絕緣管母局部放電特征分析及檢測技術(shù)研究

上海駒電電氣科技有限公司 張克勤 董春雷 上海交通大學(xué) 王 輝

結(jié)合大量相關(guān)故障案例得出，絕大數(shù)故障是由于絕緣管母本身或管母附件質(zhì)量差、外力損壞和機械損傷、腐蝕與進潮、管母接頭施工質(zhì)量不過關(guān)、附件老化等一系列原因，使得管母在長時間、高電壓、大電流（過負(fù)荷）運行條件下容易造成絕緣損壞，并產(chǎn)生局部放電，最終導(dǎo)致事故[1-3]。

1 絕緣管母缺陷類型及評價方法

通過對絕緣管型母線出現(xiàn)的相關(guān)故障進行分析，絕緣管型母線典型故障大概為以下幾種：生產(chǎn)過程中存在內(nèi)部氣泡導(dǎo)致的氣隙放電缺陷；運行過程中潮濕或降雨導(dǎo)致水分滲入缺陷；安裝過種中連接不緊密導(dǎo)致的懸浮電位放電缺陷；運行過程中由于潮濕污穢導(dǎo)致的沿面放電缺陷；材料工藝導(dǎo)致的沿面放電或氣隙放電缺陷。因此，開展絕緣管型母線的局部放電檢測及評估方法研究具有重要意義。

由于絕緣母線與電纜結(jié)構(gòu)相似，目前主要依據(jù)《DL/T 1253-2013電力電纜線路運行規(guī)程》、《Q/GDW 11316-2014電力電纜線路試驗規(guī)程》等相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合已投運絕緣母線的運行特性，對交接試驗、例行試驗、診斷性試驗給出診斷建議方法[1-6]。對絕緣管型母線的帶電檢測，尚未形成相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 絕緣管型母線的局部放電特征分析

本文通過在在實驗室搭建絕緣管母懸浮放電、沿面放電、電暈等模型，研究不同種類缺陷引發(fā)的局部放電信號的時域、頻域及統(tǒng)計特征，以及不同檢測技術(shù)有效性分析。絕緣管母內(nèi)部絕緣缺陷模型設(shè)計如圖1所示。

圖1 絕緣管母內(nèi)部絕緣缺陷模型設(shè)計

2.1 試驗過程及局部放電信號分析

實驗室平臺搭建如圖2所示，對帶有缺陷的絕緣管母進行局部放電檢測試驗。本次實驗中共用到6個傳感器。在地上放置一個普通UHF 傳感器用于檢測環(huán)境干擾，絕緣管母接口處放置一個普通UHF 傳感器用于檢測絕緣管母內(nèi)部的局部放電信號，地上放置一個全向UHF 傳感器用于確定更寬頻帶的特高頻信號，絕緣管母管壁表面粘一個超聲傳感器用于檢測超聲波信號，接地線處接一個高頻傳感器用于檢測較低頻率的信號。傳感器的位置如圖3所示。對裝置施加電壓進行試驗，緩慢升高試驗電壓，記錄4種單一的缺陷模型的起始放電電壓。繼續(xù)緩慢升高試驗電壓，分別采集不同放電強度下的穩(wěn)定局部放電信號。

圖2 絕緣管母局放平臺搭建

圖3 試驗平臺及各傳感器分布

2.2 電暈放電樣品特征分析

圖4為示波器上顯示的信號波形。其中，CH1（黃）為1號普通UHF 傳感器采集的環(huán)境干擾信號，CH2（紅）為2號普通UHF 傳感器采集的絕緣管母局放信號，CH3（藍）為全向UHF 傳感器采集的局放信號，CH4（綠）為超聲傳感器采集信號。采用MATLAB 軟件對數(shù)據(jù)進行進一步處理和分析，得到信號的時域波形和頻域波形圖。如圖5和6所示。

圖5 信號時域波形圖（橫坐標(biāo)為時間ns，縱坐標(biāo)為幅值mV）

圖6 信號頻域波形圖(橫坐標(biāo)頻率MHz，縱坐標(biāo)單頻點幅度)

對比放置在相同位置的1號普通特高頻傳感器和全向特高頻傳感器采集的信號（a）、（b），全向傳感器整體靈敏度較高，獲取的信號幅值較大，尤其對于低頻段的信號采集能力較為突出。由于全向特高頻傳感器距離絕緣管母距離較遠，而2號普通特高頻傳感器緊貼絕緣管母放置，因此無法通過信號強度大小比較兩傳感器的靈敏度。僅從采集信號的頻譜特征來看，普通UHF 傳感器采集信號的頻段范圍為500～1500MHz，而全向傳感器采集信號的頻段范圍為100～400MHz，全向UHF 傳感器在普通UHF傳感器無法檢測到的0～500MHz 范圍內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)異。

