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XLPE电力电缆局部放电检测技术综述


第 28 卷第 4 期               2004 年 8 月

o 28 N o. 湖 北 电 力                VA l.ug. 2004 4

XL P E 电力电缆局部放电检测技术综述
陆志雄1 , 沈谅平2
( 1. 佛山市三水区通利达电力设计有限公司, 广东 佛山 528100; 2

. 湖北大学物电学院, 湖北 武汉 430062)

   [ 摘 要 ]  局部放电检测是评价 XL PE 电力电缆绝缘状况的重要方法之一, 近年来国内外研究了 多种电气检测方法, 文中介绍其中一些非传统的检测方法。    [ 关键词 ]  交联聚乙烯电力电缆; 局部放电; 检测    [ 中图分类号 ] TM 930. 12   [ 文献标识码 ] B    [ 文章编号 ] 100623986 ( 2004) 0420026203
in t roduced in th is p ap er. [Key words ] XL PE pow er cab le; p a rt ia l d ischa rge; detect ion
? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
1 2 LU Zh i2x iong , SH EN L iang 2 ing p

O verv iew of Partia l D ischarge D etecting Technology for XL PE Cable
( 1. F oshan S anshu i T ong lid a P ow er D esig n C o. , L td , F oshan 528100, C h ina;

2. T he f acu lty of p hy sics and electricity H ubei U n iv ersity , W uhan 430062, C h ina )

[Abstract ] Pa rt ia l d ischa rge detect ing is an i po rtan t m ethod to eva lua te the in su la t ion cond it ion of m

XL PE pow er cab le, up to now there a re lo t s of elect rica l detect ing app roaches fo r it. Som e of them a re

  近 10 年来, 我国城市电网大量采用 XL PE 电 力电缆输配电。 据不完全统计, 已投运的 35 kV 及 以下约有 50 万 km ; 110 kV 及以上达数百 km ; 应用 最高电压等级为 500 kV 。 国内外运行经验和研究成 果表明: XL PE 电力电缆性能早期劣化或使用寿命 很大程度上取决于其绝缘介质的树枝状老化, 而局 部放电测量是定量分析树枝状劣化程度的有效方法

号, 因此适用于电缆敷设后的交接验收试验和运行 中的在线监测。 此外, 电磁耦合法是通过电磁耦合来 测量局部放电电流, 由于在高压电缆和测量回路间 没有直接的电气连接, 从而能很好地抑制噪声。 为实 现对 XL PE 电缆局部放电进行检测, 首先必须用电 流耦合器有效地提取放电信号, 所以电流耦合器的 设计是关键环节, 其中电流耦合器的原理见图 1。

之一, 即树枝引发初期, 其局部放电量约 0. 1 pC; 当 树枝发展到介质击穿临界状态时, 其局部放电量可 达到 1 000 pC。 因此, 对 XL PE 电缆绝缘的局部放电 进行检测是及时发现故障隐患, 预测运行寿命及保 障电力电缆安全可靠运行的重要手段。

近年来国内外研究出的电气检测方法比较多, 本文介绍了一些非传统的检测方法, 如电磁耦合法、 差分法、 电容传感器法和方向耦合传感器法等。

图 1 电流耦合器的原理图

1 电磁耦合法

  电磁耦合法是将 XL PE 电缆接地线中的局部 放电电流信号通过电磁耦合线圈与测量回路相连, 不需要在高压端通过耦合电容器来取得局部放电信           
[ 收稿日期 ]  2004203210

[ 作者简介 ]  陆志雄 ( 1970- ) , 男, 西安人, 工程师, 从事高

电压技术研究。

?26?

  图 1 中, R 是自积分电阻, C s 是电路的等效杂散 电容。 为了使电流耦合器工作频带足够宽, 在线圈尺 寸一定的情况下, 应选用磁导率 Λ 高的磁性材料并 增大线圈匝数 N , 但单增加匝数来提高带宽将会降 低测量灵敏度; 积分电阻 R 对频带宽度、 传感器灵 敏度均有影响, R 增大, 会增加传感器的灵敏度, 但 同时会减小频带宽度。 因此, 选定磁性材料后, 有一 个最佳的积分电阻 R 及线圈匝数 N 的匹配, 使电流 传感器达到较宽的工作频带, 且保持一定的响应灵 敏度。

