高壓交流電纜附件的局放測試技術

1、 高壓電纜及其附件是輸電系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量問題關系到電網(wǎng)的安全運行。一旦電纜設備出現(xiàn)故障，將會造成巨大損失。因此，對電纜進行狀態(tài)監(jiān)測意義重大。局放量檢測是目前最為常用的狀態(tài)監(jiān)測手段。本文討論了局放的基本原理以及各種典型局放缺陷，對比了不同電纜局放檢測方法的優(yōu)劣。什么是局部放電？局部放電是發(fā)生在設備絕緣內(nèi)部，未貫通高低壓電極的放電現(xiàn)象，會造成絕緣劣化，最終導致電纜壽命縮短。傳統(tǒng)的油浸紙絕緣電纜，局放對其絕緣性能影響較小，而對于固體絕緣電纜，如XLPE（交聯(lián)聚乙烯）或者硅橡膠電纜，局放會對其絕緣造成永久性損傷，導致絕緣性能下降。圖1展示了局放模型與等效電路。在生產(chǎn)或安裝過程中，電纜絕緣內(nèi)部

2、存在缺陷，如固體絕緣的空隙（void），液體絕緣的氣泡，或電場不均勻處。將空隙等效為電容c1，空隙的上層以及下層的絕緣材質(zhì)等效為c2，臨近部分的完好絕緣等效為c3。我們可以獲得局放電路的等效模型。局放通常發(fā)生在絕緣內(nèi)部，而且等效電容c1、c2以及c3無法被測量，因此，局放檢測屬于非直接測量手段。等效電路的電壓與電流波形如圖2所示。電壓UP（t）為施加在主絕緣上的系統(tǒng)電壓，U10（t）為空隙上的電壓。當U10電壓升高到空隙的擊穿電壓UZ時，空隙擊穿，C1兩端電壓下降，空隙絕緣恢復，同時C2被充電，當U10高于擊穿電壓Uz時，以上過程重復發(fā)生。而每次局放時，都將會在絕緣泄漏電流上疊加一個小的脈沖放

3、電，如圖2所示。通過檢測放電脈沖發(fā)生的位置、時間以及幅值，我們可以對設備的絕緣運行狀況進行評價。不同頻率下的局放不同頻率以及電壓波形下局放的測量方法基本一致，因此，除了在工頻電壓下測量電纜局部放電外，還可以采用現(xiàn)場試驗的方法，在電纜上施加不同波形頻率的電壓，對電纜進行局放試驗。由于直流電壓對于電纜絕緣的破壞作用較大，因此不建議在直流電壓下測量電纜局放，本文也不對其進行討論。工頻電壓下的測量技術目前普遍認為，50Hz電壓下的局放試驗是應用最為廣泛的局放測量方法，最為主要的原因是運行電壓頻率為50Hz，局放測量結(jié)果與實際最為接近。然而，輸電電纜線路長度較長，對實驗設備的容量要求較高。圖3為工頻電壓

4、下局放測試試驗布置圖。分為變壓器、分壓器以及被試電纜三部分。20至300Hz下的諧振測量方法圖4為諧振頻率下的局放試驗布置示意圖，與工頻電壓下的布置基本一致。根據(jù)IEC62067（245kV）與IEC60840（245kV）標準，電纜的試驗頻率范圍為20至300Hz。試驗布置采用串聯(lián)諧振的方法，試驗頻率如下所示。上式中，c為電纜的等效電容量，L為串聯(lián)電纜。由于串聯(lián)諧振的特性，其對變壓器的容量要求遠小于工頻電壓。此外，通過調(diào)整電感數(shù)值的大小，可以匹配不同長度、型號的電纜。0.1Hz超低頻試驗技術IEC60060規(guī)定，0.1Hz的電纜局放試驗波形，可以采用正弦波或方波。由于電壓頻率較低，電纜的充電

5、效應大大減弱，試驗電源的容量也隨之減?。üゎl下的1/500）。相同時間下超低頻試驗電壓過零次數(shù)遠小于50Hz工頻試驗，因此其局放重復次數(shù)要小于工頻試驗，通常不能采用局放重復次數(shù)來評價電纜或附件的運行狀況。對于含有非線性電阻的電纜附件，不宜采用超低頻試驗，因為可能會對絕緣產(chǎn)生損傷。振蕩波測量方法振蕩波試驗布置如圖6所示，可以看做快速開關與諧振電路的結(jié)合。其試驗原理為，通過直流電源對電纜進行充電，在達到一定電壓后開關突然合上，此時電纜與電感形成串聯(lián)回路，電纜（大電容）中儲存的能量在電容與電感之間來回振蕩，在振蕩過程中電纜的局放量被獲取。這項技術主要應用在60kV及以下的電纜設備中，隨著技術的進步，

