茍 欣,宋 偉,許 勇,吳照國,李文靜

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院, 重慶 400042;2.國網(wǎng)重慶市電力公司超高壓分公司, 重慶 400039;3.國網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司, 重慶 400015;4.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院, 重慶 400030;5.重慶市字水中學(xué), 重慶 400023)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)電力電纜因可靠性在城市電力輸配電系統(tǒng)中占有重要地位,并得到了廣泛應(yīng)用[1-5],然而,由于電力電纜制造安裝維修造成的缺陷,以及工作時電離輻射、高濕度、高溫度等多種復(fù)雜的工作環(huán)境,XLPE電纜容易產(chǎn)生絕緣劣化[6-8]。電纜的絕緣劣化往往會產(chǎn)生局部放電(partial discharge,PD),簡稱局放。而長期局放會增加電纜線路的故障率,降低電纜的使用壽命[9-10]。通過合適的方法對局部放電進(jìn)行監(jiān)測和定位,對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。目前,局放在線監(jiān)測已成為評估電纜系統(tǒng)絕緣狀況的常用手段,應(yīng)用于生產(chǎn)實際時能有效發(fā)現(xiàn)電纜缺陷[11-13],為電網(wǎng)的運維和檢修提供可靠依據(jù)。

另外,為降低長電纜線路上的感應(yīng)電壓,常常采用交叉互聯(lián)接地方式。國內(nèi)外學(xué)者對電力電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中局放信號進(jìn)行了大量仿真及試驗研究,研究以高頻局放為主[14-18]。姚翔等[14]在真實的XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究,分析在不同頻帶下局放檢測信號的傳播特性,得出了局放脈沖在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中的傳播規(guī)律和特點。張磊祺等[15]通過實驗研究了電纜導(dǎo)體層與屏蔽層間的耦合效應(yīng),研究得出了在交叉互聯(lián)高壓系統(tǒng)中的局放定位規(guī)則。Babaee等[16]利用ATP仿真軟件對幾種不同的交叉互聯(lián)方式、不同局放源、不同源位置和噪聲環(huán)境進(jìn)行仿真研究,提出利用信號能量幅值分布進(jìn)行局放相位選擇和定位的方法。陳孝信等[17]從電纜的分布參數(shù)矩陣出發(fā),搭建了仿真模型和實驗?zāi)Ｐ?研究了交叉互聯(lián)系統(tǒng)中交叉互聯(lián)線長度對局放信號的影響。劉孟佳等[18]通過寬頻帶傳感器現(xiàn)場檢測交叉互聯(lián)系統(tǒng)局放信號,基于三相幅值相位分析法對檢測結(jié)果進(jìn)行識別分析。

針對生產(chǎn)現(xiàn)場高壓XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中基于高頻電流法的局放帶電檢測,如何選取合適的檢測位置,并根據(jù)信號幅值和信號特征的分析進(jìn)行局放位置的判斷,尚缺乏相關(guān)研究。

綜上,為分析檢測位置對交叉互聯(lián)電纜線路中高頻局放檢測結(jié)果的影響,設(shè)計并搭建了真實的XLPE電纜線路局放檢測試驗平臺,研究不同檢測位置下的局放幅值變化規(guī)律,并結(jié)合研究結(jié)果對現(xiàn)場局放檢測工作給出建議。

1 試驗平臺搭建和方法

1.1 試驗平臺搭建

為模擬實際電纜線路的局放傳播特征,搭建110 kV電壓等級的電纜高頻局放試驗平臺,線路總長為120 m,包括1個完整的交叉互聯(lián)段,每小段等長分布,均為40 m;采用的電纜型號為YJLW02-64/110 kV-1×500 mm2。該平臺包括6個中間接頭、6個戶外電纜終端頭、2個交叉互聯(lián)接地箱和2個直接接地箱,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實物分別見圖1和圖2。局放檢測設(shè)備采用意大利Techimp公司的3通道局部放電測試儀PDCheck MKⅢ,其采樣頻率為100 MS/s,帶寬為0.016～30 MHz。

