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高壓交流電纜附件的局放測試檢驗
時間:2021-06-24 14:38:59 點擊次數(shù):693

高壓電纜附件是輸電系統(tǒng)的重要組成部分,其質量問題關系到電網(wǎng)的安全運行。一旦電纜設備出現(xiàn)故障,將會造成巨大損失。因此,對電纜進行狀態(tài)監(jiān)測意義重大。局放量檢測是目前最為常用的狀態(tài)監(jiān)測手段。本文討論了局放的基本原理以及各種典型局放缺陷,對比了不同電纜局放檢測方法的優(yōu)劣。


什么是局部放電?

局部放電是發(fā)生在設備絕緣內部,未貫通高低壓電極的放電現(xiàn)象,會造成絕緣劣化,最終導致電纜壽命縮短。傳統(tǒng)的油浸紙絕緣電纜,局放對其絕緣性能影響較小,而對于固體絕緣電纜,如XLPE(交聯(lián)聚乙烯)或者硅橡膠電纜,局放會對其絕緣造成永久性損傷,導致絕緣性能下降。圖1展示了局放模型與等效電路。在生產或安裝過程中,電纜絕緣內部存在缺陷,如固體絕緣的空隙(void),液體絕緣的氣泡,或電場不均勻處。將空隙等效為電容c1,空隙的上層以及下層的絕緣材質等效為c2,臨近部分的完好絕緣等效為c3。我們可以獲得局放電路的等效模型。局放通常發(fā)生在絕緣內部,而且等效電容c1、c2以及c3無法被測量,因此,局放檢測屬于非直接測量手段。


等效電路的電壓與電流波形如圖2所示。電壓UP(t)為施加在主絕緣上的系統(tǒng)電壓,U10(t)為空隙上的電壓。當U10電壓升高到空隙的擊穿電壓UZ時,空隙擊穿,C1兩端電壓下降,空隙絕緣恢復,同時C2被充電,當U10高于擊穿電壓Uz時,以上過程重復發(fā)生。而每次局放時,都將會在絕緣泄漏電流上疊加一個小的脈沖放電,如圖2所示。通過檢測放電脈沖發(fā)生的位置、時間以及幅值,我們可以對設備的絕緣運行狀況進行評價。


不同頻率下的局放
不同頻率以及電壓波形下局放的測量方法基本一致,因此,除了在工頻電壓下測量電纜局部放電外,還可以采用現(xiàn)場試驗的方法,在電纜上施加不同波形頻率的電壓,對電纜進行局放試驗。

由于直流電壓對于電纜絕緣的破壞作用較大,因此不建議在直流電壓下測量電纜局放,本文也不對其進行討論。
工頻電壓下的測量技術

目前普遍認為,50Hz電壓下的局放試驗是應用最為廣泛的局放測量方法,最為主要的原因是運行電壓頻率為50Hz,局放測量結果與實際最為接近。然而,輸電電纜線路長度較長,對實驗設備的容量要求較高。圖3為工頻電壓下局放測試試驗布置圖。分為變壓器、分壓器以及被試電纜三部分。

20至300Hz下的諧振測量方法
圖4為諧振頻率下的局放試驗布置示意圖,與工頻電壓下的布置基本一致。根據(jù)IEC62067(≥245kV)與IEC60840(<245kV)標準,電纜的試驗頻率范圍為20至300Hz。試驗布置采用串聯(lián)諧振的方法,試驗頻率如下所示。

上式中,c為電纜的等效電容量,L為串聯(lián)電纜。由于串聯(lián)諧振的特性,其對變壓器的容量要求遠小于工頻電壓。此外,通過調整電感數(shù)值的大小,可以匹配不同長度、型號的電纜。


0.1Hz超低頻試驗技術
IEC60060規(guī)定,0.1Hz的電纜局放試驗波形,可以采用正弦波或方波。由于電壓頻率較低,電纜的充電效應大大減弱,試驗電源的容量也隨之減小(工頻下的1/500)。相同時間下超低頻試驗電壓過零次數(shù)遠小于50Hz工頻試驗,因此其局放重復次數(shù)要小于工頻試驗,通常不能采用局放重復次數(shù)來評價電纜或附件的運行狀況。對于含有非線性電阻的電纜附件,不宜采用超低頻試驗,因為可能會對絕緣產生損傷。
振蕩波測量方法
振蕩波試驗布置如圖6所示,可以看做快速開關與諧振電路的結合。其試驗原理為,通過直流電源對電纜進行充電,在達到一定電壓后開關突然合上,此時電纜與電感形成串聯(lián)回路,電纜(大電容)中儲存的能量在電容與電感之間來回振蕩,在振蕩過程中電纜的局放量被獲取。這項技術主要應用在60kV及以下的電纜設備中,隨著技術的進步,在更高電壓設備上應用逐漸增多。
這項技術雖然采用直流電源,但充電時間較短,很快切換為振蕩波,對電纜設備損傷較小。且電源容量要求較小。缺點是振蕩時間較短,100微秒,電纜耐壓時間不夠。因此,這項技術主要用用于電纜絕緣狀況診斷,而不適合投運試驗。高壓電纜附件上的典型試驗結果

