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一、 目的和意義

近十年來，我國城市電網(wǎng)中大量采用 XLPE 電力電纜輸配電。交聯(lián)電纜在當 前中國乃至世界的電力系統(tǒng)中有著至關重要的地位，在 220kV 以下的領域已經(jīng)全 面取代其他電纜，成為城市內(nèi)傳輸電力的主導產(chǎn)品，500kV 的交聯(lián)聚乙烯電力電 纜也開始掛網(wǎng)試運行，我國的電力設備制造能力有了很大的進步。

在 60 年代初問世以來的 40 余年中，由于交聯(lián)聚乙烯 (XLPE) 電纜具有良好 的電性能和熱性能并且結構簡單，制造周期短，工作耐受溫度高，無油，敷設方 便，供電安全可靠、有利于美化城市等優(yōu)點，因而被廣泛應用于電力系統(tǒng)的各個 電壓等級中，但是這種電纜的絕緣結構中往往會由于加工技術上的難度或原材料 不純而存在氣隙和有害性雜質(zhì)，或者由于工藝原因在絕緣與半導電屏蔽層之間存 在間隙或半導電體向絕緣層突出，在這些氣隙和雜質(zhì)尖端處極易產(chǎn)生局部放電， 同時在電力電纜的安裝和運行過程當中也可能會產(chǎn)生各種絕緣缺陷導致局部放 電。當它使用到一定年限后局部放電繼續(xù)發(fā)展到一定程度導致絕緣擊穿而造成電 網(wǎng)事故，其主要原因是由于 XLPE 等擠塑型絕緣材料耐放電性較差，在局部放電 的長期作用下，絕緣材料不斷老化最終導致絕緣擊穿，造成嚴重事故。因而對交 聯(lián)聚乙烯電纜絕緣缺陷局部放電檢測方法的研究就顯得尤為迫切，及時、準確地 檢測到電纜絕緣隱患，就可以及時采取必要的應對措施，減少突發(fā)事故等帶來的 經(jīng)濟損失具有十分重要的現(xiàn)實意義。

因此對電力電纜及其接頭進行局部放電檢測和定位研究有著重要的意義和 經(jīng)濟價值。IEC 及世界各國都制定了相關的局部放電測試標準，通過對局部放電 的檢測及時發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原因，保證電力電纜質(zhì)量，保 障電力系統(tǒng)安全可靠運行。國際大電網(wǎng) (CIGRE) 也在 2009 年成立了電纜及接頭 現(xiàn)場局放檢測技術的工作組，對該方面技術發(fā)展進行研究梳理。

局部放電是電力電纜運行中的一個較大的安全隱患，是電纜絕緣劣化的征 兆，也是造成絕緣劣化的重要原因之一，局部放電測量用于現(xiàn)場測量時，外部噪 聲干擾嚴重，測量很困難。DAC 電纜振蕩波局放檢測及故障定位系統(tǒng)是基于變頻 諧振的阻尼振蕩波電壓下的 XLPE 電纜局部放電現(xiàn)場檢測及定位技術研究，設計 生產(chǎn)符合現(xiàn)場測試要求的阻尼振蕩波電源；針對 XLPE 電纜及其接頭中局部放電 信號的傳播方式和規(guī)律，研究電纜及其接頭局部放電信號的提取技術，設計符合 現(xiàn)場測試要求、參數(shù)優(yōu)化、性能良好的局放檢測傳感器，并選用先進的數(shù)字信號 處理方法對測試數(shù)據(jù)進行分析處理，進而進行 XLPE 電力電纜局部放電的準確定 位，為更準確判斷電纜及其接頭絕緣狀況提供參考依據(jù)。

本設備可用于 10kV 及以上電力電纜進行現(xiàn)場交流耐壓試驗、局部放電現(xiàn)場 檢測及故障定位。本系統(tǒng)滿足目前電力系統(tǒng)市場需求和現(xiàn)運行的電纜基本都進入 “中年期”需要及時的檢測和維修，本設備將耐壓試驗、局放檢測、故障定位等 功能集一身，極大的簡化了系統(tǒng)設備運輸、現(xiàn)場試驗安裝、降低了試驗成本。帶 來豐厚的經(jīng)濟效益和科研價值。

二、 國內(nèi)外研究水平綜述

局部放電試驗是擠塑型絕緣電力電纜非破壞性電氣檢驗的主要項目，其與電 力電纜絕緣狀況密切相關，預示著電纜絕緣存在可能危及電纜安全運行壽命的缺 陷，也是被國內(nèi)外的專家學者以及 IEEE、IEC、CIGRE 等國際電力權威機構組織 一致推薦的評價XLPE 電纜絕緣狀況的最佳試驗方法。從上世紀 50 年代后期開始， 世界各國紛紛致力于高靈敏度、寬頻帶放大檢測器的開發(fā)來對電纜絕緣進行局部 放電測量。

