局部放电指纹库在XLPE电力电缆测试中的应用.pdf

2012 年第 6 期 No． 62012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．， 2012 局部放电指纹库在 XLPE 电力电缆测试中的应用 章铭杰 ( 上海华普电缆有限公司， 上海 201111) 摘要: 在局部放电测试中， 利用提取 XLPE 电力电缆局部放电特征， 能够建立局部放电指纹库， 从而通过局部 放电指纹的对比评估， 快速判断 XLPE 电力电缆的局部放电原因。 关键词: 局部放电;PD 指纹库;XLPE 电力电缆 中图分类号: TM247;TM206文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 06- 0037- 04 The Fingerprint Databank of Partial Discharge PD in the XLPE Power Cable Measurement ZHANG Ming- jie ( Shanghai Huapu Cable Co．，Ltd．，Shanghai 201111，China) Abstract:This paper describes the PD fingerprint databank can be established by the characteristics of partial dis- charge of XLPE power cable，which can quickly judge the reasons of partial discharge in XLPE power cable． Key words:partial discharge;PD fingerprint databank;XLPE power cable 收稿日期: 2012- 05- 21 作者简介: 章铭杰( 1967 － ) ， 男， 工程师． 作者地址: 上海市闵行区光华路 2800 号［ 201111］ ． 0引言 由于电线电缆制造工艺的局限性， 交联聚乙烯 ( XLPE) 电力电缆中可能存在各种缺陷， 如: 微孔、 杂质、 气泡、 半导电层表面突起或凹陷等， 这些缺陷 点会造成局部场强集中。在外电场作用下， 当场强 超过缺陷处的耐电强度时就会产生局部放电， 所产 生的放电脉冲电流会成为电缆在日后运行中极大的 隐患。目前局部放电测试被公认为是较好反映 XLPE 电力电缆质量的重要指标之一。笔者通过提 取 XLPE 电力电缆局部放电特性指纹， 建立局部放 电指纹库， 对 XLPE 电力电缆各种缺陷的放电指纹 进行对比， 能够准确地对 XLPE 电力电缆的局放源 进行故障诊断。 1电力电缆局部放电检测中的经验图谱 在传统局放测试中， 测试人员通过看示波器上 的放电图形， 大致判断一部分放电故障的类型。一 般而言， XLPE 电力电缆中的缺陷， 按其局部放电位 置可以分为三种: ( 1) 绝缘与内屏蔽层间存在缺陷; ( 2) 绝缘层中存在缺陷; ( 3) 绝缘与外屏蔽层间存在 缺陷。绝缘与内屏蔽层间缺陷主要是由于导线或内 层半导体的突出、 毛刺等造成的， 其放电图谱与图 1a 相似; 绝缘层中的缺陷主要指的是绝缘介质内部 的气隙或杂质， 其放电图谱与图 1b 相似; 绝缘与外 屏蔽层间缺陷主要是由于外屏蔽层有伸入到绝缘层 的突出点和毛刺造成的， 其放电图谱与图 1c 相似， 且随电压上升变化不大。 图 1局部放电图形 a) 局部放电靠近高压端的图形b) 绝缘内部气隙的放电 图形c) 局部放电靠近接地端的图形 通过观察示波器上的放电图形来判断局放源， 要 求测试人员有足够的局部放电图形识别经验， 否则容 易造成主观上的判断偏差， 更何况实际测试中会碰到 很多似是而非的放电图形， 毕竟实际生产中碰到的放 电故障要更复杂， 种类更多， 有时还会有复合的故障。 当你碰到那些非典型的放电图形时就无法准确判断 故障类型了， 显然靠经验判断是不严谨的。 2XLPE 电力电缆局部放电特性 2． 1局部放电统计参数 现在市面上的许多数字式局部放电测试仪都能 用于 XLPE 电力电缆局部放电测量、 分析和诊断， 并 能进行实时数字信号处理， 可以方便地显示放电图 形和存储大量的测量数据。经过数据处理可以得到 各种局部放电基本参数及各种分布函数， 并由此计 算出描述局部放电各种分布状态的统计参数， 即指 纹特征。采用这些参数可以定性和定量地分析 XLPE 电缆局部放电的特性。 为了描述 XLPE 电缆的局部放电特性、 诊断识 别放电类型， 国际和国内大量文献介绍了多种表征 局部放电特性的物理参数。根据各参数的属性， 可 以分为三种类型: 基本参数、 时间分布参数和相位分 布参数。每种放电参数从不同的角度来描述绝缘中 的局部放电信息， 只有将这些参数结合起来， 才能全 面地了解 XLPE 电力电缆中的放电情况。 局部放电基本参数包括: 视在放电量 PD、 放电 重复率 N、放电相位角 φi。 时间分布参数包括: 平均放电量 qmean( t) 、 最大 放电量 qmax( t) 、 放电电流 I( t) 、 最大放电能量 Wmax ( t) 、 平均放电能量 Wmean( t) 、 放电功率 P( t) 、 放电 次数 Nq( t) 、 放电二次率 D( t) 等。 