XLPE电力电缆局部放电检测技术综述
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[Abstract ] Pa rt ia l d ischa rge detect ing is an im po rtan t m ethod to eva lua te the in su la t ion cond it ion of 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 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
[ 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。
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。
3 电容传感器法
图 6 方向耦合传感器的安装结构图
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 、B 、C、D 4 个点中的某几个 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。
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。
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。
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
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:
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。
[ 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
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© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
湖 北 电 力 V o l. 28 N o. 4 A ug. 2004
第 2020 84卷 年第 8 4月 期
(上接第 17 页)
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
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。XL PE 电缆 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。
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 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。
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。
O verv iew of Partia l D ischarge D etecting Technology for XL PE Cable
LU Zh i2x iong1, SH EN L iang2p ing2
(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 iHale Waihona Puke Baidu ersity , W uhan 430062, C h ina)
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 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。
图 1 电流耦合器的原理图
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。
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。
湖 北 电 力 第 28 卷第 2004 年 8
4月期
V o l. 28 N o. 4 A ug. 2004
XL PE 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)
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。
(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
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 2 差分法结构示意图
图 5 等效原理图
4 方向耦合传感器
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。
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。
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[ 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。
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。
3 电容传感器法
图 6 方向耦合传感器的安装结构图
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 、B 、C、D 4 个点中的某几个 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。
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。
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。
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
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:
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。
[ 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
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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
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。XL PE 电缆 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。
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 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。
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。
O verv iew of Partia l D ischarge D etecting Technology for XL PE Cable
LU Zh i2x iong1, SH EN L iang2p ing2
(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 iHale Waihona Puke Baidu ersity , W uhan 430062, C h ina)
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 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。
图 1 电流耦合器的原理图
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。
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。
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XL PE 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)
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。
(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
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 2 差分法结构示意图
图 5 等效原理图
4 方向耦合传感器
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。
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。
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