高压电缆接头局部放电检测方法

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华北电力大学硕士学位论文
Abstract
The high voltge cable is one of the important parts in power system. Giving on-line PD detection to the high voltge cable is the important and meaningful way to ensure the high voltge cable reliable operation. On the research of the PD detection of the high voltge cable joint, the paper reserches the line model of the power cable and identifies the parameters which can characterize the pulse. By establishing the model of the power cable, the paper gives a simulation study on the PD signal propagation characteristics in the high voltge cable and researches the propagation of the pulse signal in cable. Then the paper designs and makes the wideband current sensor which is aiming at the PD characteristic of the high voltge cable joint and determines the optimal parameters of the wideband current sensor, which makes the wideband current sensor have wide workband and better amplitude-frequency characteristics. Therefore, the paper gives a test to the amplitude-frequency characteristics of the wideband current sensor. The paper studies the ultersound measurement technology on PD detection. Through the research on the principle of the ultersound detection to the PD, the paper chooses the appropriate ultersound detection system, which is suit for the PD of the high voltge cable. At last, to the reasons of the power cable Insulation fault, the paper simulates the fault of the cable joint and designs 4 typical discharge models. Under laboratory conditions, the paper builds the PD experiment platform and uses the wideband current sensor associated with the ultersound sensor to give the PD detection on the 4 typical discharge models, which realizes the online PD detection and pattern recognition of the high voltge cable joint. Keywords: high voltge cable joint; PD; wideband current sensor; ultersound sensor; discharge models
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华北电力大学（保定） 硕士学位论文 高压电缆接头局部放电检测方法 姓名：李鹤南 申请学位级别：硕士 专业：电气工程；电力系统及其自动化 指导教师：李燕青 2011-03
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摘
要
高压电缆是电力系统重要组成部分之一，对其进行局部放电在线检测是保 障电力电缆可靠运行的重要手段，具有非常重要的意义。本文在对高压电缆接 头局部放电检测的研究中，首先对电力电缆的线路模型研究，确定了能够表征 脉冲信号的参数。进而通过建立电力电缆模型，对局部放电信号在高压电缆中 的传播特性进行了仿真研究， 得到局部放电脉冲信号在电力电缆中的传播规律。 然后， 本文设计并研制了针对高压电缆接头局部放电特点的宽频带电流传感器， 确定了最优的参数，使电流传感器具有较宽的工作频带和良好的幅频特性，并 对所研制的宽频带电流传感器进行了标定测试和现场的安装。接下来本文对超 声波检测局部放电技术进行了研究。通过对超声波检测局部放电原理的研究， 选择适合测量高压电缆局部放电的超声波检测系统。最后，针对造成电力电缆 绝缘故障的主要原因，本文模拟了电缆附件故障，设计并制作了 4 种典型的放 电模型。在实验室条件下，搭建局部放电实验的实验平台，采用宽频带电流传 感器联合超声波传感器这一系统依次对这 4 种放电模型进行局部放电的测量， 验证检测系统的有效性，并实现对高压电缆接头局部放电的在线检测和模式识 别。 关键词 ：高压电缆接头；局部放电；宽频带电流传感器；超声波传感器；放电 模型
