敷設(shè)和附件安裝后，電纜的電氣性能可能受到影響。因此，電纜在投運前需要進行交接試驗，否則一旦投運后電纜在運輸和敷設(shè)過程存在的隱患將直接威脅電網(wǎng)供電的可靠性，對整個電網(wǎng)的影響是可想而知的。電纜的交接試驗雖然是考驗電纜質(zhì)量最直接的方法，但在交接試驗時，電纜的一些局部放電缺陷未必能夠被發(fā)現(xiàn)，且在交接試驗時電纜的一些局部缺陷將進一步發(fā)展惡化，國內(nèi)新建工程的電纜投運后發(fā)生故障的案列并不少見。因此，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力電纜線路試驗規(guī)程》（Q／GDW 11316—2014）中對電纜線路交接試驗進行了明確規(guī)定：66kV及以上電纜線路主絕緣交流耐壓試驗時應(yīng)同時開展局部放電測量。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電纜線路發(fā)生故障的部位主要在其附件上。電纜終端頭與中間接頭往往是由于制作工藝不良、設(shè)計不良、材料選擇不當(dāng)而造成的缺陷［2］。電纜本體局部缺陷主要是因為制造、運輸過程及敷設(shè)等原因造成，電纜本體及其附件的缺陷對電纜的穩(wěn)定運行帶來極大的隱患，而且電纜大多埋設(shè)在地下，運行環(huán)境惡劣，維護、故障探查比較困難，因此，新建高壓電纜進行交接試驗時，同步局部放電檢測尤為重要。

1 電力電纜中局部放電信號傳輸特性

1.1 電力電纜的電路模型

當(dāng)高壓電力電纜在進行交接試驗時，內(nèi)部存在絕緣缺陷，其絕緣電阻將下降，而絕緣介質(zhì)損耗和泄露電流將增加，同時還可能產(chǎn)生局部放電［3－4］。針對電氣性能完好的電力電纜，采用分布參數(shù)并聯(lián)型等效電路進行分析，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜分布參數(shù)并聯(lián)等效電路

電氣性能完好的電力電纜電感值較小，而絕緣電阻值非常大，數(shù)量級可達1010，因此，絕緣電阻的變化可作為診斷的特征量。當(dāng)電力電纜沒有絕緣缺陷時，電纜本體、中間接頭及其附件的波阻抗是匹配的，不會產(chǎn)生信號的反射［5］。當(dāng)電纜存在絕緣缺陷時，絕緣電阻會明顯減小，使原本參數(shù)分布均勻的電纜不再滿足阻抗匹配，流經(jīng)電纜的電磁信號將產(chǎn)生反射，這是進行電纜診斷和故障點定位的理論依據(jù)［6］。

1.2 電纜局部放電信號傳輸規(guī)律

根據(jù)電纜分布參數(shù)并聯(lián)等效電路計算波阻抗為

式中R——單位長度電力電纜分布電阻；

L——單位長度電力電纜分布電感；

C——單位長度電力電纜分布電容；

G——單位長度電力電纜分布絕緣等效電導(dǎo)（絕緣電阻的倒數(shù)）。

引入電纜傳播系數(shù)，可進一步研究局部放電信號在電纜中傳輸?shù)淖兓?guī)律，其表達式為

由式（2）可知，傳播系數(shù)是一個復(fù)數(shù)，將其轉(zhuǎn)為以下的形式：

因此，局放信號在經(jīng)過長度為L的電力電纜傳輸后，在電纜兩端阻抗匹配的前提下，局部放電信號的輸出與輸入存在如下關(guān)系：

式中L——電力電纜長度；

U0——局部放電信號輸入；

Ui——局部放電信號輸出。

由式（4）可知，傳播系數(shù)決定了局部放電信號在電力電纜中傳輸后幅值上的衰減和相位上的變化情況，而傳播系數(shù)是由電纜的參數(shù)及信號的頻率決定，因此，局部放電信號在電纜中傳輸具有以下特點：

