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电缆附件局部放电常用的检测方法

发布时间:2020-11-13 17:31人气:

国内外用于XLPE电力电缆局部放电检测的方法有很多。但由于XLPE电缆局部放电信号微弱,波形复杂多变,极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没,所以研究开发电缆局部放电在线检测技术的难度在所有电气设备绝缘在线检测技术中是最大的。其中常规XLPE电缆局部放电测量多采用IEC60270法,其测量频带较低,通常在几十到几百kHz范围内,易受背景干扰的影响,抗干扰能力差。理论研究表明,XLPE电力电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽,最高可达到GHz数量级。因此,选择在信噪比高的频段测量可有效地避免干扰的影响。目前国内外己把电缆局部放电测量的焦点转移到高频和超高频测量上。尤其是超高频检测技术在GIS上成功应用后,很多研究学者尝试将这一方法拓展到XLPE电缆局部放电在线检测上。同时,由于电缆附件绝缘结构复杂,影响其绝缘性能的因素很多,发生事故的概率远远大于电缆本体,且在电缆附件处获取信号的灵敏度比从电缆本体获取信号的灵敏度要高且容易实现,因此通常电缆局部放电在线检测方法亦多用于电缆附件故障的检测。

电缆附件局部放电在线检测方法中主要的检测方法有差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容耦合法、电感耦合法、超声波检测法等。在众多检测方法中,差分法、方向耦合法、电磁耦合法检测技术目前已成功应用到现场测量中;而近些年超高频测量方法受到更多关注,成为XLPE电缆局部放电在线检测新的检测方向。


①差分法

差分法是日本东京电力公司和日立电缆公司共同开发的一种方法。其基本原理见下图。将两块金属箔通过耦合剂分别贴在275kV XLPE电缆中间接头两侧的金属屏蔽筒上(此类中间接头含有将两端金属屏蔽筒连接隔断的绝缘垫圈),金属箔与金属屏蔽之间构成一个约为1500pF-2000pF的等效电容。当电缆接头一侧存在局部放电,另一侧电缆绝缘的等效电容起耦合电容作用,检测阻抗便耦合到局部放电脉冲信号。该方法简单安全,不必加入专门的高压源和耦合电容,也无需改变电缆接线,适合于现场试验及在线检测。研究发现,频谱分析仪中心频率设在5MHz-10MHz时,信噪比最高。差分法的检测回路类似于差动平衡电路,来自导线芯的噪声信号,在检测阻抗上的两端不能产生压降,因而可以很好地抑制噪声。
差分法结构图和原理图
差分法结构图和原理图

②方向耦合法

方向耦合法最典型的例子是德国柏林的400kV XLPE电缆局部放电在线监测系统。该检测系统通过方向耦合器耦合局部放电信号,方向耦合器结构见下图1。方向耦合器由一个插在电缆绝缘上的电极板、一个罗戈夫斯基线圈和两个终端阻抗(分别与端口A, B相连)构成。电极板与金属屏蔽层之间形成一个等效电容,罗戈夫斯基线圈分为性能相同的两部分,如图2。
方向耦合器结构图
方向耦合器结构图1
方向耦合器结构图
方向耦合器结构图2
当局部放电信号沿电缆从一侧(如右侧)传来,在电容和线圈上均可感应出脉冲信号,B端输出的电压信号为电容的电压信号和线圈2的电压信号的叠加;而A端输出的电压信号则为电容与线圈1的电压信号相减。如果电容耦合的信号与线圈耦合的信号大小相等,则B端输出信号则增大,而A端信号则被抵消了。由此可判断局部放电脉冲的传播方向。通常,只需两个端口的电压比值大于8:1即可认为该脉冲信号为局部放电信号且方向可判断。检测系统在电缆中间接头两侧分别安装一个方向耦合器,这样可以根据两个方向耦合器耦合到的局部放电信号的方向判断出该放电脉冲信号是来自中间接头内部还是来自外部。这种方法具有很好的抗干扰能力。现场测试表明,方向耦合器的检测灵敏度可小于5pC。检测系统测量频带最高为600MHz。

③电磁耦合法

电磁耦合法是将钳型罗戈夫斯基线圈直接卡装在电缆金属屏蔽外,或穿过电缆终端、连接头屏蔽层的接地线,通过感应流过电缆屏蔽层的PD脉冲来检测局放。电磁耦合法应用于XLPE电缆局部放电在线监测比较成功的例子是1998年瑞士研制的170kV XLPE电缆局部放电在线监测系统,测量位置选在XLPE中间接头金属屏蔽的连接引线上,系统的检测频带在15MHz-50MHz左右,检测灵敏度可低于15pC。由于宽频带电磁耦合法具有小巧灵活,操作安全,能真实地反映脉冲波形等特点,正在被广泛的研究和应用。该方法容易受到地线电磁信号的干扰,单纯依赖宽频带滤波器和高倍数的放大器很难排除某些类似局部放电脉冲的干扰。

④电容耦合法

电容耦合法是由英国南安普敦大学、英国电网公司和西安交通大学共同研究的一种XLPE电缆局部放电在线检测的方法。取一段靠近接头的电缆,剥去部分外护套,将金属箔片贴在外半导电层作为电极,如图所示。信号从耦合器上的BNC头输出,中断的金属屏蔽层经导线连接。在工频电压下,由于外半导电层的阻抗远小于绝缘层的阻抗,则外半导电层可视为工频地电位,故电容耦合器并不影响电缆绝缘效果。在高频条件下,外半导电层阻抗与绝缘层阻抗可比,而地电位为金属屏蔽层,故有利于高频信号的测量。该检测法有效检测频带为10MHz-500MHz,灵敏度为3pC。
电容耦合器结构图
电容耦合器结构图
电感耦合器结构图
电感耦合器结构图

⑤电感耦合法

电感耦合法为荷兰提出的一种利用线圈作为传感器对螺旋状金属屏蔽电缆进行局部放电在线检测的方法,电感耦合器的示意图见图。这种检测方法要求被测电缆金属屏蔽为螺旋带状绕制而成的。当电缆中存在局部放电,局部放电脉冲沿电缆屏蔽传播,该电流信号可分解为沿电缆长度的径向分量和围绕电缆的切向分量。切向分量的电流产生一个轴向的磁场,变化的磁场穿过传感器时,传感器上因磁通变化而感应一个双极性的电压信号。因此检测系统便可检测到局部放电信号,最高测量频率为600MHz,检测灵敏度为10pC-20pC。此外,其受高频信号衰减特性的限制,有效测量距离为10m左右,只能用于电缆附件的测量。

⑥超声波检测法

除了上述提到的电气测量方法以外,还有很多非电气量的测量方法。这些方法是根据局部放电过程中伴随着电荷的转移和电能损耗产生各种非电信息,如声波、发光、发热以及出现新的生成物等,通过测量这些非电气量来获取局部放电信息。

超声波检测系统通常采用压电晶体作传感器,压电晶体将声信号成比例的转换成电荷量,信号经前置放大器放大后再进行光电转换,并应用光纤传输,传输的光信号经光电元件转换成电信号,再经放大后在示波器或峰值表上显示。近代超声波测量局部放电所用的仪器频带多取60kHz-300kHz。由于传播衰减等原因,能采集的声信号很微弱,长期以来超声波测量就是因为灵敏度太低,而没有被广泛采用。近年来由于电传感器效率的提高,集成元件组成的低噪声放大器和光纤的发展,使得测量灵敏度大为提高。

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