交联聚乙烯绝缘电力电缆耐压试验技术的应用

交联聚乙烯绝缘电力电缆耐压试验技术的应用

0交流物压试法交流介质压试验随着城市电网建设的不断扩大，连接聚氯乙烯（以下简称连接电缆）的使用越来越受到广泛使用，连接电缆的检测方法也越来越深入和推广。目前在上海地区对于电力电缆使用的检测手段以耐压试验为主,耐压试验包括:直流耐压——用于35kV及以下电缆和超高压充油电缆的耐压试验;交流耐压——用于110kV及以上电缆的耐压试验。现在高压交联电缆已经基本摒弃直流耐压的试验方法,而改用交流变频串联谐振的耐压方式。随着对电网运行可靠性要求的不断提升,对电力电缆的运行要求也随之而不断地提高。然而目前耐压试验的检测手段是否能为电网运行提供可靠的保障呢?其自身是否存在检测的局限性呢?从实际使用过程中来看,耐压试验的通过并不一定能确保电缆在未来若干年运行的高可靠性。因此,为了更好更有效地检测电缆的状况,对电缆局放检测技术的研究和运用正在探索和深入当中。1交流物流压试验按照IEC60885-3、IEC60502-2、GB/T3048.12—1994和上海电力公司企业标准的要求,对于电力电缆交接试验均要进行耐压试验。如果对交联电缆施加直流电压将会产生“记忆”效应,存储积累单极性残余电荷,这对电缆将来的运行和使用寿命均会造成很大影响,故目前在实际中高压交联电缆推荐使用工频及近似工频(30～300Hz)的交流耐压试验方法,或采用1U0、24h交流空载充电的试验方法,而把直流耐压作为交流耐压的替代试验。目前在上海对于110kV及以上的交联电缆耐压试验主要是交流变频串联谐振的耐压方式。不过交流耐压试验有其特定的局限性——对制造过程中带来的微小气隙及安装中存在的微小缺陷在交流耐压试验过程中是无法及时被发现的。而这些缺陷在日后的运行中会逐渐发展,从而成为威胁线路设备安全运行的重大隐患。这一局限性在日常施工过程中已经有所呈现。因此在交接试验中引入局放的检测将是以后的发展方向。2局部放电试验我们知道,交联电缆的绝缘体内部在制造或施工过程中可能会残留一些气泡或渗入其他杂质,而这些存有气泡或杂质的区域,其击穿场强低于平均击穿场强,因此在这些区域就会首先发生放电现象。在电场作用下,绝缘系统中只有部分区域发生放电,而没有贯穿施加电压的导体之间,即尚未击穿的这种现象我们称之为局部放电。在GB7354—2003《局部放电测量》标准中局放被定义为:“局部放电(局放)partialdischarge(PD),导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电。这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。”虽然局部放电的数量级不大,但却会加剧绝缘的老化并最终导致绝缘击穿。因此,在交接试验过程中提出了局放检测这一概念,其目的是通过检测局放信息,早期发现绝缘潜在的故障或缺陷,从而尽可能地减少事故发生。局部放电主要的发生部位是绝缘内部,如图1所示。在电场作用下,微小气隙(气泡)中的空气分子产生游离,气泡中的正负电子向两端不同的极性集结,集聚电荷;随着气泡中场强的增大,使得气泡被击穿;电荷产生强烈中和并形成脉冲电流,其他的还有表面放电和电晕放电等。3电缆局放电路设计目前存在的一些干扰局部放电的检测都是以局放所产生的各种现象为依据,通过能表述该现象的物理量来表征局放的状态。通常在绝缘内部发生局部放电时,会伴随着出现许多现象:电脉冲、电磁波、超声波、光、热等,以及伴随生成的一些新的生成物或气体压力和化学变化等现象。根据上述的物理表象特征,目前常用的局放检测手段有以下几种:脉冲电流法、高频电流法(HFCT)、超声波法(AE,或称作声发射法)、超高频法(UHF)、光测法、测温法等多种方式。现在使用的交联电缆通常有数公里长,因此对于交联电缆的局放测试需要进行定位,因为电缆有其自身阻抗,而局放信号通常是高频信号,信号到电缆两端碰到阻抗不匹配时会出现反射现象,其造成的结果是:测试结果可能是几个信号的叠加,即局放信号会沿着电缆向两端传播,到端点还会出现反射现象,如图2所示。因此,如何正确采集局放信号和处理该信号就成为我们研究和关注的焦点。此外还需注意的是背景信号干扰问题。在现场的检测中,大量的电磁干扰会完全把局放信号淹没,只有抑制这些背景干扰,提高信号的信噪比,才能准确地识别出交流局放信号,为监测系统对电缆绝缘状况进行评估提供可靠的基础。