V o l 28 N o. 4 .              A ug. 2004

第 期     湖   北   电   力                          28 卷第 4  2004 年 8 月

2 差分法
  差分法是在绝缘连线盒两边的护套上各贴一对 金属箔电极, 通过这些电极进行局部放电信号的采 集盒校验脉冲的输入。 图 2 和图 3 是差分法结构示 意图和等效电路原理图。
图 5 等效原理图

4 方向耦合传感器
图 2 差分法结构示意图

  方向耦合传感器安装于电缆的外半导体层和金 属护套之间, 这样的安装不会影响电缆的高压性能, 图 6 为方向耦合传感器的安装结构图。

图 3 电路原理图

  从图 3 可以看出, 差分法类似于 IEC - 270 法 中的桥式连接法, 当绝缘连接盒一侧的电缆发生局 部放电时, 另一侧的电缆可以充当耦合电容, 将局部 放电脉冲耦合至高阻抗 Z d 上, 形成的电压波经放大 后输入示波器、 频谱分析仪等仪器进行分析处理。 该 方法的优点是不必加入专门的高压电源和耦合电 容, 也无需改变电缆连接线, 且由于可等效为桥式电 路, 故能很好地抑制外界噪声。 差分法既简单又安 全, 适于现场试验及在线检测。

图 6 方向耦合传感器的安装结构图

3 电容传感器法
  电容传感器法是将电缆金属护套切一个 100
mm 长的环形口子, 将 40 mm 宽的锡箔缠于露出的

  两个方向耦合传感器被安装在电缆接头的两 边, 传感器只能感应到其一侧来的脉冲。 这样, 就可 以通过测量脉冲到达 A 、 、 、 4 个点中的某几个 B C D 点来判断脉冲传播的方向。如果只有 A 点和 C 点检 测到脉冲, 说明脉冲是从左方传来的, 而 B 点、C 点 检测到的脉冲就说明是接头处的局放等等。 这一方 法主要应用于电缆附件的局放检测, 而且可以有效 地区分脉冲的方向, 有利于进一步辨识脉冲是局放 还是噪声。

5 局部放电的在线检测
  局部放电起始时只跨越绝缘间的一部分, 并在 不断出现的情况下破坏绝缘材料, 最终导致绝缘击 穿。 电缆在实际运行中不仅承受交流电压的作用, 也 不可避免的承受交流电压与雷电过电压或操作过电 压的联合作用。 根据我们对在交流叠加冲击电压下, XL PE 树枝状老化特性的研究表明: (1) 当交流电压的幅值超过一定值时, 其电树 枝的冲击电压起始值 ( 起晕电压) 随预加交流电压幅 值的增大而减小。 ( 2) 冲击电压的累积效应对 XL PE 电缆中电树 枝的冲击电压起始值有很大影响, 会引起冲击电压 起始值的急剧下降。 因此随着超高压输电技术的发展, 对局部放电 的 在 线 监 测 已 经 成 为 一 个 不 允 回 避 的 问 题。 对 XL PE 电力电缆用局部放电法进行监测, 我国国内 ?27?

电缆外半导电屏蔽层上作为耦合传感器。 传感器的 安装并没有影响到电缆的主绝缘。 图 4 为电容传感 器法的结构图。

图 4 电容传感器法的结构图

  图 5 为等效原理图。 在图 5 中, C 就是耦合器构 成的电容, 其值取决于耦合器的长度和电缆单位长 度的电容 C o 。 此法有较好的检测灵敏度, 并且可以 通过研究信号到达两个传感器的时间差来实现信号 的定位。

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第 28 卷第 4 期               2004 年 8 月

