電力電纜局部放電在線檢測技術

摘要：本文簡要介紹了電力電纜局部放電在線檢測技術，根據(jù)放電脈沖的波形特征有效識別電纜局放信號，利用放電電流計算放電量。闡述了電纜局部放電點的雙端定位方法，使用同步收發(fā)儀檢測微小的局放脈沖信號，進行放大處理，再注入到被測電纜中，解決電纜局放點難于定位的問題。引入英國電纜局放在線檢測及定位的實例及經驗，供使用單位參考。

關鍵詞：局部放電　在線檢測　定位　同步收發(fā)儀

0　引言

1 電力電纜局部放電量的在線測量

局部放電檢測越來越被看作是一種最有效的絕緣診斷方法，在線檢測應用中更是如此，目的是觀察和研究局部放電引起的絕緣老化問題。電纜發(fā)生局部放電時，引起局部放電的空穴形成實阻抗，這是電纜的浪涌阻抗，在開始時是純阻性的。其產生的脈沖基本上是單極性脈沖，上升時間很短，并且脈沖寬度也很窄。脈沖從產生的位置向外傳播，由于在電纜中傳播時的衰減和散射，當?shù)竭_測量點時，脈寬增加，幅值減小。一般情況下，在測量時能檢測到比較好的脈沖波形，其保留了很多與源波形相同的特性。圖１顯示了一段典型的電纜局放脈沖波形，其上升時間以及脈沖特性可以通過計算機生成的光標測量。
 

圖1 電纜中的局部放電脈沖波形（顯示了計算機生成的光標）

如果上升時間和脈沖寬度在電纜局部放電脈沖的通常范圍內，那么就可以把該脈沖看成是電纜局部放電。一般來說，電纜局部放電的上升時間在50ns到1s之間，而脈寬小于2s。實際上，對于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜來說，其對應值會比這小些。這是由于XLPE電纜的損耗和散射比較小的緣故。脈沖的上升時間和脈寬取決于電纜端部的脈沖波形，也取決于檢測電路。然而，這種使用上升時間和脈沖寬度來檢測脈沖位置的簡單方法并不非常適用。由于檢測電路的不確定性，同樣使得上升時間和脈沖寬度隨之變化，例如當其包含一個大電感時，脈沖的上升時間就會遲緩，并且脈沖寬度也會變大。然而，在脈沖的起始位置，上升時間卻是一個很有價值的特征量。對于利用高頻電流傳感器（HFCT）的在線局部放電檢測，其檢測電路通常有較大的帶寬（>20MHz），這種簡單的定位方法還是能得到較為滿意的測量結果的。
 
圖2高頻電流傳感器檢測33kV電纜局部放電（箭頭所指為高頻電流傳感器） 

圖2所示為用于33kV XLPE電纜檢測的電流傳感器，傳感器可以夾繞在接地線之上的每個線芯上，也可以將電流傳感器夾繞在接地線上。局部放電脈沖沿電纜傳至終端，在導體上它們的極性相同，在屏蔽上相反，關鍵的問題是能在接地線或導體電流兩者之間截取其中一個。實際上，這兩個信號很相似，但它們在兩個測量點之間的噪音成分卻有所不同。
 
圖3 電纜脈沖上升時間分布
圖3所示為33kV紙絕緣電纜的在線檢測結果，從圖中我們可以看到，電纜的主要上升時間集中在200ns附近。被測電纜長度為2km左右，所有脈沖全部取自于1600m處的一個中間接頭。從圖中顯示的電纜上升時間的分布情況看，各上升時間之間還存在著寬度不等的空白區(qū)。理論上，可根據(jù)圖3畫出上升時間的曲線圖，縱坐標以米為單位，假定局部放電脈沖上升時間和脈沖在電纜中的傳播距離之間存在函數(shù)關系。實際上，這種關系也是比較容易建立的，它取決于電纜的類型，而問題的關鍵就在于電纜終端的測量電路的阻抗是不確定的。如前面所述，當檢測電路的阻抗中含有大的感抗時，脈沖的上升時間主要取決于檢測電路的阻抗而不是局部放電脈沖的傳播距離。在這種情況下，脈沖上升時間和傳播距離之間的關系就無法建立。
利用局部放電脈沖波形檢測局放的最大優(yōu)勢就在于：可以幾乎不用考慮因脈沖在電纜中傳播的衰減而造成的測量誤差，尤其是對于衰減很大的紙絕緣電纜。局部放電脈沖在電纜上傳播一段距離以后幅值很快就會衰減10到20倍。如果脈沖峰值衰減到原來的1/20，那么離測量點比較遠的局部放電事件就會顯得很微弱，難以發(fā)現(xiàn)。利用放電脈沖波形，測量局部放電電流下的面積，就可以對幅值進行測量，并且它受信號衰減的影響小得多，放電量則可通過放電電流的積分求得，如下式：
 