相位分布参数有: 放电次数的相位分布 Hn ( φ) 、 最大放电量的相位分布 Hqmax( φ) 、 平均放电量 的相位分布 Hqn( φ) ， 还有放电脉冲幅值的谱密度 H ( q)、 局部放电能量分布 H( p)、 局部放电三维分布 Hn( φ， q) 等。 利用上述各种参数通过统计计算， 做成各种放 电指纹图谱， 就能比较全面地描述其概貌， 从而识别 不同的放电类型， 为诊断提供依据。常用的放电谱 图有以下几种: ( 1) q － φ 谱图。不同相位( 外加工频正弦电压 的相位) 区间内， 发生的视在放电电荷的平均值( 或 最大值) 的分布图。这表示在外加电压的不同相位 上， 放电量大小的分布情况。 ( 2) N － φ 谱图。不同相位区间内放电次数总 数的分布图， 这表示在外加电压不同的相位上， 放电 次数的分布。 ( 3) N － q 谱图。放电量按大小依序排列， 取等 区间内的放电次数的分布图。这表示不同放电量的 放电次数有多少。 以上几种谱图都是二维坐标来描绘， 都称之为 二维谱图。 ( 4) N － q － φ 谱图。这是以上三种谱图集合在 一个三维坐标上的谱图， 从这个谱图可以同时看到 N、 q、 φ 三个参数的相互分布情况， 确定了其中两个 参数后， 就可以找到第三个参数值。 本文采用了 Hn( φ， q) 三维分布图作为局部放 电指纹截图。 2． 2局部放电指纹的对比试验 为了进行 XLPE 电力电缆的局部放电指纹对比 统计， 我们在工厂进行了 XLPE 电力电缆局部放电 指纹提取， 试验情况如下。 2． 2． 1试验样品 为了能反映实际情况， 我们针对近年来生产的 各种规格 XLPE 电力电缆进行了跟踪研究分析。在 测试中发现， 有局部放电的就进行局部放电指纹提 取， 然后再进行局部放电故障定位， 将放电故障点进 行解剖提取， 在解剖后将故障点的情况记录在该故 障点的描述信息内， 以便指纹对比时能够方便地查 阅， 这样将故障点和局部放电指纹一一对照， 就能验 证局部放电指纹对比的有效性。 2． 2． 2试验过程 在众多的试验中我们列举试验结果如下: ( 1) 1#试品为 8． 7/10 kV- YJV- 3 70mm2XLPE 电缆。首先加 15 kV 工频电压， 未见局放; 然后以均 匀的速度升压， 当电压升至 30 kV 时， 试品出现放 电， 最大放电量为 122pC， Hn( φ， q) 分布图见图 2。 定位找出故障点在电缆外端 118 m 处， 经解剖 发现该故障点为绝缘层内一个浅表杂质。 图 21#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 ( 2) 2#试品为 8． 7/10 kV- YJV- 3 50 mm2XLPE 电缆。同样， 我们将试品直接加至工频电压 15 kV 观察， 未见局放; 然后以均匀的速度升压， 电压升至 28 kV 时试品开始放电， 放电量为 43pC， Hn( φ， q) 分 布图见图 3。 通过定位找到脉冲故障点在电缆外端 466 m 处， 经解剖发现该故障点为一个黑色杂质在绝缘 层内。 ( 3) 3#试品为 8． 7/10 kV- YJV- 3 70 mm2XLPE 电缆， 加 15 kV 工频电压， 未见放电; 继续升高工频 电压至 17 kV 时试品开始放电， 最大放电量为 39pC， Hn( φ， q) 分布图见图 4。 对脉冲点进行了定位， 找出脉冲故障点在电缆 外端 224 m 处， 解剖发现该故障点为绝缘层内靠近 内屏蔽附近有一个小的杂质。 83 2012 年第 6 期 No． 62012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．， 2012 图 32#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 图 43#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 ( 4) 4#、 5#、 6#试品在试验中发现有局放故障， 我们同样对故障点进行了定位， 将故障点取出， 发现 都是外屏蔽料嵌入绝缘层内， 它们的 Hn( φ， q) 分别 见图 5、 图 6、 图 7。 图 54#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 ( 5) 7#、 8#试品是由于材料问题造成的两个故 障点， 通过故障定位发现是在同一根 XLPE 电力电 缆线芯上相距 43 m 的两个绝缘内的气泡， 它们的 Hn( φ， q) 分别见图 8、 图 9。 2． 2． 3试验结果讨论 在局部放电参数中，基本参数和分布参数可以 直接得到，而统计参数要经过对数据的统计处理后 才能得到。局部放电的统计参数包括偏斜度( Skew- ness) 、 峭度( Kurtosis) 、 互相关系数( Correlation coef- 图 65#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 图 76#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 图 87#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 图 98#试品 Hn ( φ， q) 三维分布图 ficient)和不对称度( Asymmetry)等。