第十六章振荡波检测技术.docx

1、第十六章振荡波检测技术第16章 振荡波检测技术第1节 振荡波检测技术概述1发展历程振荡波通常是指频率在20Hz800Hz范围内的衰减振荡电压（Oscillating Waveform 或Damping AC Voltage）。使用振荡波电压替代工频交流电压对设备进行检测的技术统称为振荡波检测技术，该技术主要应用于电力电缆的耐压、介质损耗及局部放电等测试。由于振荡波检测仪器集成度高、测试接线及操作简单、功耗较小、整体轻便，并且一次加压可同时完成电缆局部放电的测试和介质损耗因数的测量，相对于工频交流电压测试具有明显优势，因此，近年来振荡波检测技术得到了迅速的发展。1988年，荷兰第一次应用振荡波法

2、对电缆进行了实验测试。1990年，首次应用振荡波法在长电缆上进行了测试。2004年，美国、日本和新加坡等国陆续开始使用该技术进行电缆局部放电测试。随着高速电力电子开关等关键技术的发展，输出电压为250kV的振荡波检测仪器研制成功，满足了220kV电缆的测试需求。2007年，振荡波测试与工频交流电压测试的等效性在试验及理论分析中得到了验证，为振荡波检测技术的进一步发展奠定了重要的理论基础。2008年，输出电压为350kV的振荡波检测仪器研制成功，可以满足500kV高压电缆的测试需求。同年，北京市电力公司等国内电力企业开始引进该技术用于10kV电缆的局部放电测试。2技术特点振荡波检测方法是基于LC

3、阻尼振荡原理对被测电缆施加近似的工频正弦电压，即在近似电缆运行状态下完成电缆的局部放电测试，其结果与工频电压下的局部放电测试高度等效，符合相关IEC及国家标准。振荡波检测方法可以有效检测10kV及以上交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆和油纸绝缘（PILC）电缆的本体、终端和中间接头部位发生的各类局部放电缺陷，能有效发现由于生产质量、安装工艺和运行环境造成的主绝缘层、半导电层和屏蔽层等多种缺陷，因此可以有效减少由于电缆突发性击穿故障造成的意外停电事故。振荡波检测法的主要优点包括：（1）相比于工频交流电压下的局部放电测试，振荡波检测仪器为加压和测试一体化装置，具有系统容量小、接线及测试操作简单、仪器重

4、量轻、移动搬运方便等优势。（2）振荡波测试时，一次加压过程持续时间仅为几百毫秒，不会对电缆造成损害，因此振荡波检测方法属于无损检测。（3）由于采用振荡波法测试时没有使用额外的高压电源，所以从根本上避免了系统内部高压电源产生的局部放电干扰。（4）振荡波局部放电的测试结果为确切的局部放电量，因此可准确评估电缆局部放电缺陷的严重程度。（5）振荡波局部放电测试可精确定位电缆局部放电源位置。振荡波检测仪器采用脉冲传播时差法定位局部放电源，并且应用统计学原理从成百上千个局部放电源中选取数百个位置集中的点，因此有效避免了其他干扰源对检测和定位结果的影响。振荡波测试法的主要缺点包括：（1）振荡波测试时需要将电

5、缆停电，并拆除电缆两端连接的其他电力设备，因此对供电可靠性产生一定的影响，并且对于GIS终端和变压器终端的高压电缆而言，测试流程较繁琐和复杂。（2）振荡波测试对电缆长度有特定限制，被测电缆一般不超过5 km。3应用情况上世纪80年代，振荡波检测技术首次应用于电缆的局部放电测试，目前已在德国、日本、新加坡、中国等60多个国家的大中型城市的高低压电缆线路中广泛应用。2008年，北京市电力公司为加强奥运保电工作，借鉴新加坡国家能源公司的经验，引进10kV电缆振荡波检测仪器投入奥运保电工作，对北京地区主要的配电网电缆开展了振荡波测试，保证了奥运期间的供电安全。2009年，广东电网公司为提高亚运会供电可

