用振荡波电压法检测10kV电缆局部放电的试验研究
陆国俊 熊 俊 王 劲 黄炎光 饶 锐
(广东电网公司广州供电局试验研究所 广州 白云区 510410)
本文对近年广州地区配网10kV电缆的运行总体现状进行了概述，指出配网10kV电缆的技术监督重点应该放在通过引入各项行之有效的新技术来降低绝缘故障率；简要介绍了振荡波电压法测试系统的主要原理、设备构成及局部放电定位技术的原理；基于振荡波电压法检测技术对一条退运10kV交联聚乙烯短电缆，通过人工设置各种模拟缺陷，对该系统的检测效果进行了初步分析，得出振荡波电压法对某些类型的缺陷如错用绝缘胶带等效果十分明显，而对其他一些缺陷如压接管表面存在毛刺等效果有待进一步研究；研究也表明电缆终端缺陷的检测可能会由于高压线夹表面放电引入干扰受到影响，建议采取其他辅助检测手段如开关柜局部放电检测技术或对高压线夹进行防电晕处理以提高全范围检测效果；最后，论文结合运行现状对广州地区配网电缆绝缘状态的技术监督开展方式进行了初探。
配网 电缆 振荡波电压法 局部放电
0 引言
随着城市化进程的加快，社会对城市环境的要求在不断提高，送电线路入地化已成为未来城市供电的必然发展方向。据统计，截止到2009年8月底，广州地区10kV电缆线路的总长度已经达到两万公里。预计未来一段时间内，电缆线路的需求量将进一步加大。据悉，2002年～2005年广州配电网电缆线路年均故障原因主要包括外力破坏或动物造成短路事故、本体绝缘击穿及电缆接头爆炸分别占60%、25%、15%。根据了解，广州配电网2009年仅8月份10kV交联聚乙烯电缆故障一共发生了8起，其中7起为附件绝缘故障(全部为中间接头)，且有相当部分的故障电缆投运时间不超过3年。外力破坏等因素造成电缆故障需要有关部门通过与政府协调、立法等手段解决，配网10kV电缆的技术监督重点应放在如何尽早发现绝缘缺陷，降低绝缘故障率，预防事故发生这方面。
目前，国内外针对10kV电缆绝缘性能方面考核，相对有效地解决途径是耐压试验。但是耐压试验仍存在几个问题：一是需要持续施加高于运行电压数倍的电压，很可能对电缆造成损伤而引入新的缺陷；二是耐压试验结果只有通过和击穿两种，某些隐蔽缺陷不易被发现，也不利于绝缘状态的评估；三是现有耐压设备试验过程可视化做得不够，无法将局部放电与其发生位置联系起来。由于存在上述三个问题，因此，从技术上来说不利于运行单位工作的有效开展，10kV电缆绝缘状态的评估需要寻找新的突破口[1-5]。
振荡波电压法检测系统，即称为Oscillating waveform test system(OWTS)，或 Damping AC Voltage(DAC)，是近几年国内外供电单位尝试使用并替代交流耐压方法的一种新兴试验技术[2-6]。Oscillating waveform technology(OWT)出现至今约二十年的时间。具体来说，上世纪九十年代初至九十年代末期为实验室摸索阶段，2000年至2007年之间为通过现场试点而不断完善的时期。近几年，由于快速关断开关等技术得到了解决，美国、荷兰、日本、新加坡及中国北京、济南、上海等地的电力部门才开始引入这种方法，也先后证明该方法在检测电力电缆尤其是中压电缆系统绝缘状态的有效性。其中，荷兰达夫科技大学的E. Gulski，F.J. Wester，J.J. Smit等是研究振荡波试验技术的代表者 [6-18]。
为切实将状态监测工作落到实处，根据主网稳定、配网可靠的电网资产管理思路以及全面施行创先工作的有关要求，广州电网近期引进了10kV振荡波电压电缆局部放电检测与定位系统，专门用来解决当前10kV电缆的绝缘状态诊断问题，目前各项工作正有序展开。本文首先简要说明了振荡波电压法的基本原理和主要部件构成，并利用该系统对一条退运短电缆，通过人工设置若干常见绝缘缺陷，对该系统的检测效果进行了初步分析，以期为今后振荡波电压法检测技术在广州地区的使用提供一定参考。