本節(jié)展示了戶外電纜終端的缺陷局放試驗結果,某些特性同樣適用于中間接頭等其他形式的電纜附件。試驗采用50Hz電壓,在一定條件下也適用于其他頻率電壓。
電暈
屬外部產生的局放,如電場集中區(qū)域,與其他類型局放有較大的差別,可以精確地測量。由于放電發(fā)生在空氣中,電極兩端不會發(fā)生電荷累積,因此,放電主要發(fā)生在電壓的最大點,并且放電起始電壓與結束電壓是一致的。此外,當外加電壓增大時,局放時間也會增加。
當電暈起始點為高壓側時,在負半周可以檢測到局放發(fā)生,如圖7所示;當電暈發(fā)生在零電位區(qū)域時,局放發(fā)生在正半周。圖8展示了戶外終端的電暈易發(fā)生區(qū)域。導致電暈發(fā)生的主要原因有:不規(guī)范安裝、毛邊、尺寸不恰當?shù)?。一般來說,這些缺陷都是可以消除的,而且對于電纜設備的安全運行不會產生較大影響。電暈類局放主要發(fā)生在戶外終端,一般不會在中間接頭等設備上出現(xiàn)。

空隙
當局放在電壓的正負半周都能檢測到時,說明缺陷為空隙缺陷。正半周的放電量要大于負半周,如圖9所示。由于臨近電容充放電的影響,空隙局放的起始電壓與熄滅電壓并不一致,局放起始電壓要大于熄滅電壓。隨著外加電壓的升高,局放幅值保持不變,但放電頻率增加。長時間局放下,空隙絕緣性能會產生變化,比如內表面絕緣電阻改變或結構發(fā)生變化,導致局放次數(shù)發(fā)生變化。
空隙局放的典型缺陷有絕緣氣隙、混入雜質以及工藝不良等原因,其局放易發(fā)點如圖10所示。

沿面放電
沿面放電主要發(fā)生在電場切線上,放電量較其他局放形式更大。沿面放電的局放量在100 pC至1000 pC,并且總是在過零點之后出現(xiàn)。由于沿面放電閃絡距離更大,對設備的絕緣性能影響至關重要。根據(jù)局放放電相位圖(圖11),第三象限下的放電量要大于第一象限。

沿面放電主要發(fā)生在電纜終端,如圖12所示。原因主要有:安裝過程中終端內表面臟污,此時放電主要發(fā)生在電纜電場集中的應力錐處。當電纜終端進潮氣以后,在低溫下凝露會造成內表面放電。
電纜的外半導過渡處開剝不平滑也會造成電纜內部發(fā)生放電。在制作電纜接頭時應做好半導層與應力錐之間的搭接過渡。

接觸不良金具連接不良時也會導致局放的發(fā)生。金具連接點的空隙會產生電壓差,當外加電壓足夠高時會導致空隙擊穿。該種類型的局放相位圖相對于過零點是對稱的。如圖13所示。


金具連接不良造成的局放幅值遠高于其他類型局放,達到1000pC。隨著外施電壓的升高,局放幅值不會增加,但是放電頻率會隨之升高。由于該類型的放電機理不受自由電荷的影響,在正半周與負半周,局放的起始電壓與熄滅電壓是一致的。
對于電纜附件,該類型的局放高發(fā)故障點集中在金具連接處,如圖14所示。典型故障有:壓接管與導線的截面積尺寸不合,導致接觸面過小,形成局放。持續(xù)的局放會造成金具發(fā)熱,最終導致電纜接頭故障。另一個典型故障為:安裝過程中涂抹硅脂過多,導致線芯與內半導之間有一層絕緣,形成電位差。

懸浮顆粒以SF6以及N2作為絕緣介質的設備,安裝或運行中混入顆粒。改變電場分布,產生局放。該類型局放分布如圖15所示。局放幅值基本一致,集中在某幾個相位。隨著外加電壓的增高,放電幅值保持一致,但頻率增加。

懸浮顆粒局放主要發(fā)生在氣體絕緣的電纜中間接頭或終端頭中,如圖16所示。

局放分析

目前局放分析主要采用相位圖譜(phase resolved partial discharge,PRPD),一些輔助、新式的方法也在逐漸應用。比如局放監(jiān)測系統(tǒng),對設備進行持續(xù)性的監(jiān)測。由于電纜局放測試通常在運行現(xiàn)場,而非實驗室,外界噪聲干擾較大,需要采用輔助屏蔽措施。當試驗現(xiàn)場位于變電站或附近有發(fā)電機時,外界電磁干擾信號會疊加到電暈或者沿面放電局放相位圖譜上。造成局放識別困難。
為了過濾噪音干擾,硬件上采用中心頻率和檢測帶寬可調的組合帶通濾波器,濾除外部干擾。軟件上采用脈沖波形-時間序列檢測,即記錄單個局放脈沖波形機器獲取時間點(相位),基于脈沖波形特定參數(shù),對脈沖群進行無監(jiān)督的聚類分析,將脈沖群進行快速分類,將具有相似特征的局放脈沖在映射特征空間中緊聚或抱團,形成簇。從而區(qū)分局放或噪聲干擾。
總結

局放監(jiān)測是目前電纜附件狀況診斷最為有力的工具??梢灾苯訉\行中的電纜進行檢測診斷,評估其絕緣狀況,但缺點是易受外界干擾,濾波、提取波形較為困難,綜合來看,局放檢測技術仍是目前檢測電纜最優(yōu)秀的非破壞性檢測技術。