基于高頻電流法的電纜局部放電帶電檢測(cè)的分析

張智超 李盛 邢耀敏 楊海超 楊玉新

摘? 要：首先對(duì)電力電纜中局部放電現(xiàn)象產(chǎn)生的成因進(jìn)行了解釋與說(shuō)明;其次根據(jù)電纜故障發(fā)生的作用機(jī)理不同以及缺陷所處位置的不同對(duì)電纜局部放電進(jìn)行了分類，并對(duì)不同類型局放的特點(diǎn)進(jìn)行闡述;然后對(duì)局部放電主要的檢測(cè)方法及原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明;最后基于高頻電流法對(duì)某110 kV變電站運(yùn)行期間其35 kV進(jìn)出線電纜進(jìn)行了局部放電檢測(cè)的案例分析，該方法對(duì)電纜局部放電帶電檢測(cè)工作具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：電力電纜;局部放電;高頻電流法;帶電檢測(cè)

0? ? 引言

隨著全國(guó)電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，尤其是城市電網(wǎng)的改造與升級(jí)，交聯(lián)電力電纜已成為重點(diǎn)地區(qū)輸電的主流設(shè)備[1]。交聯(lián)電纜具有易鋪設(shè)、易維護(hù)、耐高溫和絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，逐步取代了油紙絕緣電纜和架空線路，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)。但與此同時(shí)，交聯(lián)電纜大多以直埋、排管、隧道等形式鋪設(shè)在地下，因此增加了監(jiān)測(cè)電纜是否處在正常工作狀態(tài)下的難度。實(shí)際作業(yè)中，由交聯(lián)電纜及電纜接頭絕緣損壞等問(wèn)題引起的電力故障事故也不斷增加。因此，如何快速有效地通過(guò)檢測(cè)手段判斷電纜絕緣是否存在劣化狀況有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。

目前，交聯(lián)電力電纜的檢測(cè)方法主要包括耐壓試驗(yàn)和局部放電檢測(cè)等。耐壓試驗(yàn)分工頻交流耐壓試驗(yàn)和直流耐壓試驗(yàn)，均為破壞性試驗(yàn)。直流耐壓試驗(yàn)所需試驗(yàn)設(shè)備容量小，攜帶方便，且可同時(shí)測(cè)量泄漏電流，根據(jù)泄漏電流的數(shù)值大小判斷電纜絕緣情況。然而，電纜絕緣層材料成分多、電阻率分布不均，會(huì)導(dǎo)致直流電壓下場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，從而可能導(dǎo)致局部絕緣擊穿的問(wèn)題，且直流耐壓還存在電荷積累導(dǎo)致絕緣加速老化的問(wèn)題。交流耐壓試驗(yàn)一定程度上能夠有效發(fā)現(xiàn)電纜缺陷，但存在兩個(gè)問(wèn)題：一是由于電纜電容量大，所需試驗(yàn)設(shè)備體積較大，導(dǎo)致操作不夠便捷;二是對(duì)于細(xì)微缺陷交流耐壓靈敏度較低。鑒于此，國(guó)際上已逐漸摒棄對(duì)于電纜的耐壓試驗(yàn)檢測(cè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，可以現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)且非破壞性的電纜局部放電檢測(cè)得到了更廣的應(yīng)用。局部放電檢測(cè)能夠采集到因絕緣劣化導(dǎo)致的電纜的放電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，可以很靈敏地得到檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于電纜局部放電檢測(cè)，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE、國(guó)際電工委員會(huì)IEC等權(quán)威機(jī)構(gòu)均制定了測(cè)試導(dǎo)則與規(guī)范，從而使電力電纜局部放電檢測(cè)更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，也有利于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。鑒于此，本案例配以相關(guān)儀器采用局部放電檢測(cè)的手段對(duì)電力電纜進(jìn)行局部帶電檢測(cè)。

