一、 目的和意義

近十年來，我國城市電網(wǎng)中大量采用 XLPE 電力電纜輸配電。交聯(lián)電纜在當(dāng) 前中國乃至世界的電力系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的地位，在 220kV 以下的領(lǐng)域已經(jīng)全 面取代其他電纜，成為城市內(nèi)傳輸電力的主導(dǎo)產(chǎn)品，500kV 的交聯(lián)聚乙烯電力電 纜也開始掛網(wǎng)試運(yùn)行，我國的電力設(shè)備制造能力有了很大的進(jìn)步。

在 60 年代初問世以來的 40 余年中，由于交聯(lián)聚乙烯 (XLPE) 電纜具有良好 的電性能和熱性能并且結(jié)構(gòu)簡單，制造周期短，工作耐受溫度高，無油，敷設(shè)方 便，供電安全可靠、有利于美化城市等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè) 電壓等級中，但是這種電纜的絕緣結(jié)構(gòu)中往往會(huì)由于加工技術(shù)上的難度或原材料 不純而存在氣隙和有害性雜質(zhì)，或者由于工藝原因在絕緣與半導(dǎo)電屏蔽層之間存 在間隙或半導(dǎo)電體向絕緣層突出，在這些氣隙和雜質(zhì)處極易產(chǎn)生局部放電， 同時(shí)在電力電纜的安裝和運(yùn)行過程當(dāng)中也可能會(huì)產(chǎn)生各種絕緣缺陷導(dǎo)致局部放 電。當(dāng)它使用到一定年限后局部放電繼續(xù)發(fā)展到一定程度導(dǎo)致絕緣擊穿而造成電 網(wǎng)事故，其主要原因是由于 XLPE 等擠塑型絕緣材料耐放電性較差，在局部放電 的長期作用下，絕緣材料不斷老化最終導(dǎo)致絕緣擊穿，造成嚴(yán)重事故。因而對交 聯(lián)聚乙烯電纜絕緣缺陷局部放電檢測方法的研究就顯得尤為迫切，及時(shí)、準(zhǔn)確地 檢測到電纜絕緣隱患，就可以及時(shí)采取必要的應(yīng)對措施，減少突發(fā)事故等帶來的 經(jīng)濟(jì)損失具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

因此對電力電纜及其接頭進(jìn)行局部放電檢測和定位研究有著重要的意義和 經(jīng)濟(jì)價(jià)值。IEC 及世界各國都制定了相關(guān)的局部放電測試標(biāo)準(zhǔn)，通過對局部放電 的檢測及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原因，保證電力電纜質(zhì)量，保 障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。國際大電網(wǎng) (CIGRE) 也在 2009 年成立了電纜及接頭 現(xiàn)場局放檢測技術(shù)的工作組，對該方面技術(shù)發(fā)展進(jìn)行研究梳理。

局部放電是電力電纜運(yùn)行中的一個(gè)較大的安全隱患，是電纜絕緣劣化的征 兆，也是造成絕緣劣化的重要原因之一，局部放電測量用于現(xiàn)場測量時(shí)，外部噪 聲干擾嚴(yán)重，測量很困難。DAC 電纜振蕩波局放檢測及故障定位系統(tǒng)是基于變頻 諧振的阻尼振蕩波電壓下的 XLPE 電纜局部放電現(xiàn)場檢測及定位技術(shù)研究，設(shè)計(jì) 生產(chǎn)符合現(xiàn)場測試要求的阻尼振蕩波電源；針對 XLPE 電纜及其接頭中局部放電 信號的傳播方式和規(guī)律，研究電纜及其接頭局部放電信號的提取技術(shù)，設(shè)計(jì)符合 現(xiàn)場測試要求、參數(shù)優(yōu)化、性能良好的局放檢測傳感器，并選用的數(shù)字信號 處理方法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而進(jìn)行 XLPE 電力電纜局部放電的準(zhǔn)確定 位，為更準(zhǔn)確判斷電纜及其接頭絕緣狀況提供參考依據(jù)。

