交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜耐壓試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用

交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜耐壓試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用

0交流物壓試法交流介質(zhì)壓試驗(yàn)隨著城市電網(wǎng)建設(shè)的不斷擴(kuò)大，連接聚氯乙烯（以下簡稱連接電纜）的使用越來越受到廣泛使用，連接電纜的檢測方法也越來越深入和推廣。目前在上海地區(qū)對于電力電纜使用的檢測手段以耐壓試驗(yàn)為主,耐壓試驗(yàn)包括:直流耐壓——用于35kV及以下電纜和超高壓充油電纜的耐壓試驗(yàn);交流耐壓——用于110kV及以上電纜的耐壓試驗(yàn)?，F(xiàn)在高壓交聯(lián)電纜已經(jīng)基本摒棄直流耐壓的試驗(yàn)方法,而改用交流變頻串聯(lián)諧振的耐壓方式。隨著對電網(wǎng)運(yùn)行可靠性要求的不斷提升,對電力電纜的運(yùn)行要求也隨之而不斷地提高。然而目前耐壓試驗(yàn)的檢測手段是否能為電網(wǎng)運(yùn)行提供可靠的保障呢?其自身是否存在檢測的局限性呢?從實(shí)際使用過程中來看,耐壓試驗(yàn)的通過并不一定能確保電纜在未來若干年運(yùn)行的高可靠性。因此,為了更好更有效地檢測電纜的狀況,對電纜局放檢測技術(shù)的研究和運(yùn)用正在探索和深入當(dāng)中。1交流物流壓試驗(yàn)按照IEC60885-3、IEC60502-2、GB/T3048.12—1994和上海電力公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,對于電力電纜交接試驗(yàn)均要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。如果對交聯(lián)電纜施加直流電壓將會產(chǎn)生“記憶”效應(yīng),存儲積累單極性殘余電荷,這對電纜將來的運(yùn)行和使用壽命均會造成很大影響,故目前在實(shí)際中高壓交聯(lián)電纜推薦使用工頻及近似工頻(30～300Hz)的交流耐壓試驗(yàn)方法,或采用1U0、24h交流空載充電的試驗(yàn)方法,而把直流耐壓作為交流耐壓的替代試驗(yàn)。目前在上海對于110kV及以上的交聯(lián)電纜耐壓試驗(yàn)主要是交流變頻串聯(lián)諧振的耐壓方式。不過交流耐壓試驗(yàn)有其特定的局限性——對制造過程中帶來的微小氣隙及安裝中存在的微小缺陷在交流耐壓試驗(yàn)過程中是無法及時被發(fā)現(xiàn)的。而這些缺陷在日后的運(yùn)行中會逐漸發(fā)展,從而成為威脅線路設(shè)備安全運(yùn)行的重大隱患。這一局限性在日常施工過程中已經(jīng)有所呈現(xiàn)。因此在交接試驗(yàn)中引入局放的檢測將是以后的發(fā)展方向。2局部放電試驗(yàn)我們知道,交聯(lián)電纜的絕緣體內(nèi)部在制造或施工過程中可能會殘留一些氣泡或滲入其他雜質(zhì),而這些存有氣泡或雜質(zhì)的區(qū)域,其擊穿場強(qiáng)低于平均擊穿場強(qiáng),因此在這些區(qū)域就會首先發(fā)生放電現(xiàn)象。在電場作用下,絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電,而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間,即尚未擊穿的這種現(xiàn)象我們稱之為局部放電。在GB7354—2003《局部放電測量》標(biāo)準(zhǔn)中局放被定義為:“局部放電(局放)partialdischarge(PD),導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電。這種放電可以在導(dǎo)體附近發(fā)生也可以不在導(dǎo)體附近發(fā)生?！