探析高压电缆带电检测仿真平台的建立

云南电网有限责任公司玉溪供电局 杨金海 刘雪锋 王红平

高压电缆作为输电系统的重要构成部分，高压绝缘电力电缆具有良好电热性能，工作耐受温度高，广泛应用于电力系统各电压等级，在安装运维等方面具有独特优点，可保证长期安全运行，对我国电力稳定运行而言发挥着重要作用[1]，高压电缆经长期运行后绝缘部分受土壤理化作用等影响，易受到腐蚀引起绝缘缺陷，而电缆缺陷状态会对电力系统运行的稳定性产生影响，检测维护是保障高压电缆可靠运行的重要手段，发生电缆故障无法采用常规方法判断电缆工作状态正常。建立电缆状态仿真模拟平台实现高压电缆带电检测具备重要意义。

1 局部放电现象

高压电缆绝缘检测维护是保证高压电缆可靠运行的重要手段，目前我国广泛采用预防性实验方法保证设备安全运行，预防性实验方法存在检测周期长等问题。高压电缆局放带电检测成为绝缘诊断发展趋势，随着计算机传感器技术的发展，可通过信息分析实现对绝缘可靠性判断，提供预警实现规定操作。

局部放电是绝缘介质内产生局部重复熄灭、击穿现象，绝缘分解产生分散性物质。绝缘物质外施电压产生电离放电。局部放电多产生于绝缘物质局部缺陷位置，长期局部放电导致损坏电缆绝缘。其还主要发生在绝缘局部缺陷处，绝缘在局部放电长期作用下会逐渐损坏。电缆爆炸会对供电企业用户带来巨大损失，局放是绝缘非破坏性实验的主要项目，20世纪50年代后各国对电缆绝缘进行局放检测。

电缆附件主绝缘本体中杂质，产生脉冲电流信号与绝缘介质特性不同，产生的频率存在差异，同时产生高频脉冲信号沿电缆屏蔽层传播，可在电缆外层屏蔽接地线中，依据高频电流互感装置耦合高频电流信号。分析导致电缆局部放电原因主要包括如下几方面：由于不同介质交界面接触不良所产生的局部放电，热效应产生脱层，处理半导体均压层时损伤绝缘，或外皮接地不良等原因。

2 高压电缆局放检测研究

高压交联聚乙烯绝缘电力电缆具有良好的电性能，工作耐受温度高，广泛应用于电力系统各电压等级，高压交联聚乙烯电缆安装等方面具有很大优点，可以保证长期安全运行。在交联聚乙烯电缆制造中由于工艺问题造成气泡等绝缘隐患，敷设可能受到外界机械力作用造成损害。高压电缆发生故障后无法采用常规方法判断工作状态，电缆绝缘劣化状态检测对保证电力系统安全运行非常重要。

高压电缆绝缘检测是保证可靠运行的重要手段，高压电缆局放带电检测成为高压电缆绝缘诊断的发展趋势。国内外学者对高压电缆局放检测问题深入研究，通过局放电量可以反映电缆绝缘受损程度，国际权威机构推荐将局放实验作为电力电缆绝缘状况评价最佳方法，由于高压电缆接头是薄弱环节，测量局放选在接头处。局放主要发生在绝缘局部缺陷，绝缘局放长期作用损坏导致爆炸。对局放检测是根据产生现象测量表述现象物理量，局放检测方法包括电桥法与非电检测法等，脉冲电流法是广泛采用的方法，通过磁耦合检测局放在接地线中产生脉冲电信号，耦合器输出脉冲电信号电流波形容易分辨[2]。

国内外对高压电缆局放检测方法有很多，由于波形复杂多变，高压电缆局放带电检测技术难度较大。常用方法IEC60270对高频信号捕捉能力较差。近年来国内外常用电缆局放检测法包括方向耦合法、电容耦合法等。高压电缆局放检测中开展广泛研究，瑞士学者设计高压电缆运行现场检测低于个数pC放电量的VHF 电流传感器。局放超声波检测法广泛应用于油浸式电力变压器，超声波非侵入式现场检测可实现对局放精确定位。

3 高压电缆状态仿真平台搭建

为确保试验数据真实、有效，需在屏蔽环境下搭建高压电缆状态仿真平台，可设置各类绝缘件缺陷，借助集成的接地电流等在线监测装置，分析各类典型缺陷状态[3]。对仿真平台各构成单元展开验证，以此对仿真试验结果真实性、有效性加以保障。

3.1 整体设计

高压电缆状态仿真平台主要设置控制与测量单元、升流单元，图1为详细接线图。

图1 高压电缆状态仿真平台接线图

3.2 升压单元

由负责控制回路的GIS 和SF6铠装式气体无局部放电试验变压器共同构成升压单元。其中回路控制选用GIS 刀闸，主要涵盖CSE 电缆终端、DES隔离接地开关，额定电压为252kV，并设置5把DES 独立控制，此种设置方式可满足试验回路灵活多变的要求，还可为研究电缆缺点针对GIS 的影响研究提供有利条件。SF6铠装式气体无局部放电试验变压器主要涵盖保护电阻、变压器、补偿电抗器、滤波器、调压器、NSP 快速保护装置及控制台等诸多部件，最高输出电压为280kV，最高容量为560kVA。

3.3 升流单元

由监控平台、电流互感器CT、调压器等构成升流单元。利用调压器输出可变电压，借助监控模拟试验回路温度，满足主回路所需温度的电流控制要求。模拟回路、主回路同时升流最高为2500A。