位于絕緣管母管壁中段的超聲傳感器始終未檢測到局放信號，分析原因如下：該絕緣管母樣品放電量較小，放電位置距離傳感器較遠，信號在管母內(nèi)部衰減嚴(yán)重。因此無法檢測到相應(yīng)的局放信號。由于經(jīng)過大量試驗發(fā)現(xiàn)始終無法檢測到超聲信號，因此將CH4（綠）換為高頻傳感器采集信號，保持CH1（黃）、CH2（紅）、CH3（藍）不變。示波器上顯示的信號波形如圖7所示。由圖7中CH4（綠）的波形可以看出信號的頻率較低。

圖7 示波器波形圖

2.3 沿面放電樣品特征分析

圖8為示波器上顯示的信號波形。其中CH1（黃）絕緣管母右側(cè)普通UHF 傳感器采集信號，CH2（紅）為絕緣管母右側(cè)全向UHF 傳感器采集信號，CH3（藍）為高頻傳感器采集信號，CH4（綠）為緊貼絕緣管母管壁的超聲傳感器采集信號。

圖8 示波器波形圖

圖9分別為普通UHF 傳感器和全向UHF 傳感器檢測信號的頻譜圖。對比相同位置下普通UHF 傳感器和全向UHF 傳感器采集信號在頻譜上的差異可知，全向UHF 傳感器整體靈敏度較高，采集到的信號幅值是普通傳感器的10倍左右。由頻域波形圖可以看出，絕緣管母的局放特高頻信號主要集中在100～500MHz 頻段范圍內(nèi)。

2.4 懸浮放電樣品特征分析

為了進一步研究絕緣管母局放特高頻信號的頻段范圍，在絕緣管母上模擬了懸浮放電，并在信號輸出端口連接低通濾波器和高通濾波器，觀察不同UHF 傳感器采集信號的時頻特征。首先在CH1（黃）、CH2（紅）輸出端口分別接一個高通濾波器再連入示波器。各通道波形圖如圖10所示。其中CH1（黃）為普通UHF 傳感器采集信號，CH2（紅）為全向UHF 傳感器采集信號，CH3（藍）為HF 傳感器采集信號，CH4（綠）為超聲傳感器采集信號。

圖10 示波器顯示波形圖

由于高頻與特高頻信號沒有對應(yīng)的脈沖，因此換用低通濾波器進行進一步檢測研究。在CH1（黃）、CH2（紅）端口分別接一個低通濾波器再接入示波器。各通道波形圖如圖11所示。

圖11 示波器顯示波形圖

2.5 氣隙放電樣品特征分析

分析圖12、13可知，氣隙放電下全向UHF 傳感器在低頻段（500Hz）檢測靈敏度較高，采集信號的幅值約為普通UHF 傳感器采集信號的十倍。由當(dāng)前的大量試驗可知，絕緣管母局部放電的頻段范圍主要集中在100～500MHz，因此若采用普通UHF 傳感器對絕緣管母局部放電進行檢測和診斷，不利于絕緣管母絕緣狀態(tài)監(jiān)測和風(fēng)險評估。

圖12 時域波形圖（橫坐標(biāo)為時間ns，縱坐標(biāo)為幅值mV）

圖13 頻域波形圖（橫坐標(biāo)時間ns，縱坐標(biāo)單頻點幅度）

2.6 三維圖譜分析

通過信號處理得到4種典型缺陷下UHF 局部放電信號的三維譜圖。不同缺陷類型的局部放電獲得的三維譜圖表現(xiàn)出明顯不同的特點和顯著差異。通過對缺陷模型局放UHF 信號進行連續(xù)50個工頻周期采樣，獲取多周期內(nèi)的脈沖幅值及相位信息，統(tǒng)計放電次數(shù)，形成不同類型局部放電特征的φ-Q-N 圖。根據(jù)φ-Q-N 圖得到各種缺陷模型放電三維圖譜如圖14所示。

圖14 三維PRPD 譜圖

綜上所述， 全向UHF 傳感器在低頻段（500Hz）檢測靈敏度較高，采集信號的幅值約為普通UHF 傳感器采集信號的十倍，因此絕緣管母局部放電檢測宜采用全向特高頻傳感器進行檢測。