电力电缆局部放电全过程检测系统

电力电缆局部放电全过程检测系统张海1，王天正1，于嘉2（1.山西电力科学研究院，山西太原030001；2.华北电力大学，北京102206）收稿日期：2012-02-21，修回日期：2012-06-19作者简介：张海（1980-），男，山西榆次人，2006年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事电气设备在线检测及故障诊断工作；王天正（1965-），男，山西应县人，1987年毕业于太原理工大学电机工程专业，高级工程师，从事高电压技术研究及电气设备诊断分析工作；于嘉（1990-），女，吉林扶余人，2009级华北电力大学电气工程及其自动化专业在读。摘要：指出局部放电离线检测和在线检测两种方式各具优劣，采用离线和在线局部放电检测互相补充、结合使用的方法，实现电缆绝缘状况的全过程检测，阐述将交流谐振耐压试验技术与局部放电测量、定位和诊断技术相结合，检测电力电缆局部放电水平的方法，并对绝缘薄弱处进行定位，通过实际测试表明对电力电缆的状态检测取得了良好的应用效果。关键词：电力电缆；局部放电；全过程检测；状态检测中图分类号：TM247；TM855文献标识码：A文章编号：1671-0320（2012）04-0026-03交联聚乙烯绝缘电缆在电、热、机械外力、水、油、有机化合物等作用下会发生老化，经过一段时间的使用后，高压电缆的绝缘性能就会呈现不同程度地劣化。目前，局部放电检测公认为是一种最有效的绝缘诊断方法[1]。国内外运行经验表明，交联聚乙烯绝缘电缆局部放电现象与其绝缘状况密切相关，是定量评估电缆绝缘状况的重要指标，如电缆绝缘介质的树枝化初期，局部放电量约0.1pC；当树枝发展到介质击穿临界状态时，其局部放电量可达到1000pC[2]。电力系统带电检测技术的发展，为电缆的状态检测提供了新的方法。在线检测和离线检测互相补充、结合使用才能够更为有效地实现电力电缆局部放电全过程的检测。1电缆局部放电的产生及检测国际大电网会议调查统计表明，绝缘故障占电缆主要故障的65％以上，局部放电造成的绝缘故障占绝缘故障的58.3％以上。1.1电缆局部放电的产生局部放电是绝缘介质内部发生的局部的重复击穿和熄灭现象。这种放电发生在绝缘缺陷处，在局部放电发生的初期一般不会影响绝缘能力，但是，设备在电压作用下长期发生局部放电会慢慢损坏绝缘，缩短绝缘的使用寿命。绝缘介质发生局部放电时一般会伴随电脉冲、电磁波放射、光、热、声、噪音等现象，这些伴随局部放电存在的现象为局部放电的检测提供了依据。1.2局部放电的检测方法离线检测最基本的方法是脉冲电流法，现场离线局部放电测试，如果电缆与附件的局部放电水平与出厂测试结果相当，则表明电缆系统处于比较好的状态。在线检测主要手段有：脉冲电流法、超高频法、高频电流法、超声波法/声发射法等[3]。本文电力电缆局部放电离线、在线检测基本原理均采用脉冲电流法。脉冲电流法是IEC60270标准规定的局部放电测试方法，且为公认最灵敏的检测方法，所以，电力电缆局部放电检测广泛运用该测量方法。2电力电缆局部放电离线检测电力电缆在加压情况下发生局部放电时，两端会产生一个瞬时的电压变化，此时经过一耦合电容耦合到检测阻抗上，回路中就会产生脉冲电流，将脉冲电流流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示处理，就可测定局部放电的基本量。局部放电离线检测原理如图1所示。第4期（总第174期）山西电力No.4（Ser.174）2012年8月SHANXIELECTRICPOWERAug.201226窑窑变频电源通过频率调节导致谐振电抗器与被测电缆的分布电容产生谐振，励磁变压器用于将变频电源的额定输出电压进行预升压，谐振条件下，在被测电力电缆上可以获得输入电压数倍的试验电压，使得被测电力电缆的绝缘薄弱部位发生局部放电。阻塞阻抗和电容式分压器、耦合电容构成试验回路中的π形滤波器模块，阻塞高频局部放电信号流向变频电源所在的支路和变频电源产生的高频干扰信号流向检测阻抗所在的支路传播。电容式分压器将试验电压分压，用于试验电压的测量或反馈控制。检测过程中采用脉冲反射法对电缆长度进行测量，通过后台分析评估软件对信号的处理、分析，计算出放电信号的幅值、相位，以及脉冲序列之间的时间间隔，实现局部放电信号的测量和定位。电源干扰问题是制约局部放电现场测量精度的瓶颈，本系统采用专用的π形滤波器消除高压试验电源及局部放电信号的交叉干扰。能够有效阻塞高压试验电源产生的高频干扰信号流向检测阻抗所在的支路，而且显著降低高压电源支路对高频局部放电信号的分流，提高测量的灵敏度。目前，通过采用一系列软、硬件上的抗干扰和信号调理措施，可以检测出小于5pC的局部放电。3电力电缆局部放电在线检测若绝缘电缆本体或附件绝缘中存在缺陷，那么该点的电场场强将增强，当其超过所处绝缘介质的耐电强度时就会发生局部放电并产生500～30000kHz频率的高频脉冲信号，在电缆线路的回路中沿着电缆的屏蔽层传播。通过高频电流互感器在电缆外层屏蔽的接地线上可以耦合到放电产生的高频脉冲信号，高频电流互感器与高压回路采用磁耦合，没有物理电路的连接，检测安全程度较高，对电缆的传输性能无影响，检测脉冲电流信号不失真。局部放电在线检测原理如图2所示。图2局部放电在线检测原理图高频电流传感器可以卡绕在接地线之上的每个线芯上，也可以卡绕在接地线上。对带有屏蔽铠装的电缆，由于屏蔽铠装层使得放电脉冲电流的切向分量产生轴向附加磁场，可通过高频电流传感器线圈中净磁通的大小判断局部放电量。