220kV大截面XLPE电缆绝缘局部放电在线监测研究
时间：2023-04-10 13:50:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王祖林，吴宏亮
(河北国华定州发电有限责任公司，河北 保定 073000)
随着工业技术水平的提高，220kV大截面XLPE电缆绝缘随之出现，该型号的电缆，进一步加强了电力系统的运行稳定性。随着制备工艺的不断升级，这类电缆的最大使用年限已经达到了30年，但电缆在长期使用过程中，容易出现局部放电问题，若不及时解决这一故障，严重时会引发绝缘击穿事故，造成难以估计的停电损失[1]。为了减少此类损失，提高供电的稳定性与安全性，应对电缆绝缘局部放电进行监测。传统的电缆绝缘局部放电在线监测方法是以XLPE材料的局部放电特征为依据，通过电流传感器采集局部放电电流信号，利用分配箱实现多信号任务分配，完成对局部放电故障的在线监测[2，3]。而此次研究在传统监测方法的基础上，提出全新的220kV大截面XLPE电缆绝缘局部放电在线监测方法，将为国家的电网安全、用电设备安全、用电场所安全，提供更加可靠的技术保障。
1.1 提取局部放电在电缆中的传输信号
电缆中局部放电信号在传输时会有不同的传输特性，因此采用同轴传输线模型分析电缆[4-5]。电缆在工频电压下工作时，电流信号产生正弦变化，并在电缆周围形成电磁场，因此电缆具有电感效应。同时电缆具有十分复杂的结构，每一层之间均存在电容，因此利用图1所示的模型，表示电力电缆在工作状态下的参数分布模型[6-7]。
图1 电缆参数分布模型
图中，R0表示一定长度上，电缆芯线的分布电阻，单位为Ω/km；
G0表示对应长度上的分布电感，单位为H/km；
D0表示电缆绝缘的分布电导，单位为S/km；
W0表示电缆每层介质之间的分布电容，单位为F/km。上述四个参数均为电缆传输线的最基本参数，决定了局部放电信号在电力电缆中的传播规律。正常情况下，绝缘介质的电阻较大、分布电感较小，而电导则可以被忽略[8-10]。由于无法直接获取电缆的传输系数、特性阻抗以及传播速度，因此可利用上述四个参数来进行求解[11-13]。传输线上一点的特性阻抗表示流入该点的电压与电流的比值，其计算公式为:
式中，j表示点位置；
p表示信号频率。
当p值较大时，R0≤pG0，D0≤pW0，那么该特性阻抗A0可以简化为:
特性阻抗是电缆的固有属性，与电缆绝缘介质的材料类型、厚度和面积等参数有关，同时也与屏蔽层之间的距离有关。常用的XLPE电力电缆的特性阻抗在50Ω左右。
假设电缆输入端信号为Xi，电缆长度为d，输出端信号为Xo，传输系数为φ，则局部放电信号在电缆中的传输规律为:
根据局部放电信号在电缆中的传输规律，计算传输系数φ，其表达式为:
已知信号在传输过程中，会有部分能量损耗，用γ表示电缆固有衰减常数，同时信号相位也容易发生改变，用λ表示固有相移常数，则可将公式(4)变换为:
将公式 (5)带入公式 (3)中，得到:
式中，e-jλd表示信号相位变化程度，该值不会影响电压[14-15]。
因此根据上述计算，可得电压幅值变化规律:
式中，Uo表示输出端口电压；
Ui表示输入端口电压。
电缆固有衰减常数γ的计算结果为:
因为分布电感G0和分布电容W0存在，导致局部放电信号在电缆中的传播具有一定程度的滞后性。假设局部放电信号的频率为ω，那么可得到放电信号在电缆中的传播速度:
当信号频率提高时，信号的传输速度计算公式可以简化为如下形式:
式中，ω0表示传输线的传播常数；
c表示光在真空中的传播速度；
σ表示电缆绝缘介质的磁导率；
ε表示介电系数[16-17]。
1.2 电缆局部放电在线监测设计方案