局部放電的發(fā)生會伴隨著很多物理、化學效應，并產(chǎn)生相應的聲、光、熱以 及放電生成物等。以局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)，通過能表述該現(xiàn)象的物 理量的測量來表征局部放電的狀態(tài)。至今，國內(nèi)外出現(xiàn)的電纜局部放電測試方法 主要有脈沖電流法、無線電干擾電壓法 (簡稱 RIV 法)、差分法、方向耦合法、 電容耦合法、電感耦合法、超聲波檢測法等。IEC 及世界各國都制定了電纜相關 的局部放電測試標準，如 IEC60885-3 (對應的國標為 GB/T3048.12-94) 推薦的 脈沖電流法，可對電纜進行定量檢測。

對電力電纜及其接頭進行局部放電檢測和定位研究有著非常重要的意義和 經(jīng)濟價值。通過對局部放電的測量及時發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原 因，保證電力電纜質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)安全可靠運行。國際大電網(wǎng) (CIGRE) 也 在 2009 年成立了電纜及接頭現(xiàn)場局部放電檢測技術的工作組，對該方面技術發(fā) 展進行研究。

局部放電是電力電纜運行中的一個較大的安全隱患，是電纜絕緣劣化的重要 征兆，也是造成絕緣老化的重要原因之一。電力電纜局部放電現(xiàn)場測量時，由于 環(huán)境復雜，外部噪聲干擾嚴重，測量會比出廠實驗時困難許多。尤其是在離線狀 態(tài)下對電力電纜進行局部放電測量時，就必須有便攜式電源對其進行施壓。目前 國內(nèi)外開展的局部放電現(xiàn)場檢測的電源類型主要有：工頻正弦波電源，超低頻電 源和阻尼振蕩波電壓源。針對以上三種電源方式下相應的局部放電檢測主要為： 工頻正弦波電壓下的 PD 檢測、超低頻電壓下的PD 檢測和阻尼振蕩波電壓下的 PD 檢測 (Damped AC Voltage Testing，簡稱 DAC)。

2.1 工頻電壓下局放檢測設備

工頻電壓下局放檢測設備是最理想的試驗設備，但在試驗時需要有很大功率 的設備才能進行，這便造成了所需試驗電源質(zhì)量和體積的增大，當電纜較長時因 設備太笨重便無法實施 PD 檢測，因而電力電纜在工頻電壓下的 PD 現(xiàn)場檢測較為 困難。工頻電壓下檢測設備的笨重，不易現(xiàn)場檢測。

2.2 超低頻電壓下局放檢測設備

超低頻電壓下的局部放電測試中所用的超低頻電源為 0.1Hz 正弦波電源，此 電源理論上可以將試驗變壓器的容量降低到 1/500，因而試驗變壓器的重量可大 大降低，可以較容易地移動到現(xiàn)場進行試驗。超低頻電源可長期對被試電纜施加 恒定電壓，始終為 0.1Hz 正弦波，波形沒有毛刺且光滑，電壓幅值恒定且不隨時 間變化，因而其用在中、低壓電力電纜的耐壓試驗和介損試驗較多，能夠在較低 的電壓下有效地發(fā)現(xiàn) XLPE 絕緣電力電纜受潮和存在水樹枝的運行缺陷。超低頻 電壓下電纜的 PD 檢測應用較少，其測試結果也備受質(zhì)疑。超低頻檢測結果的可 信度及對電纜的損傷。

2.3 直流阻尼振蕩波電壓下局放檢測設備

阻尼振蕩波電壓法是近年來國內(nèi)外研究較多的一種用于 XLPE 電力電纜局部 放電現(xiàn)場檢測和定位的方法，它是由荷蘭代爾夫特大學學者研究提出。該方法具 有：與交流電源法等效性好、作用時間短、操作方便、易于攜帶、可有效檢測 XLPE 電纜中的各種缺陷，且試驗不會對電纜造成損害等特點。

但是采用直流對 XLPE 電纜進行充電，就會存在許多問題。直流電壓下絕緣 老化的機理和交流電壓下的老化機理不相同，在直流電壓下 XLPE 電纜會產(chǎn)生“記 憶”效應，并存儲積累單極性殘余電荷，使得電纜上的電壓值遠遠超過其額定電 壓，從而有可能導致電纜絕緣擊穿。直流試驗時，如果在試驗時電纜終端頭發(fā)生 表面閃絡或電纜附件擊穿，會造成電纜芯線上產(chǎn)生波振蕩，在已積聚空間電荷的 地點，由于振蕩電壓極性迅速改變?yōu)楫悩O性，使該處電場強度顯著增大，可能損 壞絕緣，造成多點擊穿。XLPE 電纜絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹枝，在直流電壓下會迅速 轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?，并形成放電，加速了絕緣劣化，以至于運行后在工頻電壓作用下 形成擊穿。結合以上四點因素，即使直流沖擊高壓發(fā)生器對 XLPE 電纜直流充電 時間較短，其安全性還是有待進一步考量。