彪m然局部放電的數(shù)量級不大,但卻會加劇絕緣的老化并最終導(dǎo)致絕緣擊穿。因此,在交接試驗(yàn)過程中提出了局放檢測這一概念,其目的是通過檢測局放信息,早期發(fā)現(xiàn)絕緣潛在的故障或缺陷,從而盡可能地減少事故發(fā)生。局部放電主要的發(fā)生部位是絕緣內(nèi)部,如圖1所示。在電場作用下,微小氣隙(氣泡)中的空氣分子產(chǎn)生游離,氣泡中的正負(fù)電子向兩端不同的極性集結(jié),集聚電荷;隨著氣泡中場強(qiáng)的增大,使得氣泡被擊穿;電荷產(chǎn)生強(qiáng)烈中和并形成脈沖電流,其他的還有表面放電和電暈放電等。3電纜局放電路設(shè)計目前存在的一些干擾局部放電的檢測都是以局放所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù),通過能表述該現(xiàn)象的物理量來表征局放的狀態(tài)。通常在絕緣內(nèi)部發(fā)生局部放電時,會伴隨著出現(xiàn)許多現(xiàn)象:電脈沖、電磁波、超聲波、光、熱等,以及伴隨生成的一些新的生成物或氣體壓力和化學(xué)變化等現(xiàn)象。根據(jù)上述的物理表象特征,目前常用的局放檢測手段有以下幾種:脈沖電流法、高頻電流法(HFCT)、超聲波法(AE,或稱作聲發(fā)射法)、超高頻法(UHF)、光測法、測溫法等多種方式?，F(xiàn)在使用的交聯(lián)電纜通常有數(shù)公里長,因此對于交聯(lián)電纜的局放測試需要進(jìn)行定位,因?yàn)殡娎|有其自身阻抗,而局放信號通常是高頻信號,信號到電纜兩端碰到阻抗不匹配時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象,其造成的結(jié)果是:測試結(jié)果可能是幾個信號的疊加,即局放信號會沿著電纜向兩端傳播,到端點(diǎn)還會出現(xiàn)反射現(xiàn)象,如圖2所示。因此,如何正確采集局放信號和處理該信號就成為我們研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。此外還需注意的是背景信號干擾問題。在現(xiàn)場的檢測中,大量的電磁干擾會完全把局放信號淹沒,只有抑制這些背景干擾,提高信號的信噪比,才能準(zhǔn)確地識別出交流局放信號,為監(jiān)測系統(tǒng)對電纜絕緣狀況進(jìn)行評估提供可靠的基礎(chǔ)。就局部放電在線監(jiān)測中的干擾而言,主要可分為3大類型:連續(xù)性正弦干擾(即窄帶干擾)、白噪聲干擾和脈沖干擾(即寬帶干擾,包括周期性脈沖干擾和隨機(jī)性脈沖干擾)等,其中以連續(xù)性正弦干擾和白噪聲干擾的強(qiáng)度最大、分布最廣,幾乎淹沒了局部放電脈沖信號,而脈沖干擾與放電脈沖信號極為相似,對放電脈沖的識別造成很大影響。因此,如何抑制這三種干擾,以提高局部放電在線監(jiān)測的靈敏度,即提高局部放電的信噪比,就成為局放檢測的另一個關(guān)鍵問題了。通常局放檢測可分為在線檢測和離線檢測兩類方法。3.1局放的測壓與定位離線檢測的最基本方法是:脈沖電流法?，F(xiàn)場離線局放測試,如果電纜與附件的局放水平與出廠測試結(jié)果相當(dāng),則表明電纜系統(tǒng)處于比較好的狀態(tài)。交聯(lián)電纜的離線測試系統(tǒng)如圖3所示,主要包括高壓電源、局放儀、脈沖電流傳感器、耦合電容以及測量阻抗。按IEEEStd400.3—2006標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場電纜發(fā)生故障的風(fēng)險隨著外加電壓的升高而增大,建議測試電壓最大值為2U0。為了激發(fā)局放,工頻測試時加壓時間最長可為15min,當(dāng)檢測到局放時,為獲取足夠的數(shù)據(jù),應(yīng)持續(xù)足夠長的時間,一般為15s。根據(jù)IEC60885-3和GB/T3048.12—1994的規(guī)定,試驗(yàn)電壓應(yīng)加在導(dǎo)電線芯和金屬屏蔽之間,進(jìn)行局部放電測量時,電壓應(yīng)平穩(wěn)地升高到1.2倍試驗(yàn)電壓,但時間不得超過1min,然后緩慢地下降到規(guī)定的試驗(yàn)電壓,此時即可測量局部放電量。