3.4 电缆模型单元

由电缆终端、电缆本体等部件构成电缆模型单元，支路1为配置中间接头的完整回路，支路2为中间接头产生缺陷模拟试验支路，电缆中间接头缺陷模型为插拔式结构，在户外终端顶部配置均压环，此均压环选取单环结构。

3.5 控制与测量单元

此单元主要由控制展示前台、在线监测装置两部分构成。其中在线监测装置为多项在线监测技术的集成，主要包括接地电流、温度、局部放电等，利用接地线高频、本体极性鉴别高频、内置式超高频3种方式，实现局部放电监测；利用分布式光纤测温、中间接头内置式测温的方式展开温度监测；在保护接地箱内、直接接地箱内安装接地电流监测设备，实时监控接地电流[4]。分析控制展示前台发现，由集成监控展示系统部分构成控制展示前台；集成监控展示系统可实时展示接地电流等电流监测结果。

4 不同单元功能分析验证

高压电缆局放带电检测系统研制后进行现场测试，对电缆出线进行局放带电检测验证系统有效性。选择变电站承担工农业用电任务，110kV 系统主接线形式为单母线接线，35kV 系统为单母线分段接线，220kV 变电站进线2回，变电站投运提高供电局供电能力，由于主要负荷为高能耗设备，带来很大谐波问题造成设备频繁爆炸，为用电企业带来巨大经济损失，需要开发局放带电检测系统满足检修要求。

4.1 升压单元

设计局部放电试验、电压校准试验等环节，校验并考核升压单元的本体局部放电水平、电压精度、加压能力等。

4.1.1 电压校准试验

安装GIS 及变压器，在隔离开关K2上部盖板打开后，安装试验套管，试验准备完成。由200kV 标准分压器连接试验套管顶部，比对、校准加压至5、10、20、100kV 时标准分压器测量电压、变压器输出电压，详细数据详见表1。

表1 电压校准试验数据

分析电压校准试验数据可知，标准分压器测量电压相对误差不高于0.5%，与升压精度要求相符。

4.1.2 局部放电试验

电缆缺陷试验中针对模拟平台展开局部放电试验尤为重要，以升压单元为例，主要即指GIS或变压器自身产生明显局部放电，将会干扰试验数据，影响试验结果。因此，完成GIS、变压器安装后，需分别展开局部放电检测试验，校核局部放电水平[5]。试验过程中，以6.3pC 作为背景局部放电，将变压器设置为200kV，并持续1h。试验全程并未检测到超出背景局部放电信号，因此，升压单元本体局部放电水平与试验要求相契合。

4.2 升流单元

利用穿心变控制回路电流，支路1、2在升流试验中共同组成主回路，并与模拟回路在同一时间均升流至1000A，利用标准CT 测量电流，针对升流单元CT结果展开校准、比对。在此过程中，还应针对测温模块测量结果变化趋势展开观测、分析，对测温能力加以考核。通流维持7h 后，测得模拟试验回路表皮温度升高，达到27.6℃，导体温度升高，达到42.6℃。升流单元具备电缆热循环试验所要求的升流能力。

4.3 电缆模型单元

利用局部放电试验、交流耐压试验对各支路局部放电水平、耐压能力展开考核[6]。由升压单元提供试验电压，利用高频局部放电测量方式测量接地缆位置局部放电水平，以128kV（2U0）作为试验电压，将1h 作为试验时长，3条支路均通过耐压试验，支路1无局部放电，支路2和3存在局部放电，详细试验数据见表2。

表2 电缆试验数据

4.4 控制与测量单元

控制单元中设计在线监测装置在仿真平台中占据重要地位，装置功能的完整影响平台试验结果可信度，需将验证并检测在线监测装置测量能力作为重点。

4.4.1 终端尖端电晕模拟试验

在支路1上开展电晕模拟试验，将φ5mm 铁丝一端与电缆终端高压端相连，将铁丝垂直向下。当电压升至110kV 时产生稳定电晕放电信号，经归算后打点图及Q-Φ 二维谱图如下，详见图2、3。

图2 1#接地接头传感器响应结果

图3 2#接地接头传感器响应结果

局部放电监测系统具备稳定的在线工作能力，可测量稳定局部放电信号，测量谱图也与电晕放电特征相契合。

4.4.2 接地电流监测系统

利用万用表针对保护接地箱电压值、直接接地箱电流值展开测量，比对系统测试数据，经数据分析可知，保护接地箱与直接接地箱测量精度均与要求相契合，可满足在线监测要求。

详细测量结果见表3。

表3 接地电流监测实测数据比对

5 结论

近年来城市电力基础设建设施持续发展，电力电缆可以减少对城市环境的影响，电缆发生故障需要投入大量人力物力进行抢修，停电影响居民生活等正常运转。电缆接头故障是导致电缆故障主要原因，缺陷电缆接头投运后缺陷部位易发生局放导致击穿，及时检测局放分析判断电缆状态成为提高配电网运行可靠性的有效方法。本文研究检测高压电缆缺陷状态，建立电缆状态仿真平台，由升流单元等部分构成，可针对电缆缺陷状态展开在线检测，且检测数据、检测能力均可得以保障，针对维护高压电缆稳定运行而言发挥着重要作用。试验中，通过搭建模拟检测仿真平台，可展开高压电缆中间接头仿真模拟试验；模拟检测仿真平台具备稳定的在线监测能力，且误差在允许范围内。