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科技前沿

　　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(wèn)題關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。一旦電纜設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)造成巨大損失。因此，對(duì)電纜進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)意義重大。局放量檢測(cè)是目前最為常用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(duì)比了不同電纜局放檢測(cè)方法的優(yōu)劣。

　　什么是局部放電?

　　局部放電是發(fā)生在設(shè)備絕緣內(nèi)部，未貫通高低壓電極的放電現(xiàn)象，會(huì)造成絕緣劣化，最終導(dǎo)致電纜壽命縮短。傳統(tǒng)的油浸紙絕緣電纜，局放對(duì)其絕緣性能影響較小，而對(duì)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(huì)對(duì)其絕緣造成永久性損傷，導(dǎo)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(guò)程中，電纜絕緣內(nèi)部存在缺陷，如固體絕緣的空隙(void)，液體絕緣的氣泡，或電場(chǎng)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(wú)法被測(cè)量，因此，局放檢測(cè)屬于非直接測(cè)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(dāng)U10電壓升高到空隙的擊穿電壓UZ時(shí)，空隙擊穿，C1兩端電壓下降，空隙絕緣恢復(fù)，同時(shí)C2被充電，當(dāng)U10高于擊穿電壓Uz時(shí)，以上過(guò)程重復(fù)發(fā)生。而每次局放時(shí)，都將會(huì)在絕緣泄漏電流上疊加一個(gè)小的脈沖放電，如圖2所示。通過(guò)檢測(cè)放電脈沖發(fā)生的位置、時(shí)間以及幅值，我們可以對(duì)設(shè)備的絕緣運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　不同頻率下的局放

　　不同頻率以及電壓波形下局放的測(cè)量方法基本一致，因此，除了在工頻電壓下測(cè)量電纜局部放電外，還可以采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，在電纜上施加不同波形頻率的電壓，對(duì)電纜進(jìn)行局放試驗(yàn)。

　　由于直流電壓對(duì)于電纜絕緣的破壞作用較大，因此不建議在直流電壓下測(cè)量電纜局放，本文也不對(duì)其進(jìn)行討論。

　　工頻電壓下的測(cè)量技術(shù)

　　目前普遍認(rèn)為，50Hz電壓下的局放試驗(yàn)是應(yīng)用最為廣泛的局放測(cè)量方法，最為主要的原因是運(yùn)行電壓頻率為50Hz，局放測(cè)量結(jié)果與實(shí)際最為接近。然而，輸電電纜線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的容量要求較高。圖3為工頻電壓下局放測(cè)試試驗(yàn)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(cè)量方法

　　圖4為諧振頻率下的局放試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，電纜的試驗(yàn)頻率范圍為20至300Hz。試驗(yàn)布置采用串聯(lián)諧振的方法，試驗(yàn)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(duì)變壓器的容量要求遠(yuǎn)小于工頻電壓。此外，通過(guò)調(diào)整電感數(shù)值的大小，可以匹配不同長(zhǎng)度、型號(hào)的電纜。

　　0.1Hz超低頻試驗(yàn)技術(shù)

　　IEC60060規(guī)定，0.1Hz的電纜局放試驗(yàn)波形，可以采用正弦波或方波。由于電壓頻率較低，電纜的充電效應(yīng)大大減弱，試驗(yàn)電源的容量也隨之減小(工頻下的1/500)。相同時(shí)間下超低頻試驗(yàn)電壓過(guò)零次數(shù)遠(yuǎn)小于50Hz工頻試驗(yàn)，因此其局放重復(fù)次數(shù)要小于工頻試驗(yàn)，通常不能采用局放重復(fù)次數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)電纜或附件的運(yùn)行狀況。對(duì)于含有非線性電阻的電纜附件，不宜采用超低頻試驗(yàn)，因?yàn)榭赡軙?huì)對(duì)絕緣產(chǎn)生損傷。

　　振蕩波測(cè)量方法

　　振蕩波試驗(yàn)布置如圖6所示，可以看做快速開(kāi)關(guān)與諧振電路的結(jié)合。其試驗(yàn)原理為，通過(guò)直流電源對(duì)電纜進(jìn)行充電，在達(dá)到一定電壓后開(kāi)關(guān)突然合上，此時(shí)電纜與電感形成串聯(lián)回路，電纜(大電容)中儲(chǔ)存的能量在電容與電感之間來(lái)回振蕩，在振蕩過(guò)程中電纜的局放量被獲取。這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在60kV及以下的電纜設(shè)備中，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在更高電壓設(shè)備上應(yīng)用逐漸增多。

　　這項(xiàng)技術(shù)雖然采用直流電源，但充電時(shí)間較短，很快切換為振蕩波，對(duì)電纜設(shè)備損傷較小。且電源容量要求較小。缺點(diǎn)是振蕩時(shí)間較短，100微秒，電纜耐壓時(shí)間不夠。因此，這項(xiàng)技術(shù)主要用用于電纜絕緣狀況診斷，而不適合投運(yùn)試驗(yàn)。

　　高壓電纜附件上的典型試驗(yàn)結(jié)果

　　本節(jié)展示了戶外電纜終端的缺陷局放試驗(yàn)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(yàn)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(chǎng)集中區(qū)域，與其他類(lèi)型局放有較大的差別，可以精確地測(cè)量。由于放電發(fā)生在空氣中，電極兩端不會(huì)發(fā)生電荷累積，因此，放電主要發(fā)生在電壓的最大點(diǎn)，并且放電起始電壓與結(jié)束電壓是一致的。此外，當(dāng)外加電壓增大時(shí)，局放時(shí)間也會(huì)增加。