就局部放电在线监测中的干扰而言,主要可分为3大类型:连续性正弦干扰(即窄带干扰)、白噪声干扰和脉冲干扰(即宽带干扰,包括周期性脉冲干扰和随机性脉冲干扰)等,其中以连续性正弦干扰和白噪声干扰的强度最大、分布最广,几乎淹没了局部放电脉冲信号,而脉冲干扰与放电脉冲信号极为相似,对放电脉冲的识别造成很大影响。因此,如何抑制这三种干扰,以提高局部放电在线监测的灵敏度,即提高局部放电的信噪比,就成为局放检测的另一个关键问题了。通常局放检测可分为在线检测和离线检测两类方法。3.1局放的测压与定位离线检测的最基本方法是:脉冲电流法。现场离线局放测试,如果电缆与附件的局放水平与出厂测试结果相当,则表明电缆系统处于比较好的状态。交联电缆的离线测试系统如图3所示,主要包括高压电源、局放仪、脉冲电流传感器、耦合电容以及测量阻抗。按IEEEStd400.3—2006标准,现场电缆发生故障的风险随着外加电压的升高而增大,建议测试电压最大值为2U0。为了激发局放,工频测试时加压时间最长可为15min,当检测到局放时,为获取足够的数据,应持续足够长的时间,一般为15s。根据IEC60885-3和GB/T3048.12—1994的规定,试验电压应加在导电线芯和金属屏蔽之间,进行局部放电测量时,电压应平稳地升高到1.2倍试验电压,但时间不得超过1min,然后缓慢地下降到规定的试验电压,此时即可测量局部放电量。此外,根据IEC60502—2005,对电缆进行局放测试时,测试电压应该逐渐地上升到2U0,并保持10s,然后缓慢地降到1.73U0。因此,通常局放测试电压为1.73U0,测试过程中的最高电压为2U0。局放的定位即绝缘缺陷的定位是通过放电脉冲三次反射来实现的,如图4所示。测量三次脉冲反射回来的时间和强度,根据电缆长度,来计算脉冲电流传播速度。脉冲电流在电缆中的传播速度ν为:ν=1Kεr√(1)K=μoμrεoν=1Κεr(1)Κ=μoμrεo式中,εr为绝缘材料的相对介电常数;K为常数;μ0为真空导磁系数;μr为相对导磁系数;εo为真空介电系数。由此可见,脉冲电流沿电缆的传播速度与绝缘材料的介电常数有关,传播速度的变化反映了绝缘材料的老化状况,根据传播速度可以对电缆线路绝缘整体状况进行评估。3.2电缆放线监控通常电缆绝缘故障多发生在电缆附件位置上,而其本体则较少发生故障。对于电缆带电(在线)测试,主要检测电缆附件,包括电缆终端和电缆头是否有局放产生。在线检测主要手段有:超高频法(UHF)、高频电流法(HFCT)、超声波检测法(AE检测法)。图5为电缆终端局放在线检测原理图。(1)uhf传感器当电缆终端内发生局放脉冲时,会泄漏出超高频电磁波信号,通过UHF传感器检测该电磁波,以判断局放现象的发生。UHF检测一个主要的优点在于能够进行局放定位,通过使用2个或2个以上的UHF传感器,能够较好地对局放源进行定位。UHF传感器不需要接触到导体及电缆终端的高压部分,且UHF传感器可以进行移动检测,适用于在线检测。UHF主要的缺点是容易受到GSM及数字电视地面广播信号的影响,但是对于现场检测来说,可以通过专家系统来识别。另外UHF传感器对于空间环境的接触不良等现场引起的放电现象反应也极为灵敏(这些由于开关接触不良引起的打火等现象产生的高频电磁波往往要比真实的绝缘局放信号要大许多),故可以将UHF方法兼用于检测变电站内其他器件设备是否存在接触不良等状况。超高频电磁波在空间传播衰减较快,所以需要移动传感器逐个检测电缆终端接头或者电缆分叉头等部位。(2)高频电流传感器测试高频电流法(HFCT)是较为通常的局放检测方法。检测的话只能检测两个地方:电缆本体和电缆接地线。当电缆内发生局放时,会有部分电流通过外屏蔽层接地线流入大地。因此,在屏蔽层接地线上套接高频电流传感器,以感应接地线上的局放电流,判断局放现场的发生。电缆本体相当于一根感应天线,通过我们的电缆检测经验表明,HFCT的检测结果肯定会包含有大量的广播干扰,故需要做一定的数据处理才能够分辨电缆中的局放脉冲。最好的检测方法是将UHF和HFCT结合使用,UHF的频段较高,可避开广播干扰,但容易受空间随机脉冲干扰影响;HFCT容易受广播干扰影响,但是受外界的随机干扰影响较小。另外,UHF局放检测的灵敏度也较高。(3)超声波检测电缆和电缆附件中的局放现象电力电缆内发生局部放电的时候,同时会伴有声波发射现象,使用超声波传感器,能够探测出电缆和电缆附件中的局放现象。超声波检测方法避免了与高压电缆等的直接电气连接,适用于电缆不需断电的局放在线检测。但声波在电缆内的传输会有较大的衰减,故需要提高超声波传感器的灵敏度和增强抗干扰措施。研究表明,局放的声波产生的频率范围分布在20～110kHz内。4局放干扰测试的重要性局放检测在现场电缆施工中的地位正