OWTS振荡波电缆局放检测和定位技术基本原理研究

OWTS振荡波电缆局放检测和定位技术基本原理研究
冯义1刘鹏1程序1涂明涛1王鹏2周作春2刘庆时2李华春3姜绿先3陈平3
1.北京市电力公司试验研究院
2.北京市电力公司生产技术部
3.北京市电力公司电缆公司
摘要随着城市电网电缆化率的程度不断提高，社会发展和进步对供电可靠性的要求也不断提高，如何准确掌握配电电缆的健康状态，制定正确的检修对策，避免因电缆本身质量问题导致的突发性事故的发生，变得尤为重要。

研究发现，电缆的局部放电量与其绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘可能存在危害电缆安全运行的缺陷。

目前，国际上应用比较广泛的OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位技术，能够有效检测和定位10kV 配电电缆局部放电的位置且检测本身不对电缆造成伤害。

本文主要从该系统的电源技术、抗干扰技术、定位技术、典型案例等方面进行介绍，为该技术的进一步推广应用、改进创新提供技术参考。

关键字：OWTS、电缆、局部放电、检测和定位
0.前言
近十年来，挤塑型电力电缆特别是XLPE电力电缆由于其绝缘性能好、易于制造、安装方便、供电安全可靠、有利于城市和厂矿布局等优点，在城市电网中得到广泛使用。

但是这种电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料不纯而存在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因在绝缘介质与半导电屏蔽层之间存在间隙或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电，同时在电力电缆的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电。

由于XLPE等挤塑型绝缘材料耐放电性较差，在局部放电的长期作用下，绝缘材料不断老化最终导致绝缘击穿，造成重大事故。

北京市电力公司相关统计资料表明，电缆老化、附件质量和工艺不良在10kV电缆故障中占有较大比重。

随着电缆运行时间的不断增长，潜伏的局部缺陷对城市电网可靠性的危害将会越来越突出，对供电质量和公司形象造成的危害也会越来越大。

因此，引进先进技术及时检测出电缆潜伏性缺陷的要求也越来越迫切。

根据2007年北京市电力公司对新能源电网公司开展国际对标的重要成果并参考国内外相关文献资料，采用OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位技术对10kV配电电缆进行测试，
能够及时发现和定位潜伏性局部放电缺陷且不会对电缆造成伤害，可以大大提高供电可靠性。

1. OWTS振荡波电源技术
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XLPE电力电缆，由于其绝缘电阻较高，
且交流和直流下电压分布差别较大，直流耐压试验后，在XLPE电缆中，特别是电缆缺陷
处会残留大量空间电荷，电缆投运后，这些空间电荷常造成电缆的绝缘击穿事故[1、2]。

采用超低频（0.1Hz）电源进行试验，要求试验时间长，电缆绝缘损伤较大，可引发电缆中的新的缺陷[3]。

振荡波电压是近年来国内外研究较多的一种用于XLPE电力电缆局部放电检测和定位的电源。

该电源与交流电源等效性好，作用时间短、操作方便、易于携带，可有效检测XLPE 电力电缆中的各种缺陷，且试验不会对电缆造成伤害[4]。

OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置如图1所示。

检测时可以灵活施加0—28kV 的直流电压，合上半导体开关后，被试电缆与电感产生阻尼振荡。

该装置可以检测的电力电缆电容范围为0.05μF—2μF。

图1 OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置
2. 抗干扰技术
由于电缆的电容量大（近级），局部放电要求严（几），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，使测量变得非常困难，抗干扰手段的提高显得尤为重要。

这些干扰按其时域和频域特征的不同，可分为窄带干扰、脉冲型干扰和背景噪声三类。

由于干扰强弱、频域特性的不同，抗干扰技术要有一定的针对性[5、6]。

（1）对于窄带干扰，由于其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，在频域中则表现为在整个频带上均匀分布，因而单从频域或时域都不能有效地抑制。

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。

小波去噪算法的出现可以比较有效地解决这个问题[7、8]。

OWTS振荡波电缆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2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3所示。

