高壓電纜耐壓試驗(yàn)過程中局部放電試驗(yàn)測試方法

高壓電纜耐壓試驗(yàn)過程中局部放電試驗(yàn)測試方法1.高壓電纜局放測試的背景1.1高壓電纜的應(yīng)用情況交聯(lián)聚乙烯電纜因其具有電性能高、輸送容量大、重量輕、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，高壓電纜線路基本上都使用了該類型的高壓電纜。1.2高壓電纜的故障高壓電纜故障的主要原因在于產(chǎn)品質(zhì)量和施工質(zhì)量，其中電纜附件占故障總量的90%，薄弱環(huán)節(jié)表現(xiàn)在電纜終端頭和中間接頭，主要由于設(shè)計(jì)不良、材料選擇不當(dāng)、安裝制作工藝不良三個(gè)方面的原因造成。1.3高壓電纜局放測試的必須性《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50150-2006）要求新竣工的電纜需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，高壓電纜交流耐壓等效電路如下圖，用C1、C2、C3組合模擬被試電纜的各個(gè)絕緣部件，在試驗(yàn)過程中C1、C2、C3同時(shí)承受高電壓的考驗(yàn)。交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)存在不足，體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：a)交流耐壓試驗(yàn)只關(guān)注電纜整體能否完整承受試驗(yàn)電壓的考驗(yàn)，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為電纜是否通過了交流耐壓試驗(yàn)，缺少電纜在試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的局部損傷和破壞的監(jiān)測手段。b)如電纜內(nèi)部存在局部放電,但是電纜依然有可能能夠通過交流耐壓試驗(yàn)，內(nèi)部有缺陷的電纜帶病運(yùn)行，電纜安全運(yùn)行存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此檢測高壓電纜在耐壓過程中的局放信號。2.電纜產(chǎn)生局部放電的成因2.1局部放電局部放電是指高壓設(shè)備中的絕緣介質(zhì)在高電場強(qiáng)度作用下，發(fā)生在電極之間的未貫穿的放電。這種放電只存在于絕緣的局部位置，而不會(huì)立即形成貫穿性通道，因此稱為局部放電。2.2電纜局放的局放位置交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的絕緣材料為固態(tài)塑料結(jié)構(gòu)。在制造過程中如混入金屬雜質(zhì)、出現(xiàn)氣孔空洞，或由于內(nèi)、外半導(dǎo)體層不規(guī)則突起引起高壓場強(qiáng)的不均勻，或絕緣中存在的電樹等，在這些部位都有可能出現(xiàn)局放。隨著電纜制造技術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量控制水平不斷提高，由上述原因產(chǎn)生的局放在現(xiàn)場測試中已經(jīng)微乎其微。交聯(lián)聚乙烯電纜中檢測出的局放點(diǎn)一般都出現(xiàn)在中間接頭和終端頭上。2.3電纜局部放電的危害局部放電的能量很小，通常不影響電纜短期的絕緣強(qiáng)度。但是長期存在著局部放電，即可以緩慢損壞絕緣，日積月累，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。此外受化學(xué)性質(zhì)決定，交聯(lián)聚乙烯絕緣的電纜耐局部放電的性能較差，長時(shí)間的局部放電會(huì)加速其絕緣劣化，最終使其發(fā)生故障。2.4電纜中間頭因制作工藝不良引發(fā)局放的圖集壓接管包繞絕緣帶應(yīng)力錐安裝位置錯(cuò)誤絕緣混合劑涂抹位置錯(cuò)誤絕緣屏蔽（外半導(dǎo)電層）剝切不整齊3.高壓電纜局放測試的原理一旦被試電纜發(fā)生局部放電，耦合電容Ck瞬時(shí)對Cx充電，形成高頻的脈沖電流波形，脈沖電流波形達(dá)到納秒級別，其頻譜高達(dá)百兆以上，脈沖電流的幅值大小、發(fā)生的頻度反映電纜內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度。利用局放監(jiān)測系統(tǒng)在耐壓過程可嚴(yán)密監(jiān)視局放信號隨電壓和時(shí)間變化的趨勢，掌握電纜缺陷嚴(yán)重程度的變化。高壓電纜局部放電的嚴(yán)重程度通過其局部放電量來反映，要測試局放量必須對測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。