偏斜度是描 述一个随机变量的概率分布是否对称的统计参数。 峭度是描述一个随机变量的概率分布集中于均值的 程度，或者随变量的增加速度，即分布函数的变化 陡度。 93 2012 年第 6 期 No． 62012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．， 2012 当 PD 测量完成后， 数字局放仪能够方便地记 录、 存储放电脉冲信号数据， 按记录下的脉冲强度、 脉冲数量、 分布相位及时间序列等组合进行分类。 在不同的分布函数下， 将每个放电源的几何形状按 放电特有的序列绘制出来， 这些特性都包涵多种统 计算子。比如 TE571 就含有 29 种统计算子来描述 PD 测量特性， 这些统计算子的总和就能构成一个放 电指纹。 将上述试验提取的指纹在指纹库中做了对比， 结果见表 1。 表 1 1# ～8#试品局部放电指纹对比统计表 对比编号解剖结果对比 指纹相似 度/% 1#、 2#绝缘层内杂质( 位置相近; 大小相似)90．4 1#、 3# 绝缘层内杂质( 试品 1 靠近外屏蔽， 试品 3 靠近内屏蔽; 大小相似) 84．3 2#、 3# 绝缘层内杂质( 试品 2 靠近外屏蔽， 试品 3 靠近内屏蔽; 大小相似) 83．7 4#、 5#外屏蔽嵌入绝缘92．3 4#、 6#外屏蔽嵌入绝缘95．1 5#、 6#外屏蔽嵌入绝缘91．6 7#、 8# 绝缘内的气泡( 位置和大小度高度相 似) 98．7 另外， 将以上杂质、 外屏蔽嵌入和气泡局放等不 同种类的缺陷放电指纹相互比较， 相似度最高仅为 71． 6%。 从表 1 对比结果来看， 指纹对比能够明确区分 局放源的类型， 相似度越高就越能确定是同类型局 放故障。局放指纹统计判断的准确度要远高于人工 判断， 比如: 3#试品和 1#、 2#试品对比， 在示波器上 看到的放电图形只能都判断为绝缘内放电， 但用指 纹统计判断就能明显区分出 3#与 1#、 2#试品放电的 位置有明显差异。 随着指纹采集量的增大， 找到高相似度指纹的 概率也不断提高， 判断的精确度就不断提高。实际 应用中相似度 90%以上就可算是一大类放电， 随着 指纹库的增大， 还可将大类中分出小类， 那时可以根 据实际情况提高相似度的要求。只要匹配到高度相 似的指纹， 就能在不解剖电缆的情况下知道 XLPE 电缆中存在什么样的故障， 因为指纹信息已经告诉 你那是什么样的故障了。 3结束语 利用数字模型建立的指纹库能够较好地识别局 部放电故障的性质， 能够准确地判断出 XLPE 电力 电缆局部放电的放电源头， 而且随着指纹数据库的 不断扩大， 指纹库的智能度也不断的提高。指纹库 的统计数据在实际生产中能分析造成局放的原因， 对提高 XLPE 电缆生产质量有很好的帮助。 参考文献: ［ 1］Edward Gulski． Digital Analysis of partial discharge［J］ ． IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation， 1995． 822- 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 837． ( 上接第 7 页) ( 4) 在雷电冲击试验后进行交流电压试验， 产 品经受了 254 kV( 2U0) 、 15 min 的工频电压试验， 没 有发生绝缘击穿或闪络。 ( 5) 把完成电气测试的样品在软接头处逐层解 剖观察， 接头恢复处正常。 4． 3阻水试验 施加水压 1． 0 MPa， 加压 24 h， 经解剖观察， 导 体中的透水长度为 7 m、 铅套纵向透水长度只有 1 m， 远远满足了指标要求。 5结束语 公司采用连续生产时间较长的 CCV 生产线， 并 成功研发了软接头制造技术， 具备了大长度 220 kV 光纤复合海底电缆生产能力。所试制产品( 含软接 头) 通过了国家电线电缆质量监督检验中心的型式 试验， 各项性能指标均符合企业标准 Q/320581GJM 001—2012 的要求。 参考文献: ［ 1］ELECTRA No．171． 1997—CIGRE． Recommendations for mechan- ical tests on submarine cables［ S］． ［ 2］JB/T 10181．1电缆载流量计算［S］． ［ 3］特乐斯特用于高压海底电缆生产的挤出技术［C］/ /中国电工 技术学会电线电缆专委会 2011 年学术年会论文集． 福州: 2011．66- 84． ［ 4］CIGRE- 21- 02- ELECTRA- 189- APRIL 2000Recommendations for testing of long AC submarine cables with extruded insulation for system voltage above 30( 36)to 150( 170)kV［S］ ． 04 2012 年第 6 期 No． 62012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．， 2012