本設(shè)備可用于 10kV 及以上電力電纜進(jìn)行現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)、局部放電現(xiàn)場 檢測及故障定位。本系統(tǒng)滿足目前電力系統(tǒng)市場需求和現(xiàn)運(yùn)行的電纜基本都進(jìn)入 “中年期”需要及時(shí)的檢測和維修，本設(shè)備將耐壓試驗(yàn)、局放檢測、故障定位等 功能集一身，極大的簡化了系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)輸、現(xiàn)場試驗(yàn)安裝、降低了試驗(yàn)成本。帶 來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和科研價(jià)值。

二、 國內(nèi)外研究水平綜述

局部放電試驗(yàn)是擠塑型絕緣電力電纜非破壞性電氣檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目，其與電 力電纜絕緣狀況密切相關(guān)，預(yù)示著電纜絕緣存在可能危及電纜安全運(yùn)行壽命的缺 陷，也是被國內(nèi)外的專家學(xué)者以及 IEEE、IEC、CIGRE 等國際電力機(jī)構(gòu)組織 一致推薦的評價(jià)XLPE 電纜絕緣狀況的試驗(yàn)方法。從上世紀(jì) 50 年代后期開始， 世界各國紛紛致力于高靈敏度、寬頻帶放大檢測器的開發(fā)來對電纜絕緣進(jìn)行局部 放電測量。

局部放電的發(fā)生會(huì)伴隨著很多物理、化學(xué)效應(yīng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的聲、光、熱以 及放電生成物等。以局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)，通過能表述該現(xiàn)象的物 理量的測量來表征局部放電的狀態(tài)。至今，國內(nèi)外出現(xiàn)的電纜局部放電測試方法 主要有脈沖電流法、無線電干擾電壓法 (簡稱 RIV 法)、差分法、方向耦合法、 電容耦合法、電感耦合法、超聲波檢測法等。IEC 及世界各國都制定了電纜相關(guān) 的局部放電測試標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC60885-3 (對應(yīng)的國標(biāo)為 GB/T3048.12-94) 推薦的 脈沖電流法，可對電纜進(jìn)行定量檢測。

對電力電纜及其接頭進(jìn)行局部放電檢測和定位研究有著非常重要的意義和 經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過對局部放電的測量及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原 因，保證電力電纜質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。國際大電網(wǎng) (CIGRE) 也 在 2009 年成立了電纜及接頭現(xiàn)場局部放電檢測技術(shù)的工作組，對該方面技術(shù)發(fā) 展進(jìn)行研究。

局部放電是電力電纜運(yùn)行中的一個(gè)較大的安全隱患，是電纜絕緣劣化的重要 征兆，也是造成絕緣老化的重要原因之一。電力電纜局部放電現(xiàn)場測量時(shí)，由于 環(huán)境復(fù)雜，外部噪聲干擾嚴(yán)重，測量會(huì)比出廠實(shí)驗(yàn)時(shí)困難許多。尤其是在離線狀 態(tài)下對電力電纜進(jìn)行局部放電測量時(shí)，就必須有便攜式電源對其進(jìn)行施壓。目前 國內(nèi)外開展的局部放電現(xiàn)場檢測的電源類型主要有：工頻正弦波電源，超低頻電 源和阻尼振蕩波電壓源。針對以上三種電源方式下相應(yīng)的局部放電檢測主要為： 工頻正弦波電壓下的 PD 檢測、超低頻電壓下的PD 檢測和阻尼振蕩波電壓下的 PD 檢測 (Damped AC Voltage Testing，簡稱 DAC)。

2.1 工頻電壓下局放檢測設(shè)備

工頻電壓下局放檢測設(shè)備是的試驗(yàn)設(shè)備，但在試驗(yàn)時(shí)需要有很大功率 的設(shè)備才能進(jìn)行，這便造成了所需試驗(yàn)電源質(zhì)量和體積的增大，當(dāng)電纜較長時(shí)因 設(shè)備太笨重便無法實(shí)施 PD 檢測，因而電力電纜在工頻電壓下的 PD 現(xiàn)場檢測較為 困難。工頻電壓下檢測設(shè)備的笨重，不易現(xiàn)場檢測。

