振荡波测试系统在电缆局放测试定位中的典型案例分析

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引言

     在电力系统中，判断电缆绝缘好坏的惯用测试方法是对被测电缆绝缘施加直流高压，检测直流泄漏电流的大小。但是，这种方法仅能对电缆整体绝缘情况做出诊断，无法对局部进行测试和缺陷定位。更重要的是，直流耐压试验实际上是一种破坏性试验，尤其对交联聚乙烯（XLPE）电缆，在去掉直流高压之后的一段时期内绝缘层仍旧维持着极化状态的分子排列，特别是在因老化而生成的各种树枝结构内，其分子排列更不容易恢复到施加直流高压之前的状态^[1]，经直流耐压试验测试合格的电缆，在重新投入运行后很快发生绝缘击穿事故的例子屡见不鲜。由于直流耐压试验具有加速XLPE电缆绝缘早期劣化以及大大缩短电缆运行寿命等弊端，一些电缆使用量较大的发达国家在XLPE电力电缆的预防性试验中相继推出振荡波电压试验、0.1Hz超低频电压试验和工频电压试验方法^[2]。

 

     2008年1月北京市电力公司电缆公司尝试采用振荡波法电缆局部放电定位（OWTS）测试技术对10kV电缆进行局部放电测试。在测试过程中，检测发现某路电缆有明显局放现象，本文将详细阐述该电缆处缺前后局放测试结果，试分析局放原因，并对OWTS测试、分析中的经验和技巧加以总结。

 

1 电缆局部放电原因及危害

 

    XLPE电缆在制造和接头操作过程中，绝缘层内部易出现的杂质、微孔、半导电层突起和分层缺陷，以及油纸绝缘（PILC）电缆由于负荷过大或缺油导致的绝缘材料干燥和外护套被侵蚀后引起的进水，均会引起局部放电的发生。

 

    长期的实践证明，局部放电是造成电力电缆绝缘破坏的主要原因。首先，在局部放电的过程中，电离出来的电子、正负离子在电场力的作用下具有较大的能量，当它们撞到绝缘内空气隙的绝缘壁时，足以打断绝缘材料高分子的化学键，产生裂解。其次，在放电点上，介质发热可达到很高的温度，使得绝缘材料在放电点被烧焦或熔化，温度升高还会产生热裂解或促使氧化裂解，同时温度升高会增大介质的电导和损耗，由此产生恶性循环，导致绝缘体破坏。第三，在局部放电过程中会产生许多活性生成物，这些生成物会腐蚀绝缘体，使得介质性能劣化。第四，局部放电有可能产生X射线和Y射线，这两种射线具有较高的能量，促使高分子裂解。除此之外，连续爆破性的放电以及放电产生的高压气体都会使绝缘体产生微裂，从而发展成电树枝^[1]。局部放电起始时只跨越绝缘间的一部分，但会不断地破坏绝缘材料，最终导致绝缘击穿。

 

    电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘存在着可能危及电缆安全运行的缺陷。因此，国内外许多专家、学者及一些国际电力权威机构一致推荐局部放电试验为绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法，并作为及时发现电缆故障隐患、预测电缆运行寿命、保障电缆安全可靠运行的重要手段。

 

2 OWTS系统原理

    OWTS系统的高压发生和测试原理电路如图1所示。直流电源首先对电容充电，之后闭合IGBT高压开关，通过设备电感与被测电缆电容发生谐振，在被测电缆端产生阻尼振荡电压。

 

图1 OWTS系统原理电路图

 

    系统采用脉冲反射法进行局部放电定位，原理示意如图2所示。测试一条长度为的电缆，假设在距测试端处发生局部放电，脉冲沿电缆向两个相反方向传播，其中一个脉冲（为方便起见，本文中称为“入射波”）经过时间t₁到达测试端；另一个脉冲（本文中称为“反射波”）向测试对端传播，并在对端发生反射，之后再向测试端传播，经过时间t₂到达测试端。根据两个脉冲到达测试端的时间差，可计算局部放电发生位置，即

