GIS电缆终端局放异常分析与处理

GIS电缆终端局放异常分析与处理

任志刚1，丛光2，李华春1，李伟1，段大鹏1，韩良1，叶宽1，晋文杰1

（1. 北京电力科学研究院，北京 100075；2.北京市电力公司运检部，北京 100031） 摘要：本文结合实际工作中发现的一起GIS电缆终端典型局放异常事例，介绍了采用高频、特高频等局放检测手段对局放源进行初步定位，利用高速采集示波器通过读取脉冲时延的方法对局放源进行精确定位，并在实验室对局放检测与定位结果进行了验证，最终应用CT扫描的方法准确的查找到GIS电缆终端存在的气腔缺陷。

关键词：电缆终端绝缘，故障诊断，局部放电， X光扫描，CT扫描

1、概述

电力电缆以其占地面积小，环境“友好”而被大量应用于电力系统中。电力电缆附件（包括中间接头和终端接头）作为电缆线路重要组成部分，由于内部存在复杂的复合界面和电场应力集中现象，已成为电缆线路中薄弱环节和事故多发部位，根据电缆线路长期运行经验，在排除外力破坏情况下，电缆附件内部绝缘缺陷占电缆线路故障比重较高。目前，国内外普遍认为对XLPE电力电缆绝缘状况评价的最佳方法是局部放电检测技术。随着局部放电技术的不断发展，检测灵敏度的提高，有效检测出局放信号已不是难题，但鉴于局放信号传播的复杂特性，如何确定产生局放源的设备、部位是整个局放检测工作定性的难点和重点。同时准确的查找到设备缺陷类型，对于制定有针对性的反措具有重要意义。 本文将结合实际工作中发现的GIS电缆终端典型局放异常事例，介绍针对GIS电缆终端局放异常分析与处理流程：

首先针对GIS电缆终端使用高频局部放电检测技术[1,2]与特高频局部放电检测技术进行联合带电检测。联合局放检测意义在于能够有效排除现场干扰的影响，通过两种及以上检测手段来提高局放信号判别的准确性，根据局放信号的幅值、特征谱图初步确定放电源的位置。 其次应用具有高速数据采集功能的示波器，通过读取脉冲信号到达不同检测部位的时延对局放源进行准确定位，从而判断发生局放异常的

设备与部位。根据局放定位结果对可能存在局放缺陷的设备进行停电或者倒闸操作处理，同时再次进行局放检测，分析局放信号是否消失。针对拆卸下来的设备在实验室进行了现场工况模拟试验，对局放检测与定位结果进行试验验证，进一步分析与确认缺陷产生的部件。

最后，为了深入分析缺陷产生的原因，针对已经确认的含有缺陷部件，采用X光扫描检测技术，确定缺陷性质、位置、尺寸、形状等物理参数。

2、带电联合局放检测与定位技术

分析

2012年1月12日，我公司应用特高频设备在某220kV变电站内110kV GIS设备区多个部位检测到典型的局放异常信号，根据信号幅值的强弱确定了局放产生的GIS间隔，该间隔主要设备包括断路器、隔离开关、绝缘盆子、GIS电缆终端等。采用高频检测设备在该GIS间隔的三相电缆终端接地线处均检测到了局放信号，通过对局放特征谱图进行分析，确定局放信号由同一个局放源产生，来源于A相设备。

2.1. 特高频局部放电带电检测

特高频（UHF）检测技术在变压器与GIS成功应用后，使得很多研究学者将其拓展到电缆附件的局部放电检测上，目前主要应用于电缆终端

检测。若电缆终端内含有缺陷，产生局放脉冲时，会从环氧套管泄漏出特高频电磁波信号，通过UHF传感器可以有效的检测该电磁波，以判断局放现象的发生。

在本案例中特高频检测手段发挥了重要作用，通过对GIS设备区进行普测发现了局放信号，进而根据局放信号幅值的强弱确定了局放源产生于某一GIS间隔。采用的特高频传感器检测频带为300MHz-1500MHz，最小检测灵敏度可达5pc。

利用特高频的天线传感器从电缆终端的环氧树脂法兰处检测到的信号如图1所示。从图谱中可看到，三相电缆终端处均检测到典型局部放电信号，局放信号在一三象限分布特征明显。与其他两相信号幅值相比，A相的信号幅值最大，放电重复率最高，仅从信号幅值强弱角度进行分析，可知局放源较可能来源于该GIS间隔的A相设备。

图1. 特高频传感器的带电检测结果。从左到右依次为A、B、C三相电缆终端处所检测的信号。

2.2.高频局部放电带电检测

在利用特高频局部放电手段进行检测的过

程中，同时利用高频局部放电的检测技术对GIS电缆终端进行了检测。高频局放检测技术是基于罗戈夫斯基线圈原理的电感耦合法，传感器是从局部放电产生的磁场中耦合能量，再经电感线圈转化为电信号。局部放电发生后，放电脉冲电流将沿着电缆及电缆附件的轴向方向传播，即会在垂直于电流传播方向的平面上产生磁场，高频检测法正是从该磁场中耦合放电信号。

在本案例中，高频局放检测传感器从三相电缆GIS终端接地线上提取的信号如图2所示。从图2中的第一列可以看到，局部放电信号的相位分布（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）特征谱图呈“眼眉”状，三相局放信号形状非常类似，其中A相信号为正极性，B、C相信号与A相信号相反为负极性，表明局放信号穿过A相传感器的方向与穿过其他两相传感器的方向相反，即