1? ? 局放原理和產(chǎn)生原因

電力電纜制造過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡、雜質(zhì)或?qū)w的毛刺等導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻是造成電力電纜發(fā)生局部放電現(xiàn)象比較普遍的原因。這些原因?qū)е码娎|局部區(qū)域首先發(fā)生放電現(xiàn)象，而其他區(qū)域仍然保持良好的絕緣特性，整體絕緣系統(tǒng)保持較好的絕緣能力、沒(méi)有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，這樣就形成了電纜的局部放電現(xiàn)象。局部放電有一個(gè)累積的效應(yīng)，單次或少數(shù)幾次的局放并不會(huì)造成整體絕緣系統(tǒng)的損壞導(dǎo)致事故發(fā)生。但是局放的多次累積發(fā)生會(huì)對(duì)電纜絕緣層產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致電纜絕緣層老化或劣化，對(duì)絕緣層的不斷破壞、絕緣層老化劣化導(dǎo)致放電范圍的不斷加大，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電纜絕緣系統(tǒng)的擊穿或損壞、絕緣層被擊穿導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重事故。

2? ? 局部放電類型和特點(diǎn)

根據(jù)電纜故障發(fā)生的作用機(jī)理不同以及缺陷所處的位置不同，局部放電可以分為電暈放電、沿面放電、懸浮放電以及內(nèi)部放電四種類型。為了更加清楚地理解、分析和應(yīng)對(duì)不同放電類型的局放，在此對(duì)此四種放電類型的特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1? ? 電暈放電

電暈放電是指電纜導(dǎo)體部分出現(xiàn)毛刺、尖端等凸起的局部部位，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，超過(guò)空氣的電離場(chǎng)強(qiáng)，從而使此凸起部分附近空氣發(fā)生電離，出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象而發(fā)生電纜的局部放電。這是因?yàn)閷?dǎo)體尖端或者毛刺等曲率半徑較小的區(qū)域電荷更易聚集和積累，隨著電荷的積累此處場(chǎng)強(qiáng)會(huì)很大，從而使氣體電離發(fā)生電暈。電暈放電發(fā)生時(shí)導(dǎo)體與絕緣層的間隙并沒(méi)有被擊穿，其只是發(fā)生在導(dǎo)體尖端或者毛刺等曲率半徑較小的附近的氣體區(qū)域，且伴隨著光和聲音等現(xiàn)象同時(shí)還可能會(huì)產(chǎn)生一些化學(xué)氣體。一般情況下，導(dǎo)體尖端發(fā)生放電產(chǎn)生的放電脈沖主要聚集在負(fù)半周，但若電壓很高，正半周也可能會(huì)出現(xiàn)放電脈沖。如果放電端是接地端，放電脈沖則主要聚集在正半周。隨著電壓增大，電暈放電次數(shù)會(huì)逐漸增多，單次放電量基本不變。

2.2? ? 沿面放電

沿面放電一般發(fā)生在電纜外表面、套管法蘭等電氣絕緣設(shè)備的某一端部。當(dāng)外護(hù)套和環(huán)氧分界面之間接觸不緊密時(shí)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿電壓，此時(shí)發(fā)生的沿著絕緣介質(zhì)表面放電的現(xiàn)象稱為沿面放電。沿面放電脈沖一般發(fā)生在0°～90°和180°～270°相位上，且對(duì)稱性一般取決于施加電場(chǎng)是否均勻。在均勻電場(chǎng)中，沿面放電圖形基本對(duì)稱;在不均勻電場(chǎng)中，沿面放電圖形一般不對(duì)稱。

2.3? ? 懸浮放電

懸浮放電一般發(fā)生在設(shè)備中的金屬部件上。由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)等原因，金屬部件與地的連接發(fā)生松動(dòng)，從而導(dǎo)致接地不良或者沒(méi)有接地，進(jìn)而在金屬部件上積累了大量電荷，這些電荷與地之間形成了電位差，當(dāng)電位差較大時(shí)則會(huì)發(fā)生懸浮放電。懸浮放電也是電纜局部放電的一種類型，一般來(lái)說(shuō)，其放電脈沖在正負(fù)半周對(duì)稱出現(xiàn)。

