高压交联聚乙烯电力电缆局部放电衰减谱特性研究

高压交联聚乙烯电力电缆局部放电衰减谱特性研究

0电缆接头内pd传播特性的方法研究由于连接线上的大型异构电缆（以下简称电缆）中的局部放电，它们的持续时间仅为ps级陡峭脉冲电流，具有很宽的光谱。然而，由于电缆独特的分层半导电绝和复杂的金属屏蔽结构，高频声波信号很难外部辐射，并且由于电缆主体的原因，高频声波信号容易被衰减。局部放电激发的电磁波在电缆屏蔽腔体内传播过程中会发生折反射和衰变,采用简单的等值回路和类似GIS的电磁模波分析很难精确合理说明电磁波传播情况。因此,需要对PD在电力电缆中的衰变采用有效简便的数学模型进行理论分析以指导PD的检测。时域有限差分(finitedifferencetime-domain,FDTD)法具有适用性广、易于实现、计算时间相对较少等优点,广泛应用于电磁辐射与散射、天线分析、电磁兼容技术等多种电磁问题的求解。国内外用FDTD法研究电缆接头内PD传播特性的文献较少,构建的电缆物理模型大多针对电缆本体。电缆PD信号电气检测法很多,主要有电容耦合法、方向耦合法、超高频电感法、外置电磁耦合法等,但国内外研究者均拘于各自的方法进行检测试验研究。本文结合PD脉冲信号衰减的理论及仿真分析,通过设计并构建电缆接头典型物理绝缘缺陷模型和3种不同类型传感器组合的局部放电检测系统,开展电缆接头的远区场衰变试验和近区场传感器的检测特性研究,探讨PD在电缆复杂分层结构中的衰变及检测情况。1电缆合理间距的仿真模型由于电缆中PD发生的不确定性,导致其产生陡前沿脉冲信号到检测传感器之间传播路径的不确定性。含有各种频率成分的PD信号在电缆中传播时衰减会随频率的增加而迅速增加,且距离越长检测到的PD信号幅值越弱,加上强电磁环境的噪声干扰,导致获取的信号无法准确反应真实的PD脉冲信号。因此,需要对PD脉冲的衰减谱特性进行分析,找出各种不同类型传感器在测量频段内检测PD的有效性。高频PD脉冲在电缆中传播时受电缆半导电层的影响很大,从而使得波形衰减和畸变,致使能量大为削弱。为尽可能描述这一变化情况,准确地分析PD脉冲的传播衰减特性,考虑电力电缆内外半导体层的影响,本文将R.Jobava提出的阻抗分布参数加权比传输线模型引入到电缆传输参数的计算,并利用电缆各层绝缘材料介质特性阻抗在电缆特性阻抗所占权重比例来描述半导电层的影响。电缆的特性阻抗由外半导电层、XLPE绝缘、内半导电层3部分组成,其表达式为Ζ0=3∑i=1fizi。(1)Z0=∑i=13fizi。(1)式中,f1=b1/(b1+c+b2);f2=b2/(b1+c+b2);f3=c/(b1+c+b2);zi(i=1,2,3)代表外半导电层、内半导电层、XLPE绝缘的特性阻抗;b1、、b2、c分别为外半导电层半径、内半导电层半径及绝缘层半径。通过式(1)可以计算电缆的传播常数γ(ω)=α(ω)+jβ(ω)=jωL/Ζ0。(2)式中,α(ω)为局放脉冲的幅值衰减函数;β(ω)为局放脉冲的相移函数。PD脉冲信号在电缆中传输距离L的幅频衰减特性可用高斯频域数学式近似表达如下F(ω)=X0(ω)e-γ(ω)L。(3)式中,X0(ω)为局部放电初始波形频域表达式。将表1所示的YJLW02-110-1×500型电缆参数代入式(1)来计算电缆阻抗从而得到传播常数,取高斯脉冲宽度为2ns,可得到不同距离的信号各频率分量的传输特性,如图1所示(Ui为初始电压,U0为检测点电压)。显然,传播距离对PD高频成分的传播有较大的影响,大于10m时超高频段信号基本衰减完毕。