在被試驗(yàn)電纜Cx注入標(biāo)準(zhǔn)局放信號Qo以模擬被試對象發(fā)生了局部放電，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)局放信號注入時(shí)，檢測阻抗Zm1、Zm2輸出信號，測試系統(tǒng)M獲取局放信號的幅值大小、相位分布特征、頻譜特性等信息。局放測試時(shí)參照校準(zhǔn)信息就可以計(jì)算出局放量的大小，對電纜局部放電的嚴(yán)重程度、局放類型評估，作出正確的判斷。4.高壓電纜局放測試的方法4.1交流耐壓試驗(yàn)電源處理高壓電纜交流耐壓采用的是變頻諧振裝置產(chǎn)生試驗(yàn)電源，變頻柜是裝置的核心部件，變頻柜通過晶閘管的整流和逆變獲取試驗(yàn)所需的頻率，在電源變換過程中引入了大量的高頻脈沖電流成份。變頻諧振系統(tǒng)輸出的電源不能直接作為電纜局放試驗(yàn)的電源直接施加于被試對象進(jìn)行局部放電測試，必須采取有效措施對試驗(yàn)電源進(jìn)行預(yù)處理，通過設(shè)置串聯(lián)電抗、防暈導(dǎo)線、均壓環(huán)進(jìn)行對試驗(yàn)電源質(zhì)量進(jìn)行改善，其電氣原理所下圖所示。4.2電纜終端局放測試回路電纜終端的局放測試回路如下圖，當(dāng)被試電纜內(nèi)部發(fā)生了局部放電時(shí)，耦合電容瞬時(shí)對電纜終端充電，形成高頻的脈沖充電電流波形，脈沖電流的幅值、發(fā)生的頻度反映了電纜內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度，通道1、通道2兩個(gè)傳感器將局放信號傳送至局放診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。在電纜的中間接頭，測試原理如圖所示，一側(cè)電纜的鎧裝與電纜導(dǎo)體之間存在電容Ca，另一側(cè)電纜的導(dǎo)體與鎧裝之間存在電容Cb，如果在電纜的中間接頭發(fā)生局部放電，那么形成兩個(gè)電容C1和C2，此時(shí)Ca和Cb就會(huì)通過導(dǎo)體向C1和C2充放電，從而形成局放電流回路，在兩側(cè)電纜屏蔽層橋接一個(gè)高頻低阻的電容臂C0和高頻電流傳感器，就可以檢測到局放的脈沖電流信號。4.3高壓電纜局放測試的技術(shù)難點(diǎn)a)測試系統(tǒng)靈敏度要求高高壓電纜發(fā)生局放時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號微弱，要求傳感器及測試系統(tǒng)有相當(dāng)高的檢出靈敏度。b)現(xiàn)場干擾因素復(fù)雜在現(xiàn)場實(shí)施電纜局放試驗(yàn)時(shí)干擾信號會(huì)嚴(yán)重影響電纜局放的檢測和診斷，主要有臨近試驗(yàn)現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的電暈或者局部放電信號、交流耐壓試驗(yàn)裝置自身的局部放電信號、交流耐壓試驗(yàn)回路的引線產(chǎn)生的電暈信號三個(gè)方面的因素。因此甄別并排除干擾信號、提取有效的信息并根據(jù)其特征診斷電纜的絕緣狀態(tài)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。c)對測試人員的要求高高壓電纜局放的信號主要集中在0-30MHz范圍內(nèi)，信號頻帶較寬，加上現(xiàn)場存在一定的干擾信號，測試人員通過信號抑制、識別、分類、提取、判斷等技術(shù)手段，準(zhǔn)確的解析復(fù)雜的電子信號成份實(shí)現(xiàn)電纜的狀態(tài)診斷。這項(xiàng)技術(shù)要求測試人員熟練使用示波器、頻譜儀、濾波器等電子設(shè)備，并具備高頻電子信號分析判斷能力。ud)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有明確的指引高壓電纜局放測試是目前國內(nèi)比較新的技術(shù)應(yīng)用課題，國內(nèi)僅有北京供電局進(jìn)行過類似嘗試，佛山局在這一技術(shù)領(lǐng)域走在了國內(nèi)前列。4.4局放診斷判據(jù)（1）通過大量的試驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場測試結(jié)果顯示：局放信號的相位與試驗(yàn)電源的相位具有180度或360度的相位特征，同時(shí)發(fā)生在一定寬度的相位上。