　　當(dāng)電暈起始點(diǎn)為高壓側(cè)時(shí)，在負(fù)半周可以檢測(cè)到局放發(fā)生，如圖7所示;當(dāng)電暈發(fā)生在零電位區(qū)域時(shí)，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(dǎo)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(dāng)?shù)?。一般?lái)說(shuō)，這些缺陷都是可以消除的，而且對(duì)于電纜設(shè)備的安全運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生較大影響。電暈類(lèi)局放主要發(fā)生在戶外終端，一般不會(huì)在中間接頭等設(shè)備上出現(xiàn)。

　　空隙

　　當(dāng)局放在電壓的正負(fù)半周都能檢測(cè)到時(shí)，說(shuō)明缺陷為空隙缺陷。正半周的放電量要大于負(fù)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。隨著外加電壓的升高，局放幅值保持不變，但放電頻率增加。長(zhǎng)時(shí)間局放下，空隙絕緣性能會(huì)產(chǎn)生變化，比如內(nèi)表面絕緣電阻改變或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致局放次數(shù)發(fā)生變化。

　　空隙局放的典型缺陷有絕緣氣隙、混入雜質(zhì)以及工藝不良等原因，其局放易發(fā)點(diǎn)如圖10所示。

　　沿面放電

　　沿面放電主要發(fā)生在電場(chǎng)切線上，放電量較其他局放形式更大。沿面放電的局放量在100 pC至1000 pC，并且總是在過(guò)零點(diǎn)之后出現(xiàn)。由于沿面放電閃絡(luò)距離更大，對(duì)設(shè)備的絕緣性能影響至關(guān)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(guò)程中終端內(nèi)表面臟污，此時(shí)放電主要發(fā)生在電纜電場(chǎng)集中的應(yīng)力錐處。當(dāng)電纜終端進(jìn)潮氣以后，在低溫下凝露會(huì)造成內(nèi)表面放電。

　　電纜的外半導(dǎo)過(guò)渡處開(kāi)剝不平滑也會(huì)造成電纜內(nèi)部發(fā)生放電。在制作電纜接頭時(shí)應(yīng)做好半導(dǎo)層與應(yīng)力錐之間的搭接過(guò)渡。

　　接觸不良

      金具連接不良時(shí)也會(huì)導(dǎo)致局放的發(fā)生。金具連接點(diǎn)的空隙會(huì)產(chǎn)生電壓差，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)會(huì)導(dǎo)致空隙擊穿。該種類(lèi)型的局放相位圖相對(duì)于過(guò)零點(diǎn)是對(duì)稱的。如圖13所示。

　　金具連接不良造成的局放幅值遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型局放，達(dá)到1000pC。隨著外施電壓的升高，局放幅值不會(huì)增加，但是放電頻率會(huì)隨之升高。由于該類(lèi)型的放電機(jī)理不受自由電荷的影響，在正半周與負(fù)半周，局放的起始電壓與熄滅電壓是一致的。

　　對(duì)于電纜附件，該類(lèi)型的局放高發(fā)故障點(diǎn)集中在金具連接處，如圖14所示。典型故障有：壓接管與導(dǎo)線的截面積尺寸不合，導(dǎo)致接觸面過(guò)小，形成局放。持續(xù)的局放會(huì)造成金具發(fā)熱，最終導(dǎo)致電纜接頭故障。另一個(gè)典型故障為：安裝過(guò)程中涂抹硅脂過(guò)多，導(dǎo)致線芯與內(nèi)半導(dǎo)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(shè)備，安裝或運(yùn)行中混入顆粒。改變電場(chǎng)分布，產(chǎn)生局放。該類(lèi)型局放分布如圖15所示。局放幅值基本一致，集中在某幾個(gè)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(phase resolved partial discharge，PRPD)，一些輔助、新式的方法也在逐漸應(yīng)用。比如局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)。由于電纜局放測(cè)試通常在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，而非實(shí)驗(yàn)室，外界噪聲干擾較大，需要采用輔助屏蔽措施。當(dāng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)位于變電站或附近有發(fā)電機(jī)時(shí)，外界電磁干擾信號(hào)會(huì)疊加到電暈或者沿面放電局放相位圖譜上。造成局放識(shí)別困難。

　　為了過(guò)濾噪音干擾，硬件上采用中心頻率和檢測(cè)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(shí)間序列檢測(cè)，即記錄單個(gè)局放脈沖波形機(jī)器獲取時(shí)間點(diǎn)(相位)，基于脈沖波形特定參數(shù)，對(duì)脈沖群進(jìn)行無(wú)監(jiān)督的聚類(lèi)分析，將脈沖群進(jìn)行快速分類(lèi)，將具有相似特征的局放脈沖在映射特征空間中緊聚或抱團(tuán)，形成簇。從而區(qū)分局放或噪聲干擾。

　　總結(jié)

　　局放監(jiān)測(cè)是目前電纜附件狀況診斷最為有力的工具?？梢灾苯訉?duì)運(yùn)行中的電纜進(jìn)行檢測(cè)診斷，評(píng)估其絕緣狀況，但缺點(diǎn)是易受外界干擾，濾波、提取波形較為困難，綜合來(lái)看，局放檢測(cè)技術(shù)仍是目前檢測(cè)電纜最優(yōu)秀的非破壞性檢測(cè)技術(shù)。