a.局部放電信號在電纜線路傳輸?shù)木嚯x越長，其幅值衰減越厲害；

b.幅值相等而頻率不同的局放信號，在電力電纜傳輸相同的距離后，頻率越高的局放信號，幅值衰減速度越快；

c.含有不同頻率成分脈沖型信號，各頻率分量的衰減和相移是不同的，通過線路傳輸時，將發(fā)生畸變和失真，稱之為信號的色散現(xiàn)象。

因此，電纜進行現(xiàn)場交接試驗對電纜局部放電檢測時，采用分布式局部放電檢測系統(tǒng)是必要的，否則高頻的局部放電信號經(jīng)過較長的電纜傳輸后，將衰減到基本為零，很難檢測到。

2 分布式局部放電檢測系統(tǒng)

2.1 分布式局放檢測方法

高頻TA法不需要在高壓端通過耦合電容器取得局部放電信號［7］，因此適用于電纜敷設(shè)后的交接驗收試驗和運行中的在線監(jiān)測［8］。高頻TA法是通過電磁耦合來測量局部放電電流，由于在高壓電纜和測量回路間沒有直接的電氣連接，從而能很好地抑制噪聲，高頻TA法檢測電纜局放信號方法如圖2所示。

圖2 高頻TA法檢測電纜局放信號示意圖

在現(xiàn)場電纜線路局部放電測量中，電纜無法像在實驗室里可用屏蔽室等手段來抑制外部開擾，而且與電纜相連的各電力設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號都將通過電纜傳播，無法像實驗室設(shè)備保證設(shè)備本身無干擾和無局放，因此，要求現(xiàn)場測量的設(shè)備具有獨特的抗干擾手段。選頻技術(shù)是現(xiàn)場局放測量重要的抗干擾方法，通過調(diào)節(jié)測量頻率，避開干擾信號較大的頻段，獲得較高的信噪比。IEC60270標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量頻率為800 kHz以下，對信號傳播衰減較小，但電纜外部各種干擾信號也能輕易地傳入電纜。該頻率正是電纜線路中干擾信號最強烈的頻段，因此現(xiàn)場測量時，必須在較高的頻率下進行，以避開低頻干擾，但又不能太高，檢測頻率的選擇應(yīng)與電纜中局放信號頻率及確保電纜線路中檢測點位置之間的距離相匹配。

2.2 分布式局部放電檢測

分布式局放檢測系統(tǒng)關(guān)注于電纜及電纜附件。系統(tǒng)利用位于電纜接地線和交叉互聯(lián)線上的感性傳感器提取局部放電信號［9］，將各檢測單元布置到各被測接頭的旁側(cè)，通過光纜手拉手的連接方式或無線組網(wǎng)將整個系統(tǒng)串聯(lián)到一起，實現(xiàn)整個電纜線路的分布式局放檢測，在終端通過測量軟件實時檢測整條線路各接頭的局放情況，分布式局放檢測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 分布式局放檢測示意圖

局放數(shù)據(jù)通過光纜或3G無線通信傳輸?shù)娇刂浦鳈C，測試人員根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整每個接頭的識別干擾能力，并通過調(diào)整設(shè)置，排除干擾，系統(tǒng)進入自動監(jiān)測狀態(tài)。如果出現(xiàn)局部放電量報警，技術(shù)人員要對局放信息進行識別，判斷信號的可靠性和引起局放缺陷的類型。系統(tǒng)能檢索和顯示數(shù)據(jù)，使操作員能尋找到放電特性的變化，而放電特性的變化預(yù)示局放缺陷嚴重性的程度。系統(tǒng)將獨立、連續(xù)地監(jiān)測每個連接傳感器的信號。

