1. 高壓電纜局放測(cè)試的背景

1.1高壓電纜的應(yīng)用情況

 

交聯(lián)聚乙烯電纜因其具有電性能高、輸送容量大、重量輕、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，高壓電纜線路基本上都使用了該類型的高壓電纜。

 

1.2高壓電纜的故障

高壓電纜故障的主要原因在于產(chǎn)品質(zhì)量和施工質(zhì)量，其中電纜附件占故障總量的90%，薄弱環(huán)節(jié)表現(xiàn)在電纜終端頭和中間接頭，主要由于設(shè)計(jì)不良、材料選擇不當(dāng)、安裝制作工藝不良三個(gè)方面的原因造成。

 

1.3高壓電纜局放測(cè)試的必須性

 

《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50150-2006 ）要求新竣工的電纜需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，高壓電纜交流耐壓等效電路如下圖，用C1、C2、C3組合模擬被試電纜的各個(gè)絕緣部件，在試驗(yàn)過(guò)程中C1、C2、C3同時(shí)承受高電壓的考驗(yàn)。

交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)存在不足，體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

a)交流耐壓試驗(yàn)只關(guān)注電纜整體能否完整承受試驗(yàn)電壓的考驗(yàn)，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為電纜是否通過(guò)了交流耐壓試驗(yàn)，缺少電纜在試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的局部損傷和破壞的監(jiān)測(cè)手段。

b)如電纜內(nèi)部存在局部放電,但是電纜依然有可能能夠通過(guò)交流耐壓試驗(yàn)，內(nèi)部有缺陷的電纜帶病運(yùn)行，電纜安全運(yùn)行存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

 

因此檢測(cè)高壓電纜在耐壓過(guò)程中的局放信號(hào)。

2. 電纜產(chǎn)生局部放電的成因

2.1局部放電

局部放電是指高壓設(shè)備中的絕緣介質(zhì)在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，發(fā)生在電極之間的未貫穿的放電。這種放電只存在于絕緣的局部位置，而不會(huì)立即形成貫穿性通道，因此稱為局部放電。

 

2.2電纜局放的局放位置

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的絕緣材料為固態(tài)塑料結(jié)構(gòu)。在制造過(guò)程中如混入金屬雜質(zhì)、出現(xiàn)氣孔空洞，或由于內(nèi)、外半導(dǎo)體層不規(guī)則突起引起高壓場(chǎng)強(qiáng)的不均勻，或絕緣中存在的電樹(shù)等，在這些部位都有可能出現(xiàn)局放。隨著電纜制造技術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量控制水平不斷提高，由上述原因產(chǎn)生的局放在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中已經(jīng)微乎其微。交聯(lián)聚乙烯電纜中檢測(cè)出的局放點(diǎn)一般都出現(xiàn)在中間接頭和終端頭上。

 

2.3電纜局部放電的危害

局部放電的能量很小，通常不影響電纜短期的絕緣強(qiáng)度。但是長(zhǎng)期存在著局部放電，即可以緩慢損壞絕緣，日積月累，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。此外受化學(xué)性質(zhì)決定，交聯(lián)聚乙烯絕緣的電纜耐局部放電的性能較差，長(zhǎng)時(shí)間的局部放電會(huì)加速其絕緣劣化，最終使其發(fā)生故障。

 

2.4電纜中間頭因制作工藝不良引發(fā)局放的圖集

 

壓接管包繞絕緣帶

 

應(yīng)力錐安裝位置錯(cuò)誤

 

絕緣混合劑涂抹位置錯(cuò)誤

 

絕緣屏蔽（外半導(dǎo)電層）剝切不整齊

3. 高壓電纜局放測(cè)試的原理

一旦被試電纜發(fā)生局部放電，耦合電容Ck瞬時(shí)對(duì)Cx充電，形成高頻的脈沖電流波形，脈沖電流波形達(dá)到納秒級(jí)別，其頻譜高達(dá)百兆以上，脈沖電流的幅值大小、發(fā)生的頻度反映電纜內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度。

 

 

 

 

利用局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在耐壓過(guò)程可嚴(yán)密監(jiān)視局放信號(hào)隨電壓和時(shí)間變化的趨勢(shì)，掌握電纜缺陷嚴(yán)重程度的變化。

 

高壓電纜局部放電的嚴(yán)重程度通過(guò)其局部放電量來(lái)反映，要測(cè)試局放量必須對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

 