2.4? ? 內(nèi)部放電

內(nèi)部放電一般指絕緣介質(zhì)內(nèi)部的氣隙、氣縫或雜質(zhì)等發(fā)生的放電現(xiàn)象。此類氣隙、氣縫或雜質(zhì)可能形成于電纜生產(chǎn)過(guò)程中，也可能形成于電纜使用過(guò)程中。大多數(shù)情況下，其形成的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)比絕緣介質(zhì)大很多，從而發(fā)生局部放電。內(nèi)部放電大多發(fā)生于絕緣層中絕緣強(qiáng)度較低的區(qū)域，與絕緣介質(zhì)材料特性、氣隙位置、氣隙形狀和氣隙大小等有很大關(guān)系。

3? ? 局部放電檢測(cè)方法和檢測(cè)原理

局部放電檢測(cè)方法主要包括超高頻法、差分法、超聲波法以及高頻電流法。

3.1? ? 超高頻法

超高頻法是利用一種特殊的特高頻傳感器對(duì)電纜局部放電產(chǎn)生的電磁信號(hào)進(jìn)行采集。近年來(lái)，該方法較為廣泛地運(yùn)用在GIS組合電器等一些電氣設(shè)備的絕緣檢測(cè)中，因而也有一部分科研人員采用這種手段進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。但是超高頻電磁波信號(hào)頻率高、波長(zhǎng)短，傳輸距離較為有限，在電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)衰減比較明顯，因而測(cè)量的范圍也會(huì)受限。因超高頻設(shè)備裝配不易，現(xiàn)在其在電力電纜檢測(cè)中運(yùn)用還比較少，但是其由于靈敏度高，抗干擾強(qiáng)，發(fā)展前景較為良好。

3.2? ? 差分法

差分法是將兩個(gè)電容耦合器分別置于電纜兩端的屏蔽層上，再將兩個(gè)電容耦合器利用一個(gè)檢測(cè)阻抗連接構(gòu)成回路。這樣若被測(cè)電纜發(fā)生局部放電，電纜兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)電壓差，并在回路中產(chǎn)生一脈沖電流，脈沖電流經(jīng)過(guò)檢測(cè)阻抗會(huì)產(chǎn)生一脈沖電壓信號(hào)，采集、放大并把此信號(hào)顯示出來(lái)，從而用以觀察、檢測(cè)局部放電是否發(fā)生。該方法簡(jiǎn)單易行，但是在高頻信號(hào)中衰減程度較大，靈敏度不足。

3.3? ? 超聲波法

電力電纜發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)伴生超聲波信號(hào)，而超聲波具有頻率高、波長(zhǎng)短的特點(diǎn)[4]。利用這一特點(diǎn)，可以利用超聲波法檢測(cè)局部放電。目前對(duì)電氣設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)和故障監(jiān)測(cè)通常會(huì)選擇檢測(cè)設(shè)備電氣量變化，但是電氣量所包含的故障信息可能存在信號(hào)不明顯或信號(hào)滯后的情況。超聲波法則是以壓電晶片作為試驗(yàn)傳感器，利用壓電效應(yīng)將局放發(fā)生導(dǎo)致的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而利用非電氣量檢測(cè)電氣設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)然也可以運(yùn)用在電力電纜的檢測(cè)上[5]。超聲波檢測(cè)法是一種非侵入式的方法，檢測(cè)設(shè)備不需要和電纜有電氣連接即可檢測(cè)電纜的局部放電信號(hào)，檢查時(shí)超聲波檢測(cè)設(shè)備只需在電纜外壁移動(dòng)檢測(cè)即可。但是由于聲音由固體傳輸?shù)娇諝庵袝r(shí)能量損耗嚴(yán)重，從而導(dǎo)致該測(cè)量方法準(zhǔn)確度受到影響。3.4? ? 高頻電流法

高頻電流法是在頻段為100 kHz到20 MHz之間進(jìn)行檢測(cè)，目前較廣泛應(yīng)用于電力電纜局部放電試驗(yàn)。其工作原理是檢測(cè)電容或者電感耦合器在脈沖電流下產(chǎn)生的電磁信號(hào)。這種方法是對(duì)流經(jīng)電纜接地線或電纜本體的放電脈沖電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，故此種方法在電纜屏蔽層有接地線的情況下廣泛使用。此種方法常采用高頻電流傳感器（HFCT），此類型傳感器具有安裝簡(jiǎn)便、容易攜帶、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。