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第1章 绪 论
1.1 课题研究的背景和意义
现代电力系统网络中，高压电缆被看做是重要组成部分之一。它具有良好 的电气性能，热性能和机械性能等诸多优点，这些年来在电力系统的各个电压 等级的输电及配电网络中都得到了广泛的应用；并且随着我国电力系统电压等 级朝着超高压、特高压的发展方向，最高电压等级达 500kV 的高压电缆也已投 入运行使用 [1] 。因此高压电缆在未来必将受到更加广泛的重视和应用。与以往 的架空线路相比，采用高压电缆供电在安装及使用运行方面都有着不可比拟的 优点，诸如：铺设环境可以是地下或者是水底 [2] ；受外界的干扰较小；可以进 行长期安全传输等等。但是高压电缆也有其自身的不可避免的缺陷，例如在制 作高压电缆时， 本身就无法保证 P 其绝缘的绝对完好； 在进行安装敷设的时候， 极有可能受到来自外界的机械力的作用而造成损害；而当高压电缆经过长期的 运行之后，其绝缘部分因为长期受到来自土壤理化作用、潮气或者水分等的影 响，也很容易遭到腐蚀进而引起绝缘上的缺陷；这些隐患最终都会导致高压电 缆绝缘的击穿 [3-5]。当高压电缆发生故障后，又恰恰因为其敷设的环境而造成排 查起来十分困难，因此，做到快速、准确地发现高压电缆的故障应该是供电企 业今后所关注的重点 [6]。 据不完全统计，由电缆附件 ( 包括中间接头和终端接头 ) 的故障而造成的高 压电缆运行故障的比例高达 39％ [7]，高压电缆接头在承担电缆运行的重要任务 的同时也成为运行故障主要发生的部位和电缆绝缘的薄弱环节。随着电压等级 的增高，对高压电缆接头的绝缘要求必将更加严格，电缆附件制作工艺也将更 加复杂，其面临故障的风险也将进一步提高。因此高压电缆附件也被电力部门 视为是运行设备中重要的电力设备而受到关注。 保证高压电缆可靠运行的一个重要手段就是对高压电缆的绝缘进行检测。 过去，我国广泛采用的是预防性试验的方法，当对高压电缆进行检修时，需要 停电后才能进行，因此从本质上来说是一种离线检测。但是这种停电试验的传 统方法所暴露出来的诸如检修周期长，大量耗费人力、物力等种种弊端已愈来 愈不能适应电力生产和供应的实际需要。如何做到不需要停电就能实现对高压 电缆接头的绝缘检测是近年来新的研究热点。通过近年来国内外对在线检测手 段的研究，采用在线检测的方法可以实现对电缆附件的维护、检修及更换，高 压电缆在线检测技术也将成为高压电缆绝缘诊断的必然发展趋势 [8-10] 。因此，
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本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《高压电缆接头局部放电检测方 法》 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工 作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日
1.2 局部放电现象的简介
局部放电是绝缘介质内部发生的局部的重复击穿和熄灭现象。在对绝缘进 行的制作时，总会或多或少的残留一些杂质在里面；在设备运行时，由于绝缘 的老化、分解，也会产生一些分散性的异物。这些杂质和异物的电导和介电常 数与绝缘物有很大的不同，当外施电压作用在上面时，这些杂质和异物所在部 位的场强就会明显高于周围的场强。伴随着外施电压的升高，当杂质和异物所 在部位的场强超过了该处物质的电离场强时，该处物质就会产生电离放电，即 局部放电 [17]。 局部放电发生在绝缘的局部缺陷处，在发生的初期放电量很小，所以是不 会影响绝缘能力的，因此也极易被忽视。但是局部放电在绝缘长期受电压作用 下会慢慢损坏绝缘，进而缩短绝缘的使用寿命。因此局部放电一直是绝缘非破 坏性电气检测的主要项目，局部放电的测试也是考察设备绝缘受损程度的重要 指标。从 50 年代后期开始，世界各国纷纷对电力电缆绝缘进行局部放电检测。 1985 年经各国 IEC 分委会多数表决， 同意将该草案作为电缆局部放电的试验方 法标准 [18]。对设备进行局部放电的检测，也就是根据局部放电所产生的各种现 象，进而对表述该现象的物理量进行测量，来表征局部放电的情况。 局部放电的检测方法有很多，常用的有：脉冲电流法、电桥法、无线电干 扰电压法和一些非电检测法，即通过捕捉局部放电产生的声、光、热以及放电 生成物等进行检测。其中，脉冲电流法是一种广泛采用的方法，即将线性耦合 器穿过低压侧地线，通过磁耦合来对电流行波信号进行采集，进而检测局部放
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通过找出表征电缆绝缘良好程度的特征信号及其判据并准确、有效地判断出运 行中的电缆绝缘是否被击穿，是高压电缆绝缘在线检测技术的关键 [11-12]，也关 系到对高压电缆的检测从预防性阶段到预知性阶段的成功转变，从而实现电力 电缆的安全可靠供电和突发性的事故的减少 [13-14]。 近年来国内外也此这方面进行了深入研究，研究表明：高压电缆接头局部 放电量的变化能够体现高压电缆绝缘状况的情况，局部放电量的大小也反映出 电缆绝缘的受损程度。因此，通过采用局部放电量这一特征信号能够有效地对 高压电缆绝缘劣化程度进行定量的分析。国内外专家学者、 IEC 、 IEEE 以及 CIGRE 等国际电力权威机构也推荐局部放电试验是作为电力电缆绝缘状况评 价的最佳方法 [15-16]。目前现场也多采用局部放电试验作为主要的判断方法。由 于高压电缆接头是整个高压电缆线路中相对较为薄弱的环节，因此测量局部放 电的地点主要选取在靠近电缆接头处，以便实时检测高压电缆的运行状况并采 取必要的措施。