基于震荡波局部放电检测的电力电缆缺陷定位研究

发表时间:2020/3/14   来源:《福光技术》2019年32期   作者:孟祥海 茹世豪 王英 郑江丽 任毅
[导读] 由于各种原因而导致的电力电缆呈现绝缘劣化时, 电力电缆就会发生局部放(Partial Discharge) 现象。

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        摘要:由于各种原因而导致的电力电缆呈现绝缘劣化时, 电力电缆就会发生局部放(Partial Discharge) 现象。电缆中的早期绝缘故障可通过局部放电现象来表现,局部放电现象的发生又会进一步促进电缆绝缘劣化。电缆的绝缘状况可以通过其局部放电来表征。通过检测电缆产生的局部放电信号并识别所产生的局部放电类型 , 就能够知道电缆的绝缘状况 , 进而及时采取检修或者更换 , 避免造成更大的损失。振荡波检测法是近年来国内外新兴的并且有效的电缆局部放电诊断技术 , 已经广泛应用于各电力部门。当前 , 针对振荡波检测方法的应用和研究主要在电缆缺陷检测和定位两个方面 , 而对振荡波检测下的绝缘缺陷类型的识别相对缺乏。因此 , 本文在总结现有的振荡波检测技术、局部放电识别的基础上 , 以理论和实验相结合,  开展了对振荡波检测下的电缆局部放电缺陷识别方法的研究, 为准确判断电缆绝缘状况和缺陷类型, 预防电缆线路事故的发生, 保护电力系统安全运行具有重要的应用价值。
        关键词:XLPE 电缆;局部放电;振荡波;危害与应对
        
        
        电力电缆局部放电的背景和意义
        随着我国经济社会的快速发展和城镇化水平的不断提高,城市配电网得到迅猛的发展,而电力电缆作为配电网最重要的组成部分,其 投入和运行数量更得到大规模的攀升。其中,交联聚乙烯电缆具有优 良的电气性能,而且敷设安装方便、运行维护简单和绝缘性能良好, 被广泛地应用到配电网中。与架空线路相比,电缆线路具有敷设不占 用地上空间、不影响市容和可靠性高等优先。
        然而,电力电缆的敷设广泛采用直埋于地的方式,随着运行时间变长,其绝缘结构容易受到土壤中的水分、微生物、化学物质以及光、热和机械外力等的影响,继而发生绝缘老化等缺陷并伴随局部放电的现象,给电力系统造成安全隐患。电缆的大多数缺陷都会伴随局部放电的现象,而局部放电的存在又会对电缆绝缘状况造成进一步的伤害。局部放点的强度、放电频率、放电特征等特征均可反应电缆的缺陷状况。  因此,局部放电检测是定量分析电缆绝缘老化程度的最有效方法之一。
        振荡波检测系统是近年来国际上新兴的电缆局部放电诊断和定位新技术。相关的研究和实验表明,OWTS 振荡波电压和 50Hz 工频交流电压下的局部放电诊断结果相当接近,和交流电压的等效性好,而且 振荡波电压局部放电试验的作用时间短、设备轻便,便于携带运输, 既能有效地对电缆进行诊断,又不会在电缆中引发新的缺陷,特别适 用于现场试验。IEEE 及部分先进国家已制订应用振荡波系统进行电缆局部放电试验的相关标准。我国国家电网公布的《配电设备状态检修 试验规程》也推荐使用此方法进行电缆局部放电的诊断。
        局部放电的产生
        局部放电主要由绝缘介质中的局部电厂不均匀激发,造成介质局部电厂分布不均的环节有三个。一方面,在电气产品的生产制造环节, 由于加工技术的限制,常用的固体或液体绝缘不可能完全纯净,因此不可避免的包含了各种微小的杂质,如水分、小气泡、小颗粒物、微孔、  间隙等等。