（a ）带通滤波功能 （b ）小波分析功能
图2 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3 OWTS 软件图形显示功能
3. 定位技术
对于电力电缆局部放电的定位，早期就有对电缆实行扫描式检测查找局部放电点的技术，现在实际中采用的是70年代发展起来利用局部放电脉冲在电缆上的传播特性，用10MHz 以上的高频扫描示波器进行定位测量的方法，该法也叫行波法或TDR 法，其原理如图4所示。

图4 行波法定位原理
a）接线图b）检测阻抗上的脉冲信号示意图c）脉冲波在电缆上的传播
CDO--示波器PDS—局部放电测试仪
其中，Ck为高压电容，Zk为检测阻抗，同时也做匹配阻抗，消除脉冲在高压端的反射。

设在t0时，在电缆x 处发生放电，送出的两个脉冲按相反方向沿电缆传播，t1时刻第一个脉冲到达测试仪，第二个脉冲在电缆远端反射后在t2时刻到达测试仪（如图4）。

由于电
缆中电脉冲的传播速度相对于确定的电缆绝缘型式是已知的常数，所以根据式（1）就可以算出放电点离电缆近端（高压端）的距离。

（1）
其中L为电缆长度，V为脉冲波在电缆中的速度，为两个脉冲的时延，即。

OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置采用该原理对电力电缆局部放电进行定位，如图5所示。

（a ）单个脉冲分析及定位情况 （b ）放电量及放电位置
图5 脉冲分析及定位情况
4. 典型案例分析
利用该装置对某10/8.7kV XLPE 三芯电缆进行局部放电检测和定位，该电缆全长383米，距离测试端100米处有一个热缩中间接头。

检测发现该电缆在1.7U 0时放电量达到10000pC 左右，0.5U 0时放电量达到1000pC 左右，定位发现放电缺陷就在接头处。

测试情况如图6所示。

（a）方波标定（b）加压至9kV时电缆局部放电与施加电压的关系
（c）单个脉冲分析及定位情况（d）放电量及放电位置
图6 某10kV电缆现场测试情况
经过解体分析，该电缆内、外半导电管端口不整齐有突起，且端部未缠绕半导电带形成坡口，外屏蔽层剥离不整齐，有突起是造成严重局部放电的原因，如图7所示。

（a）（b）
（c）（d）
图7 电缆解体图片
（a）外屏蔽剥削不整齐，有突起，未打磨；（b）黑色热缩管是半导电材料，红色热缩管是绝缘材料。

黑色热缩管端部不整齐，且未用半导电带做过渡形成坡口，热缩管表面有凹陷，不平滑。

（c）里层黑色热缩管与电缆导体接触，表面有凹陷，不平滑。

（d）内、外半导电热缩管的端部均没有用半导电带缠绕形成坡
口。

5. 小结
实践证明，OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置通过采用振荡波电源技术、时延鉴别等抗干扰技术、行波法定位技术可以在现场有效检测出10kV配电电缆的局部放电水平并对其进行准确定位，从而避免因为安装工艺或电缆劣化导致的突发性事故的发生，值得进一步推广应用。

参考资料：
[1] 饶强，交联聚乙烯新的试验方法[J]，广西电业，2004（8）：107-109
[2] 罗俊华等，35kV及以下XLPE电力电缆试验方法的研究[J]，电网技术，2000.24
[3] 张平康，韩伯锋，XLPE电缆的试验方法[J]，高电压技术，2004.30（增）
[4] 杨连殿等，振荡波电压在XLPE电力电缆检测中的应用[J]，高电压技术，2006.03
[5] 邱昌容等. 《绝缘测试技术进展》. 第二届全国电气绝缘测试技术会议论文集，pp1～15，October 1991，桂林.
[6] 胡龙龙. 数字信号处理方法在局部放电信号提取中的应用，硕士学位论文，西安：西安交通大学，2002.
[7] Xu Y.S.，Weaver J.B.，Healy D.M.，Jr.，and Lu J. Wavelet Transform Domain Filters：
A Spatially Selective Noise Filtration Technique. IEEE Transaction on Image Processing，Vol.3，No.6，November 1994
[8] Donoho D.L. and Johostone I.M. Ideal Spatial Adaptation via Wavelet Shrinkage. Biometrika，Vol.81,1994
冯义，男，电力工程技术，工程师，2004年西安交通大学电气工程及自动化专业硕士研究生毕业，现从事变电设备状态监测技术管理工作。