配网电缆振荡波检测技术现场应用特点分析

引言

20世纪90年代,荷兰代尔夫特理工大学的EdwardGulski教授发明了振荡波电缆检测技术,之后瑞士seitz公司研发形成了成熟的产品(onsite)用于电缆绝缘缺陷现场检测和定位,电压等级包含6kV及以上,目前最高试验能力为对220kV电缆进行振荡波试验。振荡波检测技术最早称为owTs(oscillatingwaveTestsystem),目前多称为DAC(DampedAlternatingCurrentVoltage)。2006年,振荡波检测技术首次在北京电力公司应用,此后在中国经历了近15年的发展,从最初的重大保电、试点和电科院测试,到2016年形成电力行业标准《6kV~35kV电缆振荡波局部放电测试方法》(DL/T1576一2016),再到2018年国家电网公司将振荡波局放检测技术作为电缆的绝缘缺陷检测方法纳入《配电电缆线路试验规程》(Q/GDw11838一2018),振荡波局放检测技术在电力电缆绝缘缺陷检测和定位中的作用也越来越被认可。

目前振荡波技术在国内受重视程度不断提高,尤其是在国家电网公司得到了大力推广应用,从而积累了大量的现场检测数据和案例,形成了较为详细的现场检测规程,培养了大量的振荡波局放检测技术人才。

本文主要基于振荡波检测技术现场试验情况,对振荡波局放检测技术的现场应用特点进行分析,并结合现场遇到的问题,探讨解决的思路,提出一些现场测试中的建议。

1振荡波检测技术及其定位原理

电力电缆中的绝缘缺陷会在电场应力的作用下产生局部放电,局部放电激发的电压行波沿着电缆向两端传播,通过测量这个脉冲,可以测量电缆中的局部放电信号,评估该局部放电信号的强度和统计特征,有助于判断电力电缆绝缘缺陷的位置和严重情况。

电缆振荡波检测技术,即在电缆一端进行直流(或交流)充电,达到试验电压后(加压流程可参考DL/T1576一2016或Q/GDw11838一2018),通过快速闭合开关,实现振荡波测试系统内部电感与电缆电容之间的谐振,在这个谐振过程中,通过高压测试端的耦合电容,获取局部放电产生的脉冲电压信号,根据电缆中电压行波的传播原理,利用电压行波的入射波和反射波的时间差实现电缆绝缘缺陷的定位,如式(1)所示:

通过上述过程,在一次加压过程中可以同时发现电缆中多个绝缘缺陷,并实现定位(图1),再根据相关标准,如DL/T1576一2016或Q/GDw11838一2018中局部放电严重程度的判断依据,决定针对电缆缺陷是修复更换、再次测试还是继续运行。

电缆振荡波测试系统的典型时域图和定位原理如图2和图3所示。

图1电力电缆振荡波绝缘缺陷定位示意图

图2振荡波测试系统示意图

图3电缆振荡波局部放电定位原理

2振荡波检测技术在现场应用中遇到的问题

电缆振荡波局放检测技术,可以实现一次测试对电缆多处绝缘缺陷的定位,并根据得到的局部放电信号特征,结合标准和个人经验,对电缆缺陷是需要修复、再次测试还是继续使用进行判断。

在实际应用中,电缆振荡波局放测试技术的检测效果和定位精度受到一些因素的影响,本节对这些因素进行罗列,并大致分析其原因。根据调研结果,现场测试中遇到的问题大致涉及振荡波检测技术的应用范围、定位精度和灵敏度、有效测试距离等方面。

2.1振荡波检测技术的应用范围

目前国内主要将振荡波检测技术用于电缆局放检测,但实际上根据IEEEstd400.4TM一2015的介绍,电缆振荡波检测技术还可以用于电缆耐压试验,需要在最高试验电压下进行50次激励。振荡波耐压的优点在于对电源功率要求不高,因为振荡波升压是对电缆进行直流(或交流)充电,即在测试系统最高测试负载下,升压到指定电压的时间与电缆长度有关,而对所需要的电源功率要求不高。由于国内没有对振荡波耐压进行相关测试,缺少相应的数据支撑和案例,故基于振荡波的电缆耐压试验并未在国内采用。

2.2定位精度和灵敏度

振荡波测试系统的定位精度理论上可以达到电缆长度的1%或士1m,但在实际测试中,受到电缆长度值的精确度、局放脉冲传播速度、反射波波形畸变等因素影响,定位精度存在一定的偏差,有的可能有10m以上的偏差。

灵敏度是指最小能够测量到的局部放电量,现场测试的灵敏度受背景噪声、校准和电缆本身特征的影响。

2.3有效测试距离

振荡波测试系统测试距离,以单端测试为例,大部分标称在10km,但实际上往往达不到10km,有时甚至才2~3km,这主要与电缆特性对电压行波的影响、背景噪声等有关。

3解决现场测试问题的建议

本节结合上一节中振荡波现场测试中遇到的问题,探讨解决问题的思路。

3.1定位精度和灵敏度

定位精度取决于电缆长度和振荡波传播速度的精确性,但现场往往无法知晓电缆的确切长度,而且波速往往是经验值(168~172m/μs),所以当定位到有缺陷时,都是第一时间去寻找该位置附近的中间接头,因为中间接头的故障率较高,而且中间接头的放电量一般较大,这时基本上可以确定是中间接头的问题。