另一方面,在电缆的敷设和电缆附件的安装过程中,由于工艺不良而产生气隙或进入杂质,甚至造成绝缘局部损伤。第三是随着电缆运行时间增长,绝缘受到环境中的微生物、酸碱盐等化学物质、光、热以及机械外力等的影响,会逐渐老化、分解、愈发不均匀,往往还会形成水树或者电树。由于制造工艺、敷设安装和运行老化等原因产生的异物,其电导和介电常数不同于绝缘物质,因此,在外施电压的作用下,这些异物和杂质比周围物质具有更高的电场强度。当外施电压到达一定的强度时,这些部位的电场强度超过该处物质的游离场强,从而激发局部放电。
        局部放电的危害
        危害的产生
        局部放电虽然是在介质的局部位置发生,不会立即形成整个绝缘的贯通性击穿或闪络,但在局部放电长期的、累积的作用下,电气绝 缘特性会逐渐被损耗和破坏。在局部放电的长期作用下,介质的电气 性能会逐渐老化,而绝缘和老化又会进一步诱发局部放电,从而形成 恶性循环,导致电缆最后被击穿。其对绝缘的影响主要有以下几方面: 第一,电的作用。局部放电首先是电的过程,在其间会产生大量的带电粒子,这些粒子在局部电厂的作用下获得加速,进而高速地轰 击介质,使聚乙烯等高分子介质的分子主键断裂,化学结构破坏,分解成低分子。带电粒子轰击介质的过程又同时会使局部温度升高,进 而使介质材料发生热降解。因此,带电粒子的长期的、直接的轰击作 用不仅会使介质加速老化,还会在介质表面激发凹坑,凹坑逐步扩大, 最后导致介质被击穿。
        第二,热的作用。局部放电既是电的过程,也是热的过程,其放 电过程也伴随着能量的释放。局部放电在介质中的局部体积中发生, 在几百纳秒级的短暂的时间内能使介质温度急剧上升,如果放电能量 较大,甚至可以达到摄氏一千度以上的高温。因此,长期的局部放电  是引起介质的热溶解或化学分解的一大诱因,破坏性极强。除此之外,  局部放电产生的紫外光,还能使有机介质发生龟裂、降解、光老化等 现象。
        第三,化学作用。局部放电发生时会伴随化学反应,在其放电过 程中会产生受激分子,以及臭氧、一氧化氮等活性气体和二次生成物,这些物质会与聚乙烯材料发生反应,生成羰基化合物、二元酸和水汽,  对介质有强烈的腐蚀破坏作用,会大大加速聚乙烯材料的老化。另外,臭氧还会与空气、水分作用,生成硝酸、亚硝酸和硝基甲苯等硝基化 合物,能在金属材料表面形成铜绿和硝酸铜粉末,对金属导体同样有 着不小的破坏和威胁。
        由以上的分析可见,局部放电使绝缘材料老化,导致绝缘性能下降, 影响安全运行。电气设备在长期的严重的局部放电的作用下,甚至会发生绝缘击穿,统计资料指出,高压电气设备在运行中发生事故多是由局部放电的发生引起的,严重的局部放电给电网的运行造成了不小的安全隐患,影响生产,因此必须加强预防措施。
        应对措施
        降低局部放电危害的预防措施从两方面入手。
        一方面,需在电缆的生产制作环节合理选用材料。首先要确定合 理的几何尺寸,其次要采用严格的制作工艺,使制造的绝缘材料不含 气隙或其他杂质,或者含量足够低。可是目前的工艺水平还很难达到 这个要求。这就需要采取降低气隙中电场强度的措施,并期望研制出 耐局部放电性能优良的介质材料,提高耐放电性的添加剂等等。
        另一方面,在电缆的投运环节对局部放电进行精确、有效的检测, 如果检测发现局部放电量超出允许的范围,则为不合格产品,不得投 入使用。运行检测室对运行中的电缆进行的检测,属于电网运行维护 的范畴。如在运行检测中发现局部放电量超标,则必须马上排查检修, 保障电网的安全。
        结语
        我国在振荡波局部放电检测起步较晚,目前应用还不十分广泛,而且国内应用的产品多为进口设备,成本高昂。因此,发展具有自主 知识产权的振荡波局部放电缺陷定位系统,对于进一步推动振荡波局 部放电检测和缺陷定位技术在国内电缆线路健康状态评估中的应用, 具有突出的现实意义、经济意义和社会意义。
        参考文献
        叶加骅. 基于相关性分析的电缆局部放电信号定位方法研究[D]. 华南理工大学,2012.
        郭俊,吴广宁,张血琴等. 局部放电检测技术的现状和发展[J]. 电工技术学报,2005,20(2):29-35.

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