2.2 超低頻電壓下局放檢測設(shè)備

超低頻電壓下的局部放電測試中所用的超低頻電源為 0.1Hz 正弦波電源，此 電源理論上可以將試驗(yàn)變壓器的容量降低到 1/500，因而試驗(yàn)變壓器的重量可大 大降低，可以較容易地移動(dòng)到現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。超低頻電源可長期對被試電纜施加 恒定電壓，始終為 0.1Hz 正弦波，波形沒有毛刺且光滑，電壓幅值恒定且不隨時(shí) 間變化，因而其用在中、低壓電力電纜的耐壓試驗(yàn)和介損試驗(yàn)較多，能夠在較低 的電壓下有效地發(fā)現(xiàn) XLPE 絕緣電力電纜受潮和存在水樹枝的運(yùn)行缺陷。超低頻 電壓下電纜的 PD 檢測應(yīng)用較少，其測試結(jié)果也備受質(zhì)疑。超低頻檢測結(jié)果的可 信度及對電纜的損傷。

2.3 直流阻尼振蕩波電壓下局放檢測設(shè)備

阻尼振蕩波電壓法是近年來國內(nèi)外研究較多的一種用于 XLPE 電力電纜局部 放電現(xiàn)場檢測和定位的方法，它是由荷蘭代爾夫特大學(xué)學(xué)者研究提出。該方法具 有：與交流電源法等效性好、作用時(shí)間短、操作方便、易于攜帶、可有效檢測 XLPE 電纜中的各種缺陷，且試驗(yàn)不會(huì)對電纜造成損害等特點(diǎn)。

但是采用直流對 XLPE 電纜進(jìn)行充電，就會(huì)存在許多問題。直流電壓下絕緣 老化的機(jī)理和交流電壓下的老化機(jī)理不相同，在直流電壓下 XLPE 電纜會(huì)產(chǎn)生“記 憶”效應(yīng)，并存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷，使得電纜上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定電 壓，從而有可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。直流試驗(yàn)時(shí)，如果在試驗(yàn)時(shí)電纜終端頭發(fā)生 表面閃絡(luò)或電纜附件擊穿，會(huì)造成電纜芯線上產(chǎn)生波振蕩，在已積聚空間電荷的 地點(diǎn)，由于振蕩電壓極性迅速改變?yōu)楫悩O性，使該處電場強(qiáng)度顯著增大，可能損 壞絕緣，造成多點(diǎn)擊穿。XLPE 電纜絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹枝，在直流電壓下會(huì)迅速 轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?，并形成放電，加速了絕緣劣化，以至于運(yùn)行后在工頻電壓作用下 形成擊穿。結(jié)合以上四點(diǎn)因素，即使直流沖擊高壓發(fā)生器對 XLPE 電纜直流充電 時(shí)間較短，其安全性還是有待進(jìn)一步考量。

2.4 DAC 阻尼振蕩波電壓下局放檢測設(shè)備

綜合上述電纜 PD 檢測的方法優(yōu)缺點(diǎn)。研制出基于變頻諧振的阻尼振蕩波電 壓下 XLPE 電纜現(xiàn)場局部放電檢測及定位系統(tǒng)。

有效解決了：

工頻電壓下檢測設(shè)備的笨重，不易現(xiàn)場檢測。

超低頻檢測結(jié)果的可信度及對電纜的損傷。

直流 DAC 對電纜引起的不安全性。

既可以完成交流耐壓試驗(yàn)，又實(shí)現(xiàn)了局放測試及故障定位。

三、 系統(tǒng)工作原理

3.1.局部放電的測量

局部放電測試是評估電力電纜絕緣質(zhì)量的重要方法，特別是擠出型絕緣材料 的電纜。由于電纜的絕緣結(jié)構(gòu)中往往會(huì)由于加工技術(shù)上的難度或原材料不純而存 在氣隙和有害性雜質(zhì)，或者由于工藝原因，在絕緣與半導(dǎo)電屏蔽層之間存在間隙 或半導(dǎo)電體向絕緣層突出，在這些氣隙和雜質(zhì)處極易產(chǎn)生局部放電，同時(shí)在 電力電纜的安裝和運(yùn)行過程當(dāng)中也可能會(huì)產(chǎn)生各種絕緣缺陷導(dǎo)致局部放電。