通过前文可知，电缆固有衰减常数γ的大小由电缆自身特性决定，为大于0的常数，当传输距离增加时，局部放电信号会出现衰减。传输系数φ与分布参数和信号频率相关，对于不同频率的局部放电信号，其各频率分量的幅值和相位变化程度不会完全一致，因此局部放电信号传输时，会存在信号失真的状况。同时，受分布电感和分布电容的影响，局部放电信号的传输存在滞后效应，信号传播速度只受电缆绝缘介质的影响[18-19]。
根据上述分析，得到局部放电信号在电缆中的传输特性，设计电缆局部放电在线监测方案。已知对于局部放电在线监测，需要考虑四个问题:(1)监测现场的抗干扰；
(2)监测信号的去噪；
(3)信号调理电路无失真采集时，局部放电脉冲信号的放大；
(4)电缆接头绝缘状况的评判标准[20]。针对上述问题，结合局部放电信号传输特点，设计在线监测方案，如图2所示。
图2 电缆局部放电在线监测方案
该方案根据高频电磁耦合原理，采用两个罗果夫斯基线圈收集220kV电缆的局部放电信号，并根据电缆接头处的局部放电信号传输特征，替换原有监测设备。采用通用分组无线业务(general packet radio service，GPRS)网络传输监测到的数据，并利用小波变换原理，对监测信号进行降噪、去噪处理，使时域脉冲信号可以被监测设备识别显示。最终通过百分制的电缆接头绝缘评估标准，判断电缆每一衔接处是否存在局部放电。至此实现对220kV大截面XLPE电缆绝缘局部放电进行在线监测的任务。
2.1 实验准备
由于近些年生产XLPE绝缘电缆的工艺不断提高，过硬的技术手段降低了生产原材料的杂质含量，因此220kV大截面XLPE电缆绝缘本身出现故障的概率极低，故障基本均来源于电缆附件。电缆附件包含了终端和中间接头，此次实验以中间接头故障为测试条件，通过建立仿真测试环境，模拟电缆中间接头局部放电问题。电缆中间接头故障常常包含线芯毛刺、内部气隙、悬浮放电、沿面滑闪四种类型。其中毛刺放电是由于电缆中间接头内部的两条电缆线芯在压接时导致连接管变形，令金属屏蔽层有尖端凸起，从而引发局部放电；
内部气隙放电是绝缘内部存在微小气隙导致的绝缘损伤；
悬浮放电则是接头内部主绝缘与增绕绝缘安装界面间出现了导电微粒，进而产生电场畸变，形成局部放电；
沿面滑闪是XLPE电缆的主绝缘层与硅橡胶中间接头的分界面处进入了潮气。根据这些局部放电问题的基本成因，设计四种放电模型。
模型一:制作厚度为5mm、直径为100mm的聚乙烯板，并在其压制成型阶段制造气隙。将该板放在两电极之间，设置上下电极直径为25mm、电极边缘圆弧倒角为2mm。模型二:在下电极处放置制作的聚乙烯板，设置高压电极针尖曲率半径为0.5mm、锥角为30°、尖长为12mm，并将该板与高压电极尖端连接。模型三:设置下电极直径为60mm，边缘圆弧倒角为2mm，在下电极处放置一个厚度为20mm的聚乙烯板，将一根细针插入该板内部，深度为10mm，然后将细针顶端连接高压极。模型四:同样选择一个基本的聚乙烯板，将其安放在下电极上，并在其缘边放置高度为10mm、半径为6mm的铜柱，设置电极之间的距离为10mm。上述四个模型中，上电极与高压相连，下电极与地线相连。
按照上述方法制作4个局部放电模型，再选择调压器、变压器、信号检测设备和存储设备，建立高压局部放电实验平台。实验选择的变压器型号为TDM(G)-5/100，其额定容量为5kVA，额定电压为100/0.2kV。连接超声传感器、高频电流传感器和示波器，将同轴电缆屏蔽线作为传感器输出线。实验模拟电路及实物连接图分别如图3和4所示。
图3 局部放电模拟实验电路图
图4 实验仪器连接实物图