在被試驗(yàn)電纜Cx注入標(biāo)準(zhǔn)局放信號(hào)Qo以模擬被試對(duì)象發(fā)生了局部放電，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)局放信號(hào)注入時(shí)，檢測(cè)阻抗Zm1、Zm2輸出信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)M獲取局放信號(hào)的幅值大小、相位分布特征、頻譜特性等信息。

 

局放測(cè)試時(shí)參照校準(zhǔn)信息就可以計(jì)算出局放量的大小，對(duì)電纜局部放電的嚴(yán)重程度、局放類型評(píng)估，作出正確的判斷。

 

 

4. 高壓電纜局放測(cè)試的方法

4.1交流耐壓試驗(yàn)電源處理

高壓電纜交流耐壓采用的是變頻諧振裝置產(chǎn)生試驗(yàn)電源，變頻柜是裝置的核心部件，變頻柜通過(guò)晶閘管的整流和逆變獲取試驗(yàn)所需的頻率，在電源變換過(guò)程中引入了大量的高頻脈沖電流成份。

 

 

變頻諧振系統(tǒng)輸出的電源不能直接作為電纜局放試驗(yàn)的電源直接施加于被試對(duì)象進(jìn)行局部放電測(cè)試，必須采取有效措施對(duì)試驗(yàn)電源進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)設(shè)置串聯(lián)電抗、防暈導(dǎo)線、均壓環(huán)進(jìn)行對(duì)試驗(yàn)電源質(zhì)量進(jìn)行改善，其電氣原理所下圖所示。

 

4.2電纜終端局放測(cè)試回路

電纜終端的局放測(cè)試回路如下圖，當(dāng)被試電纜內(nèi)部發(fā)生了局部放電時(shí)，耦合電容瞬時(shí)對(duì)電纜終端充電，形成高頻的脈沖充電電流波形，脈沖電流的幅值、發(fā)生的頻度反映了電纜內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度，通道1、通道2兩個(gè)傳感器將局放信號(hào)傳送至局放診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

 

 

在電纜的中間接頭，測(cè)試原理如圖所示，一側(cè)電纜的鎧裝與電纜導(dǎo)體之間存在電容Ca，另一側(cè)電纜的導(dǎo)體與鎧裝之間存在電容Cb，如果在電纜的中間接頭發(fā)生局部放電，那么形成兩個(gè)電容C1和C2，此時(shí)Ca和Cb就會(huì)通過(guò)導(dǎo)體向C1和C2充放電，從而形成局放電流回路，在兩側(cè)電纜屏蔽層橋接一個(gè)高頻低阻的電容臂C0和高頻電流傳感器，就可以檢測(cè)到局放的脈沖電流信號(hào)。

 

 

 

4.3高壓電纜局放測(cè)試的技術(shù)難點(diǎn)

a) 測(cè)試系統(tǒng)靈敏度要求高

高壓電纜發(fā)生局放時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)微弱，要求傳感器及測(cè)試系統(tǒng)有相當(dāng)高的檢出靈敏度。

 

b) 現(xiàn)場(chǎng)干擾因素復(fù)雜

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施電纜局放試驗(yàn)時(shí)干擾信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響電纜局放的檢測(cè)和診斷，主要有臨近試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的電暈或者局部放電信號(hào)、交流耐壓試驗(yàn)裝置自身的局部放電信號(hào)、交流耐壓試驗(yàn)回路的引線產(chǎn)生的電暈信號(hào)三個(gè)方面的因素。

 

因此甄別并排除干擾信號(hào)、提取有效的信息并根據(jù)其特征診斷電纜的絕緣狀態(tài)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

 

c) 對(duì)測(cè)試人員的要求高

高壓電纜局放的信號(hào)主要集中在0-30MHz范圍內(nèi)，信號(hào)頻帶較寬，加上現(xiàn)場(chǎng)存在一定的干擾信號(hào)，測(cè)試人員通過(guò)信號(hào)抑制、識(shí)別、分類、提取、判斷等技術(shù)手段，準(zhǔn)確的解析復(fù)雜的電子信號(hào)成份實(shí)現(xiàn)電纜的狀態(tài)診斷。這項(xiàng)技術(shù)要求測(cè)試人員熟練使用示波器、頻譜儀、濾波器等電子設(shè)備，并具備高頻電子信號(hào)分析判斷能力。u