局放信号沿着A相电缆终端接地线传播，再经同一接地排传播至其他两相的接地线，局放信号传播方向如图3所示。其中A相局放信号最高幅值约为230mV（图2a），最高幅值对应的相位约为270度（图2a），放电单脉冲主频率约为7MHz（图2c）；B相局放信号最高幅值约为94mV（图2d），最高幅值对应的相位约为150度（图2d），放电单脉冲主频率约为7MHz（图1f）；C相局放信号最高幅值约为65mV（图2g），最高幅值对应的相位约为30度（图2g），放电单脉冲核心频率约为7MHz（图2i）。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)

图2. A、B、C三相电缆终端高频局部放电信号的在线检测结果。从上到下各行为A、B、C三相，从左到右各列分别为局部放电PRPD谱图，放电脉冲波形图，脉冲频谱图。

图3.局放信号传播路径示意图

三相电缆终端的局放特征信号明显相差120度，与工频相位差一致，表明其信号源来自与同

一相。从A相信号幅值最高、且信号极性与其他两相相反，可以判断局放源由A相设备产生，但由于电缆终端安装在GIS内部，目前尚不能确定局放源是由于电缆终端还是GIS设备产生。

2.3.局放源定位

应用具有高速数据采集功能的示波器，通过读取脉冲信号到达不同检测部位的时延对局放源进行准确定位，从而确定产生局放源的设备。传感器布置位置如图4所示，1#传感器放置于电缆终端环氧套底部，2#传感器放置于GIS刀闸观察窗处，两传感器距离170cm。

图4.传感器安装位置示意图

图5为示波器采集到的两传感器检测到的局放信号，从图中可以看出两传感器时间差为1.35ns，根据局放信号在GIS中传播速度约等于电磁波在空气中的传播速度特性，即1ns传播30cm，可以计算出放电源距离1#传感器65cm，据此可判断局放源处于电缆GIS终端处，根据电缆终端的结构特点，可知局放源可能在电缆终端的高压出线端附近。

图5.局放信号传至2个传感器的时延。其中C1为1#传感器，C2为2#传感器。

根据上述局放检测与定位结果，将该电缆终端进行了更换处理，该电缆出线停电后对整个GIS设备区重新进行了局放普测，局放信号消失，据此可知局放信号由电缆GIS终端引起，为对局

放检测与定位结果进行验证，并深入分析GIS电缆终端缺陷产生原因，对更换的电缆GIS终端在实验室进行试验分析。

3、电缆终端离线局部放电检测

针对更换下来的GIS电缆终端采取了多种离线局部放电检测技术进行检测。检测的手段包括传统的低频段局部放电检测仪检测（IEC 60270标准的脉冲电流法）、高频局部放电检测、特高频局部放电检测等。由于离线电压可以加到更高，环境噪声干扰基本没有，其放电特征更为明显。

离线高压局部放电检测平台如图6a所示，试验时将拆下的电缆终端插入专用金属试验仓中，将试验仓充压力为0.4MPa的SF6气体，并将试验仓接地，将电缆插入实验室的脱离子水终端中，保证电缆端部不发生放电、影响试验检测结果。 当电压升到27 kV时，IEC的脉冲电流法（图4b）、高频局部放电检测技术（图6c）、特高频局部放电检测技术（图6d）都测量到明显放电信号。其中高频、特高频信号特征与现场测量结果一致，高频局放检测仪器显示最大放电信号幅值达到3.4V。通过离线局放试验可确认该电缆终端的确存在缺陷。

(a) (b)

(c) (d)

图6. 离线几种局部放电检测结果。（a）为试验现场图片，（b）为从椭圆示波器上看到的放电相位及幅值，（c）为高频局部放电信号产生的PRPD谱图，（d）为特高频局部放电信号谱图。

为了进一步分析电缆终端的缺陷部位，将该电缆终端的环氧套管进行拆除、更换新的环氧套管。并重新对更换后的电缆终端进行局部放电试验，试验电压升至96 kV并保持5分钟未检测到放电信号，证明放电性缺陷产生在原环氧套管内。

4、环氧套管X光检测

为了深入的分析环氧套管中缺陷类型、大小、位置等，对原环氧套管进行了X光扫描。采用的X光设备为数字化放射摄影系统（CT），其为断层扫描与立体成像技术，检测步长小于1mm。 图7中（a）为环氧套管横截面X光透视扫描结果，（b）为环氧套管断面扫描结果，（c）实际切开环氧套管后定位的结果。

从图7a扫描结果中可以看到，在环氧套管内嵌的高压电极与环氧树脂之间存在明显气腔。将环氧套管切开后，可见气腔位置与CT扫描结果完全一致。

（a） （b）

（c）

图7 透视扫描与目测检测结果。（a）为X光扫描的结果，（b）为CT扫描的结果，（c）为环氧套管解体后的照片。

5、小结

1.本文详细介绍了一起GIS电缆终端局放异常事例的典型分析处理流程。

2.采用高频、特高频联合局放检测手段，通

过深入分析局放特征谱图、幅值等确定了局放源所处区域，并对高频、特高频局放检测技术的原理进行了分析。

3.应用具有高速采集功能的示波器，通过读取时差的方法，准确的对局放源进行了定位。 4.通过在实验室进行了模拟试验，试验结果对局放检测、定位结果进行了有力的验证。 5.采用数字化X光放射摄影系统有效的查找到产生局放源的气腔缺陷。

参考文献

[1]

阮羚,郑重,高胜友,桂峻峰,沈煜,谢齐家, 宽频带局部

放电检测与分析辨识技术,高电压技术, 2010.10,Pp. 2473-2477

[2]

Zhong Zheng, Lin Ruan, Shengyou Gao, Junfeng Gui,

“Online Partial Discharge Detection on Power Apparatus Employing UWB Method.” Proceeding of 2010 International Conference on Condition, Monitoring and Diagnosis – CMD2010, Tokyo, Japan, Sep. 6-11, 2010, pp. 1284-1287