電力電纜局部放電在線檢測(cè)技術(shù)
1電力電纜局部放電量的在線測(cè)量
局部放電檢測(cè)越來越被看作是一種最有效的絕緣診斷方法，在線檢測(cè)應(yīng)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(shí)，引起局部放電的空穴形成實(shí)阻抗，這是電纜的浪涌阻抗，在開始時(shí)是純阻性的。其產(chǎn)生的脈沖基本上是單極性脈沖，上升時(shí)間很短，并且脈沖寬度也很窄。脈沖從產(chǎn)生的位置向外傳播，由于在電纜中傳播時(shí)的衰減和散射，當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，脈寬增加，幅值減小。一般情況下，在測(cè)量時(shí)能檢測(cè)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(shí)間以及脈沖特性可以通過計(jì)算機(jī)生成的光標(biāo)測(cè)量。
圖1 電纜中的局部放電脈沖波形（顯示了計(jì)算機(jī)生成的光標(biāo)）
如果上升時(shí)間和脈沖寬度在電纜局部放電脈沖的通常范圍內(nèi)，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(shí)間在50ns到1s之間，而脈寬小于2s。實(shí)際上，對(duì)于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜來說，其對(duì)應(yīng)值會(huì)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(shí)間和脈寬取決于電纜端部的脈沖波形，也取決于檢測(cè)電路。然而，這種使用上升時(shí)間和脈沖寬度來檢測(cè)脈沖位置的簡(jiǎn)單方法并不非常適用。由于檢測(cè)電路的不確定性，同樣使得上升時(shí)間和脈沖寬度隨之變化，例如當(dāng)其包含一個(gè)大電感時(shí)，脈沖的上升時(shí)間就會(huì)遲緩，并且脈沖寬度也會(huì)變大。然而，在脈沖的起始位置，上升時(shí)間卻是一個(gè)很有價(jià)值的特征量。對(duì)于利用高頻電流傳感器（HFCT）的在線局部放電檢測(cè)，其檢測(cè)電路通常有較大的帶寬（>20MHz），這種簡(jiǎn)單的定位方法還是能得到較為滿意的測(cè)量結(jié)果的。
圖2高頻電流傳感器檢測(cè)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(cè)的電流傳感器，傳感器可以夾繞在接地線之上的每個(gè)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(dǎo)體上它們的極性相同，在屏蔽上相反，關(guān)鍵的問題是能在接地線或?qū)w電流兩者之間截取其中一個(gè)。實(shí)際上，這兩個(gè)信號(hào)很相似，但它們?cè)趦蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的噪音成分卻有所不同。
圖3 電纜脈沖上升時(shí)間分布
圖3所示為33kV紙絕緣電纜的在線檢測(cè)結(jié)果，從圖中我們可以看到，電纜的主要上升時(shí)間集中在200ns附近。被測(cè)電纜長(zhǎng)度為2km左右，所有脈沖全部取自于1600m處的一個(gè)中間接頭。從圖中顯示的電纜上升時(shí)間的分布情況看，各上升時(shí)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(shí)間的曲線圖，縱坐標(biāo)以米為單位，假定局部放電脈沖上升時(shí)間和脈沖在電纜中的傳播距離之間存在函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上，這種關(guān)系也是比較容易建立的，它取決于電纜的類型，而問題的關(guān)鍵就在于電纜終端的測(cè)量電路的阻抗是不確定的。如前面所述，當(dāng)檢測(cè)電路的阻抗中含有大的感抗時(shí)，脈沖的上升時(shí)間主要取決于檢測(cè)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(shí)間和傳播距離之間的關(guān)系就無法建立。
利用局部放電脈沖波形檢測(cè)局放的最大優(yōu)勢(shì)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(cè)量誤差，尤其是對(duì)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(huì)衰減10到20倍。如果脈沖峰值衰減到原來的1/20，那么離測(cè)量點(diǎn)比較遠(yuǎn)的局部放電事件就會(huì)顯得很微弱，難以發(fā)現(xiàn)。利用放電脈沖波形，測(cè)量局部放電電流下的面積，就可以對(duì)幅值進(jìn)行測(cè)量，并且它受信號(hào)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(zhuǎn)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(cè)量放電量以后，乘以一個(gè)修正因數(shù)并假設(shè)檢測(cè)阻抗為電纜的浪涌阻抗，就可以以皮庫(kù)（pC）為單位測(cè)量局部放電的幅值。