电力电缆局部放电检测技术的探讨.pdf
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1、2 0 0 9 年第3 期N o 32 0 0 9电线电缆E l e c t r i cW i r e&C a b l e2 0 0 9 年6 月J u n,2 0 0 9电力电缆局部放电检测技术的探讨孙波1 2,黄成军1(1 上海交通大学电气工程系,上海2 0 0 2 4 0;2 上海电缆输配电公司,上海2 0 0 0 7 2)摘要:目前常规的电力电缆检测手段已经不能满足我们对电缆竣工试验及日常运行可靠性的要求。于是更多的目光集中于电缆局部放电检测的研究及探索当中,电力电缆局部放电在线监测及离线监测技术正逐步得到推广和运用。关键词:电力电缆;耐压试验;局部放电;在线监测;离线监测中图分类号:
2、T M 2 0 6文献标识码:A文章编号:1 6 7 2-6 9 0 1(2 0 0 9)0 3 m 0 3 8-0 4I n v e s t i g a t i o no ft h eP DT e s t i n gT e c h n i q u e sf o rP o w e rC a b l e sS U NB o e ta l(S h a n g h a iJ i a o t o n gU n v i e r s i t y,I n s t i t u t eo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i2 0 0
3、 2 4 0,C h i n a)A b s t r a c t:A tp r e s e n t,t h et r a d i t i o n a lt e s t i n gt e c h n i q u e sf o rp o w e rc a b l e sa r en ol o n g e rs u f f i c i e n tf o rc a b l ea f t e ri n s t a l l a t i o nt e s t sa n dr e l i a b i l i t yo fd a i l yo p e r a t i o n T h e r e f o r e,
4、e n g i n e e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt or e s e a r c ha n di n v e s t i g a t i o no fc a b l eP D(p a r t i a ld i s c h a r g e)t e s t i n g T h et e c h n i q u e sf o ro n-l i n ea n do f f-l i n em o n i t o r i n go fp o w e rc a b l e sb yP Dt e s t i n ga r eb e i n gu s e da n d
5、p o p u l a r i z e d K e yw o r d s:p o w e rc a b l e;v o l t a g ew i t h s t a n dt e s t;p a r t i Md i s c h a r g e;o n-l i n em o n i t o r i n g;o f f-l i n em o n i t o r i n g0引言1电缆耐压试验的局限性随着城市电网建设的不断扩大,交联聚乙烯绝缘电力电缆(以下简称交联电缆)的使用也日益广泛,对于交联电缆的检测手段也在不断深入及推进。目前在上海地区对于电力电缆使用的检测手段以耐压试验为主,耐压试验包括:
6、直流耐压用于3 5k V 及以下电缆和超高压充油电缆的耐压试验;交流耐压用于1 1 0k V 及以上电缆的耐压试验。现在高压交联电缆已经基本摒弃直流耐压的试验方法,而改用交流变频串联谐振的耐压方式。随着对电网运行可靠性要求的不断提升,对电力电缆的运行要求也随之而不断地提高。然而目前耐压试验的检测手段是否能为电网运行提供可靠的保障呢?其自身是否存在检测的局限性呢?从实际使用过程中来看,耐压试验的通过并不一定能确保电缆在未来若干年运行的高可靠性。因此,为了更好更有效地检测电缆的状况,对电缆局放检测技术的研究和运用正在探索和深入当中。收稿日期:2 0 0 8-1 l-1 9作者简介:孙波(1 9 7
