电缆振荡波检测技术

电缆振荡波检测技术2018年05月状态检测技术部-2-随着供电水平要求的提高，在电力电缆用量迅速增长的同时，由于电缆故障导致供电公事故问题也日益增多，电缆需求量与相对较高的故障率之间的矛盾日益突出。电缆故障导致大规模停电严重危急到工业生产及用户日常生活，现在已从以前粗放式的巡检和故障抢修模式，逐渐升级为对电力设备的状态监测模式，即通过在线或离线监测的方式，发现电力设备的缺陷，提前对潜在缺陷进行检修和维护，达到未雨绸缪的效果。什么是局部放电（PartialDischarge)?局部放电是指高压设备中的绝缘介质在高电场强度作用下，发生在电极之间的未贯穿的放电。这种放电只存在于绝缘的局部位置，而不会立即形成贯穿性通道，称为局部放电。它是广泛存在的现象。引言安全隐患！-3-目录一、电缆状态检测的意义二、振荡波检测技术概述三、振荡波检测技术基本原理四、振荡波检测及诊断方法五、振荡波检测案例分析-4-电力电缆中的损伤及故障源一、电缆状态检测的意义—电力电缆中的损伤及故障源-5-局放产生的原因－XLPE电缆一、电缆状态检测的意义—XLPE电缆局放产生的原因分层/层状缺陷半导电层突起杂质（导体；非导体）倒置水树空洞（微孔洞）-6-XLPE电缆老化起因于气隙、杂质、凸起毛刺等缺陷，这些缺陷再加上电场、热、机械力、环境（水的供给）等老化因素，就会出现局部放电、水树枝等现象，最终导致电树枝的发生,严重时会导致绝缘击穿。一、电缆状态检测的意义—绝缘老化的表现形式-7-一、电缆状态检测的意义—水树与电树XLPE绝缘电力电缆本体在制造过程中不可避免地存在微观制造质量缺陷，如微孔、杂质及电力电缆在运输、敷设、安装和运行过程中诸如主绝缘和外护套机械应力损伤、终端和中间接头安装质量、现场施工环境条件和员工技术素质控制等不利因素，随着水分缓慢浸入(吸附、扩散和迁移)，XLPE电缆介质在电场、水分和杂质等绝缘缺陷的协同作用下，逐步产生树枝状早期劣化。当树枝状劣化贯穿介质或转变成电树枝，将导致电力电缆线路的电缆本体或附件发生试验击穿或运行击穿故障。水树并不产生局放！！只有当一个电树在水树顶端发展时才会有局放产生。电树会导致绝缘在运行条件下很快（几周或几月内）击穿。-8-局放产生位置一、电缆状态检测的意义—电缆局放产生的位置16133165183PILCXLPE主绝缘终端头中间头-9-电缆检测方法振荡波DAC超低频VLFDC耐压AC耐压一、电缆状态检测的意义—电缆检测方法-10-振荡波通常是指频率在20Hz～800Hz范围内的衰减振荡电压（Oscillatingwaveform或DampingACVoltage）。使用振荡波电压替代工频交流电压对设备进行检测的技术统称为振荡波检测技术，该技术主要应用于电力电缆的耐压、介质损耗及局部放电等测试。由于振荡波检测仪器集成度高、测试接线及操作简单、功耗较小、整体轻便，并且一次加压可同时完成电缆局部放电的测试和介质损耗因数的测量，相对于工频交流电压测试具有明显优势，因此，近年来振荡波检测技术得到了迅速的发展。1988年，荷兰第一次应用振荡波法对电缆进行了实验测试。1990年，首次应用振荡波法在长电缆上进行了测试。2004年，美国、日本和新加坡等国陆续开始使用该技术进行电缆局部放电测试。随着高速电力电子开关等关键技术的发展，输出电压为250kV的振荡波检测仪器研制成功，满足了220kV电缆的测试需求。2007年，振荡波测试与工频交流电压测试的等效性在试验及理论分析中得到了验证，为振荡波检测技术的进一步发展奠定了重要的理论基础。2008年，输出电压为350kV的振荡波检测仪器研制成功，可以满足500kV高压电缆的测试需求。同年，北京市电力公司等国内电力企业开始引进该技术用于10kV电缆的局部放电测试。二、振荡波检测技术概述—发展历程-11-振荡波检测方法是基于LC阻尼振荡原理对被测电缆施加近似的工频正弦电压，即在近似电缆运行状态下完成电缆的局部放电测试，其结果与工频电压下的局部放电测试高度等效，符合相关IEC及国家标准。