實(shí)際應(yīng)用中，在電纜中部接頭處的地線上測(cè)量時(shí)，浪涌阻抗和實(shí)際的浪涌阻抗很接近，而端部浪涌阻抗的波動(dòng)一般在20％以下。例如對(duì)整體浸漬不滴流（MIND）11kV紙絕緣電纜，在3km處測(cè)量，用上面的公式測(cè)量時(shí)幅值僅衰減了3倍，而直接測(cè)量時(shí)幅值衰減了15倍。這就說明，這種方法對(duì)任何電纜的在線局部放電測(cè)量，都可以以皮庫(kù)為單位表示，而不需要標(biāo)定。
2電纜局部放電單端定位法
在檢測(cè)到電纜局放時(shí)，如果能對(duì)局部放電源進(jìn)行定位，那么局部放電活動(dòng)測(cè)量的實(shí)效性就會(huì)大大提高。當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，局放脈沖從放電點(diǎn)向電纜兩側(cè)傳播（平均速度約150-160m/μs）。首先到達(dá)測(cè)量端的脈沖是直接向該方向傳播的脈沖（直達(dá)脈沖），而完成局部放電定位，還要測(cè)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(dá)脈沖和反射脈沖都能被識(shí)別，就可很容易地確定局部放電位置。即計(jì)算兩個(gè)脈沖的時(shí)間差（ΔT），就可確定局部放電位置。但在實(shí)際應(yīng)用中，使用這種簡(jiǎn)單的單端測(cè)量方法，很難實(shí)現(xiàn)局放點(diǎn)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(gè)脈沖（反射脈沖）能夠明顯強(qiáng)于噪音信號(hào)，定位就會(huì)容易得多。
3利用同步收發(fā)儀進(jìn)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(zhǔn)確和可靠的方法，可以克服單端定位的許多問題，如：
•長(zhǎng)電纜的信號(hào)衰減過大，會(huì)降低反射脈沖的大小，從而導(dǎo)致反射脈沖淹沒在“背景噪音”中。
•存在諸如來自饋線電動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致衰減和反射。
•環(huán)網(wǎng)柜中的其它電纜會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減和（部分）脈沖反射。
•電纜遠(yuǎn)端阻抗沒有明顯變化。
在測(cè)量時(shí)，為了增強(qiáng)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(gè)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(cè)到一個(gè)小的脈沖后，再利用脈沖發(fā)生器注入一個(gè)很大的脈沖，這樣便可確保在電纜的測(cè)量端能夠檢測(cè)到一個(gè)“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(jìn)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(cè)和發(fā)射傳感器，此系統(tǒng)可用于5km長(zhǎng)的電纜。當(dāng)觸發(fā)器在上升邊沿觸發(fā)時(shí)，設(shè)備的精密度決定了局部放電脈沖上升時(shí)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(jìn)行電纜局部放電定位的結(jié)果。圖中，使用同步收發(fā)儀時(shí)，定位的結(jié)果是：局部放電發(fā)生的地方比較靠近測(cè)量端，可以明顯地看到很大的同步脈沖。這里電纜的長(zhǎng)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(yuǎn)端沒有主電源的情況下，仍可以定位局放，在現(xiàn)場(chǎng)非常適用。這種定位方法非常簡(jiǎn)單，只要局部放電脈沖清晰，且使用同步收發(fā)儀時(shí)方法規(guī)范，定位結(jié)果就會(huì)清晰明確。
4電纜局放定位英國(guó)應(yīng)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(jìn)行局放點(diǎn)的定位，并通過PDMap©軟件做數(shù)據(jù)分析。
