电线电缆 局部放电技术Word格式.docx
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在电压作用下,如果绝缘内部气隙中电场强度达到气体的击穿场强,气隙就开始放电。
放电结果是产生大量正负离子,这些正负离子在电场作用下各自向气隙上下壁移动,建立反向电场,使气隙的总电场强度下降,放电熄灭。
放电持续时间断,因此放电时气隙上的电压下降几乎是瞬间的。
如果对含有气隙的电缆绝缘加上电压,当电压大道足够使气隙击穿时,由于电压的大小与方向是变动的放电将反复出现。
这种现象用下图(图1-3)解释。
当UC=UC1(UC1是气隙击穿电压)时,气隙击穿,产生空间电荷,即正负离子。
此时电荷此时反向电场U,气隙上的总电压下降U,即下降到UC2,放电熄灭随着电压的上升,气隙上的总电压砸一次达到UC1,第二次放电发生。
跟随着这次放电又增加了新的空间电荷,因而反电场加倍,气隙上的总电压又下降U,放电熄灭。
电压继续上升,放电依次重复,前一次放电熄灭后到达峰值的增量不足U为止。
有图可见,放电集中在外施电压上升或下降的区域。
而当外加电压增加时,放电次数增加;
而当外施电压超过一定值后,内部放电在外施电压的零值附近发生。
1.2局放的定义
在电场作用下,绝缘体中部分区域发生放电短路的现象称为局部放电,但在电极之间不形成通路。
1.3局部放电产生的原因
电场集中,绝缘中存弱点(缺陷),在这样的区域中其电场强度达到介质击穿场强时,该区域就发生放电。
如在固体或液体介质中含有气泡,电压的作用下,气泡中场强是介质中场强的εr倍(εr-固体绝缘的相对介电数常数),气体或者气泡的击穿场强通常比固体或液体介质强度低,气泡首先击穿,即发生了局部放电。
在电线电缆,环氧浇铸互感器及变压器中都会因生产过稳中气泡而
因生产过程的热胀冷缩,有机物的分解等作用产生气隙等,这些生产中出现的缺陷都可能发生局部放电的现象。
1.4局部放电的一些名词解释
1.4.1起始放电电压
当外加电压逐渐上升,达到能观察到的局部放电时的最低电压,即为起始放电电压。
并以有效值U1来表示。
局部电压的大小,取决于系统的灵敏度。
如果在平板电容器中,固体介质中含有偏平小气泡时(如图1-1所示),起始电压的大小为:
式中:
ECB—气隙的击穿场强(kV/mm);
εr—体介质的相对介电常数;
d—介质的厚度(mm);
δ—气泡的厚度(mm)。
1.4.2熄灭电压
当外加电压逐渐降低到观察不到局部放电时,外加电压的最高值就是放电熄灭电压,并以有效值U0来表示。
这里讲的能观察不到的局部放电,取决于系统的灵敏度。
1.4.3视在放电电荷
它是指将该电荷瞬时注入试品两端时,引起试品两端电压的瞬时变化量与局部放电本身所引起的电压瞬时变化量相等的电荷量,视在电荷一般用pc(皮库)来表示。
视在放电电荷(
)与实际放电电荷(
)的关系:
可以通过等效电路推到两者之间关系:
Cb—与气泡串联部分介质的电容;
Cc—气泡的电容。
由此可见,视在放电电荷总比实际放电电荷小。
在实际产品测量中,有时放电电荷只有实际放电电荷的几分之一甚至几十分之一。
1.4.4放电重复率N
在测量内,每秒钟出现放电次数的平均值称为放电重复率,单位为次/秒。
实际上受到测试系统灵敏度和分辨率能力有限,测得的放电次数只能是视在电荷大于一定值时放电间隔时间足够大时的放电脉冲数。
1.5局部放电出现的部位