振荡波检测方法可以有效检测10kV及以上交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆和油纸绝缘（PILC）电缆的本体、终端和中间接头部位发生的各类局部放电缺陷，能有效发现由于生产质量、安装工艺和运行环境造成的主绝缘层、半导电层和屏蔽层等多种缺陷，因此可以有效减少由于电缆突发性击穿故障造成的意外停电事故。振荡波检测法的主要优点包括：（1）相比于工频交流电压下的局部放电测试，振荡波检测仪器为加压和测试一体化装置，具有系统容量小、接线及测试操作简单、仪器重量轻、移动搬运方便等优势。（2）振荡波测试时，一次加压过程持续时间仅为几百毫秒，不会对电缆造成损害，因此振荡波检测方法属于无损检测。（3）由于采用振荡波法测试时没有使用额外的高压电源，所以从根本上避免了系统内部高压电源产生的局部放电干扰。（4）振荡波局部放电的测试结果为确切的局部放电量，因此可准确评估电缆局部放电缺陷的严重程度。二、振荡波检测技术概述—技术特点-12-上世纪80年代，振荡波检测技术首次应用于电缆的局部放电测试，目前已在德国、日本、新加坡、中国等60多个国家的大中型城市的高低压电缆线路中广泛应用。2008年，北京市电力公司为加强奥运保电工作，借鉴新加坡国家能源公司的经验，引进10kV电缆振荡波检测仪器投入奥运保电工作，对北京地区主要的配电网电缆开展了振荡波测试，保证了奥运期间的供电安全。2009年，广东电网公司为提高亚运会供电可靠性，借鉴北京市电力公司奥运保电的成功经验，引进了10kV振荡波电缆局部放电检测与定位系统。2011年深圳供电局利用250kV振荡波测试设备对3回220kV及14回110KvXLPE电缆线路进行了高压振荡波检测试验。目前，国家电网公司已将电缆振荡波局部放电检测技术加入QGDW1643—2015《配网设备状态检修试验规程》中。近年来，随着电缆振荡波局部放电检测技术的全面开展，国家有关部门已将10kV电缆振荡波局部放电检测项目纳入2016年国家能源局发布的《20kV及以下配电工程预算定额（第四册—电缆工程）》和《北京市建设工程预算定额（2013版）》指导手册中，为电缆振荡波局部放电检测技术的广泛应用奠定了基础。二、振荡波检测技术概述—应用状况-13-电力电缆由于其电容量大，很难在现场进行工频电压下的局部放电检测。过去充油电缆采用直流试验，可以大大降低电源的要求。但对于XLPE电力电缆，由于其绝缘电阻较高，且在交流和直流电压作用下的电压分布差别较大，直流耐压试验后，在电缆本体和缺陷处会残留大量的空间电荷，电缆投运后，这些空间电荷极容易造成电缆的绝缘击穿事故。而采用超低频（0.1Hz）电源进行试验，其测试时间较长，对电缆绝缘损伤较大，并可能引发新的电缆缺陷。振荡波检测电源产生的基本原理是：首先由整流元件将AC220V的交流电转换成所需的直流电，然后对直流电压幅值进行调整，最后对输出直流电压进行滤波和稳压调整，以确保输出精度和稳定性。实际检测时，根据测试加压的幅值要求，通过调整直流电压幅值和控制直流电源对被测电缆的充电时间来控制所产生振荡波的幅值，振荡波频率通过串入的空心电抗器进行调节，振荡波的衰减阻尼系数由电缆等效电容和空心电抗器确定。三、振荡波检测技术基本原理—振荡波检测的电源技术-14-局部放电源定位技术即是在振荡波加压测试过程中，利用检测到的脉冲时差、电缆全长和脉冲在不同绝缘类型电缆中的传播速度计算出局部放电脉冲的产生位置。首先利用脉冲测距仪向电缆注入低压脉冲，该脉冲经过电缆末端断路点形成反射波，通过计算反射脉冲与发射脉冲的时间差得到电缆全长。其次，利用局部放电信号脉冲时域反射法（TDR）对局部放电源进行定位，定位的原理如下图所示，振荡波局部放电检测仪器通过对电力电缆加压诱发缺陷部位产生局部放电，同一局部放电脉冲同时向电缆两端传播，其中一个脉冲波直接传播到仪器接收端，称为入射波，另一个脉冲波经过电缆对端反射后传回仪器接收端，称为反射波，利用入射波和反射波到达的时间差、脉冲传播速度和电缆长度计算得到局部放电缺陷的精确位置。