<10MHz的PD信号随距离变化衰减不大,超高频检测应将检测距离控制在5m内。根据110kV电缆及接头的内部结构和实际尺寸设计了计算模型,其剖面如图2所示。该仿真模型中D点为信号发射激励源,设置在电缆接头复合绝缘与电缆主绝缘界面之间,为2mm长的金属尖针,作为发射天线模拟金属微粒类型缺陷产生的局部放电。检测点分别设置在接头内A1~A3和电缆本体B1~B5。图3为各检测点PD信号幅值衰减散点图,通过回归曲线拟合大致呈幂函数衰减趋势,本体衰减较接头平缓。这是因为PD信号经接头传播至本体后超高频能量严重衰减转而以低频为主,而低频能量衰减较小,因此PD信号沿本体传播时的衰减陡度低于接头内部。经计算,接头和本体内信号幅值平均衰减分别为-5dB/m和-2.2dB/m,当传播距离在3m左右时,信号能量主要在500MHz以内。实际110kV电力电缆接头约2.5m,因此,PD在接头内能量主要集中在超高频段,而本体中超高频能量随传播距离增加衰减较大,能量分布向低频方向移动对比图4、5检测点超高频PD信号累积能量,接头内检测点(A1~A3)场值呈幂函数衰减,而远离接头的检测点(B1~B5)场值则可近似认为线性衰减。PD在接头内能量主要集中在超高频段,而本体中超高频能量随传播距离增加衰减较大,能量分布向低频方向移动。2局部负载模拟试验2.1资本上的动物界通过对受损的XLPE电力电缆线路进行统计研究发现绝缘击穿大多出现在电缆附件上。为了研究XLPE电力电缆接头在不同缺陷下的局部放电信号特征,设计了几种有典型代表意义的绝缘缺陷电缆接头(见图6)。1金属颗粒沉陷模型金属缺陷模型是使用金属箔片放置在预制件与主绝缘之间的位置。金属缺陷模型用于模拟发生在电缆接头内存在的金属颗粒污染造成的放电现象。2应力锥改变电场应力锥失效缺陷模型是仅使用橡胶绝缘对接头处进行处理,而不使用应力锥改变电场。应力锥失效缺陷模型用于模拟半导电料电阻值偏高、应力锥完全失效或应力锥移位等原因造成的应力锥失效的情况。3外施电压电类型的选择毛刺缺陷模型是在电缆连接管处插入一根银针来模拟这种放电类型,根据试验电缆类型的不同和外施电压高低,选择银针曲率半径以及突出的高度。毛刺缺陷放电模型用于模拟发生在XLPE电缆接头内连接管处存在局部尖端凸起放电现象。4痕迹气隙缺陷模型是用刀片在电缆接头内的电缆主绝缘表面制作纵向凹痕,痕迹深0.02mm,宽2mm。气隙放电主要是模拟在电缆接头安装时,主绝缘及半导电层剥削过程中的拉扯或轻微划伤、电缆绝缘表面打磨不光滑、界面压力不够等情况造成的气隙缺陷。2.2试验过程和试验数据分析用研制的电流传感器、内置圆环电容耦合传感器和螺旋加载探针天线传感器构成电力电缆局部放电检测系统(见图7)。电流传感器安装在电缆接头接地线处,电容传感器安装在电缆本体中,天线传感器安装在接头内。数字存储示波器(带宽1GHz,最大采样频率20GHz,4通道)同时采集各传感器和分压器的信号。获取电缆接头PD数据及三维谱图构造的步骤:①测量最大外施试验电压。在不放置人工缺陷模型情况下,接好试验线路,调节调压器,缓慢升高试验电压,当出现微小放电脉冲信号时,记录下此时加在模拟试验装置上的外施电压Umax,该电压值为以后试验过程中最高的外施电压。②测量起始放电电压。置入需要检测的人工缺陷模型,调节调压器,缓慢升高试验电压,仔细观察数字存储示波器上的波形,当出现放电脉冲时,记录下各传感器此时电压Uq,该电压为试验的起始放电电压。③局部放电近场检测。在试验电压Ut下,采用3种不同类型传感器检测缺陷模型产生的局部放电信号,数字存储示波器记录此时试验波形及相关数据。