6、靠性，借鉴北京市电力公司奥运保电的成功经验，引进了10kV振荡波电缆局部放电检测与定位系统。2011年深圳供电局利用250kV振荡波测试设备对3回220kV及14回110Kv XLPE电缆线路进行了高压振荡波检测试验。目前，国家电网公司已将电缆振荡波局部放电检测技术加入Q/GDW 643-2011配网设备状态检修试验规程中。近年来，随着电缆振荡波局部放电检测技术的全面开展，国家有关部门已将10kV电缆振荡波局部放电检测项目纳入2009年国家能源局发布的20kV及以下配电工程预算定额（第四册电缆工程）和北京市建设工程预算定额（2013版）指导手册中，为电缆振荡波局部放电检测技术的广泛应用奠定了基

7、础。第二节 振荡波检测技术基本原理1振荡波检测的电源技术电力电缆由于其电容量大，很难在现场进行工频电压下的局部放电检测。过去充油电缆采用直流试验，可以大大降低电源的要求。但对于XLPE电力电缆，由于其绝缘电阻较高，且在交流和直流电压作用下的电压分布差别较大，直流耐压试验后，在电缆本体和缺陷处会残留大量的空间电荷，电缆投运后，这些空间电荷极容易造成电缆的绝缘击穿事故。而采用超低频（0.1Hz）电源进行试验，其测试时间较长，对电缆绝缘损伤较大，并可能引发新的电缆缺陷。振荡波检测电源产生的基本原理是：首先由整流元件将AC 220V的交流电转换成所需的直流电，然后对直流电压幅值进行调整，最后对输出直流

8、电压进行滤波和稳压调整，以确保输出精度和稳定性。实际检测时，根据测试加压的幅值要求，通过调整直流电压幅值和控制直流电源对被测电缆的充电时间来控制所产生振荡波的幅值，振荡波频率通过串入的空心电抗器进行调节，振荡波的衰减阻尼系数由电缆等效电容和空心电抗器确定。2振荡波检测的抗干扰技术由于电缆的电容量大（F级），允许的局部放电量很小（几pC），而电力电缆局部放电测量中不可避免的存在着环境噪声和外部干扰，局部放电信号往往湮没于这些噪声和干扰中，使得测量变得非常困难，因此提高抗干扰性能就显得尤为重要。干扰信号按其时域和频域特征不同，可分为窄带干扰、脉冲型干扰和背景噪声三类。（1）对于窄带干扰，由于其本身

9、频域特征与局部放电信号的频域特征有较大差异，而且频带十分窄，故大多采用频域滤波的方法进行抑制。（2）对于脉冲型干扰，由于它和局部放电信号非常相似，从单个波形上很难将它们区分开来。目前主要采取时延鉴别法进行鉴别。时延鉴别法是利用外来干扰脉冲及发射波到达测量点的时间差与内部放电及反射波到达测量点的时间差的不同进行鉴别。（4）对于背景噪声，由于其在时域中表现为无规律的随机脉动，在频域中则表现为整个频带上的均匀分布，因而现有的频域和时域方法都不能对其进行有效地抑制。在小波去噪算法提出之前，往往采用时域平均的方法来抑制这种随机性的背景噪声，但效果并不理想。小波去噪算法的提出有效地解决了这个问题。电缆振荡

10、波局部放电检测和定位装置具有带通滤波、小波分析、时延分析等抗干扰功能，可根据信号特点，方便的进行放电脉冲的取舍，如图16-1所示。该装置还可以生成清晰的局部放电图形（如电压波形与局部放电信号关系图、三维谱图等），以便确定局部放电的类型，如图16-2所示。（a）带通滤波功能 （b）小波分析功能图16-1 OWTS软件抗干扰功能（a）电压波形与放电关系 （b）三维谱图分析图16-2 OWTS局部放电图谱显示功能3振荡波检测的定位技术局部放电源定位技术即是在振荡波加压测试过程中，利用检测到的脉冲时差、电缆全长和脉冲在不同绝缘类型电缆中的传播速度计算出局部放电脉冲的产生位置。首先利用脉冲测距仪向电缆注