由于 XLPE 電纜及接頭局部放電信號微弱，波形復(fù)雜多變，極易被背景噪聲 和外界電磁干擾噪聲淹沒，所以研究怎樣有效提取真實(shí)不失真的局部放電信號具 有較大難度。本系統(tǒng)所使用的耦合單元 (檢測阻抗) 能真實(shí)有效的耦合到局部放 電信號，對試驗(yàn)電壓的工頻及其諧振的低頻信號則予以抑制或?yàn)V除。

3.2 DAC 串聯(lián)諧振電源

DAC 串聯(lián)諧振電源由油浸式高壓電抗器、勵(lì)磁變壓器、分壓器及采樣單元、 電源主機(jī)及分析系統(tǒng)等組成。如圖 3-1 DAC 系統(tǒng)設(shè)備圖所示。

3.3 DAC 局放檢測及定位系統(tǒng)工作原理

如圖 3-2 所示，由供電線路或發(fā)電機(jī)輸入 220V 的交流電壓，經(jīng)過電源主機(jī) 轉(zhuǎn)變成頻率、幅值可調(diào)節(jié)的方波電壓，再通過勵(lì)磁變壓器升壓，通過改變激勵(lì)強(qiáng) 度使得被試電纜到達(dá)預(yù)定電壓。當(dāng)電源控制主機(jī)給出產(chǎn)生振蕩波的信號時(shí)，是系 統(tǒng) RLC 回路短路，則在被測試品電纜上產(chǎn)生阻尼振蕩波電壓，可通過局放檢測 阻抗傳感器耦合電纜上的局放信號，經(jīng)寬頻放大器放大、濾波，最后由數(shù)據(jù)采集 卡進(jìn)行阻尼振蕩波電壓信號、電纜局部放電數(shù)據(jù)的同步采集，并把數(shù)據(jù)暫存在工 控機(jī)上，最后由外部筆記本命令將數(shù)據(jù)從工控機(jī)上傳回到筆記本上進(jìn)行分析、處 理。

3.4 項(xiàng)目研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)

(1) 本項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)是如何對變頻諧振電壓進(jìn)行有效的控制，使得電壓波 形滿足現(xiàn)場測量要求?；谧冾l諧振產(chǎn)生阻尼振蕩波電壓尚屬，所以沒有以 往先例所循。

(2)現(xiàn)場檢測環(huán)境復(fù)雜，需要對現(xiàn)場干擾情況進(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾環(huán) 境下的微弱信號提取。需要對抗干擾的軟件算法進(jìn)行研究。

(3)實(shí)現(xiàn)原始放電波形信號的高速數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而為 PD 信號的定位提供基 礎(chǔ)。

(4)對局部放電信號進(jìn)行定位的分析技術(shù)，需要利用相關(guān)分析等技術(shù)進(jìn)行， 提高定位的準(zhǔn)確率。

• 1) 本系統(tǒng)適用于 220kV 及以下電壓等級電纜 PD 現(xiàn)場檢測及定位。

  2) 本系統(tǒng)采集部分實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，增強(qiáng)了系統(tǒng)和操作人員的安全性。

  3) 本系統(tǒng)提供參數(shù)設(shè)置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)分析及譜圖顯示、數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)、離線數(shù)據(jù)回看、分析、處理計(jì)算放電位置，可對局放故障進(jìn)行定位。

  4) 本系統(tǒng)提供放電譜圖、故障定位譜圖、放電相位譜圖、放電次數(shù)譜圖、 放電類型識別等功能。

  5) 本系統(tǒng)具有數(shù)字濾波、動(dòng)態(tài)閾值、小波分析、時(shí)延鑒別、相關(guān)分析等抗 干擾功能，可根據(jù)信號特征，對放電脈沖和干擾脈沖進(jìn)行取舍和鑒別，以及通過 簡單模式識別進(jìn)行 PD 類型識別。

  6) 本系統(tǒng)根據(jù)阻尼振蕩電壓波形與局部放電信號關(guān)系圖以及定位譜圖確定 局部放電的類型，對電纜的整體絕緣狀況和壽命做更有效的評估和預(yù)測。

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企業(yè)產(chǎn)品嚴(yán)格按照國際、國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)程生產(chǎn)，通過國家、各省級、市級電力研究所、計(jì)量中心及電力部門的檢測，全面通過ISO9001國際質(zhì)量管理體系認(rèn)證、中華人民共和國制造計(jì)量器具許可證。