英國(guó)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(cè)儀，安裝于2002年7月。鑒于其中的14個(gè)開關(guān)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(yùn)動(dòng)會(huì)提供電力，因此使用上述儀器對(duì)其進(jìn)行了連續(xù)的監(jiān)測(cè)。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(gè)預(yù)警：在皇后公園/東地球場(chǎng)電路中存在過量的局放活動(dòng)。IPEC公司的工程技術(shù)人員使用OSM Longshot©局放現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀如圖7所示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了檢查，通過測(cè)試證實(shí)了被懷疑的電路中存在高等級(jí)的放電現(xiàn)象，并使用PDMap©軟件和便攜式同步收發(fā)儀進(jìn)行了檢測(cè)，從而查出放電的源頭。
圖7：OSM-Longshot 電纜局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)
從檢測(cè)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(chǎng)變電站的兩個(gè)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(cè)系統(tǒng)被設(shè)置為檢測(cè)到放電信號(hào)時(shí)，便向接地線發(fā)射一個(gè)大的（100V）高頻脈沖。通過測(cè)量收發(fā)儀信號(hào)和其來自電纜遠(yuǎn)端反射信號(hào)之間的時(shí)間差，電纜的長(zhǎng)度得以確定，并可根據(jù)客戶提供的電纜路徑圖對(duì)電纜的長(zhǎng)度進(jìn)行核對(duì)。然后分別在遠(yuǎn)處皇后公園和東地球場(chǎng)端，使用HFCT傳感器再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量放電信號(hào)和接地線中收發(fā)儀信號(hào)之間的時(shí)間間隔。隨之，在與皇后公園連接的那條電纜上檢測(cè)到了2個(gè)放電點(diǎn)，且兩個(gè)點(diǎn)都在電纜的紅相上。
圖 8 皇后公園電纜上的放電點(diǎn)
利用PD Map©軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，如圖9所示。所測(cè)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(huì)有所衰減。
圖 9 在Stuart St變電站的局放測(cè)量
這兩個(gè)點(diǎn)的局放測(cè)試波形如圖10和圖11所示。
圖中顯示的兩個(gè)放電點(diǎn)的位置如下：
第一個(gè)點(diǎn)位于距Stuart St變電站58.4%處（約 1564米）。
第二個(gè)點(diǎn)位于距Stuart St變電站 62.8% 處（約 1681米）。
圖 10 在線局放測(cè)試波形（位于距Stuart St變電站端58.4%處）
圖 11在線局放測(cè)試波形（位于距Stuart St變電站端62.8%處）
將測(cè)試結(jié)果與電纜路徑圖進(jìn)行核對(duì)，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(duì)應(yīng)。
使用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行局放定位的測(cè)試精度約為電纜長(zhǎng)度的1%。在該案例中進(jìn)行的測(cè)試，數(shù)據(jù)是從電路的兩端獲取的，所以測(cè)試精度優(yōu)于1%，定位的精確度分別大約是電纜長(zhǎng)度的0.4%和0.7%。
雖然測(cè)試是在Stuart St變電站電纜的接地線上進(jìn)行的，但是在電纜的紅相上得到了最大的信號(hào)。
在2003年6月26日，對(duì)上述兩個(gè)放電點(diǎn)之間的接頭和電纜進(jìn)行了更換。7月4日，又在Stuart St變電站進(jìn)行了進(jìn)一步的局放試驗(yàn)，結(jié)果顯示局放活動(dòng)已經(jīng)消除。
5結(jié)束語
狀態(tài)檢修是設(shè)備檢修的發(fā)展方向，而在線檢測(cè)又是其中的主要手段。本文介紹了電纜局部放電在線檢測(cè)方法，該方法使用的算法簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中可靠性高。保留了傳統(tǒng)的對(duì)局部放電活動(dòng)進(jìn)行的峰值測(cè)量、計(jì)數(shù)和分布等方法。新的脈沖識(shí)別能力極大提高了局部放電數(shù)據(jù)的記錄質(zhì)量，特別是在線檢測(cè)時(shí)尤其明顯。本文重點(diǎn)介紹了一種利用安置于電纜遠(yuǎn)端的同步收發(fā)儀進(jìn)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(diǎn)。這種方法對(duì)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(cè)，非常適用。
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