三、振荡波检测技术基本原理—振荡波检测的定位技术D2Q2Qxlxl2Q2QtkCAZ-15-其中，Ck为高压电容，ZA为检测阻抗。设t0时刻，在电缆x处发生放电，产生的两个脉冲波沿电缆反向传播，t1时刻第一个脉冲波到达测试仪，第二个脉冲波经电缆对端反射后在t2时刻到达测试仪，如图3所示。由于电缆中脉冲的传播速度对于确定电缆绝缘类型是已知的常数，因此可以算出放电点距离测试端的距离。（1）（2）（3）其中l为电缆长度，v为脉冲波在电缆中的速度。电缆振荡波局部放电检测仪器采用该原理对电力电缆局部放电源进行定位。三、振荡波检测技术基本原理—振荡波检测的定位技术2()lxltv212()lxtttv2vtxl-16-振荡波局部放电检测仪器原理如图所示。被试电缆线芯的一端接高压直流源的高压输出端，另一端悬空，电缆屏蔽层接地。测试时，高压直流电源通过一个电感对被测电缆充电，高压电子开关并联在高压直流源两端，从0V开始逐渐升压，当所加电压达到预设值时闭合高压电子开关，同时直流源退出整个回路，被测电缆和电感形成LC阻尼振荡回路，产生振荡波电压，并以此振荡波电压信号来激发出电缆绝缘缺陷处的局部放电。测量回路分两路，一路为阻容分压器，用来测量振荡波电压信号；另一路为局部放电耦合单元，局部放电信号经放大器、滤波器放大、滤波后传给信号采集卡，信号采集卡与计算机通过信号电缆连接，测试人员通过计算机进行数据采集与分析。振荡波局部放电检测仪器的关键参数包括输出电压、充电电流及波形匹配算法等。其中输出电压及充电电流参数均是越大越好。对于10kV电缆检测，其振荡波局部放电检测仪器的输出电压要高于28kV，充电电流要大于6mA。对于110kV电缆检测，其振荡波局部放电检测仪器的输出电压要高于190kV，充电电流要大于20mA。三、振荡波检测技术基本原理—振荡波检测的定位技术-17-35kV及以下配电电缆检测步骤：（一）被试电缆已停电，具备试验条件（被试相终端应有足够的安全距离，其它相应可靠接地）。（二）将电缆接地并充分放电。（三）测量电缆三相绝缘电阻，做好记录，被测电缆绝缘电阻应不小于30MΩ。（四）使用时域脉冲反射仪测量电缆长度及电缆接头位置。（五）进行振荡波检测仪器接线，确认无误后，启动系统，输入电缆基本信息。（六）局放校准：（1）校准前，要检验校准仪的电量是否充足，校准仪标定脉冲的频率设置是否正确。（2）校准仪信号输出线正极接电缆导体，负极接电缆屏蔽接地线，保证校准信号线与电缆终端连接可靠。（3）对于三芯电缆，校准其中一相即可，单芯电缆则应各相单独校准，校准时由高到低从100nC到100pC依次校准，当某一量程由于衰减或干扰校准失败时，停止后面较低量程的校准。（4）校准时必须保证入射波波峰达到当前量程的80%，否则将造成实际测试放电量出现偏差。（5）校准过程要注意仪器显示的电缆波速，当波速偏差较大时（XLPE电缆波速为165-175m/us，油纸电缆波速为150-160m/us），应从新进行电缆长度的测量。（七）加压测试，分别对三相电缆按下表顺序和要求进行测试并保存数据。（1）要根据每档电压作用下仪器检测的电缆局部放电水平选择合适量程。量程选择过大，会导致检测结果偏大；量程选择过小，局部放电脉冲幅值超量程会导致定位分析过程中丢失部分脉冲信息，影响分析结果。（2）在第一次出现局部放电信号的电压下保存起始放电电压，在最高测试电压（新电缆为2U0）下选择并保存熄灭放电电压。四、振荡波检测及诊断方法—检测方法-18-（八）测量电缆三相绝缘电阻，做好记录。（九）恢复电缆和检测仪器到试验前状态。（十）做好测量数据记录，并出具检测报告。四、振荡波检测及诊断方法—检测方法电压等级（×U0）加压次数测试目的新投运已投运01次1次测量环境背景局部放电水平0.51次1次1、测试局部放电起始电压2、测试电缆在U0电压下的局部放电情况3、电缆在1