采用这种方法测量对电缆的传输性能无影响，能测到不失真的脉冲信号。高频电流传感器对低频分量不灵敏，配合噪声传感器阀值控制技术可有效控制高频干扰信号。4电力电缆局部放电全过程监测电缆状态的全过程监测可分为交接、运行和停电诊断性试验三个阶段。在电缆交接试验时，采用离线检测系统配合交流耐压试验进行绝缘状态评估，如果发现局部放电存在则立即进行局部放电分析，进行局部放电故障类型识别和故障点定位，根据故障情况采取相应的替换或维修措施；若电缆通过交流耐压试验且未发现局部放电现象，则可投入运行。在电力电缆运行阶段，利用在线检测系统进行快速巡检，如发现局部放电量但还未超过标准值，则需对此电缆密切关注，缩短检测周期；当发现局部放电量已经严重超过标准值，需进行有计划停电检修时，利用离线检测系统确定电缆绝缘薄弱环节，如果未发现局部放电，则按照正常情况定期巡检。图1局部放电离线检测原理图谐振电抗器变频电源阻塞阻抗近端电力电缆远端励磁变压器电容式分压器耦合电容检测阻抗信号调理电路显示终端A/D数据采集装置近端远端信号调理电路局部放电测量装置高频电流传感器2012年8月张海，等：电力电缆局部放电全过程监测系统27窑窑WholeProcessDetectingSystemofPowerCablePartialDischargeZHANGHai1，WANGTian-zheng1，YuJia2（1.ShanxiElectricPowerResearchInstitute，Taiyuan，Shanxi030001，China；2.NorthChinaElectricPowerVuniversity，Beijing102206，China）Abstract:Off-linepartialdischargedetectionandon-linedetectionhavetheiradvantagesanddisadvantagesrespectively.Thispaperadoptsthedetectingmethodsofbothoff-lineandon-linepartialdischargetorealizewholeprocessdetectingofpowercablestate.ThemethodcombinesACresonantwithstandvoltagetesttechniqueswithpartialdischargemeasurement,positioninganddiagnostictechniques，basedonwhich,thelevelofpartialdischargeofpowercablecanbedetectedandthevulnerableinsulationareascanbepositioned.Accordingtoactualdetection，thetechniquehasagoodeffectonstatedetectionofpowercable.Keywords:powercable；partialdischarge；wholeprocessdetecting；stateinspection在电缆停电诊断性试验阶段，可通过离线系统配合交流耐压试验检测电力电缆的绝缘状态，定位和替换电缆绝缘的老化点，提高检修工作的针对性，确保电缆继续可靠运行。5电力电缆局部放电评估系统通过系统检测回来的局部放电信号，需经过后台评估系统的处理。后台评估系统完成试验过程的监测，测量数据的存储、分析和处理，数据文件的管理，测量报表生成等。评估系统充分考虑了国内用户开展电力电缆交接和预防试验的实际做法和需求，将交流谐振试验、局部放电检测和故障定位整合在一起。5.1试验电压波形的实时监测试验过程状态参数电压、频率、试验时间等的实时监控；起始电压与熄灭电压测量，记录局部放电达到超过和低于规定限值时的试验电压。5.2局部放电信号的检测与分析局部放电信号的幅值、相位与次数测量，可以通过局部放电的多维图谱显示，例如极坐标图Polar、Sine-Phase、N-Phase、Q-Phase以及N-Q-Phase等。5.3现场自动诊断和评估为了解决局部放电现场测量常见的“测量和诊断”体系分离问题，提高现场工作人员对局部放电数据的分析能力，系统后台软件还对局部放电测量数据特征值进行了实时统计，并采用高级智能算法，结合专家知识库对电缆绝缘状况进行有效地诊断和评估，直接为工作人员提供建设性的指导意见。图3清晰表明局部放电主要发生在0～90℃相位和180～270℃相位，且发生在180～270℃相位的局部放电幅值较高，较为频繁。另外，在测试结果的各类图谱中，可以利用三维图谱将每周波的局部放电情况表现出来，通过统计和图谱显示形成“指纹”，有利于对电缆局部放电类型做出判断。6结论通过局部放电测量技术实现对电缆绝缘状态的定量评估和诊断，弥补传统耐压试验技术仅能对电缆绝缘性能进行定性评估的不足，通过行波定位技术确认电缆的绝缘薄弱环节，同时，定期对电力电缆进行带电检测，通过后台评估系统对局部放电信号进行处理并分析。综合离线和在线检测结果，得到全面完善的电力电缆状态评价报告，为电力电缆的有计划更换和现场检修提供指导。参考文献：［1］韦永忠，沈海平.电力电缆局部放电带电检测技术及其应用［J］.科技创新导报，2011（1）：61-62.［2］陆志雄，沈谅平.XLPE电力电缆局部放电检测技术综述［J］.湖北电力，2004，28（4）：26-28.［3］孙波，黄成军.电力电缆局部放电检测技术的探讨［J］.电线电缆，2009（3）：38-40.图3电力电缆局部放电正弦图谱山西电力2012年第4期28窑窑