2.4 DAC 阻尼振蕩波電壓下局放檢測設備

綜合上述電纜 PD 檢測的方法優(yōu)缺點。研制出基于變頻諧振的阻尼振蕩波電 壓下 XLPE 電纜現(xiàn)場局部放電檢測及定位系統(tǒng)。

有效解決了：

工頻電壓下檢測設備的笨重，不易現(xiàn)場檢測。

超低頻檢測結果的可信度及對電纜的損傷。

直流 DAC 對電纜引起的不安全性。

既可以完成交流耐壓試驗，又實現(xiàn)了局放測試及故障定位。

三、 系統(tǒng)工作原理

3.1.局部放電的測量

局部放電測試是評估電力電纜絕緣質(zhì)量的重要方法，特別是擠出型絕緣材料 的電纜。由于電纜的絕緣結構中往往會由于加工技術上的難度或原材料不純而存 在氣隙和有害性雜質(zhì)，或者由于工藝原因，在絕緣與半導電屏蔽層之間存在間隙 或半導電體向絕緣層突出，在這些氣隙和雜質(zhì)尖端處極易產(chǎn)生局部放電，同時在 電力電纜的安裝和運行過程當中也可能會產(chǎn)生各種絕緣缺陷導致局部放電。

由于 XLPE 電纜及接頭局部放電信號微弱，波形復雜多變，極易被背景噪聲 和外界電磁干擾噪聲淹沒，所以研究怎樣有效提取真實不失真的局部放電信號具 有較大難度。本系統(tǒng)所使用的耦合單元 (檢測阻抗) 能真實有效的耦合到局部放 電信號，對試驗電壓的工頻及其諧振的低頻信號則予以抑制或濾除。

3.2 DAC 串聯(lián)諧振電源

DAC 串聯(lián)諧振電源由油浸式高壓電抗器、勵磁變壓器、分壓器及采樣單元、 電源主機及分析系統(tǒng)等組成。如圖 3-1 DAC 系統(tǒng)設備圖所示。

3.3 DAC 局放檢測及定位系統(tǒng)工作原理

如圖 3-2 所示，由供電線路或發(fā)電機輸入 220V 的交流電壓，經(jīng)過電源主機 轉(zhuǎn)變成頻率、幅值可調(diào)節(jié)的方波電壓，再通過勵磁變壓器升壓，通過改變激勵強 度使得被試電纜到達預定電壓。當電源控制主機給出產(chǎn)生振蕩波的信號時，是系 統(tǒng) RLC 回路短路，則在被測試品電纜上產(chǎn)生阻尼振蕩波電壓，可通過局放檢測 阻抗傳感器耦合電纜上的局放信號，經(jīng)寬頻放大器放大、濾波，最后由數(shù)據(jù)采集 卡進行阻尼振蕩波電壓信號、電纜局部放電數(shù)據(jù)的同步采集，并把數(shù)據(jù)暫存在工 控機上，最后由外部筆記本命令將數(shù)據(jù)從工控機上傳回到筆記本上進行分析、處 理。

3.4 項目研究的關鍵和難點

(1) 本項目的技術難點是如何對變頻諧振電壓進行有效的控制，使得電壓波 形滿足現(xiàn)場測量要求?；谧冾l諧振產(chǎn)生阻尼振蕩波電壓尚屬首次，所以沒有以 往先例所循。

(2)現(xiàn)場檢測環(huán)境復雜，需要對現(xiàn)場干擾情況進行分析。實現(xiàn)強電磁干擾環(huán) 境下的微弱信號提取。需要對抗干擾的軟件算法進行研究。

(3)實現(xiàn)原始放電波形信號的高速數(shù)據(jù)采集，進而為 PD 信號的定位提供基 礎。

(4)對局部放電信號進行定位的分析技術，需要利用相關分析等技術進行， 提高定位的準確率。

• 1) 本系統(tǒng)適用于 220kV 及以下電壓等級電纜 PD 現(xiàn)場檢測及定位。

  2) 本系統(tǒng)采集部分實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，增強了系統(tǒng)和操作人員的安全性。

  3) 本系統(tǒng)提供參數(shù)設置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)分析及譜圖顯示、數(shù)據(jù) 存儲、離線數(shù)據(jù)回看、分析、處理計算放電位置，可對局放故障進行定位。

  4) 本系統(tǒng)提供放電譜圖、故障定位譜圖、放電相位譜圖、放電次數(shù)譜圖、 放電類型識別等功能。

  5) 本系統(tǒng)具有數(shù)字濾波、動態(tài)閾值、小波分析、時延鑒別、相關分析等抗 干擾功能，可根據(jù)信號特征，對放電脈沖和干擾脈沖進行取舍和鑒別，以及通過 簡單模式識別進行 PD 類型識別。

  6) 本系統(tǒng)根據(jù)阻尼振蕩電壓波形與局部放電信號關系圖以及定位譜圖確定 局部放電的類型，對電纜的整體絕緣狀況和壽命做更有效的評估和預測。

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