此外,根據(jù)IEC60502—2005,對電纜進(jìn)行局放測試時,測試電壓應(yīng)該逐漸地上升到2U0,并保持10s,然后緩慢地降到1.73U0。因此,通常局放測試電壓為1.73U0,測試過程中的最高電壓為2U0。局放的定位即絕緣缺陷的定位是通過放電脈沖三次反射來實(shí)現(xiàn)的,如圖4所示。測量三次脈沖反射回來的時間和強(qiáng)度,根據(jù)電纜長度,來計算脈沖電流傳播速度。脈沖電流在電纜中的傳播速度ν為:ν=1Kεr√(1)K=μoμrεoν=1Κεr(1)Κ=μoμrεo式中,εr為絕緣材料的相對介電常數(shù);K為常數(shù);μ0為真空導(dǎo)磁系數(shù);μr為相對導(dǎo)磁系數(shù);εo為真空介電系數(shù)。由此可見,脈沖電流沿電纜的傳播速度與絕緣材料的介電常數(shù)有關(guān),傳播速度的變化反映了絕緣材料的老化狀況,根據(jù)傳播速度可以對電纜線路絕緣整體狀況進(jìn)行評估。3.2電纜放線監(jiān)控通常電纜絕緣故障多發(fā)生在電纜附件位置上,而其本體則較少發(fā)生故障。對于電纜帶電(在線)測試,主要檢測電纜附件,包括電纜終端和電纜頭是否有局放產(chǎn)生。在線檢測主要手段有:超高頻法(UHF)、高頻電流法(HFCT)、超聲波檢測法(AE檢測法)。圖5為電纜終端局放在線檢測原理圖。(1)uhf傳感器當(dāng)電纜終端內(nèi)發(fā)生局放脈沖時,會泄漏出超高頻電磁波信號,通過UHF傳感器檢測該電磁波,以判斷局放現(xiàn)象的發(fā)生。UHF檢測一個主要的優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行局放定位,通過使用2個或2個以上的UHF傳感器,能夠較好地對局放源進(jìn)行定位。UHF傳感器不需要接觸到導(dǎo)體及電纜終端的高壓部分,且UHF傳感器可以進(jìn)行移動檢測,適用于在線檢測。UHF主要的缺點(diǎn)是容易受到GSM及數(shù)字電視地面廣播信號的影響,但是對于現(xiàn)場檢測來說,可以通過專家系統(tǒng)來識別。另外UHF傳感器對于空間環(huán)境的接觸不良等現(xiàn)場引起的放電現(xiàn)象反應(yīng)也極為靈敏(這些由于開關(guān)接觸不良引起的打火等現(xiàn)象產(chǎn)生的高頻電磁波往往要比真實(shí)的絕緣局放信號要大許多),故可以將UHF方法兼用于檢測變電站內(nèi)其他器件設(shè)備是否存在接觸不良等狀況。超高頻電磁波在空間傳播衰減較快,所以需要移動傳感器逐個檢測電纜終端接頭或者電纜分叉頭等部位。(2)高頻電流傳感器測試高頻電流法(HFCT)是較為通常的局放檢測方法。檢測的話只能檢測兩個地方:電纜本體和電纜接地線。當(dāng)電纜內(nèi)發(fā)生局放時,會有部分電流通過外屏蔽層接地線流入大地。因此,在屏蔽層接地線上套接高頻電流傳感器,以感應(yīng)接地線上的局放電流,判斷局放現(xiàn)場的發(fā)生。電纜本體相當(dāng)于一根感應(yīng)天線,通過我們的電纜檢測經(jīng)驗(yàn)表明,HFCT的檢測結(jié)果肯定會包含有大量的廣播干擾,故需要做一定的數(shù)據(jù)處理才能夠分辨電纜中的局放脈沖。最好的檢測方法是將UHF和HFCT結(jié)合使用,UHF的頻段較高,可避開廣播干擾,但容易受空間隨機(jī)脈沖干擾影響;HFCT容易受廣播干擾影響,但是受外界的隨機(jī)干擾影響較小。另外,UHF局放檢測的靈敏度也較高。(3)超聲波檢測電纜和電纜附件中的局放現(xiàn)象電力電纜內(nèi)發(fā)生局部放電的時候,同時會伴有聲波發(fā)射現(xiàn)象,使用超聲波傳感器,能夠探測出電纜和電纜附件中的局放現(xiàn)象。超聲波檢測方法避免了與高壓電纜等的直接電氣連接,適用于電纜不需斷電的局放在線檢測。但聲波在電纜內(nèi)的傳輸會有較大的衰減,故需要提高超聲波傳感器的靈敏度和增強(qiáng)抗干擾措施。研究表明,局放的聲波產(chǎn)生的頻率范圍分布在20～110kHz內(nèi)。4局放干擾測試的重要性局放檢測在現(xiàn)場電纜施工中的地位正