(1)电极尖端附近的空隙中发生局部放电,其余绝大部分气体仍然保持绝缘状态,这种绝缘结构以气体介质为主。
(2)电极与介质之间层状气隙中发生的放电,电极下气隙击穿后,全部电压加在介质上。
(3)介质内部存在的气隙或气泡放电,它不直接发生击穿,是各种绝缘结构中广泛出现的局部放电状况。
例如电缆导体屏蔽与绝缘的交界面、导体(电极)的边缘(毛刺)或绝缘内部气隙。
1.6典型放电谱图
(1)绝缘内部气隙放电谱图
图1-4绝缘内部气隙放电谱图
特点:
颇为对称的图形,出现在一、三象限,脉冲信号静止不动或来回移动。
(2)高压导体附近的放电谱图
图1-5高压导体附近的放电谱图
正半周出现几个小的放电脉冲,负半周出现一些比较大得放电脉冲。
(3)地电位导体附近的放电谱图
图形铜高压导体附近的放电谱图类似,但负半周出现小脉冲。
(4)高压尖端周围的电晕放电谱图
图1-6高压尖端周围的电晕放电谱图
外施电压负峰值处出现幅值大约相等、彼此间隔相等的脉冲。
(5)低压尖端周围的电晕放电谱图
外施电压正峰值处出现幅值大约相等、彼此间隔相等的脉冲。
(6)接地噪声放电谱图
零点附近出现无规则的脉冲带。
图1-7接地噪声放电谱图
1.7放电量校准
校准器的要求:
局部放电标准电荷发生器脉冲信号的基本参数,在测量电缆局部放电时,其测得的数值大小、真伪与系统校验时用的放电量校准器的性能参数有很大的关系如下图所示:
图1-8放电量校准器产生的典型脉冲波形
有关标准规定电压幅值A的10%-90%部分的时间间隔,作为上升时间t,电压幅值与其10%部分的时间间隔作为衰减时间(波尾时间)t,用于电缆测量的放电量校准器一般规定t<
100ns;
t>
100us。
标定的放电量一般是10pc,设置仪器上的放大倍数旋钮,让仪器的读数或标定脉冲信号的高度达到一定的值后,出去标定仪器,此时在该盘电缆试验过程中,不要旋转检测仪器上的旋钮,开始施加电压。
无论是型式试验还是出厂试验,试验电压应加在导电线芯和金属屏蔽之间,电缆的实验电压有产品标准规定,进行局部放电测量时,电压应平稳地升高到1.2倍实验电压,但时间不得超过1min,此后,缓慢地下降到规定的试验电压,此时即可测量局部放电量,其合格指标应在标准中规定。
第2章局放测试方法及局放电缆的定位方法
2.1中压电缆的检验标准
为了保证交联电缆的产品质量,国家制定了严格的质量检验标准。
其中,中压交联电缆的局部放电测试是最重要的一环。
26/35kV及以下交联聚乙烯绝缘中压局放测试,执行标准:
GB/T12706,IEC60092
表2-126/35kV及以下交联聚乙烯绝缘中压局放测试
额定电压UO/U(kV)
3.6/6
6/6(10)
8.7/10(15)
12/20
18/30
21/35
26/35
工频耐压试验(kV)
1.73U0
放电量要求
船用电缆放电量≤5pc;
电力电缆≤10pc
煤矿用3.6/6kV~8.7/10kV铜芯交联聚乙烯绝缘阻燃电力电缆局放测试,执行标准:
MT818-2009
表2-2煤矿用3.6/6kV-8.7/10kV交联聚乙烯绝缘阻燃电力电缆局放测试
8.7/10
工频耐压试验(kV
≤10pc
2.2局部放电测试常用方法
表2-3局部放电测试的常用方法
一、电气测量方法
二、非电气测量方法
1、脉冲电流法
直接法
1、噪声检测法
平衡法
2、介质损耗法
2、光检测法
3、无线电干扰法
2.2.1脉冲电流法(ERA法)
原理:
放电时电荷迁移,在试品两端引起电压波动,产生与外界的电荷转移,引起脉冲电流,该脉冲电流通过检测阻抗取样,放大,得到代表视在放电量的可测电压。
到目前为止电线电缆行业中局部放电测量都采用脉冲电流法,脉冲电流法测试原理是下图(图2-1),产生一次局部放电时,试品Cx两端产生一个瞬时的电压U,此时经过一耦合电容Ck耦合到一检测阻抗
Zd上,回路中就会产生一脉冲电流I。
将脉冲电流I流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示灯处理,就可以测定局部放电的一些基本量(放电量大小、单位时间内脉冲数)。
图2-1脉冲电流法的基本原理图
图2-2检测阻抗的两种方法
假定在试品上(电缆的导体与金属屏蔽之间)由于局部放电产生一个电压变化△U,可以推到出下列公式:
;
Cx—耦合电容(在测试回路中);
Cd—检测阻抗的电容(与图2-1中Zd等效);
Q—为视在放电量。
上式表示视在放电量与检测阻抗二端放电初始电压的关系,如果能测出Ud,就可以获得放电的视在放电量。
从上式中可以看出,Ud的大小与试样电容、耦合电容和检测电容的大小有关。
试样电容愈大,Ud愈小,测得的视在放电量就愈小;
耦合电容愈大,Ud愈大,测得的视在放电量就愈大;
检测阻抗愈小,Ud愈大,测得视在放电量就愈大。
所以研究测量局部放电技术,也就是采取各种措施提高测量Ud的准确度和精确度。
交联电缆在生产流程中常用一些难以预见的因素,如:
电缆料的湿度,存放时间,挤塑和温度控制,成缆过程中的碰撞等原因,出现了局放电量超出标准的故障电缆。
为减少损失,必须对局放量超标的电缆进行定位,故障定位是一项较难操作的工作,下面用深入浅出的方法介绍故障电缆定位一系列基本操作方法。
2.3局放电缆的定位原理
图2-3定位原理图
上述图中:
Cg:
注入电容(校正电容)100pF/100kV。
Ck:
耦合电容。
C1:
千伏分压低臂电容,系统电压调配电容。
C7~C8,L3,L4,高通网络
电路工作原理:
C7,C8,C9三电容与L3,L4构成二级“T”型高通网络。
来自电缆的局放信号经二级“T”型网络,其低频信号被滤掉,高频信号经二级“T”型网络被定位仪检测,定位仪在操作人员的工作下,可以捕捉列其特定的波形,经分析可测得故障电缆的长度。
2.4电缆局放定位过程
(1)将电缆试验屏蔽房中的高压滤波器下部输入单元中局放/定位开关置于定位方式。
(2)定位仪开启,JF-2000局放仪开启。
(3)建立被测电缆的基准。
a、打开JF-2000局放仪的校正开关,注入40pc~100pc的校正脉冲信号。
b、检查定位仪的各设置,按第二节内容检查。
c、垂直伏/格选择单位伏/格,50mv/格、20mv/格、10mv/格,选其中之一,水平/格选择,视电缆长度而定,一般1us~5us/格中,选择1档。
d、检查时间指针,电平指针是否在显示屏上的适当位置,总之应先找到显示屏中二指针。
若上述准确,运行/停止按键进入运行状况,电缆基准图形会出现在显示屏中:
图2-4显示屏中的电缆基准图
在电缆基准图形中可得到两个尖脉冲的图形,t1,t2是出现的时间,由此我们可以得到电缆的长度。
这就是估计电缆长度的近似数学公式。
(4)升电压局放电缆定位。
确定了电缆基本图形后,需要完成下面三步,关闭校正脉冲开关。
伏/格旋钮位于5v/格,运行停止选择运行。
升电压至局放放电压,次伏/格旋钮向毫伏/格方向慢慢转,一般在50mv/格、20mv/格、10mv/格档可以找到电缆放电图形,捕捉到定位图形后。