（2）在測試中若發(fā)現(xiàn)存在多種信號源，需運(yùn)用帶通濾波器分別提取不同頻帶的脈沖信號進(jìn)行單獨(dú)分析；（3）局放傳感器采集到的高頻脈沖信號的波形和頻譜是否具有典型局放特征（脈沖波形上升沿一般為幾十納秒）；(4)必要時(shí)，將實(shí)際測試局放波形與利用模擬局放源對測試回路進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的波形進(jìn)行反復(fù)類比，觀察其信號的相似性；（5）極性判別法：運(yùn)用脈沖波形的極性鑒別局放源的位置；4.5交流耐壓時(shí)進(jìn)行局放測試的優(yōu)點(diǎn)1.在進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)過程中同時(shí)進(jìn)行局放測試，由于電纜耐壓試驗(yàn)電源采用異頻電源，工頻信號在試驗(yàn)電源的相位圖譜上不具有相關(guān)性，只有試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的局放信號可能在試驗(yàn)電源的相位圖譜上具有相關(guān)性，利用這一點(diǎn)可有效排除運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號。試驗(yàn)裝置自身的局放信號是晶閘管的開通關(guān)閉造成，一般集中在特定相位，這類干擾在一定程度上可通過“開相位窗”予以排除。2.高電壓狀態(tài)下局放測試的靈敏度高，高壓電纜交流耐壓時(shí)所施加的電壓為2U0，利于將電纜內(nèi)部的缺陷檢。(a)對于在1U0下不產(chǎn)生局放信號的缺陷，在2U0下激發(fā)下產(chǎn)生局放，缺陷才可能被發(fā)現(xiàn)。(b)對于同樣的電纜缺陷，電壓越高，產(chǎn)生的局放信號越大，檢出的靈敏度越高。3.局放的提前發(fā)現(xiàn)對運(yùn)行安全、設(shè)備檢修的影響。通過局放測試，可以在電纜投運(yùn)前發(fā)現(xiàn)缺陷，施工人員有足夠的時(shí)間和空間查明原因、消除缺陷，避免電纜帶病投入運(yùn)行后重復(fù)停電，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。4.6局放測試系統(tǒng)SPD局放檢測系統(tǒng)的信號處理主要由硬件實(shí)現(xiàn)，信號波形保持較真實(shí)。檢測時(shí)信號經(jīng)電容臂從電纜終端耦合,通過傳感器PDD將信號檢取，送到高通濾波器HPF濾波,再送到局放測試主機(jī)PDM，通過一系列的濾波、放大及模、數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，去除干擾信號，得到所需信號送至后臺分析軟件進(jìn)行判定,主要是從頻率f、相位Φ、頻度n、電量q、時(shí)間t五個(gè)因素判斷，在軟件上可以清楚地看到這幾個(gè)量的大小，以及之間的相互關(guān)系，通過它們之間的關(guān)系，對存在的可疑局放的可能性作一個(gè)分析。MPD600局放診斷系統(tǒng)側(cè)重于由軟件實(shí)現(xiàn)對信號的分析處理，具備頻譜分析功能，在頻譜圖上可連續(xù)自由選擇濾波器中心頻率及帶寬，屏蔽干擾信號的影響，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電平的大小在一定程度上可排除干擾因素。PDCHECK診斷系統(tǒng)與前面兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于沒有設(shè)置帶通濾波器來排除干擾信號的影響，而是對超過觸發(fā)電平的所有脈沖信號進(jìn)行分析，計(jì)算出每個(gè)脈沖的脈沖寬度及中心頻率，根據(jù)這兩個(gè)特征量將脈沖進(jìn)行分類，采取這種方式可以最大限度的排除干擾，得到真實(shí)局放信號的幅值會(huì)較大，檢測靈敏度好。1.高壓電纜局放測試的背景1.1高壓電纜的應(yīng)用情況交聯(lián)聚乙烯電纜因其具有電性能高、輸送容量大、重量輕、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，高壓電纜線路基本上都使用了該類型的高壓電纜。1.2高壓電纜的故障高壓電纜故障的主要原因在于產(chǎn)品質(zhì)量和施工質(zhì)量，其中電纜附件占故障總量的90%，薄弱環(huán)節(jié)表現(xiàn)在電纜終端頭和中間接頭，主要由于設(shè)計(jì)不良、材料選擇不當(dāng)、安裝制作工藝不良三個(gè)方面的原因造成。1.3高壓電纜局放測試的必須性《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50150-2006）要求新竣工的電纜需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，高壓電纜交流耐壓等效電路如下圖，用C1、C2、C3組合模擬被試電纜的各個(gè)絕緣部件，在試驗(yàn)過程中C1、C2、C3同時(shí)承受高電壓的考驗(yàn)。