1 基本原理和部件构成
1.1 试验原理
振荡波电压试验方法的基本思路是利用电缆等值电容与电感线圈的串联谐振原理，使振荡电压在多次极性变换过程中电缆缺陷处会激发出局部放电信号，通过高频耦合器测量该信号从而达到检测目的。振荡波电压试验接线图如图1所示，整个试验回路分为两个部分：一是直流电源回路;二是电缆与电感充放电过程，即振荡过程。这两个回路之间通过快速关断开关实现转换。
1.2 部件构成
OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置如图2所示。检测过程中可以根据情况施加从0至28kV的直流电压，合上半导体开关后，被试电缆与电感产生阻尼振荡。该装置可以检测的电缆电容范围为0.05μF至2μF。当被测电缆较短时，为将振荡频率保持在一定范围，需要在电缆上并联一个电容。
图1 振荡波电压法检测系统示意图
图2 OWTS-28M装置外观
1.3 局部放电定位原理
振荡过程中，利用行波法对局放信号进行定位。测试一条长度为l的电缆，假设在距测试端x处发生局部放电，脉冲沿电缆向两个相反方向传播，其中一个脉冲经过时间t1到达测试端;另一个脉冲向测试对端传播，在电缆末端发生反射，之后再向测试端传播，经过时间t2到达测试端，如图3所示。根据两个脉冲到达测试端的时间差，可计算局部放电发生位置，即：
式中，v为电缆中的波速。
图3 脉冲反射法原理示意图
脉冲反射法在10kV电缆找故障中被广泛采用，所以这种方法很容易被操作人员掌握，非常方便现场推广使用。准确寻找入射波和放射波是提高局部放电定位准确性的关键。一般原则是入射波幅值大于放射波；入射波上升沿更加陡而反射波脉冲更宽[19-22]。
2 主要操作步骤
测试的主要步骤有：① 绝缘电阻测量;② 行波测距(确定电缆长度及接头位置);③ 将OWTS系统按照说明书要求接线；④ 局部放电量校准；⑤ 试验;⑥ 结束试验;⑦ 评估电缆状态。
为了获得一个合理的局部放电起始电压(PDIV)及局部放电水平(PD Level)，建议采取谨慎的加压方式。一些案例的统计结果为：对交联聚乙烯电缆，局部放电起始电压低于或高于运行电压分别约占29%、36%。与油纸绝缘型电缆相比，发现交联聚乙烯电缆缺陷需要更高的施加电压，甚至超过2U0。某些案例中实测结果也指出对于10kV交联聚乙烯电缆的交接试验，振荡波电压可以加至2.0U0;对于10kV交联聚乙烯电缆的预防性试验考核，振荡波电压可以加至1.7U0。振荡电压从0.1U0开始施加，升压间隔可取0.1～0.5U0。当进行交接试验后，需要将振荡电压调至运行电压U0下，以确认经过试验后的电缆绝缘性能未受到影响。
整个试验操作较简单，关键是如何分析采集到的数据。制定试验方案是进行各种特殊高压试验的基本要求，其中应包含各项安全措施和试验结果预想两个基本内容。为使后续工作尽可能有效，局部放电相关特征量的分析应尽可能丰富以利于状态评估。
3 模拟试验
3.1 试品参数与检测回路
电缆型号为YJV-3×70mm2-8.7/15kV，长度351m；实测电容值：0.217uF，为退运电缆，运行时间不详。检测回路示意图如图4所示。
距离测试端242m左右有一个中间接头，分别在三相设置不同类型的缺陷。其中，A相设置的缺陷是接头错用绝缘胶带；B相设置的缺陷是压接管表面有毛刺、飞边；C相设置的缺陷是接头主绝缘表面有盐水，分别如图5a、b、c所示。
图4 检测回路示意图
a 接头错用绝缘胶带
b 压接管表面有毛刺、飞边
c 接头主绝缘表面有盐水
图5 接头内部设置的不同缺陷
3.2 试验结果
3.2.1 接头错用绝缘胶带
对A相从0.1U0开始施加电压，在U0和1.7 U0时重复施加多次，保存。图6a中为18kV时一组典型的局部放电图谱，局部放电幅值明显且重复较强。图6b为经过行波定位分析得出的局部放电定位图谱，结果表明与初始设计的缺陷位置吻合，但在测试端也出现集中性局部放电。