3 分布式局放檢測技術(shù)的應(yīng)用

遼寧省首條長距離敷設(shè)的220kV電力電纜全長11 km，進行現(xiàn)場交接試驗的同步分布式局部放電檢測，采用無線和光纖混連方法，在該線路使用13個局部放電檢測單元、7個無線遠端單元、1個無線近端單元。該線路ABC三相1.7U0耐壓試驗1 h均成功通過，均未發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象，電纜AC相局部放電檢測點電纜本體及附件均未檢測到局部放電，B相在進行交流耐壓試驗時未發(fā)生絕緣擊穿，且耐壓試驗通過，但在B相終端測點發(fā)現(xiàn)局放信號，檢測結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 B相終端在不同頻帶下的局放檢測結(jié)果

圖5 B相終端局放起始電壓

由圖4、圖5可以看出，在試驗電壓達到216kV時，在B相終端存在局部放電，放電量約為450 pC，信號的幅值相對比較高，發(fā)現(xiàn)局放信號的起始電壓為190kV，高于運行電壓，在216kV時放電量與耐壓1 h結(jié)束前的放電量基本一致。由于沈五線B相終端存在局放信號，因此，對沈五線B相終端進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧套屏蔽罩上發(fā)現(xiàn)明顯的劃傷痕跡和撞傷痕跡，如圖6所示。

圖6 環(huán)氧套屏蔽罩上的劃痕與撞傷

4 結(jié)束語

本文提出的分布式局部放電檢測技術(shù)，以選頻式高頻電流法為檢測手段，采用獨特的光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，可準(zhǔn)確地進行局部放電監(jiān)測耐壓試驗，發(fā)現(xiàn)絕緣電力電纜及其附件中存在的局部放電缺陷，避免將存在微小缺陷的電纜線路接入電網(wǎng)，及時排除電網(wǎng)隱患，有效減少電纜線路運行故障。結(jié)合遼寧電網(wǎng)新建電纜工程，在交流耐壓試驗過程中，運用分布式局放測試技術(shù)全面監(jiān)測電纜的絕緣狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)高壓電纜內(nèi)部的局放信號，在對電纜解體過程中驗證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，使該方法得到了實踐檢驗。

［1］石 峰.交聯(lián)聚乙烯電纜耐壓試驗方法［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（1）：47－49.

［2］廖華年.提高電力電纜工程質(zhì)量的措施［J］.東北電力技術(shù)，2004，25（10）：16－19.

［3］段乃欣，趙中原，邱毓昌，等.XLPE電纜中局部放電脈沖傳播特性的實驗研究［J］.高壓電器，2002，38（4）：61－63.

［4］馮 進.高壓電纜局部放電檢測技術(shù)的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010.

［5］凌偉平，徐蘊鋒.電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（3）：41－43.

［6］姜 蕓，周韞捷.分布式局部放電在線監(jiān)測技術(shù)在上海500kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2015，41（4）：1 249－1 256.

［7］孫 波，黃成軍.電力電纜局部放電檢測技術(shù)的探討［J］.電線電纜，2009，52（3）：38－41.

［8］王一波.基于現(xiàn)場交接試驗的高壓電纜交流耐壓及局放技術(shù)應(yīng)用研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014.

［9］張一鳴，錢 勇，李嫣然，等.分布式XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制［J］.電氣自動化，2015，37（6）：75－77.

Application on Transfer Test of Distributed Partial Discharge Detection Technology in High Voltage Cable

ZHOU Gui?ping，TANG Jia?neng，JIN Xin，YANG He，BI Hai?tao
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper fully studies the existing PD detection technology and analyzes transmission characteristics of partial discharge signals in the cable.Distributed partial discharge detection technology are proposed by using the high frequency current as the detection method and using wireless or optical fiber as the transmission medium.Through practical application of the field，the test results show that distributed partial discharge detection technology can effectively detect the tiny insulation defects in the cable.

Commissioning test；Partial discharge；Distributed system；Fiber optic connectors

TM855

A

1004－7913（2016）07－0014－03

周桂平（1981—），男，博士，工程師，從事高電壓技術(shù)研究。

2016－04－02）