據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 電纜附件故障已經(jīng)占到了高壓電纜運(yùn)行故障的近50%, 尤其是高壓線纜的中間接頭和終端接頭故障。出于高壓電纜鋪設(shè)及其高壓線纜的制作需求, 電纜接頭在實(shí)際電纜鋪設(shè)中難以避免, 因而對(duì)整個(gè)高壓電纜而言, 接頭部位成為了運(yùn)行故障易發(fā)點(diǎn)和電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。隨著我國(guó)高壓特高壓系統(tǒng)的不斷發(fā)展, 電壓等級(jí)在不斷升高, 隨之而來的是對(duì)高壓電纜接頭的絕緣要求更加嚴(yán)格, 電纜附件制作也將更加復(fù)雜, 其故障的風(fēng)險(xiǎn)也隨之提高, 因此必須對(duì)高壓電纜接頭給予足夠的重視, 做好其故障排查, 以保障整個(gè)電纜系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為保證高壓電纜正常運(yùn)行, 就要定期不定期的對(duì)高壓電纜開展絕緣檢測(cè)。過去的多年, 我國(guó)廣泛通過預(yù)防性試驗(yàn)的方法進(jìn)行電力檢修, 這種檢修易造成停電, 帶來了極大的不便;為在不影響正常的電力使用情況下進(jìn)行高壓電纜檢修, 近年來對(duì)于高壓電纜接頭的絕緣檢測(cè)日益成為新的研究熱點(diǎn)。通過對(duì)在線檢測(cè)技術(shù)的不斷研究, 實(shí)現(xiàn)了通過電纜絕緣良好程度的特征信號(hào)及其判據(jù)對(duì)運(yùn)行中的電纜絕緣是否存在被擊穿的隱患進(jìn)行有效判定。

在對(duì)電纜放電進(jìn)行檢測(cè)時(shí), 如果能找出局部放電源的位置, 那么將大大提高放電檢測(cè)的效率和精確性, 為了達(dá)到這一目的, 通常采用時(shí)域反射法進(jìn)行放電位置的判定, 即Tim Domain Reflectometry.TDR。該方法的運(yùn)用機(jī)理如下:將脈沖檢測(cè)裝置架設(shè)在電纜的一端, 利用局部放電脈沖在電纜中傳播造成的反射原理, 從而獲取同一脈沖在電纜中來回傳播的情況和時(shí)間差數(shù)據(jù), 然后利用找出脈沖位置來判定局部放電源的位置。如果將局部放電信號(hào)耦合裝置架設(shè)在電纜近端, 那么可以利用脈沖電流法檢測(cè)阻抗。當(dāng)然也可以通過高頻電流傳感器等方式來找尋檢放電脈沖信號(hào)位置。一旦電纜接頭發(fā)生局部放電, 那么產(chǎn)生的脈沖會(huì)形成幅值相等的兩個(gè)信號(hào), 并以相反的方向在電纜線路內(nèi)傳播, 不同的信號(hào)會(huì)具有不同的傳播時(shí)間, 利用兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的時(shí)延差, 同時(shí)參考電纜中脈沖的傳播速度等參數(shù), 能夠大致確定局部放電脈沖發(fā)出的區(qū)域。同樣, 對(duì)電力電纜進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí), 傳感器也能檢測(cè)到類似的脈沖群信號(hào), 利用其方向可初步確定局放源的位置, 只有找出局部放電源的位置, 才能找出故障所在, 并進(jìn)一步采取故障排除措施, 從而保障電纜的正常運(yùn)行。

電力電纜接頭產(chǎn)生局部放電時(shí), 會(huì)產(chǎn)生單極性脈沖, 且上升時(shí)間很短、脈沖寬度很窄, 同時(shí)向兩個(gè)方向進(jìn)行傳播, 因傳播過程中會(huì)出現(xiàn)衰減和散射, 因此當(dāng)脈沖到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致脈寬增加、幅值減小。一般而言, 能夠較好的檢測(cè)到脈沖波形。假如脈沖的上升時(shí)間和寬度在電纜局部放電脈沖的正常波動(dòng)范圍內(nèi), 那么就可認(rèn)為該脈沖是電纜局部放電所致。Boggs和Stone通過不斷研究使測(cè)試儀器的1GHz測(cè)量頻帶成為現(xiàn)實(shí), 這種強(qiáng)大功率的測(cè)試儀器能夠成功測(cè)試出初始局部放電脈沖。在此強(qiáng)大的頻帶下, 可通過衰減噪聲信號(hào)的方式降低噪聲對(duì)放電檢測(cè)的影響, 從而更大限度的再現(xiàn)局部放電脈沖, 以此深化對(duì)局部放電的機(jī)理研究。