11、入低压脉冲，该脉冲经过电缆末端断路点形成反射波，通过计算反射脉冲与发射脉冲的时间差得到电缆全长。其次，利用局部放电信号脉冲时域反射法（TDR）对局部放电源进行定位，定位的原理如图16-3所示，振荡波局部放电检测仪器通过对电力电缆加压诱发缺陷部位产生局部放电吗爱吃，同一局部放电脉冲同时向电缆两端传播，其中一个脉冲波直接传播到仪器接收端，称为入射波，另一个脉冲波经过电缆对端反射后传回仪器接收端，称为反射波，利用入射波和反射波到达的时间差、脉冲传播速度和电缆长度计算得到局部放电缺陷的精确位置。图16-3行波法定位原理其中，Ck为高压电容，ZA为检测阻抗。设t0时刻，在电缆x处发生放电，产生的两个脉冲

12、波沿电缆反向传播，t1时刻第一个脉冲波到达测试仪，第二个脉冲波经电缆对端反射后在t2时刻到达测试仪，如图16-3所示。由于电缆中脉冲的传播速度对于确定电缆绝缘类型是已知的常数，因此可以算出放电点距离测试端的距离。 （16-1） （16-2） （16-3）其中l为电缆长度，v为脉冲波在电缆中的速度。电缆振荡波局部放电检测仪器采用该原理对电力电缆局部放电源进行定位，如图16-4所示为单个放电脉冲的定位情况和最终放电源与放电量检测结果。 （a）单个脉冲分析及定位情况 （b）放电量及放电位置图16-4 脉冲分析及定位情况4振荡波局部放电检测仪器的组成及基本原理振荡波局部放电检测仪器原理如图16-5所示

13、。被试电缆线芯的一端接高压直流源的高压输出端，另一端悬空，电缆屏蔽层接地。测试时，高压直流电源通过一个电感对被测电缆充电，高压电子开关并联在高压直流源两端，从0V开始逐渐升压，当所加电压达到预设值时闭合高压电子开关，同时直流源退出整个回路，被测电缆和电感形成LC阻尼振荡回路，产生振荡波电压，并以此振荡波电压信号来激发出电缆绝缘缺陷处的局部放电。测量回路分两路，一路为阻容分压器，用来测量振荡波电压信号；另一路为局部放电耦合单元，局部放电信号经放大器、滤波器放大、滤波后传给信号采集卡，信号采集卡与计算机通过信号电缆连接，测试人员通过计算机进行数据采集与分析。图16-5 振荡波局部放电检测仪器原理图

14、振荡波局部放电检测仪器的关键参数包括输出电压、充电电流及波形匹配算法等。其中输出电压及充电电流参数均是越大越好。对于10kV电缆检测，其振荡波局部放电检测仪器的输出电压要高于28kV，充电电流要大于6mA。对于110kV电缆检测，其振荡波局部放电检测仪器的输出电压要高于190kV，充电电流要大于20mA。第三节 振荡波检测及诊断方法1检测方法1.1检测步骤35kV及以下配电电缆检测步骤：（一） 被试电缆已停电，具备试验条件。（二） 将电缆接地并充分放电。（三） 测量电缆三相绝缘电阻，做好记录。（四） 使用时域脉冲反射仪测量电缆长度及电缆接头位置。（五） 进行振荡波检测仪器接线，确认无误后，启动

15、系统，输入电缆基本信息。（六） 局放校准：（1）校准前，要检验校准仪的电量是否充足，校准仪标定脉冲的频率设置是否正确。（2）校准仪信号输出线正极接电缆导体，负极接电缆屏蔽接地线，保证校准信号线与电缆终端连接可靠。（3）对于三芯电缆，校准其中一相即可，单芯电缆则应各相单独校准，校准时由高到低从100nC到100pC依次校准，当某一量程由于衰减或干扰校准失败时，停止后面较低量程的校准。（4）校准时必须保证入射波波峰达到当前量程的80%，否则将造成实际测试放电量出现偏差。（5）校准过程要注意仪器显示的电缆波速，当波速偏差较大时（XLPE电缆波速为165-175m/us，油纸电缆波速为150-160m