                              

式中， 为脉冲在电缆中传播的波速。

图2 脉冲反射法原理示意图

 

3 实例分析

 

以某路电缆为例，说明OWTS系统在现场中的应用情况。被测电缆基本信息如下：

（1）电缆长度：1738米

（2）电缆型号：YJV₂₂－3×240mm²

（3）投运时间：2007年

（4）加压步骤：0，0.5×U₀，0.7×U₀，0.9×U₀，1.0×U₀（三次），1.2×U₀，1.3×U₀，1.5×U₀（三次），1.7×U₀（三次），（2.0×U₀），1.0×U₀，0。其中，U₀为电缆额定电压。

 

3.1 数据分析方法

（1）若从信号波形中可明显地分辨出一对“入射波”与“反射波”，则可初步判断该信号为局部放电信号，如图3所示。

图3 一对“入射波”与“反射波”

 

（2）若在局放点定位图上有集中的“点集合”，则可初步判断该位置有局部放电现象发生，如图4所示。

此外，在测试波形图中若有簇状的“线集合”，则可怀疑该被测电缆发生局部放电，在数据分析时应加以留意，如图5所示。但是，如果波形图中的簇状“线集合”为有规律出现，例如其出现频率为2倍工频，则这些簇状“线集合”可能系由电力系统设备中诸如可控硅二级管等电力电子元器件所引起，不要将其误认为是局部放电信号，如图6所示。

图4 人工分析的局放点定位图中的“点集合”

 

    图5 测试波形图中的簇状“线集合            图6 可控硅二级管等元器件引起的波形图

 

（3）数据分析步骤中，软件提供了自动分析的功能，但其结果往往存在较大误差。针对同一组数据，工作人员人工分析和软件自动分析得到的不同结果，如图4和图7所示。因此，数据分析需由具有大量测试经验和分析技巧的工作人员进行人工分析，以保证数据分析的准确性。

图7 软件自动分析的局放点定位图

 

3．2 测试结果

3.2.1 初测

    在电缆一端 (记为a端)进行局放测试，经人工分析发现，A、C两相距a端775米处存在明显局放，局放点定位图如图8所示，测试结果见表1。

图8 初测局放点定位图

表1 初测结果

 

3.2.2 对端复测

 

    在该电缆对端(记为b端)进行复测，确认了初次测试结果，并且还检测发现距B相距b端590米处存在局放现象（初测时，所加最高电压为1.7×U₀，此次复测时，考虑到所测电缆为新投运电缆，故将最高电压提高至2.0×U₀，而新发现局放点的起始局放电压PDIV为1.7×U₀，故初测时此处局放点集中现象不明显；此外，新发现局放点距此次测试端b端590m，即距初测测试端a端1150m，初测时局放位置距测试端较远，由于波沿电缆传播时有衰减，故初测时局放现象不明显），局放点定位如图9所示，测试结果见表2。

 

图9 复测局放点定位图

表2 复测结果

 

3.2.3处缺后再次测试

    电缆经处缺后，再次进行局放测试，A、B、C三相均未检测到明显局放，局放点定位图如图10所示。

 

3.3 问题接头解剖

    由北京电力试验研究院主持对引起局放电缆接头进行解剖，基本情况如下：

（1） 电缆附件：预制冷缩型产品。

（2）解剖时发现：电缆内护套薄（1.2mm），有泥渍；钢带有锈蚀；一侧铜屏蔽有褶皱、破损，如图11、图12所示。

 

  

 

图11 电缆钢带锈蚀                     图12 铜屏蔽褶皱、破损

 

（3） 施工工艺方面发现的问题：

   1）附件压接管压接密实，每侧3模，打磨较光滑。但压钳压模使用较小，造成压接处飞边较宽，高2mm，宽2mm，如图13所示。

   2) 接管外包绕2层PVC绝缘胶带，其中两相为绿色，一相为红色。造成接管处应力锥内屏蔽与接管处高电位产生隔离，应力锥内屏蔽形成悬浮电位，如图14所示。

 