式中的“const”是電流轉換為電壓的系數(shù)。此式已考慮了電流互感器的傳輸阻抗，電纜阻抗以及放大器增益等因素。通過這種方法測量放電量以后，乘以一個修正因數(shù)并假設檢測阻抗為電纜的浪涌阻抗，就可以以皮庫（pC）為單位測量局部放電的幅值。實際應用中，在電纜中部接頭處的地線上測量時，浪涌阻抗和實際的浪涌阻抗很接近，而端部浪涌阻抗的波動一般在20％以下。例如對整體浸漬不滴流（MIND）11kV紙絕緣電纜，在3km處測量，用上面的公式測量時幅值僅衰減了3倍，而直接測量時幅值衰減了15倍。這就說明，這種方法對任何電纜的在線局部放電測量，都可以以皮庫為單位表示，而不需要標定。
 

2 電纜局部放電單端定位法
在檢測到電纜局放時，如果能對局部放電源進行定位，那么局部放電活動測量的實效性就會大大提高。當局部放電發(fā)生時，局放脈沖從放電點向電纜兩側傳播（平均速度約150-160m/μs）。首先到達測量端的脈沖是直接向該方向傳播的脈沖（直達脈沖），而完成局部放電定位，還要測量向反方向傳播后被反射回來的脈沖（反射脈沖），如圖4所示：
 
圖4：“單端”電纜局部放電定位方法

理想狀態(tài)下，如果直達脈沖和反射脈沖都能被識別，就可很容易地確定局部放電位置。即計算兩個脈沖的時間差（ΔT），就可確定局部放電位置。但在實際應用中，使用這種簡單的單端測量方法，很難實現(xiàn)局放點的定位。這是由于反射的脈沖太弱，或存在其它反射脈沖、噪音以及波形失真帶來的干擾。因此，如果第二個脈沖（反射脈沖）能夠明顯強于噪音信號，定位就會容易得多。
        
3 利用同步收發(fā)儀進行電纜局部放電雙端定位

在電纜局放定位過程中使用同步收發(fā)儀，為高壓電纜局部放電的定位提供了一種更準確和可靠的方法，可以克服單端定位的許多問題，如：
• 長電纜的信號衰減過大，會降低反射脈沖的大小，從而導致反射脈沖淹沒在“背景噪音”中。
• 存在諸如來自饋線電動機噪音的干擾，局放波形難以讀取。
• T形連接的電纜或帶接頭的電纜會導致衰減和反射。
• 環(huán)網(wǎng)柜中的其它電纜會導致信號衰減和（部分）脈沖反射。
• 電纜遠端阻抗沒有明顯變化。
在測量時，為了增強反射脈沖，使之能夠從背景噪音中突顯出來，可以使用同步收發(fā)儀。如圖4所示，該儀器包括一套放電觸發(fā)單元和一個脈沖發(fā)生器，其基本工作原理是利用放電觸發(fā)單元探測到一個小的脈沖后，再利用脈沖發(fā)生器注入一個很大的脈沖，這樣便可確保在電纜的測量端能夠檢測到一個“反射”的脈沖。
 
圖4 同步收發(fā)儀的觸發(fā)單元和脈沖發(fā)生器

圖 5 利用同步收發(fā)儀定位電纜局放示意圖
 

圖5所示為使用同步收發(fā)儀進行電纜局放定位的示意圖，這里利用高頻電流傳感器作為探測和發(fā)射傳感器，此系統(tǒng)可用于5km長的電纜。當觸發(fā)器在上升邊沿觸發(fā)時，設備的精密度決定了局部放電脈沖上升時間的精度。

圖6有無同步收發(fā)儀定位局放脈沖的效果
 

圖6所示分別為使用和不使用同步收發(fā)儀兩種情況下進行電纜局部放電定位的結果。圖中，使用同步收發(fā)儀時，定位的結果是：局部放電發(fā)生的地方比較靠近測量端，可以明顯地看到很大的同步脈沖。這里電纜的長度為750米左右。
用于局部放電定位的同步收發(fā)儀由電池供電，從而使得在電纜遠端沒有主電源的情況下，仍可以定位局放，在現(xiàn)場非常適用。這種定位方法非常簡單，只要局部放電脈沖清晰，且使用同步收發(fā)儀時方法規(guī)范，定位結果就會清晰明確。