运行/停止选择停止。
(5)分析定位图形
a、中间放电
图2-5中间放电图形
局放电缆长度
X:
长度从终端油杯起算
b、端部放电
图3-6端部放电图
准确确定端部放电位置,用局放值合格的电缆串联起来做电缆定位试验其定位的位置是准确的。
第3章局部放电所需的设备及样品的制作
3.1局部放电所需的设备
3.1.1全屏蔽室
局部放电检测室对每盘电缆成品进行的出厂实验项目。
所以在设计生产工艺流程中就应设置有局部放电试验区域。
全屏蔽室特点是实验区与工厂地坪相互绝缘隔离、单点接地、电磁屏蔽、电源滤波以及设备无放电等。
全屏蔽室就是一种措施,屏蔽室用钢板制成。
主要作用是将空间电磁波屏蔽,防止辐射干扰。
各种干扰可能形成空间电磁波直接辐射但测试回路中或通过变压器感应耦合从电源进线进入,也可能通过静电耦合到水泥地钢筋网上,经钢筋直接传导到试验区地下,再耦合到测试回路中。
3.1.2线路滤波器
主要功能也是抑制电源网络来的干扰,常用型结构滤波器。
在调压器之前各设置一台。
一般线路滤波器具有对10KHZ~1MKHZ范围内的干扰滤波器衰减能力最小值达4dB以上。
3.1.3隔离变压器
进线电缆进入实验区后与双屏蔽隔离变压器变压器连接,以便对电源电压10kV、6kV或400V接10/0.4、6/0.4或4/0.4降压到调压变压器进线电压一致。
双屏蔽隔离变压器的一次和二次绕组各自有薄铜金属板屏蔽,且二绕组以及铁心之间均有绝缘隔离结构使相互间的杂散电容尽可能小,以防止电源来的干扰通过一次和二次绕组之间的杂散电容侵入。
一般双屏蔽隔离变压器具有20dB以上的抑制干扰的作用。
3.1.4实验电源
中压电缆局部放电试验电压比较高,中压交联电缆的试验交流电压获得的途径一般有两种,直升方式和串联谐振方式。
(1)直升方式
图3-1直升方式获得电压
直升式试验交流高压系统的功率容量较小,常用作样品短线试验,该系统一般作为实验室专用设备。
(2)串联谐振升压方式
串联谐振升压方式的电路组成如下图所示:
图3-2串联谐振升压方式获得电压
一般都采用串联谐振电源,串联谐振电源产生实验电压是根据电线电缆、电力电容等产品具有较大电容的特点设计。
其工作原理如下:
等值回路中复阻抗
,ω=2πƒ。
在测试回路中试样的电容式一定的,当外加电压一定时,回路中的电流I=U/Z,然后调节电抗器的电感,使得复阻抗中
,此时回路中阻抗最小,电流最大,使试样上测试的电压最高。
当
,也就是流过工艺回路L及C的电流达到最大值,我们说此时回路谐振了,如果没有达到此条件或接近此条件时,我们说回来处于谐振状态。
谐振时回路中的电流I(Us为实验时所需的电源电压),此时试样上的电压
,所以
,Q叫回路的品质因数,
,Q值一般较大,Q>
12,有的串联谐振系统Q值可达到80左右。
因此只要串联谐振参数选择适当,调节很小的输入电压,可以产生很高的输出电压。
3.1.5高压滤波器
高压滤波器是接在高压试验变压器之后。
它将进一步抑制从电源进入的干扰以及试验变压器本身局部放电产生的干扰。
同时,把检测回路同高压电阻抗之路隔离开,提高了检测灵敏度。
此外试验方便,往往把耦合电容、检测阻抗乃至油杯终端都组装在一起。
高压滤波器的电压与串联谐振装置输出电压相一致。
3.1.6试验终端
进行局部放电试验时,所采用的终端必须在试验电压下不发生局部放电。
因为现在常用的多为直接法检测回路,若电缆终端上发生局部放电,往往同电缆上发生的一样被测出,且在波形特性上也较难分辨。