划分工频相位和放电信号幅值,统计放电次数,构造φ-q-n三维谱图。④局部放电衰变试验。在试验电压Ut下,采用不同位置的电容传感器接收缺陷模型产生的局部放电信号开展远区场的距离试验。3天线传感器检测结果按照上述试验步骤用3种传感器检测电缆接头中由金属微粒缺陷产生的PD信号,天线传感器预制在接头内,电流及电容耦合传感器均放置于电缆接头距离1m内。在试验电压较低时,电流传感器和电容传感器出现比较规则、稳定波形,天线传感器还无法检测到放电信息。当试验电压继续升高出现放电突变阶段即放电脉冲的峰值突然增大,而且出现波形畸变或多个脉冲的叠加时,天线传感器才检测到放电信号。天线接收的是高幅值的放电脉冲所激发出的电磁波信号,检测灵敏度最低,见表2。PD时域信号、对应的频率分布以及φ-q-n三维谱图如图8所示。电流传感器检测的PD信号频谱最低,脉冲能量主要在10MHz以下,信号单个脉冲波形明显,持续时间长约1μs,此传感器适合在PD脉冲信号明显、噪声干扰较少时的远距离检测。电容传感器检测PD信号的频谱能量较宽,包含从低频到超高频成分,但能量主要集中在400MHz以下,信号突出分布在100和300MHz附近。天线检测到的PD信号幅值低,频谱特征明显,主要在300~500MHz的超高频段。各检测方法的检测结果在相位信息上基本一致,均能获取充分表征PD特征的相位信息。电流传感器检测的幅值最高,信号也最为密集,主要原因是试验接地电极直接穿过罗柯夫斯基线圈,没有受到屏蔽层分散电流损耗的影响,但该传感器暴露在开放空间中也最易受到环境噪声影响。随着试验电压的进一步升高,PD幅值会陡然增大,放电次数显著增加,出现放电脉冲的相位会逐渐扩展,使得低幅值的PD脉冲相位信息不是非常明显,但高幅值的放电脉冲仍然保持很明显的相位特征。因此,天线传感器由于超强的抗干扰能力,所检测到的放电信号谱图的放电类型特征更为明显,体现出超高频检测的优势。3种检测方法比较试验结果表明:电流传感器适合长距离弱噪声的脉冲测量;天线传感器适合近场检测和强噪声下弱放电信号的提取;电容传感器检测频带宽、效果好,有较广泛的实用性。4pd信号分析在进行PD信号衰变特性的实验研究时,需要获取终端反射波到来前的PD信号。本文在实验室对110kV、20m长的XLPE电力电缆,在15m以内的3个不同部位分别设置金属微粒缺陷,用综合性能较好的电容传感器(如表2所示)对产生的PD信号进行了检测表明,获取的PD时域信号(如图9~11所示)能有效地避开终端反射信号的影响。根据3种典型传感器的比较试验结果,选择采用电容传感器在长约20m的高压电缆上进行金属微粒缺陷产生局部放电的衰变试验。将获取的PD时域信号进行频率谱分析(如图9~11所示),并得到了PD幅值随检测距离的关系(如图12所示),发现电容传感器检测能量主要集中在200MHz以下,PD脉冲信号在电缆中传播随着距离增加,幅值呈幂函数衰减,波形也发生严重畸变,信号的震荡持续时间越来越长,对应的频谱高频分量越来越弱。在离PD源5m处传感器检测信号的高频分量达500MHz,而经过5m的距离传播后PD信号的超高频分量几乎完全衰减完毕,信号频谱整体向低频方向移动,可见电力电缆对PD脉冲有明显的高频滤波效应,也就是说电缆具有低通滤波性,验证了理论和仿真结果。实际运用中可利用电缆对超高频衰减较快的特点,来提高对电缆接头内部缺陷产生PD检测的抗干扰能力。5本体传播时长度1)试验验证了阻抗分布参数加权比的传输线简化模型、时域有限差分法仿真均能有效表征PD信号的衰减状况。PD信号随着距离增加,局部放电波形幅值呈幂