高壓電纜局放測試的背景

Background

高壓電纜的應用情況：

交聯聚乙烯電纜因其具有電性能高、輸送容量大、重量輕、運行維護方便等優點，我國大部分地區的高壓電纜線路全部使用了該類型的高壓電纜。

高壓電纜的故障：

高壓電纜故障的主要原因在于產品質量和施工質量，其中電纜附件占故障總量的90%，薄弱環節表現在電纜終端頭和中間接頭，主要由于設計不良、材料選擇不當、安裝制作工藝不良三個方面的原因造成。

高壓電纜局放測試的必要性：

《GB 50150-2006 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》要求新竣工的電纜需要進行耐壓試驗，高壓電纜交流耐壓等效電路如下圖，用C1、C2、C3組合模擬被試電纜的各個絕緣部件，在試驗過程中C1、C2、C3同時承受高電壓的考驗。 

交流耐壓試驗技術存在不足，體現在如下兩個方面：

◆交流耐壓試驗只關注電纜整體能否完整承受試驗電壓的考驗，其判斷標準為電纜是否通過了交流耐壓試驗，缺少電纜在試驗過程中可能出現的局部損傷和破壞的監測手段。

◆如電纜內部存在局部放電,但是電纜依然有可能能夠通過交流耐壓試驗，內部有缺陷的電纜帶病運行，電纜安全運行存在一定風險。

因此檢測高壓電纜在耐壓過程中的局放信號。

高壓電纜局放測試的原理

Principle

在電纜耐壓試驗過程中，采用如下測試回路，就可利用脈沖電流法監測電纜局部放電情況，測試原理如下圖。Cx為被試驗電纜，Ck為耦合電容器，在Cx、Ck的端部分別接入檢測阻抗Zm1、Zm2。Z為高頻阻波器，抑制電源中的干擾信號進入局放測試回路，阻止局放信號進入電源系統。 

一旦被試電纜發生局部放電，耦合電容Ck瞬時對Cx充電，形成高頻的脈沖電流波形，脈沖電流波形達到納秒級別，其頻譜高達百兆以上，脈沖電流的幅值大小、發生的頻度反映電纜內部局部放電的嚴重程度。

利用局放監測系統在耐壓過程可嚴密監視局放信號隨電壓和時間變化的趨勢，掌握電纜缺陷嚴重程度的變化。 

高壓電纜局部放電的嚴重程度通過其局部放電量來反映，要測試局放量必須對測試系統進行校準。

在被試驗電纜Cx注入標準局放信號Qo以模擬被試對象發生了局部放電，當標準局放信號注入時，檢測阻抗Zm1、Zm2輸出信號，測試系統M獲取局放信號的幅值大小、相位分布特征、頻譜特性等信息。

局放測試時參照校準信息就可以計算出局放量的大小，對電纜局部放電的嚴重程度、局放類型評估，作出正確的判斷。

高壓電纜局放測試的方法

Method

交流耐壓試驗電源處理：

高壓電纜交流耐壓采用的是變頻諧振裝置產生試驗電源，變頻柜是裝置的核心部件，變頻柜通過晶閘管的整流和逆變獲取試驗所需的頻率，在電源變換過程中引入了大量的高頻脈沖電流成份。

變頻諧振系統輸出的電源不能直接作為電纜局放試驗的電源直接施加于被試對象進行局部放電測試，必須采取有效措施對試驗電源進行預處理，通過設置串聯電抗、防暈導線、均壓環進行對試驗電源質量進行改善，其電氣原理如下圖所示。

電纜終端局放測試回路：

電纜終端的局放測試回路如下圖，當被試電纜內部發生了局部放電時，耦合電容瞬時對電纜終端充電，形成高頻的脈沖充電電流波形，脈沖電流的幅值、發生的頻度反映了電纜內部局部放電的嚴重程度，通道1、通道2兩個傳感器將局放信號傳送至局放診斷系統進行分析處理。 

在電纜的中間接頭，測試原理如圖所示，一側電纜的鎧裝與電纜導體之間存在電容Ca，另一側電纜的導體與鎧裝之間存在電容Cb，如果在電纜的中間接頭發生局部放電，那么形成兩個電容C1和C2，此時Ca和Cb就會通過導體向C1和C2充放電，從而形成局放電流回路，在兩側電纜屏蔽層橋接一個高頻低阻的電容臂C0和高頻電流傳感器，就可以檢測到局放的脈沖電流信號。

高壓電纜局放測試的技術難點：

▲測試系統靈敏度要求高

高壓電纜發生局放時產生的脈沖信號微弱，要求傳感器及測試系統有相當高的檢出靈敏度。

▲現場干擾因素復雜 

在現場實施電纜局放試驗時干擾信號會嚴重影響電纜局放的檢測和診斷，主要有臨近試驗現場的運行設備產生的電暈或者局部放電信號、交流耐壓試驗裝置自身的局部放電信號、交流耐壓試驗回路的引線產生的電暈信號三個方面的因素。

因此甄別并排除干擾信號、提取有效的信息并根據其特征診斷電纜的絕緣狀態是一項具有挑戰性的技術難題。

▲對測試人員的要求高

高壓電纜局放的信號主要集中在0-30MHz范圍內，信號頻帶較寬，加上現場存在一定的干擾信號，測試人員通過信號抑制、識別、分類、提取、判斷等技術手段，準確的解析復雜的電子信號成份實現電纜的狀態診斷。這項技術要求測試人員熟練使用示波器、頻譜儀、濾波器等電子設備，并具備高頻電子信號分析判斷能力。

▲國家標準及行業標準沒有明確的指引

高壓電纜局放測試是目前國內比較新的技術應用課題。

局放診斷判據：

（1）通過大量的試驗室模擬和現場測試結果顯示：局放信號的相位與試驗電源的相位具有180度或360度的相位特征，同時發生在一定寬度的相位上。

（2）在測試中若發現存在多種信號源，需運用帶通濾波器分別提取不同頻帶的脈沖信號進行單獨分析；

（3）局放傳感器采集到的高頻脈沖信號的波形和頻譜是否具有典型局放特征（脈沖波形上升沿一般為幾十納秒）；

（4）必要時，將實際測試局放波形與利用模擬局放源對測試回路進行校準時的波形進行反復類比，觀察其信號的相似性；

（5）極性判別法：運用脈沖波形的極性鑒別局放源的位置；  

交流耐壓時進行局放測試的優點：

1.在進行電纜耐壓試驗過程中同時進行局放測試，由于電纜耐壓試驗電源采用異頻電源，工頻信號在試驗電源的相位圖譜上不具有相關性，只有試驗系統內部的局放信號可能在試驗電源的相位圖譜上具有相關性，利用這一點可有效排除運行設備產生的干擾信號。試驗裝置自身的局放信號是晶閘管的開通關閉造成，一般集中在特定相位，這類干擾在一定程度上可通過“開相位窗”予以排除；

2.高電壓狀態下局放測試的靈敏度高，高壓電纜交流耐壓時所施加的電壓為2U0，利于將電纜內部的缺陷檢出。

（1）對于在1U0下不產生局放信號的缺陷，在2U0下激發下產生局放，缺陷才可能被發現。

（2）對于同樣的電纜缺陷，電壓越高，產生的局放信號越大，檢出的靈敏度越高。

3.局放的提前發現對運行安全、設備檢修的影響。

通過局放測試，可以在電纜投運前發現缺陷，施工人員有足夠的時間和空間查明原因、消除缺陷，避免電纜帶病投入運行后重復停電，影響電網的正常運行。