16、/us），应从新进行电缆长度的测量。（七） 加压测试，分别对三相电缆按表16-1顺序和要求进行测试并保存数据。（6）要根据每档电压作用下仪器检测的电缆局部放电水平选择合适量程。量程选择过大，会导致检测结果偏大；量程选择过小，局部放电脉冲幅值超量程会导致定位分析过程中丢失部分脉冲信息，影响分析结果。（7）在第一次出现局部放电信号的电压下保存起始放电电压，在最高测试电压（新电缆为2.0 U0）下选择并保存熄灭放电电压。表16-1 加压测试步骤电压等级（U0）加压次数测试目的01次测量环境背景局部放电水平0.5，0.7，0.9各1次1、测试局部放电起始电压2、测试电缆在U0电压下的局部放电情况3、电

17、缆在1.7 U0电压下测试局部放电熄灭电压1.03次1.2，1.3各1次1.53次1.75次2.03次对新投运电缆所加最高电压，测试局部放电熄灭电压01次放电（八） 测量电缆三相绝缘电阻，做好记录。（九） 恢复电缆和检测仪器到试验前状态。（一十） 做好测量数据记录，并出具检测报告。110kV及以上高压电缆检测步骤：（一） 对被测电缆线路停电、验电、接地。（二） 断开电缆与其它设备的连接，包括电缆终端上的连接端子及PT、避雷器等其他附件，露出电缆终端出线导杆以安装振荡波检测装置的高压连接套件。（三） 对端电缆终端若为GIS终端，短接终端与GIS仓之间的护层保护器，并联系变电专业人员短接GIS仓带

18、电显示器、拆除线路PT。（四） 保持电缆两侧终端金属屏蔽接地。将除两侧终端外的全线交叉互联箱、直接接地箱、保护接地箱开箱，将屏蔽相序变为A-A、B-B、C-C，即保证电缆屏蔽同相的连接，并保持三相屏蔽间的绝缘；将接地箱接地连板拆除。（五） 拉开电缆线路两侧接地刀闸。（六） 检测装置接线并检查无误，确保满足高压对地安全距离。（七） 使用时域脉冲反射仪测量电缆全长及中间接头位置，并做好记录。（八） 再次检查检测装置接线，确保无误后，启动电源及各装置组件。（九） 启动测试装置，输入测试基本信息。（一十） 电缆线路局部放电校准。设定交联聚乙烯电缆波速160-172m/s，油纸绝缘电缆波速154-166

19、m/s。从最高校准值(100nC)开始，从100nC 到100 pC进行校准。（一十一） 电缆线路局部放电测试。分别对三相，按顺序进行逐级加压测试并保存数据（110kV电缆见表16-2，220kV电缆见表16-3）。表16-2 110kV电缆局部放电测试步骤加压值（U0）加压次数测试目的01次测量环境噪音0.5，0.7，0.9各3次观察电压逐级升高时的局部放电现象1.03次测试电缆在运行电压下的局部放电情况1.1，1.2，1.3，1.4，1.5各3次观察电压逐级升高时的局部放电现象1.63次参考主绝缘耐压状态检修试验标准2.03次对新投运电缆。参考主绝缘耐压交接试验标准01次放电表16-3 2

20、20kV电缆局部放电测试步骤加压值（U0）加压次数测试目的01次测量环境噪音0.5，0.7，0.9各3次观察电压逐级升高时的局部放电现象1.03次测试电缆在运行电压下的局部放电情况1.1，1.2，1.3各3次观察电压逐级升高时的局部放电现象1.363次参考主绝缘耐压状态检修试验标准（限于检测设备的最高输出电压）01次放电（一十二） 恢复设备到试验前状态。（一十三） 做好测量数据记录，并出具检测报告。 （a）35kV及以下配电电缆检测步骤（b）110kV及以上高压电缆检测步骤图16-5 电缆振荡波局部放电检测流程图2诊断方法在振荡波局部放电检测试验结束后，一般需进入检测仪器的分析软件，对电缆三相