7、 6 一),男,工程师作者地址:上海市宝山区长临路1 3 1 8 弄1 1 号6 0 2 室 2 0 0 4 3 5 按照1 E C6 0 8 8 5-3、I E C6 0 5 0 2-2、G B T3 0 4 8 1 2 1 9 9 4 和上海电力公司企业标准的要求,对于电力电缆交接试验均要进行耐压试验。如果对交联电缆施加直流电压将会产生“记忆”效应,存储积累单极性残余电荷,这对电缆将来的运行和使用寿命均会造成很大影响,故目前在实际中高压交联电缆推荐使用工频及近似工频(3 0 3 0 0H z)的交流耐压试验方法,或采用1 砜、2 4h 交流空载充电的试验方法,而把直流耐压作为交流耐压的替代
8、试验。目前在上海对于1 1 0k V 及以上的交联电缆耐压试验主要是交流变频串联谐振的耐压方式。不过交流耐压试验有其特定的局限性对制造过程中带来的微小气隙及安装中存在的微小缺陷在交流耐压试验过程中是无法及时被发现的。而这些缺陷在日后的运行中会逐渐发展,从而成为威胁线路设备安全运行的重大隐患。这一局限性在日常施工过程中已经有所呈现。因此在交接试验中引入局放的检测将是以后的发展方向。2 局部放电的基本原理我们知道,交联电缆的绝缘体内部在制造或施工过程中可能会残留一些气泡或渗入其他杂质,而这些存有气泡或杂质的区域,其击穿场强低于平均万方数据2 0 0 9 年第3 期N o 32 0 0 9电线电缆E
9、 l e c t r i cW i r e C a b l e2 0 0 9 年6 月J u n,2 0 0 9击穿场强,因此在这些区域就会首先发生放电现象。在电场作用下,绝缘系统中只有部分区域发生放电,而没有贯穿施加电压的导体之间,即尚未击穿的这种现象我们称之为局部放电。在G B7 3 5 4-2 0 0 3局部放电测量标准中局放被定义为:“局部放电(局放)p a r t i a ld i s c h a r g e(P D),导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电。这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。”虽然局部放电的数量级不大,但却会加剧绝缘的老化并最终导致绝缘击穿。因此,在交接试
10、验过程中提出了局放检测这一概念,其目的是通过检测局放信息,早期发现绝缘潜在的故障或缺陷,从而尽可能地减少事故发生。局部放电主要的发生部位是绝缘内部,如图1所示。在电场作用下,微小气隙(气泡)中的空气分子产生游离,气泡中的正负电子向两端不同的极性集结,集聚电荷;随着气泡中场强的增大,使得气泡被击穿;电荷产生强烈中和并形成脉冲电流,其他的还有表面放电和电晕放电等。瞰谳已图1局部放电过程示意图()气晾中电场分布示意图(b)气隙中放电产生的反向电压(c)气隙上的电压(d)气隙放电的脉冲电压3 局部放电的检测方法局部放电的检测都是以局放所产生的各种现象为依据,通过能表述该现象的物理量来表征局放的状态。通
11、常在绝缘内部发生局部放电时,会伴随着出现许多现象:电脉冲、电磁波、超声波、光、热等,以及伴随生成的一些新的生成物或气体压力和化学变化等现象。根据上述的物理表象特征,目前常用的局放检测手段有以下几种:脉冲电流法、高频电流法(H F C T)、超声波法(A E,或称作声发射法)、超高频法(t J H F)、光测法、测温法等多种方式。现在使用的交联电缆通常有数公里长,因此对于交联电缆的局放测试需要进行定位,因为电缆有其自身阻抗,而局放信号通常是高频信号,信号到电缆两端碰到阻抗不匹配时会出现反射现象,其造成的结果是:测试结果可能是几个信号的叠加,即局放信号会沿着电缆向两端传播,到端点还会出现反射现象,
12、如图2 所示。因此,如何正确采集局放信号和处理该信号就成为我们研究和关注的焦点。g 几L【卿圆函豳翟霉函a蝴锄邑L。匕。l1 c,j J:。一图2 局放信号的传播此外还需注意的是背景信号干扰问题。在现场的检测中,大量的电磁干扰会完全把局放信号淹没,只有抑制这些背景干扰,提高信号的信噪比,才能准确地识别出交流局放信号,为监测系统对电缆绝缘状况进行评估提供可靠的基础。就局部放电在线监测中的干扰而言,主要可分为3 大类型:连续性正弦干扰(即窄带干扰)、白噪声干扰和脉冲干扰(即宽带干扰,包括周期性脉冲干扰和随机性脉冲干扰)等,其中以连续性正弦干扰和白噪声干扰的强度最大、分布最广,几乎淹没了局部放电脉冲