 图13 压钳压模尺寸不当                  图14 接管外包绕PVC绝缘胶带

 

  3）  电缆屏蔽口处理圆整，绝缘经过打磨，但其中一相（铜屏蔽有破损侧）绝缘圆整度差，距应力锥口155mm处外屏蔽有损伤，损伤程度有待于进一步分析，如图15所示。

  4）  应力锥收缩尺寸均衡、居中，因其结构原因，应力锥外屏蔽与两接口内屏蔽（应力锥口）电气连接断开。工艺要求用半导电带缠绕各20mm宽。施工中，有两相应力锥口两侧半导电带只绕包在了屏蔽口，而用绝缘放水带对接口处进行密封处理，另一相应力锥口单侧半导电带只绕包在了屏蔽口，而用绝缘放水带对接口处进行密封处理，另一侧按照工艺恢复了内、外屏蔽。从而导致应力锥外电极与电缆外屏蔽电气上断开，如图16所示。

 

  

图15 外屏蔽损伤             图16 应力锥外电极与电缆外屏蔽电气断开

 

  5）  电缆接头中心向后0.5m距离内，电缆未保持成一条直线。

  6）  恢复铜屏蔽连接时，铜网两侧未分别固定，而是将三相共同固定，如图17所示。

  7）  恢复接头填充时，应包绕PVC带（透明），施工中包绕的是绝缘防水带，如图18所示。

  

图17 铜网固定不规范                     图18 接头填充错误

 

    8）  恢复外护套时，工艺要求包绕绝缘放水带2层，施工中在两层放水带中间搭接包绕了一层PVC，破坏了接头的整体防水性。

 

3.4 局放产生原因分析

    经接头解剖后，分析局放可能由如下几个原因诱发：

（1）接管外包PVC带，使应力锥内屏蔽产生悬浮电位，形成不稳定因素，易产生局放。

（2）施工中硅脂凝结成晶体，分布在接管、绝缘、应力锥内屏蔽间。

（3）应力锥内接管与两侧绝缘段弯曲，影响应力锥抱紧度，易产生局放。

（4）应力锥结构内部是否有缺陷，有待于进一步分析。

（5）铜屏蔽有破损，造成各相外屏蔽有破损点，属嵌入式损坏，损坏程度应进一步分析。

 

4 结论

    从本次成功的对该路电缆进行局放测试的案例中，除第3.1节说介绍的数据分析方法外，总结经验和技巧如下：

（1）测试

1）对于新投运的电缆，可以将电压最高加到2.0倍额定电压，一方面，在不对电缆本体造成伤害的情况下，新电缆可以承受这样的电压；另一方面，可以将隐患在第一时间排查清楚，防患于未然，提高电网的安全稳定性，减少非计划停电事故的发生。

2）对电缆加高压后，若出现局放，加压至最高预设值后应逐渐降压，尤其是1.0倍额定电压时的局放情况，以确保经局放测试后电缆的绝缘性能未劣化。

（2）数据分析

  1）数据分析和测试操作应由同一个人或了解测试现场情况的有经验人员完成，这样在做数据分析时，才能够综合考虑电缆的情况和测试现场的环境影响，排除干扰因素，对数据进行更加准确的分析。

  2)  局部放电通常具有以下4个特征，作为判断电缆局部放电的“四要素”：

 （a）放电量与放电频率随电压升高而升高。

 （b）放电信号波形可明显分辨出“入射波”与“反射波”。

 （c）波形图有代表局放的簇状“线集合”，定位图上有集中的“点集合”。

 （d）局放相位具有典型的“180度”原则，即在振荡电压第一、三象限处有对称分布的局放点集合。

  3）  PDIV在测试过程中不能准确地获取，因此在数据分析结束后，根据局放点信息确定各相的PDIV，并记录在报告中，以便日后查询时能快速、准确的了解该线路的局放情况。

 

    此项成功的局放测试案例，为北京地区10kV电缆状态监测积累了一次成功经验，为电缆网排除了隐患，提高了电网的供电安全可靠性。

 

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