 

d) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確的指引

高壓電纜局放測(cè)試是目前國(guó)內(nèi)比較新的技術(shù)應(yīng)用課題，國(guó)內(nèi)僅有北京供電局進(jìn)行過(guò)類似嘗試，佛山局在這一技術(shù)領(lǐng)域走在了國(guó)內(nèi)前列。

 

4.4局放診斷判據(jù)

（1） 通過(guò)大量的試驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示：局放信號(hào)的相位與試驗(yàn)電源的相位具有180度或360度的相位特征，同時(shí)發(fā)生在一定寬度的相位上。

（2） 在測(cè)試中若發(fā)現(xiàn)存在多種信號(hào)源，需運(yùn)用帶通濾波器分別提取不同頻帶的脈沖信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)分析；

（3） 局放傳感器采集到的高頻脈沖信號(hào)的波形和頻譜是否具有典型局放特征（脈沖波形上升沿一般為幾十納秒）；

(4) 必要時(shí)，將實(shí)際測(cè)試局放波形與利用模擬局放源對(duì)測(cè)試回路進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的波形進(jìn)行反復(fù)類比，觀察其信號(hào)的相似性；

（5） 極性判別法：運(yùn)用脈沖波形的極性鑒別局放源的位置；

 

4.5交流耐壓時(shí)進(jìn)行局放測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)

1. 在進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行局放測(cè)試，由于電纜耐壓試驗(yàn)電源采用異頻電源，工頻信號(hào)在試驗(yàn)電源的相位圖譜上不具有相關(guān)性，只有試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的局放信號(hào)可能在試驗(yàn)電源的相位圖譜上具有相關(guān)性，利用這一點(diǎn)可有效排除運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)。試驗(yàn)裝置自身的局放信號(hào)是晶閘管的開(kāi)通關(guān)閉造成，一般集中在特定相位，這類干擾在一定程度上可通過(guò)“開(kāi)相位窗”予以排除。

 

2. 高電壓狀態(tài)下局放測(cè)試的靈敏度高，高壓電纜交流耐壓時(shí)所施加的電壓為2U0，利于將電纜內(nèi)部的缺陷檢。

(a)對(duì)于在1U0下不產(chǎn)生局放信號(hào)的缺陷，在2U0下激發(fā)下產(chǎn)生局放，缺陷才可能被發(fā)現(xiàn)。

 

(b)對(duì)于同樣的電纜缺陷，電壓越高，產(chǎn)生的局放信號(hào)越大，檢出的靈敏度越高。

 

 

3. 局放的提前發(fā)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行安全、設(shè)備檢修的影響。

通過(guò)局放測(cè)試，可以在電纜投運(yùn)前發(fā)現(xiàn)缺陷，施工人員有足夠的時(shí)間和空間查明原因、消除缺陷，避免電纜帶病投入運(yùn)行后重復(fù)停電，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

 

4.6局放測(cè)試系統(tǒng)

SPD局放檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理主要由硬件實(shí)現(xiàn)，信號(hào)波形保持較真實(shí)。檢測(cè)時(shí)信號(hào)經(jīng)電容臂從電纜終端耦合,通過(guò)傳感器PDD 將信號(hào)檢取，送到高通濾波器HPF濾波, 再送到局放測(cè)試主機(jī)PDM，通過(guò)一系列的濾波、放大及模、數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，去除干擾信號(hào)，得到所需信號(hào)送至后臺(tái)分析軟件進(jìn)行判定,主要是從頻率f、相位Φ、頻度n、電量q、時(shí)間t五個(gè)因素判斷，在軟件上可以清楚地看到這幾個(gè)量的大小，以及之間的相互關(guān)系，通過(guò)它們之間的關(guān)系，對(duì)存在的可疑局放的可能性作一個(gè)分析。

 

 

 

MPD600 局放診斷系統(tǒng)側(cè)重于由軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析處理，具備頻譜分析功能，在頻譜圖上可連續(xù)自由選擇濾波器中心頻率及帶寬，屏蔽干擾信號(hào)的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平的大小在一定程度上可排除干擾因素。

 

 

 

PDCHECK診斷系統(tǒng)與前面兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有設(shè)置帶通濾波器來(lái)排除干擾信號(hào)的影響，而是對(duì)超過(guò)觸發(fā)電平的所有脈沖信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出每個(gè)脈沖的脈沖寬度及中心頻率，根據(jù)這兩個(gè)特征量將脈沖進(jìn)行分類，采取這種方式可以最大限度的排除干擾，得到真實(shí)局放信號(hào)的幅值會(huì)較大，檢測(cè)靈敏度好。