根據(jù)頻帶的寬窄, 超高頻檢測(cè)又分為超高頻窄帶檢測(cè)和超高頻超寬頻帶檢測(cè)。后者帶寬可達(dá)幾GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)υ肼暺鸬矫黠@的抑制作用, 同時(shí)又具有信息量大的優(yōu)點(diǎn), 因而使用較多。超高頻局部放電檢測(cè)采用的傳感器主要為微帶天線傳感器, 這種傳感器安裝在一個(gè)或兩個(gè)磁極上, 可探測(cè)到單根定子線棒的放電。目前, 微帶天線傳感器已被用于大型電力變壓器、電力電纜等設(shè)備的局部放電檢測(cè)上。

高壓電纜的局部放電信號(hào)幅值很小, 僅為μA級(jí);另外其持續(xù)時(shí)間很短, 僅為ns數(shù)量級(jí), 但是卻有較寬的頻譜。因此為了進(jìn)行高壓電纜局部放電檢測(cè), 必須配備寬頻帶、靈敏度高、線性度好、輸出失真小、穩(wěn)定的耦合器。

Rogowski線圈電流傳感器作為一種I/V轉(zhuǎn)換器型電流傳感器應(yīng)用廣泛。通常將Rogowski線圈制作成圓形或矩形, 選擇空心或帶有磁性的骨架, 之后在骨架上均勻纏繞螺線圈。吳廣寧等人對(duì)該傳感器進(jìn)行了不少改進(jìn), 設(shè)計(jì)出寬頻電流傳感器, 這種傳感器能夠?qū)Υ笮碗姍C(jī)及電纜局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測(cè), 具有很強(qiáng)的實(shí)用性, 并獲得了國(guó)家專利 (圖1) 。

在Rogowski線圈的原邊是一匝線圈, 副邊則是多匝線圈, 被測(cè)脈沖電流會(huì)產(chǎn)生磁通, 磁通會(huì)與副邊線圈相交鏈。當(dāng)Rogowski線圈有脈沖電流通過時(shí), 螺線管的每一匝中就會(huì)產(chǎn)生磁通, 整個(gè)Rogowski線圈N匝中產(chǎn)生大小與導(dǎo)體中脈沖電流大小的磁鏈成正比, 電動(dòng)勢(shì)會(huì)因磁鏈的變化而變化, 且電動(dòng)勢(shì)與電流成正比。這種傳感器檢測(cè)方法能夠較好的找出局部放電源之所在, 為快速排出故障奠定基礎(chǔ), 應(yīng)用較為便捷。

局部放電的過程中, 放電區(qū)域內(nèi)分子會(huì)因放電而產(chǎn)生劇烈撞擊, 并導(dǎo)致介質(zhì)因放電而出現(xiàn)發(fā)熱, 發(fā)熱會(huì)帶來體積的瞬間變化, 這些因素都在影響著宏觀上的脈沖壓力波, 而其中的頻率高于20k Hz的聲波分量就是超聲波。此時(shí), 局部放電源可視為點(diǎn)脈沖聲源, 聲波的四周傳播通過球面波的形式進(jìn)行, 同時(shí)具備機(jī)械波的傳播規(guī)律, 也就是說對(duì)于不同的介質(zhì)而言, 其傳播速度不僅不一樣, 且不同介質(zhì)交界處會(huì)產(chǎn)生不同的反射和折射現(xiàn)象。如果在設(shè)備外部安裝聲電轉(zhuǎn)換器, 那么就可以將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 之后再通過一系列的處理就可得到代表設(shè)備局放信息的特征量, 從而找出局部放電產(chǎn)生的區(qū)域, 找出故障之所在, 進(jìn)而采取補(bǔ)救措施, 以保障電纜設(shè)備的正常運(yùn)行。

絕緣在電力轉(zhuǎn)送過程中不僅受到電、熱的直接影響, 還會(huì)因使用時(shí)間不良環(huán)境等多種因素導(dǎo)致性能逐漸弱化, 甚至是出現(xiàn)缺陷, 一旦發(fā)生故障, 將直接影響電力傳輸, 因此必須定期不定期對(duì)之進(jìn)行放電檢測(cè), 通過絕緣檢測(cè)和診斷技術(shù)能夠更早的發(fā)現(xiàn)其中的故障。