13、信号,而脉冲干扰与放电脉冲信号极为相似,对放电脉冲的识别造成很大影响。因此,如何抑制这三种干扰,以提高局部放电在线监测的灵敏度,即提高局部放电的信噪比,就成为局放检测的另一个关键问题了。通常局放检测可分为在线检测和离线检测两类方法。3 9 万方数据2 0 0 9 年第3 期N o 32 0 0 9电线电缆E l e c t r i cW i r e C a b l e2 0 0 9 年6 月J u n,2 0 0 93 1 离线检测离线检测的最基本方法是:脉冲电流法。现场离线局放测试,如果电缆与附件的局放水平与出厂测试结果相当,则表明电缆系统处于比较好的状态。交联电缆的离线测试系统如图3 所示
14、,主要包括高压电源、局放仪、脉冲电流传感器、耦合电容以及测量阻抗。图3X L P E 交联电缆离线测试接线图按I E E ES t d4 0 0 3 2 0 0 6 标准,现场电缆发生故障的风险随着外加电压的升高而增大,建议测试电压最大值为2 砜。为了激发局放,工频测试时加压时间最长可为1 5r a i n,当检测到局放时,为获取足够的数据,应持续足够长的时间,一般为1 5s。根据I E C6 0 8 8 5 3 和G B T3 0 4 8 1 2 一1 9 9 4 的规定,试验电压应加在导电线芯和金属屏蔽之间,进行局部放电测量时,电压应平稳地升高到1 2 倍试验电压,但时间不得超过1r a
15、i n,然后缓慢地下降到规定的试验电压,此时即可测量局部放电量。此外,根据I E C6 0 5 0 2-2 0 0 5,对电缆进行局放测试时,测试电压应该逐渐地上升到2 U o,并保持1 0s,然后缓慢地降到1 7 3 U。因此,通常局放测试电压为1 7 3 U o,测试过程中的最高电压为2 玩。局放的定位即绝缘缺陷的定位是通过放电脉冲三次反射来实现的,如图4 所示。测量三次脉冲反射回来的时间和强度,根据电缆长度,来计算脉冲电流传播速度。脉冲电流在电缆中的传播速度p 为:y:士(1)K 8 fK。Z d Z,8。式中,占,为绝缘材料的相对介电常数;K 为常数;p。为真空导磁系数;p,为相对导磁
16、系数;8。为真空介电系数。由此可见,脉冲电流沿电缆的传播速度与绝缘材料的介电常数有关,传播速度的变化反映了绝缘材料的老化状况,根据传播速度可以对电缆线路绝缘整体状况进行评估。茹骶1妲_ o-一嗷-一一一46时间I s图4 绝缘缺陷定位原理图3 2 在线检测通常电缆绝缘故障多发生在电缆附件位置上,而其本体则较少发生故障。对于电缆带电(在线)测试,主要检测电缆附件,包括电缆终端和电缆头是否有局放产生。在线检测主要手段有:超高频法(U H F)、高频电流法(H F C T)、超声波检测法(A E 检测法)。图5 为电缆终端局放在线检测原理图。图5电缆终端局放在线检测原理图(1)超高频检测法(U H
17、F)当电缆终端内发生局放脉冲时,会泄漏出超高频电磁波信号,通过U H F 传感器检测该电磁波,以判断局放现象的发生。U H F 检测一个主要的优点在于能够进行局放定位,通过使用2 个或2 个以上的U H F 传感器,能够较好地对局放源进行定位。U H F 传感器不需要接触到导体及电缆终端的高压部分,且U H F 传感器可以进行移动检测,适用于在线检测。U H F 主要的缺点是容易受到G S M 及数字电视地面广播信号的影响,但是对于现场检测来说,可以通过专家系统来识别。另外U H F 传感器对于空间环境的接触不良等现场引起的放电现象反应也极为灵敏(这些由于开关接触不良引起的打火等现象产生的高频
18、电磁波往往要比真实的绝缘局放信号要大万方数据2 0 0 9 年第3 期N o 32 0 0 9电线电缆E l e c t r i cW i r e C a b l e2 0 0 9 年6 月J u n,2 0 0 9许多),故可以将U H F 方法兼用于检测变电站内其发生局部放电的时候,同时会伴有声波发射现象,使他器件设备是否存在接触不良等状况。超高频电磁用超声波传感器,能够探测出电缆和电缆附件中的波在空间传播衰减较快,所以需要移动传感器逐个局放现象。超声波检测方法避免了与高压电缆等的检测电缆终端接头或者电缆分叉头等部位。直接电气连接,适用于电缆不需断电的局放在线检(2)高频电流法(H F C
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- 电力电缆 局部 放电 检测 技术 探讨
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