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正处于起步阶段, 国外一些电力技术发达的国家, 已 取得了一些进展。 较有效的在线监测方法有: 脉冲电 流法和超高频频谱分析法。 5. 1 脉冲电流法 脉冲电流法是研究最早、 应用最广泛的一种方 法, IEC 对此制定了专门的标准。 在 1990 1996 年 ~ 德 国 柏 林 的 城 网 改 造 中, 采 用 了 脉 冲 相 位 法 对 XL PE 电力电缆进行在线监测, 其核心是局部放电 定 向 耦 合 器 测 量 技 术 和 同 轴 电 缆 传 感 器 CCS (Coax ia l Cab le Sen so r ) 的应用, 收到了较好的效果。 根据在加拿大安大略电力研究所高压室完成的 实验说明: 用宽频带波形测量仪器测量得到的脉冲 电流波形参数, 可以用来表征不同放电形式和放电 的不同发展阶段。 随着计算机技术的飞速发展, 计算 机辅助测试系统和应用人工智能的专家诊断系统应 用于脉冲电流的分析应该是电缆局部放电在线监测 的一个发展方向。 由于局部放电的脉冲电流中含有 丰富的放电信息 ( 放电量、 放电相位、 放电形式、 放电 的不同发展阶段) , 可以将此建立反映局部放电不同 特征的谱图, 对这些放电信息谱图进行数学分析, 得 到一系列特征指纹, 用于对局部放电的发生状况进 行识别, 进而建立数据库和专家系统。 国外已有将此 方法用于检测油绝缘设备的尝试。
( 上接第 17 页)

5. 2 甚高频频谱分析法

甚高频频谱分析法的原理是: 当放电间隙的绝 缘强度比较高时, 击穿过程比较快, 此时的电流脉冲 陡度较大, 辐射高频电磁波的能力较强。 PE 电缆 XL 的绝缘强度较高, 可以适用。 它的优点是抗干扰的能 力较强, 但技术要求较高。 荷兰和美国的研究人员已 经做了不少尝试性的工作。

6 结束语
  从对不同电气设备局部放电检测的更广泛的领 域来看, 局部放电的宽频带和超高频检测方法也不 断出现, 对局部放电进行超宽频带和超高频带检测 有下面 3 个方面明显的优点: ( 1) 可大大提高测量灵 敏度; ( 2) 能有效消除外界干扰; ( 3) 可看清局部放电 脉冲的真实形状, 从而有利于判断绝缘系统中放电 的性质和来源。 目前, 超高频和超宽频法已经在 G IS、 大型发电 机等很多电气设备中得到了应用。 XL PE 电力电缆 的局部放电检测方面, 国内外也做了很多宽频带方 面的研究工作, 但是目前国内用于 XL PE 电力电缆 检测的耦合器, 频带一般较窄, 从几十 kH z 到几百 kH z, 应用到 XL PE 电力电缆局部放电测量时, 效果 不太理想, 应该继续在该领域深入研究。 在风激励的环境中, 瓷瓶的共振也是瓷瓶破坏的原 因之一。   为了保证足够安全, 建议对支柱绝缘子抗弯强 度计算的安全系数取值为 2. 0。 接地开关支柱瓷瓶 是薄弱环节, 应该予以加强。 采用抗弯强度更高的支 柱瓷瓶。 改进安装施工工艺, 确保管母线不出现较大 挠度, 瓷瓶顶点尽量在一条直线上。 瓷瓶顶端的水平 高差应控制在 10 mm 以内, 轴线偏差应控制在 5 mm 以内。 管母线在运输过程中, 由于包装不良, 产 生弯曲, 吊装前应该进行调直。 弯曲不能超过长度的 0. 2% , 且最大弯曲变形量不能超过 5 mm 。 管母线 具有长度大, 刚度低的特点, 起吊时应该多点吊装, 避免产生较大变形。 在支柱绝缘子的抗弯设计中, 不 能忽略固定线夹与管母线的摩擦力, 应该采取措施, 尽量减小固定线夹与管母线的摩擦力。 对于一根长 为 26 m 或者 39 m 的管母线来说, 由于固定点较 多, 十几个固定金具要保持一条直线是相当困难的, 很难保证不产生卡死的情况。 因此建议每一跨都断 开, 这样单根管母线固定点的绝对数大为减少, 有利 于管母线的热胀冷缩。

图 5 重力、 风载作用时, 瓷瓶的拉应力分布

4 结论及建议
  当瓷瓶、 导线系统严格按尺寸安装, 且金具与管 母线完全光滑, 管母线可自由伸缩, 同时环境的风载 在 10 级以内, 瓷瓶为合格品 ( 无损伤) , 则瓷瓶的最 大工作应力在许可范围以内, 无安全问题。 固定线夹与管母线的卡死, 或接近卡死, 是导致 瓷瓶破坏的主要原因。 由于瓷瓶的工作应力较高, 其 疲劳寿命问题是瓷瓶破坏的原因之一。 由于系统处 ?28?

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