当没有中间接头时,有可能是电缆本体缺陷,而这种局部缺陷往往是施工或后期运行中的外部应力导致的(注意:引起的是缺陷,如果是故障不在本文讨论范围内),这种情况需要对电缆外部完好性做仔细检查,可以结合该缺陷点距离中间接头的相对位置进行缺陷查找。

3.2有效测试距离

有效测试距离,一般理解为能够定位绝缘缺陷的最大电缆长度。从振荡波测试系统指标来看,主要有两个与最大距离有关的参数:最大试验距离(即最大负载,单位为μF)和最大定位距离。

最大试验距离,是振荡波系统的加压能力,能够对多长的电缆施加标准所需要的最高试验电压,与振荡波系统电源能力和电缆的电容有关,这个参数在振荡波测试系统中有明确标出。

最大定位距离,这个并未直接在电缆振荡波参数中标注,因为这个定位距离与振荡波局放耦合单元、现场测试环境(背景噪声、电缆特征参数)和算法有关,尤其是与现场的测试环境有关,以下详细描述:

(1)背景噪声:振荡波定位需要寻找一组入射波和反射波来定位,而反射波传播到电缆尾端,经过了较长距离,幅值衰减较大,当背景噪声比较大时就会淹没反射波,此时则无法定位,或者反射波与背景噪声值近似时也无法实现定位。

(2)电缆本身结构:如果电缆的中间接头多,那么对电压行波的干扰增多,也会导致反射波衰减较大。

如图4所示,虽然电缆长度近似,但由于现场背景噪声和电缆特征的影响,反射波的情况截然不同。从校准结果至少可以得出:图4(a)有助于发现更小的放电信号,能够进行更精准的判断,对电缆缺陷检测的现场灵敏度更高。

故现场测试中,振荡波局放测试的定位能力与现场情况紧密相关,可以振荡波校准过程中能够识别的反射波的最小放电量为参考,判断该段电缆能否进行有效的振荡波局放定位。

4振荡波技术应用特点

4.1关于振荡波标准的一些认识

目前对振荡波做了详细规定的标准主要有两个:国际标准IEEEstd400.4TM一20l5和国内电力行业标准DL/T1>76一2016,标准中详细规定了测试系统各个组成部分及系统参数和指标,以及试验的加压流程、判断依据等。其中1EEEstd400.4TM一201>给出了振荡波可以实现电缆耐压和电缆振荡波局放测试两种应用,DL/T1>76一2016增加了对电缆绝缘缺陷严重程度的判据。此外,国家电网标准0/GDw11838一2018也引入了电缆振荡波检测技术。以上3个标准均可借鉴。

电力行业标准中对xLPE电缆局放严重程度判断如表1所示,根据不同位置的放电量大小决定电缆是否需要更换。国家电网标准除了对放电量要求更加严格以外,还增加了对起始放电电压的要求,对新电缆而言,当起始放电电压低于1.2倍U0时,则需要更换。

4.2试验流程中需要注意的问题

电缆振荡波施加的电压高于运行电压,严格意义上也存在电缆击穿风险,实际测试过程中也发生过类似事件,即测试过程中未发现局部放电集中点,但送电以后发生了击穿。这种情况可以通过测试前后绝缘电阻来辅助判断,当测试后绝缘电阻下降较多时,需要引起注意,该电缆绝缘可能存在风险,建议再进行耐压测试或继续进行振荡波测试,查找缺陷点。

同时也需要明确,电缆振荡波检测技术并非能发现所有电缆缺陷问题,当未发生局放时,振荡波测试是无法定位缺陷的,此时绝缘电阻低大部分情况下是受潮引起的。

4.3在高阻故障定位中的应用

振荡波还可以作为电缆故障定位手段,当电缆出现类似闪络这种高阻故障时,可以尝试借用电缆振荡波技术对故障电缆进行故障点定位,但其施加电压的流程与常规规定的加压流程不同,需要从最小电压,如0.1U0开始逐步阶梯升压(比如A0.1U0),尝试定位闪络故障点。如瑞士onsite公众号分享的一起高阻故障定位案例,即根据振荡波定位谱图,在距离测试端480m和7>0m处查找到两组放电现象。

5结论

本文根据目前振荡波测试中的热点,总结了一些电缆振荡波现场测试中遇到的问题,分析了原因,并对本文提出的问题进行了讨论,得出如下结论:

(1)采用电缆振荡波技术需要停电进行测试,对于需要保障供电可靠性的行业(如电力系统),停电压力大,较难实现,目前普遍采用的是交接试验的测试项目:而对于可以自由安排停电的客户,则不受该条件约束。

(2)虽然电缆振荡波检测技术能够发现电缆中潜在的多处缺陷,但仍有一些制约因素,如电缆长度影响、电缆中间接头影响、现场背景干扰(目前的提取技术主要还是在大于背景信号的脉冲中寻找反射波)等。上述情况需要综合分析,不能盲目认为振荡波测试后未发现局放,就一定没有绝缘缺陷,其只能在一定范围内确认,还需要结合电缆绝缘电阻进行综合判断。

虽然电缆振荡波检测技术有其局限性,但笔者仍旧认为其是目前检测电缆缺陷的最有效手段之一。