电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性研究

电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性研究

0电缆终端典型刀痕缺陷电缆终端是连接的薄弱环节和损坏的经常场所。电力电缆线路运行与试验的实践经验证明:除外力破坏等原因,电缆线路敷设过程中电缆附件的制造与安装质量问题已成为电缆线路发生运行故障的主要原因目前在交联聚乙烯(XLPE)电缆线路上已得到应用的状态检测技术有局部放电(PD)检测技术、红外成像测温(IR)技术、光纤分布式测温(DTS)技术等过去对于电缆附件PD特性的研究重点关注单个缺陷(如气隙、毛刺、导电颗粒或尖端等绝缘杂质)模型下的放电特性为此,本文根据近年来电缆终端运行的故障统计数据,选取两种常见的刀痕缺陷,分别制作在两个电缆终端内。利用电缆附件老化平台模拟运行工况,使缺陷表现出明显的局部放电,再通过统计分析手段研究两种刀痕局部放电的时域和频域特征,从而对比分析不同刀痕缺陷的放电特征。1环切刀痕与纵向刀痕预制式电缆附件在中压电网中被广泛使用通过分析近年来电缆终端的运行故障报告发现,在许多案例中,即使在满足现场耐压试验要求的情况下,电缆终端在投运一段时间后依然发生了故障,而其中由半导电层截断处的环切刀痕与纵向刀痕引起的绝缘故障较为普遍,如图2、图3所示。此外,根据现场调研结果,在剥离外半导电层的工作中,目前普遍采用的做法是:首先在外半导电层截断处(图1所示)进行环形切割,再使用刀具沿轴向对外半导电层进行剖切,最后将外半导电层整体剥离。但是,由于进刀深度难以控制,在实际剥离半导电层的过程中,环切与纵切刀痕成为了刀痕缺陷的主要来源。因此,在综合考虑典型故障案例与电缆终端安装工艺特点之后,本文以半导电层截断处的环切刀痕,以及电缆末端与半导电层截断处之间的纵向刀痕作为研究对象,将两种刀痕缺陷分别制作在不同的电缆终端内,并在终端安装后对其进行了耐压试验与局部放电试验2电缆终端pd测量本文用于实验的电缆为26/35kV单芯XLPE绝缘电缆,电缆终端为26/35kV预制式冷缩电缆终端。采用能够同时施加高电压(产生电场)和大电流(形成温度场)的电缆附件老化平台老化实验平台接线如图4所示,电压由变压器高压端经保护电阻连接到电缆试验(充油)终端的接线端子,输入额定运行电压到回路中;两只电缆终端与电缆试验终端及连接电缆依次串联形成电流回路,电流由文献[16]中所述方法通过CT耦合到实验回路中,回路电流为200A。由于基于IEC60270标准的检测阻抗法在实际试验中存在抗干扰能力差、测量结果易受接线回路影响、以及不能进行在线测试等问题,同时考虑到电缆终端的结构特点及线路运行中的实际测量环境,本文使用为电缆终端设计的罗氏线圈作为PD检测传感器。由于检测对象是电缆终端处的局部放电,本文将传感器安装在终端接地线上进行PD测量,为防止地线环流产生干扰,减小地线对放电波形的影响,实验回路采取一点接地。此外,为了减小来自设备、接线端子等的干扰,进行PD检测时须将老化回路拆开,单独检测每只电缆终端的放电。根据文献[7]的研究结果,本文中罗氏线圈采用镍锌铁芯制成,其具有良好的高频响应特性(在2~80MHz频带范围内具有最佳响应特性)。检测中使用RIGOL-DS6104数字示波器(1GHz带宽,5GSa/s采样率,最大存储深度140M采样点)观测并采集放电信号;使用RIGOL-DSA1030A频谱仪(9k~3GHz带宽,10Hz最小分辨率)对放电信号进行频谱分析。PD检测在1.5U3局部负载试验和分析3.1刀痕缺陷的放电特性在老化实验平台上对电缆终端进行120h老化后,检测到放电信号,但放电幅值较小且放电重复率较低,不利于进行数据统计与分析。因而继续老化至240h,两只电缆终端都表现出明显的放电特征。实验结果表明,刀痕缺陷的PD在模拟工况的老化下发展迅速,进而可以推断在实际运行中刀痕缺陷PD对绝缘的破坏速度也是很快的。在PD检测中同时发现,不同刀痕缺陷的放电特征有所不同,下面分别对两种缺陷的放电特性进行分析。为便于比较说明,以下均采用老化240h后电缆终端的PD检测数据。3.2时域分析技术从单次放电波形、放电频谱和工频相位下的PD相位分布(即局部放电相位分析,PRPD)等方面对PD进行分析,可为绝缘缺陷的识别提供参考依据。本文使用DS6104数字示波器在5GSa/s采样率下,以单次触发方式对每种缺陷的单次放电进行了数千次波形记录。通过对比波形发现,同一缺陷放电单次波形的上升时间、持续时间及振荡形式等特征基本保持稳定,放电的随机性主要体现在脉冲幅值的波动上。因此,在研究中重点关注影响PD频率特性的上升时间、持续时间及振荡形式等特征,而将放电幅值作为PD强弱的参考量。