21、加压试验数据中的脉冲波形文件进行逐个分析，通过脉冲波形特点、放电量大小和局部放电源位置等因素来综合判断电缆状态。2.1.1局部放电脉冲分析原则（一） 同一个局部放电源产生的放电脉冲的入射波和反射波应具有相似的波形形状，反射波由于经过较长距离的衰减，其幅值和频率都比入射波小，表现为幅值下降，脉冲变宽。典型的入射波与反射波波形如下图16-6所示，不具备相似性的脉冲波形图谱如图16-7所示。 图16-6典型局部放电脉冲图谱 图16-7不具备相似性的脉冲波形图谱（二） 当电缆存在一个或多个局部放电源时，不同位置发生的局部放电脉冲对应的反射波幅值应与距首端距离成正比，即放电源距首端距离越近时其反射波传播

22、的路径越长，衰减越大，幅值越小，同一条电缆不同位置发生局部放电时的入射波与反射波对应图谱如图16-8、16-9所示。 图16-8 距离首端950米处放电脉冲图谱 图16-9距离首端350米处放电脉冲图谱（三） 当入射波与反射波位置很近时，往往较难区分入射波与反射波的波形特征，这时就需要将当前脉冲图谱与局部放电量校准脉冲波形进行对比分析，当脉冲波形与校准脉冲波形基本重合时即可判断此反射波为假反射波，典型的假反射波图谱如图16-10所示。图16-10 典型的假反射波图谱（四） 按照以上三个条件分析局部放电脉冲波形后，即可通过分析软件接受当前选择的入射波与反射波，每接受一对入射波与反射波，软件就在局

23、部放电定位图中生成相应的点，当同一位置的局部放电点较密集时，即可判断此位置存在局部放电缺陷，如图16-11所示，横坐标显示缺陷距离测试端的位置，纵坐标显示视在放电量。图16-11 典型电缆局放分析结果图谱（五） 当被测电缆由两种及以上不同绝缘类型电缆组成时，由于计算过程中采用脉冲平均传播速度而可能出现局部放电缺陷定位误差，此时可以分不同绝缘类型电缆段分别定义传播速度，从而校准最终放电源。2.1.2检测判断标准（一） 10kV配电电缆检测判断标准如表16-4所示：表16-4 10kV配电电缆检测判断标准分类/周期投运前正常运行5年以内正常运行5年以上正常100pC100pC=100pC 且 =3

24、00pC 且 =100pC=300pC=500pC（二） 35kV、110kV及以上电缆检测判断标准请参考表16-4的10kV配电电缆检测判断标准，并考虑本次检测数据与电缆出厂耐压试验数据变化量以及历次振荡波局部放电试验数据变化量进行综合判断。第三节 振荡波检测案例分析1振荡波检测发现电缆应力锥安装失效缺陷【案例经过】被测10kV电缆全长963米，两处中间接头位置分别在382米和540米处。经振荡波检测发现距离一端变电站540米处的三相中间接头都存在局部放电缺陷，A相最大放电量为2000pc，B相和C相最大放电量均为1000pc。经电缆接头解体分析发现应力锥安装失效是造成局部放电缺陷的主要原因

25、。【案例详解】被测10kV电缆2009年投运，额定电压8.7/15kV。振荡波测试结果：A相最大放电量为2000pc，B相和C相最大放电量均为1000pc，局部放电源定位结果如图16-12所示。图16-12 电缆局部放电检测信号对此缺陷电缆接头进行了解体分析，发现的问题总结如下：（1）外护套没有做防水根据中间接头施工工艺，电缆中间接头的内、外护套均应做防水处理，但实际上，该条电缆外护套未做防水，如图16-13所示，中间接头在长期运行后可能进水受潮。图16-13 外护套未做防水处理（2）应力锥安装失效电缆附件厂商提供的截面为3*240mm2电缆中间接头安装工艺见图16-14所示。工艺要求两端半导

26、电断口间距应为250mm，实际测量约为350mm；铜屏蔽断口间距离应为350mm，实际测量为450mm。由于外半导电层剥离部分过长，导致应力锥不能覆盖剥开的外半导电层断口，使得应力锥均匀电场的功能失效。为了弥补安装过程中的失误，施工单位在导体连接管两侧的外半导电层断口至应力锥位置缠绕半导电胶带来均匀电场，如图16-15所示，但由于三相缠绕的半导电胶带未能将外半导电断口与应力锥进行有效连接，其中2#电缆接头漏出XLPE绝缘1.5cm，这样在运行电压下，三相电缆中间接头均会产生局部放电。图16-14 中间接头施工工艺(a) 中间接头的初始状况(b) 去除半导电胶带的中间接头(c) 中间接头的测量尺