圖2 檢測試驗平臺實物

1.2 試驗方法

開展帶交叉互聯(lián)系統(tǒng)電纜線路的高頻局放帶電檢測時,通常只需要在電纜本體、中間接頭、交叉互聯(lián)箱和電纜終端等幾個位置安裝高頻電流傳感器(high frequency current transformer,HFCT),不會對電纜線路的實際運行產(chǎn)生任何電氣影響,是一種針對XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)局放帶電檢測的安全有效的帶電檢測方式[19]。對于在運電纜線路,局放信號在交叉互聯(lián)電纜線路中的傳播路徑極為復(fù)雜,不同檢測位置對信號的影響較大;局放信號在電纜中傳播時還存在衰減現(xiàn)象[20],電纜中間接頭和同軸電纜會對信號傳播產(chǎn)生耦合效應(yīng),這些都會進(jìn)一步增加局放信號檢測的難度[21-23]。

結(jié)合現(xiàn)場實際,高壓電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)中高頻局放帶電檢測時,一般有4處位置可以安裝HFCT,分別是交叉互聯(lián)箱的接地線、中間接頭接地引出線、交叉互聯(lián)箱的同軸電纜、交叉互聯(lián)箱內(nèi)部的換位排。但交叉互聯(lián)箱內(nèi)部的換位排因高壓電纜的感應(yīng)電流,實際檢測過程中對操作安全要求較高,通常為帶電作業(yè),本文中采用電容臂的方式對交叉互聯(lián)箱換位排進(jìn)行分相短接,根據(jù)電容隔直通交的特性,HFCT既可以獲取有效的高頻信號,同時不影響原交叉互聯(lián)電纜線路的正常運行。各測點位置:1號檢測點HFCT1位于中間接頭接地引出線上,2號檢測點HFCT2位于交叉互聯(lián)箱同軸電纜上,3號檢測點HFCT3位于交叉互聯(lián)箱換位排上并采用電容臂的方式對換位排進(jìn)行對接,4號檢測點HFCT4位于交叉互聯(lián)箱接地線上。三相電纜各檢測點HFCT1至4號的具體位置和HFCT的安裝位置見圖3,所有HFCT夾鉗的安裝方向一致,統(tǒng)一指向大地方向。試驗時,采用模擬局放源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器作為信號的注入,信號源均布置在戶外終端上,注入在終端出線桿和接地極之間,如圖4所示。

圖3 交叉互聯(lián)系統(tǒng)高頻局放檢測點安裝位置示意圖

圖4 信號發(fā)生器安裝實物

2 試驗分析

為分析單信號源下各檢測位置的局放檢測結(jié)果,進(jìn)行試驗1的單信號源試驗。在B相戶外電纜終端頭OB2上單獨注入1 000 pC的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。試驗用標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的脈沖頻率為300 Hz,具備±50～1 000 pC范圍內(nèi)輸出幅值可調(diào)的能力。通過PDCheck獲取輸出信號的相位譜圖(phase resolved partial discharge,PRPD)和脈沖波形圖,如圖5所示。PRPD圖呈直線狀,信號幅值為1 V,脈沖波形呈標(biāo)準(zhǔn)的振蕩衰減特征。

圖5 輸出信號PRPD圖和脈沖波形圖

為驗證各檢測位置在干擾狀態(tài)下的局放檢測結(jié)果,模擬生產(chǎn)現(xiàn)場中的實際情況,進(jìn)行試驗2的雙信號源試驗,在A相在戶外電纜終端頭OA2上注入模擬局放源來模擬實際現(xiàn)場局部放電,注入1 000 pC的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號模擬現(xiàn)場干擾源。采用的模擬局放源是一種信號發(fā)生器,通過控制針-板電極放電來模擬真實的局放信號,其產(chǎn)生的放電類型為尖端放電。

2.1 單信號源試驗

試驗1采用同一個HFCT分別測量電纜ABC三相4個測點的放電信號,同步信號通過同步線圈從試驗現(xiàn)場220 V市電進(jìn)行獲取。以3號檢測點為例進(jìn)行分析,3號檢測點各相的相位譜圖和分類特征譜圖(classification feature pattern,CFP)見圖6?？梢钥闯?所有檢測點均有2簇分離明顯的信號,其中1簇為注入信號源(紅簇團),1簇為背景信號。從PRPD圖可以看出,A相和C相的信號最大幅值均在100 mV左右,主要分布在負(fù)半周;B相的信號分布在正半周,最大幅值約為 200 mV,且大于A相和C相,信號源疑似來源于B相。

