高压电力电缆试验方法与检测技术分析 张 艳

发表时间:2019/10/17   来源:《当代电力文化》2019年第11期   作者:张 艳
[导读] 交联聚乙烯(XLPE)电力电缆凭借其优异的热、机械特性和电气性能及易安装维护、介质损耗低等优点,被广泛应用于城市配电网中。
国网江西省电力有限公司赣东北供电分公司  江西 乐平  333300
        摘要:交联聚乙烯(XLPE)电力电缆凭借其优异的热、机械特性和电气性能及易安装维护、介质损耗低等优点,被广泛应用于城市配电网中。目前,交联聚乙烯已取代油纸绝缘电力电缆,并逐步取代PVC绝缘电力电缆和充油电力电缆。但是电缆运行过程中,在水分和电场共同作用下发生物理化学变化形成水树枝,造成绝缘老化、损伤,引发放电事故,严重影响电网的安全稳定运行。因此,充分认识电力电缆的绝缘特性,采用合适的局部放电试验方法和在线监测技术,及时有效地发现和预防绝缘中存在的缺陷,对电力电缆线路的安全运行具有重要意义。
        关键词:交联聚乙烯;电力电缆;局部放电;在线监测;超声波检测
        1局部放电检测试验
        1.1超声波检测法
        局部放电产生的超声可引起机械振动和压力波。超声波检测法利用超声波传感器,对电缆局部放电产生的超声波进行探测,并将其转化为电信号,测量频率范围为10~300kHz。超声波检测法几乎不受外界的电磁干扰,可以进行带电检测,但超声波信号随着局放能量的增加,高频部分衰减速率也明显增加,所以超声波检测法一般用于接头附件及邻近位置的检测,结果作为辅助判断。
        1.2脉冲电流检测法
        当电缆内部存在缺陷时,通电后产生的内部放电会激发一个高频的脉冲电流,该脉冲电流由高电位的线芯向中间接头处或终端接地线进入大地。通过在接头处或终端放置电流互感器对放电产生的脉冲电流信号进行采集、分析,得到最终的试验结果。常规的脉冲电流法试验由于测量频率较低,频带窄,采集的信息量较低,并且受现场其他因素干扰,信号提取效果往往不能满足试验要求,导致对电缆内部的局部放电现象检测率较低。宽带脉冲电流法对常规脉冲电流法进行了改进,通过扩展测试的带宽,尽可能多地收集脉冲电流信号,并通过分类的方式去除脉冲信号中的干扰信号,并对放电信号进行分类分析。常规脉冲电流法采集信号的频带多为40~400kHz,而宽带脉冲电流法的频带一般为1kHz~50MHz,采集的数据量远高于常规方法。
        1.3差分法
        差分法是将2块金属箔通过耦合剂分别贴在275kV电缆中间接头两侧的金属屏蔽筒外的绝缘上,金属箔与金属屏蔽筒之间构成约为1500~2000pF的等效电容,两金属箔间连接5Ω的检测阻抗。金属箔与电缆屏蔽筒的等效电容、2段电缆绝缘的等效电容与检测阻抗构成检测回路。当电缆接头一侧存在局部放电时,由于另一侧电缆绝缘等效电容的耦合作用,检测阻抗便耦合到局部放电脉冲信号,该信号将输入到频谱分析仪中进行窄带放大并显示。研究发现,频谱分析仪中心频率设在10~20MHz时,信噪比最高。差分法的检测回路类似于差动平衡电路,来自导线芯的噪声信号在检测阻抗的两端不能产生压降,因而可以很好地抑制噪声。
        1.4超高频检测法
        超高频检测法的主要原理是利用局部放电时都会产生电荷中和的过程,在此过程中,会激发一个陡峭的电流脉冲,并向外界辐射电磁波。该电磁波的频率最高可达几个GHz,而现场的干扰信号频率多在400MHz以下。超高频检测法采集信号的频率范围一般在300MHz~3GHz,在扩大采集信息频谱同时,也提升了抗干扰性能,利于发现局部放电信息。超高频检测法最大问题是电磁波能量经过复合绝缘层的多次反射和折射,会大幅度衰减,从而影响检测的准确性,故目前超高频检测法主要应用于长度较短的电缆与GIS终端的局部放电试验。
        1.5电容耦合检测法
        电容耦合法是由英国南安普敦大学、英国电网公司和西安交通大学共同研究的一种XLPE电缆局部放电在线检测方法。在工频电压下,由于外半导电层的阻抗远小于绝缘层的阻抗,因此半导电层可视为工频地电位,电容耦合器并不影响电缆绝缘效果;在超高频下,外半导电层阻抗与绝缘层阻抗可比,而地电位为金属屏蔽层,有利于高频信号的测量。电容耦合式传感器灵敏度较高,易受各种电磁干扰的影响。采用超高频电容耦合法配合光电采集和传输能够降低干扰的影响,提高信噪比,但系统实现复杂、代价高,同时超高频电容耦合法安装要求切开电缆金属护套等也影响了该技术的推广应用。