图5为环切刀痕缺陷的单次放电波形,图中每100个采样点的记录时长为20ns。放电首脉冲上升时间约为2.5~3.0ns,次脉冲上升时间约为1.0~1.5ns。波形为多峰振荡形式,放电持续总时长超过120ns,衰减速度较慢。由于放电波形为多峰振荡且每个脉冲的上升时间不同,所以环切刀痕放电包含的频率成分较为丰富。为进一步确定放电的频率分布特性,使用DSA1030A频谱仪对PD进行频谱采样。由图6可知,环切刀痕缺陷放电的频率分布较分散且分布范围较广,除在局部范围(300~330MHz、330~370MHz)有较宽频带的集中分布外,其他频率位置都呈窄带分布,因而单次放电波形反复振荡且衰减缓慢。此外,450MHz以上区域出现的多个高幅度频率分布使放电波形表现为多峰波形。事实上,时域分析手段很难将混叠在一起的不同信号的特征进行分离,然而从频域的角度来看,无论是某种放电现象(内部放电、表面放电或电晕放电)还是干扰源,相同类型信号源的频率分布特性是相似的,而不同信号在频域特征上的差异表现为频域分布的区域性,利用这一特点对采样信号的统计数据进行频域聚类分析,可以将检测数据中不同类型的信号加以区分在检测中,直接测量获得的采样数据中既包含PD信号,又含有噪声信号,这些信号在频域上分布在不同区域内,通过聚类分析可以将信号的全部特征标记为多个子集分类图7为环切刀痕缺陷终端处测得的信号频域分类图,其中(a)、(b)区域为噪声,(c)、(d)区域为PD,虽然噪声信号的统计次数高出PD信号一个数量级以上,但噪声的频域分布非常集中,而PD信号的随机性很高,分布范围很广。此外,PD分布在(c)、(d)两个区域说明环切刀痕处可能包含有两种类型的放电。使用前文所述的频域聚类方法将噪声信号剔除,经过频域去噪后,再利用PRPD方法对除去噪声后的信号进行时域分析,一方面降低了时域分析中降噪的困难性,同时也使PD信号特征得到最大程度的保留。时域分析中,本文以工频电压信号作为触发信号,统计并绘制局部放电PRPD二维(相位-幅值)谱图。由图8所示的环切刀痕PD二维统计谱图可知,环切刀痕缺陷放电的相位广泛分布在0°~105°及180°~275°范围内,在20°~60°和200°~235°范围内放电最强。放电相位分布范围较广且较为发散,正负半周的放电近似对称分布。3.3纵向刀痕的聚类分析图9为纵向刀痕的单次放电波形,放电波形为单峰振荡衰减。放电脉冲上升时间约为2.5~3.0ns,放电持续时间为45~55ns,持续时间较短且波尾衰减迅速。类似地,利用频谱仪对放电的频谱特征进行记录,如图10所示,纵向刀痕放电的频率分布范围较集中,主要分布在300MHz以下和490~550MHz附近区域,因而单次放电为单脉冲波形,且波尾为单峰衰减的形式。采用与环切刀痕处测量时相同的采样次数,对纵向刀痕处信号进行频域聚类分析结果如图11所示,与环切刀痕不同,纵向刀痕处的PD信号聚类仅有(c)区,而没有图7中的(d)区子集。同时,由于是在相同实验环境下,两种刀痕处信号的频域聚类中噪声分类子集的分布是相同的,都在(a)、(b)两个区域。与前文方法类似,纵向刀痕的二维PRPD统计表示在图12中,如图所示,放电集中分布在7°~82°和188°~280°,正负半周放电呈明显对称分布。此外还发现,正负半周局部放电的相位分布分别集中于两段不同的相位区间内:正半周7°~32°和32°~82°,以及负半周188°~223°和223°~280°的位置。3.4开采量对比试验单独讨论每一种刀痕缺陷的PD特性难以深入了解缺陷与放电的关系。因此,通过对比两种缺陷下PD特征的差异,对放电特性做进一步分析。对于运行初期的电缆终端,相同时间老化后的环切刀痕比纵向刀痕更容易发生局部放电:环切刀痕缺陷的起始放电电压为25kV,而纵向刀痕缺陷的起始放电电压为26.5kV。在相同试验电压下,环切刀痕缺陷的放电强度要大于纵向刀痕。通过对比图6、图10两种缺陷放电的频谱特性发现,环切刀痕的放电中包含更多的高频成分,频率分布范围更广泛且分散;而纵向刀痕的频率分布有明显的高、低频段之分,纵向刀痕的放电点可能是在靠近半导电层处的局部区域先开始放电,放电点少(通常表现为单点放电),而且电场也相对较小,因此放电幅度较小且放电频谱单一。另外,经过频域聚类发现,图7与图11中的(c)区位置基本吻合,表征为同一类型的放电,结合PRPD的分析结果可判断(c)区为内部放电此外,从两种缺陷放电的PRPD谱图(图8、图12)来看,环切刀痕缺陷的放电在放电量、放电密度及放电重复率上都高于纵向刀痕,因此不论在放电活跃性还是放电能量上,环切刀痕缺陷的局部放电都更强,从而对绝缘的破坏速度更快。4刀痕缺陷特征本文制作了含有两种典型安装刀痕缺陷的电缆终端,利用电缆附件老