為了更好地區(qū)分背景信號與脈沖信號,進(jìn)一步判斷信號的來源,通過PDprocesing軟件分離功能對信號進(jìn)行分離,得到紅簇信號的PRPD圖和波形圖,如圖7所示。B相紅簇信號波形圖呈放電衰減特征,脈沖信號幅值為223 mV,為三相中最大,極性為正,與A、C相(負(fù)極性)相反,可以確定脈沖信號來源于B相電纜,與信號施加位置一致。

圖7 紅簇信號的PRPD圖和波形圖

通過上述方法,對所有測點信號進(jìn)行分離,提取到各測點在標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號下的放電量幅值見圖8。分析試驗數(shù)據(jù)可知,HFCT1(中間接頭接地引出線)和HFCT3(交叉互聯(lián)箱換位排)處的放電量幅值均遠(yuǎn)高于HFCT2(同軸電纜)和HFCT4(交叉互聯(lián)箱接地線),最大值與最小值相差約10倍;HFCT1和HFCT3處B相各檢測點的放電量幅值均大于A、C相,根據(jù)放電信號在傳播過程中的衰減規(guī)律,進(jìn)一步確定局放源位于B相;HFCT2和HFCT4的各相檢測點放電量差異較小。由于檢測點的選取對局部放電檢測結(jié)果的影響較大,故可以作為考慮因素加入到實際操作的局放檢測中。

2.2 雙信號源試驗

對試驗2中A相的檢測點試驗結(jié)果進(jìn)行分析,A相各測點在模擬局放源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號共同作用下的PRPD圖見圖9。

從圖9可以看出,各測點的PRPD圖正負(fù)半周均存在放電信號,且放電幅值和形態(tài)不對稱,呈“眉眼”狀,放電幅值正負(fù)分明,具備100 Hz相位相關(guān)性,符合典型的金屬尖端放電類型。另一類信號呈現(xiàn)直線或虛短線狀,放電幅值穩(wěn)定,均勻分布在所有象限上,無明顯相位相關(guān)性,為標(biāo)準(zhǔn)脈沖干擾。

對4個測點的局放信號與干擾信號進(jìn)行分離,分別得到模擬局放源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號在各測點處檢測到的放電量幅值,見圖10。分析可知,在分離出的模擬局放源信號和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號放電量幅值中,HFCT1和HFCT3測得的三相電纜放電量幅值均大于HFCT2和HFCT4。

圖9 A相各測點的PRPD圖(試驗2)

從圖10(a)可知,HFCT1處各相傳感器檢測出的局部放電信號幅值比例近似為10∶4∶4.5,HFCT3處各相信號幅值之比近似為8∶4∶4,HFCT2處各相信號幅值之比近似為4∶3∶3,HFCT4處各相信號幅值之比近似為1∶1∶1。由此可以看出,對于交叉互聯(lián)系統(tǒng)中即使在干擾環(huán)境下的局放放電量幅值信號,HFCT1和HFCT3處檢測出的信號幅值也較高,對局放的識別和判相更具有效性。HFCT2和HFCT4處檢測出的信號幅值基本相近,不利于現(xiàn)場帶電檢測時對局放的識別和定位。

局放信號在電纜中的傳播特性與電纜長度、電纜實際分布有明顯關(guān)聯(lián)。信號的傳播是從電纜中間接頭接地引線處通過同軸電纜到交叉互聯(lián)接地箱,最后傳播到交叉互聯(lián)箱接地線,但試驗測得的同軸電纜上的局放放電量與交叉互聯(lián)箱接地線上相似,處于較低水平,與傳播特性有一定差別。因此,在實際進(jìn)行局部放電檢測時應(yīng)避開同軸電纜和交叉互聯(lián)箱接地線2個位置,更應(yīng)該選擇中間接頭接地引出線和交叉互聯(lián)箱換位排(電容臂跨接)2個位置來進(jìn)行局放帶電檢測。

3 結(jié)論

1) 對于高壓XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng),中間接頭接地引出線或交叉互聯(lián)箱換位排檢測出的局部放電量幅值均遠(yuǎn)大于同軸電纜和交叉互聯(lián)箱接地線,前兩者對局放的識別和相位判定更具參考性?？梢酝ㄟ^比較所測局放信號的幅值大小來判斷信號源所在相別,并結(jié)合軟件分離所得的PRPD圖和波形圖等來判斷是真實局放信號或干擾信號。

2) 在實際工作現(xiàn)場,局放帶電檢測的HFCT傳感器最優(yōu)安裝位置是在中間接頭接地引出線和交叉互聯(lián)箱換位排處(采用電容臂短接)。