        1.6电磁耦合检测法
        电磁耦合法是一种测量电气设备局部放电的有效方法。基于电磁耦合法原理的XLPE电缆局部放电的检测装置有很多,所使用的传感器材料、传感器结构、检测位置、抗干扰措施等各有不同。电磁耦合法通常采用高频的铁氧体磁芯的宽频带罗戈夫斯基线圈型电流传感器,主要测量位置在电缆终端金属屏蔽层接地引线处。此外,测量位置还可在中间接头金属屏蔽连接线、电缆本体上和三芯电缆的单相电缆上等位置。


        1.7振荡波检测法
        振荡波试验是近年来逐渐兴起的一种对电缆进行局部放电检测的试验方法,其基本原理是利用电缆的等值电容与电感线圈构成LC串联谐振回路产生振荡电压,在多次极性变换过程中使电缆缺陷部分产生局部放电信号,通过耦合器测量该信号,从而实现检测目的。
        1.8分布式局放检测方法
        局部放电信号在电缆中传输具有以下特点。a.局部放电信号在电缆线路传输的距离越长,其幅值衰减越厉害;b.幅值相等而频率不同的局放信号,在电力电缆传输相同的距离后,频率越高的局放信号,幅值衰减速度越快;c.含有不同频率成分脉冲型信号,各频率分量的衰减和相移是不同的,通过线路传输时,将发生畸变和失真,即信号的色散现象。因此,电缆进行现场交接试验对电缆局部放电检测时,采用分布式局部放电检测系统是必要的。分布式局放检测系统利用位于电缆接地线和交叉互联线上的高频传感器提取局部放电信号,并通过光缆手拉手的连接方式或无线组网将整个系统串联到一起,实现整个电缆线路的分布式局放检测。
        2电缆状态在线监测
        2.1温度在线监测
        监测电缆的温度,既可获取电缆绝缘的工作状况,又可通过计算线路的载流量了解线路运行状态。温度在线监测主要依据光纤的光时域反射原理及光纤的背向拉曼散射温度效应,并基于所测温度对电缆载流量进行计算,从而获得电缆运行信息。测温光纤既可以敷设在电缆护套内(内置式),也可沿线敷设在电缆护套外(外置式)。运行经验表明,虽然该测温系统具有测量距离长、测温精度高等优点,但存在空间分辨率较低、对因各类缺陷造成的局部温升不敏感、易受敷设环境温度、湿度影响等缺点。
        2.2接地电流在线监测
        监测电缆的接地电流,可获取电缆外护套的完整性信息。此外,当电缆主绝缘内的水树枝发展时,其电容量发生变化,使得流经主绝缘的容性电流发生变化。在线监测接地电流中容性分量的变化,亦可获取电缆绝缘老化的信息。该方法通常采用在接地线上安装工频电流互感器实现,无需改变接地线的连接方式,适合110kV及以上电压等级电缆线路。通过研究结果和运行经验均表明,接地电流监测是判断电缆护套安全状态的重要手段,也是未来电缆系统在线监测技术中重要一环。
        2.3tanδ在线监测
        介质损耗角正切值(tanδ)是反映电介质材料介电特性的基本参数,能够反映电缆线路绝缘整体性能的优劣。电缆tanδ值测量时,分别从电压互感器和电流互感器获取电压、电流信号,通过数字化的测量装置测量二者间的相位差,从而获得tanδ值。典型的tanδ值在线检测法是检测两个正弦波过零点的时间差,再通过频率和时间差来计算相位差。
        2.4局部放电在线监测
        电缆局部放电的在线监测是指通过传感器系统实时采集额定运行电压下电缆系统内的局部放电信号,并将其传输至终端,进行后续的处理和判断。各类局放检测方法中,电磁耦合法因其安装方便、检测准确率高等特点,可应用于局部放电在线监测。
        3结语
        该文从局部放电检测试验和电缆状态在线监测等两方面详细介绍了电力电缆所开展的电气试验和监测技术的应用情况,并对相关试验技术的方法和特点做了总结和分析,为及时有效地预防和发现电缆绝缘中存在的缺陷提供了技术支撑。
        参考文献
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