4 電纜局放定位英國應用案例分析

本例中，局部放電定位采用OSM Longshot系統(tǒng)，使用同步收發(fā)儀進行局放點的定位，并通過PDMap©軟件做數(shù)據(jù)分析。
英國配電公司，一次（132kV/33kV）變電站擁有一套IPEC公司OSM-F64固定式局放檢測儀，安裝于2002年7月。鑒于其中的14個開關柜及其饋線電纜在系統(tǒng)中所處的重要位置，并且需要向曼徹斯特聯(lián)邦運動會提供電力，因此使用上述儀器對其進行了連續(xù)的監(jiān)測。在2003年4月29日，OSM監(jiān)視器向客戶和IPEC公司發(fā)出了一個預警：在皇后公園/東地球場電路中存在過量的局放活動。IPEC公司的工程技術人員使用OSM Longshot©局放現(xiàn)場測試儀如圖7所示，對現(xiàn)場進行了檢查，通過測試證實了被懷疑的電路中存在高等級的放電現(xiàn)象，并使用PDMap©軟件和便攜式同步收發(fā)儀進行了檢測，從而查出放電的源頭。
 

圖7：OSM-Longshot 電纜局部放電在線檢測系統(tǒng)

從檢測到放電的線路圖8上看，一條T形電纜分別與皇后公園變電站和東地球場變電站的兩個變壓器相連。為了定位放電源的位置，需要使用PD Map©在線定位系統(tǒng)軟件。連接有HFCT傳感器的便攜式收發(fā)儀被放置在斯圖亞特大街（Stuart St）變電站皇后公園的電纜上。檢測系統(tǒng)被設置為檢測到放電信號時，便向接地線發(fā)射一個大的（100V）高頻脈沖。通過測量收發(fā)儀信號和其來自電纜遠端反射信號之間的時間差，電纜的長度得以確定，并可根據(jù)客戶提供的電纜路徑圖對電纜的長度進行核對。然后分別在遠處皇后公園和東地球場端，使用HFCT傳感器再次進行測試，測量放電信號和接地線中收發(fā)儀信號之間的時間間隔。隨之，在與皇后公園連接的那條電纜上檢測到了2個放電點，且兩個點都在電纜的紅相上。

圖 8 皇后公園電纜上的放電點
 

利用PD Map©軟件對測試結果進行分析，如圖9所示。所測的局放量峰值分別約為6,000 pC和9,000 pC。這里需要注意的是，由于電纜的浪涌阻抗，在沿電纜傳播的過程中，放電量會有所衰減。 
 
圖 9  在Stuart St變電站的局放測量

這兩個點的局放測試波形如圖10和圖11所示。
圖中顯示的兩個放電點的位置如下：
第一個點位于距Stuart St變電站58.4%處（約 1564米）。
第二個點位于距Stuart St變電站 62.8% 處（約 1681米）。
 
圖 10  在線局放測試波形（位于距Stuart St變電站端58.4%處）
 
圖 11在線局放測試波形（位于距Stuart St變電站端62.8%處）

將測試結果與電纜路徑圖進行核對，放電位置分別與距Stuart St變電站1575米的三叉接頭（SJ8699/27）和1695米的三叉接頭（SJ8699/18）相對應。
使用這項技術進行局放定位的測試精度約為電纜長度的1%。在該案例中進行的測試，數(shù)據(jù)是從電路的兩端獲取的，所以測試精度優(yōu)于1%，定位的精確度分別大約是電纜長度的0.4%和0.7%。
雖然測試是在Stuart St變電站電纜的接地線上進行的，但是在電纜的紅相上得到了最大的信號。
在2003年6月26日，對上述兩個放電點之間的接頭和電纜進行了更換。7月4日，又在Stuart St變電站進行了進一步的局放試驗，結果顯示局放活動已經消除。

5 結束語

狀態(tài)檢修是設備檢修的發(fā)展方向，而在線檢測又是其中的主要手段。本文介紹了電纜局部放電在線檢測方法，該方法使用的算法簡單，在實際應用中可靠性高。保留了傳統(tǒng)的對局部放電活動進行的峰值測量、計數(shù)和分布等方法。新的脈沖識別能力極大提高了局部放電數(shù)據(jù)的記錄質量，特別是在線檢測時尤其明顯。本文重點介紹了一種利用安置于電纜遠端的同步收發(fā)儀進行的局放定位方法，它能夠有效地定位電纜上的局部放電點。這種方法對通過波形分析難以得到定位數(shù)據(jù)的在線局部放電檢測，非常適用。

參考文獻

1  楊凌輝 黃華 高凱 李龍《輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)的評價和選用》 2007年全國輸變電設備狀態(tài)檢修技術交流研討會論文集。
2. 羅軍川 張星?！峨姎庠O備狀態(tài)評估與維修策略》 2007年全國輸變電設備狀態(tài)檢修技術交流研討會論文集。
3. Michel, M., “Comparison of Off-line and On-line partial discharge MV cable mapping techniques”, CIRED, Turin, June 2005– Conf. Proc..
4. Renforth, L., “An Integrated approach to on-line pd monitoring and diagnosis of MV plant condition as a pre-maintenance tool” , CIRED, Barcelona, June 2003– Conf. Proc
5. Mackinlay, R., “Advanced Condition Based Assessment of medium and high voltage electrical systems without requiring an outage NETA  Conference, New Orléans, USA, March 2005 – Conf. Proc..