6、在更高電壓設備上應用逐漸增多。這項技術雖然采用直流電源，但充電時間較短，很快切換為振蕩波，對電纜設備損傷較小。且電源容量要求較小。缺點是振蕩時間較短，100微秒，電纜耐壓時間不夠。因此，這項技術主要用用于電纜絕緣狀況診斷，而不適合投運試驗。高壓電纜附件上的典型試驗結(jié)果本節(jié)展示了戶外電纜終端的缺陷局放試驗結(jié)果，某些特性同樣適用于中間接頭等其他形式的電纜附件。試驗采用50Hz電壓，在一定條件下也適用于其他頻率電壓。電暈屬外部產(chǎn)生的局放，如電場集中區(qū)域，與其他類型局放有較大的差別，可以精確地測量。由于放電發(fā)生在空氣中，電極兩端不會發(fā)生電荷累積，因此，放電主要發(fā)生在電壓的最大點，并且放電起始電壓與結(jié)束

7、電壓是一致的。此外，當外加電壓增大時，局放時間也會增加。當電暈起始點為高壓側(cè)時，在負半周可以檢測到局放發(fā)生，如圖7所示；當電暈發(fā)生在零電位區(qū)域時，局放發(fā)生在正半周。圖8展示了戶外終端的電暈易發(fā)生區(qū)域。導致電暈發(fā)生的主要原因有：不規(guī)范安裝、毛邊、尺寸不恰當?shù)?。一般來說，這些缺陷都是可以消除的，而且對于電纜設備的安全運行不會產(chǎn)生較大影響。電暈類局放主要發(fā)生在戶外終端，一般不會在中間接頭等設備上出現(xiàn)?？障懂斁址旁陔妷旱恼摪胫芏寄軝z測到時，說明缺陷為空隙缺陷。正半周的放電量要大于負半周，如圖9所示。由于臨近電容充放電的影響，空隙局放的起始電壓與熄滅電壓并不一致，局放起始電壓要大于熄滅電壓。隨著外加電

8、壓的升高，局放幅值保持不變，但放電頻率增加。長時間局放下，空隙絕緣性能會產(chǎn)生變化，比如內(nèi)表面絕緣電阻改變或結(jié)構發(fā)生變化，導致局放次數(shù)發(fā)生變化?？障毒址诺牡湫腿毕萦薪^緣氣隙、混入雜質(zhì)以及工藝不良等原因，其局放易發(fā)點如圖10所示。沿面放電沿面放電主要發(fā)生在電場切線上，放電量較其他局放形式更大。沿面放電的局放量在100pC至1000pC，并且總是在過零點之后出現(xiàn)。由于沿面放電閃絡距離更大，對設備的絕緣性能影響至關重要。根據(jù)局放放電相位圖（圖11），第三象限下的放電量要大于第一象限。沿面放電主要發(fā)生在電纜終端，如圖12所示。原因主要有：安裝過程中終端內(nèi)表面臟污，此時放電主要發(fā)生在電纜電場集中的應力錐處

9、。當電纜終端進潮氣以后，在低溫下凝露會造成內(nèi)表面放電。電纜的外半導過渡處開剝不平滑也會造成電纜內(nèi)部發(fā)生放電。在制作電纜接頭時應做好半導層與應力錐之間的搭接過渡。接觸不良金具連接不良時也會導致局放的發(fā)生。金具連接點的空隙會產(chǎn)生電壓差，當外加電壓足夠高時會導致空隙擊穿。該種類型的局放相位圖相對于過零點是對稱的。如圖13所示。金具連接不良造成的局放幅值遠高于其他類型局放，達到1000pC。隨著外施電壓的升高，局放幅值不會增加，但是放電頻率會隨之升高。由于該類型的放電機理不受自由電荷的影響，在正半周與負半周，局放的起始電壓與熄滅電壓是一致的。對于電纜附件，該類型的局放高發(fā)故障點集中在金具連接處，如圖1

10、4所示。典型故障有：壓接管與導線的截面積尺寸不合，導致接觸面過小，形成局放。持續(xù)的局放會造成金具發(fā)熱，最終導致電纜接頭故障。另一個典型故障為：安裝過程中涂抹硅脂過多，導致線芯與內(nèi)半導之間有一層絕緣，形成電位差。懸浮顆粒以SF6以及N2作為絕緣介質(zhì)的設備，安裝或運行中混入顆粒。改變電場分布，產(chǎn)生局放。該類型局放分布如圖15所示。局放幅值基本一致，集中在某幾個相位。隨著外加電壓的增高，放電幅值保持一致，但頻率增加。懸浮顆粒局放主要發(fā)生在氣體絕緣的電纜中間接頭或終端頭中，如圖16所示。局放分析目前局放分析主要采用相位圖譜（phaseresolvedpartialdisge，PRPD），一些輔助、新式的方法也在逐漸應用。比如局放監(jiān)測系統(tǒng)，對設備進行持續(xù)性的監(jiān)測。由于電纜局放測試通常在運行現(xiàn)場，而非實驗室，外界噪聲干擾較大，需要采用輔助屏蔽措施。當試驗現(xiàn)場位于變電站或附近有發(fā)電機時，外界電磁干擾信號會疊加到電暈或者沿面放電局放相位圖譜上。造成局放識別困難。為了過濾噪音干擾，硬件上采用中心頻率和檢測帶寬可調(diào)的組合帶通濾波器，濾除外部干擾。軟件上采用脈沖波形-時間序列檢測，即記錄單個局放脈沖波形機器獲取時間點（相位），基于脈沖波形特定參數(shù)，對脈沖群進