27、寸图16-15 应力锥实际安装情况基于上述解体情况，分析该电缆中间接头局部放电产生原因如下： （1）中间接头应力锥安装失效是产生局部放电的主要原因，其中2#相接头失效情形较1#相和3#相接头严重，局放检测结果也表明A相接头局部放电量是其余两相的2倍。（2）电缆接头制作过程中未做外护套防水处理，虽然不会直接导致电缆接头局部放电量超标，但可能会使电缆中间解体在长期运行后进水受潮。2振荡波检测发现电缆接头制作工艺不良缺陷【案例经过】被测10kV电缆全长1743米，4个中间接头位置分别在260米、750米、1150米和1400米处。经振荡波检测发现755米处存在局部放电缺陷，分析确定局部放电缺陷位于7

28、50米处的中间接头位置。经电缆中间接头解体分析发现压接管外缠绕的半导电带、电缆接头制作工艺粗糙等是造成局部放电缺陷的主要原因。【案例详解】被测电缆额定电压8.7/15kV，投入运行7年。振荡波局部放电测试结果：A相最大放电量为9100pc，C相最大放电量为3400pc，对试验数据分析后得到的局部放电定位结果如图16-16所示，电缆局部放电相位图谱如图16-17所示。 图16-16电缆局部放电定位图谱 图16-17 电缆局部放电相位图谱对此缺陷电缆接头进行了解体分析，发现的问题总结如下：（1）电缆接头制作工艺粗糙在三相中间接头的主绝缘上均发现划痕，即未根据施工工艺要求进行打磨。在电缆外半导电层剥

29、切过程中，外半导电断口留有尖角。电缆主绝缘切断口留有毛刺，未经过打磨，如图16-18所示。(a) 主绝缘划痕(b) 半导电断口有尖角(c) 绝缘环切有毛刺图16-18 中间接头解体情况（2）压接管缠绕半导电带产生放电根据中间接头施工工艺要求，在电缆接头压接管外涂上绝缘混合剂后，直接将预制式冷缩中间接头缩压在压接管上，从而使应力锥与压接管导体接触形成均压结构。而实际中，该电缆中间接头的压接管上缠绕了多层半导电带，如图16-19所示，在半导电带外涂上绝缘混合剂后与应力锥接触。半导电带在涂上绝缘混合剂后变成绝缘材料，如图16-20所示，这样实际上就破坏了预制式冷缩中间接头的应力锥均压结构，从而形成了

30、应力锥半导电结构的悬浮点位，从而导致局部放电缺陷。图16-19 压接管外缠绕的半导电带 (a)半导电带电阻测量 (b) 半导电带上涂绝缘混合剂后的电阻测量图16-20 半导电带测量电阻基于上述解体情况，分析局部放电缺陷产生原因如下：（1）压接管外缠绕的半导电带是造成此次中间接头产生局部放电缺陷的直接原因。工艺要求压接管外不应缠绕半导电带，但该送检接头三相压接管外均缠绕了半导电带，半导电带外涂有的绝缘混合剂使得半导电带的电阻检测显示为绝缘材料，在实际运行中会产生悬浮放电现象。（2）电缆接头制作工艺粗糙是造成此次中间接头局部放电缺陷的次要原因。该中间接头主要存在主绝缘划痕、半导电断口有尖角、主绝缘

31、切口有毛刺等工艺问题，在实际运行过程中，这些问题均有诱发中间接头产生局部放电缺陷的可能。参考文献：1参考论文1 C Aucourt, M. Louis, After laying test of accessories of synthetic insulated cables with oscillating wave in Proceedings of the 6th International Symposium on High Voltage Engineering, New Orleans, Louisiana, 28 August - 1 September 19892 Farneti, F., Ombe llo, F., Bertani, E., Mosca