交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)存在不足，體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：a)交流耐壓試驗(yàn)只關(guān)注電纜整體能否完整承受試驗(yàn)電壓的考驗(yàn)，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為電纜是否通過了交流耐壓試驗(yàn)，缺少電纜在試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的局部損傷和破壞的監(jiān)測手段。b)如電纜內(nèi)部存在局部放電,但是電纜依然有可能能夠通過交流耐壓試驗(yàn)，內(nèi)部有缺陷的電纜帶病運(yùn)行，電纜安全運(yùn)行存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此檢測高壓電纜在耐壓過程中的局放信號。2.電纜產(chǎn)生局部放電的成因2.1局部放電局部放電是指高壓設(shè)備中的絕緣介質(zhì)在高電場強(qiáng)度作用下，發(fā)生在電極之間的未貫穿的放電。這種放電只存在于絕緣的局部位置，而不會(huì)立即形成貫穿性通道，因此稱為局部放電。2.2電纜局放的局放位置交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的絕緣材料為固態(tài)塑料結(jié)構(gòu)。在制造過程中如混入金屬雜質(zhì)、出現(xiàn)氣孔空洞，或由于內(nèi)、外半導(dǎo)體層不規(guī)則突起引起高壓場強(qiáng)的不均勻，或絕緣中存在的電樹等，在這些部位都有可能出現(xiàn)局放。隨著電纜制造技術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量控制水平不斷提高，由上述原因產(chǎn)生的局放在現(xiàn)場測試中已經(jīng)微乎其微。交聯(lián)聚乙烯電纜中檢測出的局放點(diǎn)一般都出現(xiàn)在中間接頭和終端頭上。2.3電纜局部放電的危害局部放電的能量很小，通常不影響電纜短期的絕緣強(qiáng)度。但是長期存在著局部放電，即可以緩慢損壞絕緣，日積月累，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。此外受化學(xué)性質(zhì)決定，交聯(lián)聚乙烯絕緣的電纜耐局部放電的性能較差，長時(shí)間的局部放電會(huì)加速其絕緣劣化，最終使其發(fā)生故障。2.4電纜中間頭因制作工藝不良引發(fā)局放的圖集壓接管包繞絕緣帶應(yīng)力錐安裝位置錯(cuò)誤絕緣混合劑涂抹位置錯(cuò)誤絕緣屏蔽（外半導(dǎo)電層）剝切不整齊3.高壓電纜局放測試的原理一旦被試電纜發(fā)生局部放電，耦合電容Ck瞬時(shí)對Cx充電，形成高頻的脈沖電流波形，脈沖電流波形達(dá)到納秒級別，其頻譜高達(dá)百兆以上，脈沖電流的幅值大小、發(fā)生的頻度反映電纜內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度。利用局放監(jiān)測系統(tǒng)在耐壓過程可嚴(yán)密監(jiān)視局放信號隨電壓和時(shí)間變化的趨勢，掌握電纜缺陷嚴(yán)重程度的變化。高壓電纜局部放電的嚴(yán)重程度通過其局部放電量來反映，要測試局放量必須對測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。在被試驗(yàn)電纜Cx注入標(biāo)準(zhǔn)局放信號Qo以模擬被試對象發(fā)生了局部放電，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)局放信號注入時(shí)，檢測阻抗Zm1、Zm2輸出信號，測試系統(tǒng)M獲取局放信號的幅值大小、相位分布特征、頻譜特性等信息。局放測試時(shí)參照校準(zhǔn)信息就可以計(jì)算出局放量的大小，對電纜局部放電的嚴(yán)重程度、局放類型評估，作出正確的判斷。4.高壓電纜局放測試的方法4.1交流耐壓試驗(yàn)電源處理高壓電纜交流耐壓采用的是變頻諧振裝置產(chǎn)生試驗(yàn)電源，變頻柜是裝置的核心部件，變頻柜通過晶閘管的整流和逆變獲取試驗(yàn)所需的頻率，在電源變換過程中引入了大量的高頻脈沖電流成份。變頻諧振系統(tǒng)輸出的電源不能直接作為電纜局放試驗(yàn)的電源直接施加于被試對象進(jìn)行局部放電測試，必須采取有效措施對試驗(yàn)電源進(jìn)行預(yù)處理，通過設(shè)置串聯(lián)電抗、防暈導(dǎo)線、均壓環(huán)進(jìn)行對試驗(yàn)電源質(zhì)量進(jìn)行改善，其電氣原理所下圖所示。