将此次研究的监测方法作为实验组，将应用本文研究前的方法作为对照组，对上述模拟的四组局部放电进行在线监测。实际测试到的毛刺放电脉冲在250°～310°相位区间内，内部气隙放电脉冲在20°～80°和200°～260°相位区间内，悬浮放电脉冲在70°～120°和230°～280°相位区间内，沿面放电脉冲在20°～80°和225°～295°相位区间内。
将实验组与对照组的监测结果与实际测试结果进行对比。
2.2 测试结果分析
分别利用两种监测方法，监测四种局部放电类型，实验组得到的放电谱图如图5所示。
图5 实验组局部放电谱图
根据图5所示的四组监测结果可知，毛刺放电谱图在正负半周期的放电波形都是不对称的，在工频电压正半周期，监测到的放电脉冲个数极少，且放电脉冲主要集中在250°～310°相位区间，该区间内的放电更加剧烈，符合毛刺放电的特点；
内部气隙放电谱图中，放电脉冲存在于1个周期内的正半周期和负半周期中， 主要集中在20°～80°和200°～260°相位区间内，总体来说，正半周期和负半周期的监测结果大致对称，符合内部气隙放电的特点；
悬浮放电谱图中，当对悬浮模型两端施加刚刚达到起始放电状态的电压时，其电压偏低，当外加电压的绝对值增大时，放电脉冲主要集中在70°～120°和230°～280°相位区间内，符合悬浮放电特点；
沿面放电谱图具有极为明显的极性效应，即工频周期中，负半周期的放电次数和放电量均比正半周期要大，且局部放电脉冲集中在30°～90°和220°～310°两个相位区间中，符合沿面放电特点。
应用本文研究前的方法 (即对照组)得到的局部放电谱图结果如图6所示。
根据图6放电谱图可知，对照组的监测结果与实验组均有所差异。不仅是监测的放电相位有细微差异，最严重的是监测到的放电量大小差异相对较大。经粗略计算，每一组放电量的差异值均在50pC左右。为了让测试结果更加直观，计算两个测试组的放电量监测差异和局部放电相位差异，为了保证测试结果的可靠性，实验共进行两次，结果见表1。
表1 局部放电监测数据差异统计
图6 对照组局部放电谱图
根据表1数据统计结果可知，对照组的四种局部放电监测均与实验组存在约50pC的差异。而根据模拟实验预设的各项数据可知，实验组的测试结果更加接近真实值，可见此次研究的局部放电在线监测方法更适用于220kV大截面XLPE电缆绝缘的监测要求。
本文主要研究了XLPE电缆典型缺陷的局部放电特性，设计制作了四种常见缺陷类型，即毛刺放电、气隙放电、悬浮放电及沿面放电，通过分析研究结果得到如下结论:
(1)采用本文方法进行毛刺放电监测可知，监测到的放电脉冲个数极少，且放电脉冲主要集中在250°～310°相位区间内，监测到该区间内的放电更加剧烈，符合毛刺放电的特点。
(2)根据内部气隙放电监测可知，监测到的放电脉冲主要集中在20°～80°和200°～260°相位区间内，正半周期和负半周期的监测结果大致对称，符合内部气隙放电的特点。
(3)根据悬浮放电监测可知，监测到的放电脉冲主要集中在70°～120°和230°～280°相位区间内， 符合悬浮放电特点。
(4)根据沿面放电监测可知，监测到的放电脉冲主要集中在30°～90°和220°～310°相位区间中， 符合沿面放电特点。
由于现阶段绝缘电缆存在固有问题，加上受自身研究经验的限制，对XLPE电缆绝缘局部放电监测的研究还有不尽如人意之处。在今后的研究中，可以对XLPE绝缘电缆本身进一步优化，同时在人工安装过程中，注意操作程序，加强电缆的使用安全。在局部放电监测过程中，可以投入新型的监测设备，并及时更新监测方案，保证监测结果与真实情况一致。
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