HFCT即羅氏線圈，如圖1所示，其是一種不含鐵芯的均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。使用時(shí)，使待檢測(cè)的導(dǎo)體穿過(guò)環(huán)形線圈，將電流對(duì)時(shí)間的積分進(jìn)行輸出。當(dāng)線圈套在導(dǎo)體上時(shí)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的交流電信號(hào)會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生一個(gè)變換的磁場(chǎng)，從而從線圈中感應(yīng)出與電流成正比的電壓信號(hào)。其實(shí)際上是1：N的電流互感器，原邊為單匝線圈，副邊是N匝環(huán)形繞組。

4? ? 案例分析

本文對(duì)上海某110 kV變電站運(yùn)行期間其35 kV進(jìn)出線電纜進(jìn)行局部放電檢測(cè)，檢測(cè)方法示意圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集傳感器安裝在接地變壓器套管下方電纜外護(hù)套接地處，環(huán)境傳感器安裝在接地銅排處。等效測(cè)量回路如圖3所示。

開(kāi)展局部放電檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，接地變壓器進(jìn)線電纜存在局部放電現(xiàn)象，放電量約1 000 pC，位于電纜靠近接地變壓器套管處。數(shù)據(jù)采集傳感器測(cè)量到的信號(hào)PRPD圖譜如圖4所示，環(huán)境傳感器測(cè)量到的信號(hào)PRPD圖譜如圖5所示。

從圖譜中可以明顯看出，數(shù)據(jù)采集傳感器檢測(cè)到兩簇局部放電信號(hào)，放電量最大為1 000 pC。環(huán)境傳感器未檢測(cè)到局部放電信號(hào)，因此排除了數(shù)據(jù)采集傳感器中信號(hào)為外部干擾的可能。數(shù)據(jù)采集傳感器檢測(cè)到的脈沖放電信號(hào)如圖6所示。

隨后使用脈沖反射法進(jìn)行電纜局部放電單端定位，根據(jù)電纜長(zhǎng)度、脈沖波速及脈沖式時(shí)間差計(jì)算得故障位置為距離傳感器1 m處，如圖7所示。

由PRPD圖譜及缺陷位置綜合分析，該處電纜存在沿面放電現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)該段電纜停電解體，發(fā)現(xiàn)該位置電纜本體存在明顯的沿面放電痕跡，如圖8所示。

通過(guò)檢測(cè)準(zhǔn)確定位了電纜的放電位置，避免了進(jìn)一步的事故和損失，因此，該檢測(cè)方法有效且較為準(zhǔn)確，具有實(shí)際的意義。

5? ? 結(jié)論

本文圍繞電纜局部放電檢測(cè)展開(kāi)了分析，詳細(xì)介紹了局放的原理并分析了其產(chǎn)生原因，在此基礎(chǔ)上介紹了不同局放類型及特點(diǎn)。其次，分析了局部放電檢測(cè)方法及檢測(cè)原理，通過(guò)比較分析，采用高頻電流法進(jìn)行電纜局放帶電檢測(cè)。最后，通過(guò)實(shí)際案例和檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了檢測(cè)方法的有效性和合理性，得到的結(jié)論如下：

（1）高頻電流法的電纜局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)適用于電纜終端的局部放電帶電檢測(cè);

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，基于高頻電流法的電纜局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)得到的脈沖信號(hào)PRPD相位圖可以作為輔助手段判斷電纜缺陷的類型，有一定參考性，并且定位技術(shù)可有效地預(yù)定位電纜故障位置，有效提高電纜局放檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。

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收稿日期：2020-06-30

作者簡(jiǎn)介：張智超（1992—），男，陜西人，工程師，主要從事火力發(fā)電技術(shù)研究與電氣設(shè)備維護(hù)檢修工作。