4.2電纜終端局放測試回路電纜終端的局放測試回路如下圖，當(dāng)被試電纜內(nèi)部發(fā)生了局部放電時(shí)，耦合電容瞬時(shí)對電纜終端充電，形成高頻的脈沖充電電流波形，脈沖電流的幅值、發(fā)生的頻度反映了電纜內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度，通道1、通道2兩個(gè)傳感器將局放信號傳送至局放診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。在電纜的中間接頭，測試原理如圖所示，一側(cè)電纜的鎧裝與電纜導(dǎo)體之間存在電容Ca，另一側(cè)電纜的導(dǎo)體與鎧裝之間存在電容Cb，如果在電纜的中間接頭發(fā)生局部放電，那么形成兩個(gè)電容C1和C2，此時(shí)Ca和Cb就會(huì)通過導(dǎo)體向C1和C2充放電，從而形成局放電流回路，在兩側(cè)電纜屏蔽層橋接一個(gè)高頻低阻的電容臂C0和高頻電流傳感器，就可以檢測到局放的脈沖電流信號。4.3高壓電纜局放測試的技術(shù)難點(diǎn)a)測試系統(tǒng)靈敏度要求高高壓電纜發(fā)生局放時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號微弱，要求傳感器及測試系統(tǒng)有相當(dāng)高的檢出靈敏度。b)現(xiàn)場干擾因素復(fù)雜在現(xiàn)場實(shí)施電纜局放試驗(yàn)時(shí)干擾信號會(huì)嚴(yán)重影響電纜局放的檢測和診斷，主要有臨近試驗(yàn)現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的電暈或者局部放電信號、交流耐壓試驗(yàn)裝置自身的局部放電信號、交流耐壓試驗(yàn)回路的引線產(chǎn)生的電暈信號三個(gè)方面的因素。因此甄別并排除干擾信號、提取有效的信息并根據(jù)其特征診斷電纜的絕緣狀態(tài)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。c)對測試人員的要求高高壓電纜局放的信號主要集中在0-30MHz范圍內(nèi)，信號頻帶較寬，加上現(xiàn)場存在一定的干擾信號，測試人員通過信號抑制、識別、分類、提取、判斷等技術(shù)手段，準(zhǔn)確的解析復(fù)雜的電子信號成份實(shí)現(xiàn)電纜的狀態(tài)診斷。這項(xiàng)技術(shù)要求測試人員熟練使用示波器、頻譜儀、濾波器等電子設(shè)備，并具備高頻電子信號分析判斷能力。ud)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有明確的指引高壓電纜局放測試是目前國內(nèi)比較新的技術(shù)應(yīng)用課題，國內(nèi)僅有北京供電局進(jìn)行過類似嘗試，佛山局在這一技術(shù)領(lǐng)域走在了國內(nèi)前列。4.4局放診斷判據(jù)（1）通過大量的試驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場測試結(jié)果顯示：局放信號的相位與試驗(yàn)電源的相位具有180度或360度的相位特征，同時(shí)發(fā)生在一定寬度的相位上。（2）在測試中若發(fā)現(xiàn)存在多種信號源，需運(yùn)用帶通濾波器分別提取不同頻帶的脈沖信號進(jìn)行單獨(dú)分析；（3）局放傳感器采集到的高頻脈沖信號的波形和頻譜是否具有典型局放特征（脈沖波形上升沿一般為幾十納秒）；(4)必要時(shí)，將實(shí)際測試局放波形與利用模擬局放源對測試回路進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的波形進(jìn)行反復(fù)類比，觀察其信號的相似性；（5）極性判別法：運(yùn)用脈沖波形的極性鑒別局放源的位置；4.5交流耐壓時(shí)進(jìn)行局放測試的優(yōu)點(diǎn)1.在進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)過程中同時(shí)進(jìn)行局放測試，由于電纜耐壓試驗(yàn)電源采用異頻電源，工頻信號在試驗(yàn)電源的相位圖譜上不具有相關(guān)性，只有試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的局放信號可能在試驗(yàn)電源的相位圖譜上具有相關(guān)性，利用這一點(diǎn)可有效排除運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號。試驗(yàn)裝置自身的局放信號是晶閘管的開通關(guān)閉造成，一般集中在特定相位，這類干擾在一定程度上可通過“開相位窗”予以排除。