a 典型局部放电图谱
b 局部放电定位图谱
图6 A相局部放电检测结果
3.2.2 压接管表面有毛刺、飞边
对B相从0.1U0开始施加电压，在U0和1.7 U0时重复施加多次，保存。图7a中为27kV时一组典型的局部放电图谱，图中结果表明局部放电幅值很小，主要表现背景干扰噪声。图7b为经过行波定位分析得出的局部放电定位图谱，结果表明在测试端有集中性放电，而实际未在该位置设置缺陷。而在缺陷设置处，局部放电定位结果表明此处的局部放电强度较小且不集中。
a 典型局部放电图谱
b 局部放电定位图谱
图7 B相局部放电定位结果
3.2.3 接头主绝缘表面有盐水
对C相从0.1U0开始施加电压，在U0和1.7 U0时重复施加多次，保存。图8a中为24kV时一组典型的局部放电图谱，图中结果表明局部放电幅值很小，主要表现为在首个振荡周期内局部放电幅值较高且集中，但此后若干振荡周期内主要表现为背景干扰噪声。
图8b为经过行波定位分析得出的局部放电定位图谱，结果表明在测试端有集中性放电，而实际未在该位置设置缺陷。而在缺陷设置处，局部放电定位结果表明此处的局部放电强度较小且不集中。
图8 C相局部放电定位结果
3.3 分析与讨论
3.3.1 总体分析
通过利用振荡波电压法检测人工设置三种在施工过程中常见的缺陷，结果表明：对于新做的缺陷，振荡波电压法对某些类型的缺陷如错用绝缘胶带等效果十分明显，而对其他一些缺陷如压接管表面存在毛刺等效果则有待进一步研究。这种情况是实际情况一致的，因为某些引入的缺陷需要经过一定时间的发展才能激发局部放电。
从模拟试验结果来看，用振荡波电压法进行电缆入网前或投运前的考核有其优点，但是否能替代耐压试验方法则有待进一步实践。
从模拟试验结果可以看到，三种缺陷条件下的测试均在测试端发现了集中性局部放电，而实际未在该位置进行缺陷布置。后经过寻找原因发现是由于高压线夹处在一定电压激发了表面放电，从而引入到测试过程中影响了对真实局部放电位置的判断。建议采取其他辅助检测手段如开关柜局部放电检测技术或对高压线夹进行防电晕处理以覆盖整个检测范围。
在对采集到的数据进行分析时，发现利用振荡波检测系统提供的自动分析局部放电定位功能效果并不是十分理想，有可能出现误定位的情况。建议利用手动分析对局部放电波形进行逐个定位以提高准确度，两种结果的对比如下图9a和b示。
图9 使用两种手段得到的局部放电定位图谱
3.3.2 技术监督对策
近年，广州电网10kV运行电缆总长度呈现不断增长的趋势，日常的维护工作量非常大。一个配电部可能需要管理的电缆总长度为2000多公里。对每条电缆进行检测和维护不现实，电缆状态监测需要建立以用户为导向结合运行经验的资产管理思路：① 广州电网10kV电缆检测技术研究投入重点应放在交联聚乙烯电缆上;② 各类重要用户、大用户等的供电电缆进行重点检测和维护;③ 盆式曲线两端部的电缆(投运不超过3年或超过10年)进行重点跟踪和检测，如图10[23-25]。
图10 全国电缆绝缘故障率随运行时间的变化
4 结论
① 本文对近年广州地区配网10kV电缆的运行总体现状进行了概述，指出配网10kV电缆的技术监督重点应该放在通过引入各项行之有效的新技术来降低绝缘故障率；
② 基于振荡波电压法检测技术对一条退运10kV交联聚乙烯短电缆，通过人工设置各种模拟缺陷，对该系统的检测效果进行了初步分析，得出振荡波电压法对某些类型的缺陷如错用绝缘胶带等效果十分明显，而对其他一些缺陷如压接管表面存在毛刺等效果有待进一步研究；
③ 研究也表明电缆终端缺陷的检测可能会由于高压线夹表面放电引入干扰受到影响，建议采取其他辅助检测手段如开关柜局部放电检测技术或对高压线夹进行防电晕处理以提高全范围检测效果；
④ 电缆状态监测需要建立以用户为导向结合运行经验的资产管理思路。
致 谢
本文的试验部分是在长沙电缆附件厂及华南理工大学的大力帮助下完成的，谨致谢意