所以,可靠的方法是采用所谓无局部放电的试验终端。
根据不同的试验电压等级,现在有多种实用的试验终端。
3.1.7油杯型终端
对于电压等级6~35KV的塑料绝缘电缆,试验终端一般采用油杯终端,杯中的介质可以用硅油、变压器油或氟利昂(F-113)。
进行制作绝缘终端时,半导电层不要剥得太长。
一般的油介质的相对介电常数介于几到几十之间,而水在13度时相对介电常数介于83.1到84.5之间。
所以现在高压交联电缆试验终端中内部使用的介质都是脱离子水。
它是将剥去一定长度的塑料绝缘电缆端头插入绝缘油中,以绝缘强度高的油介质作为媒质,从而提高了电缆端头的沿面放电强度以及线芯、屏蔽层周围的绝缘强度,使整个终端在试验电压下不发生局部放电。
油杯终端的外壳可用厚有机玻璃制成。
电缆半导电屏蔽层在油中要有的浸入长度外金属屏蔽层也应浸入油层内。
始端油杯,连接高压试验线的油杯,由下图所示:
图3-3始端油杯
终端油杯,底部为平的如下图所示:
图3-4终端油杯
3.1.8双脉冲发生器
局部放电测试回路的特性需用双脉冲发生器进行校核,双脉冲应与工频同步,两个结对且相等的脉冲其间隔时间,应从0.2us到100us连续可调,脉冲的前沿(上升时间)应不超过20ns(峰值的10%至90%),从10%波头值到10%波尾值的时间应不超过150ns。
3.1.9JF-2000局放测试仪
在我国电缆行业广泛使用的局部放电试验仪均以脉冲电流法为基础。
JF-2000局放测试仪采用ERA脉冲电流法电气原理,参照英国罗宾逊公司MODLE-5(TYPE700)局放仪技术研制生产,基本保持其全部功能及技术指标,增加了放电量及输出电压的数显功能,为提高局放量超标的电缆定位方便,增加了定位的信号方便大器,放电量10pc的电缆可以定位,其精度在电缆长度的1%左右。
3.1.9.1JF-2000局放测试仪的主要特点
(1)变带放大器有九种频带组合,以减小系统某种频率的干扰对PD测试的影响。
如:
为减小系统的磁饱和干扰(低频)对PD测试的影响,可适当提高下限截止频率F1,而系统在采用屏蔽体,无外界空间来无线电等高频干扰情况,可提高上限截止频率F2,使放大器工作在频带较宽状态,以提高检测灵敏度及脉冲分辨率。
(2)测试灵敏度高
JF-2000局放仪前置放大器增益80dB,主放大器增益40dB,放大倍数最大为120dB。
可测试品电容范围大(6μF~250μF)。
对于电缆测试时,Ck=7000pF,CA=0.02~1μF以上,调谐电容≤7000pF时,在不平衡时的检测灵敏度最高为0.1pC~0.3pC。
(3)放大器脉冲响应范围大,校正定标脉冲不对称≤5%,PC读数不对称≤3%,有利于正确的定标校正。
(4)脉冲分辨率高
JF-2000局放仪由于波形重叠造成脉冲幅度误差≤10%的时间间隔,在宽带α响应时,TR在20us~35us(F1=20KHZ~F2=300KHZ)。
IEC-270标准第4.4.2条规定:
“TR=100us,认为可以接受,如果明显小于100us是更希望的”。
TR与放大器带宽有关,带宽增大,TR减小,TF-2000局放仪的TR在20us~35us,明显小于100us。
(5)PD测量误差小
PD测量在IEC-270认为“允许误差”通常大于别的测量仪器,IEC-270认为局放放电现象容易受某些因素影响很大,因为,有人认为PD测量不是一种精密测量,误差最大可达20%。
本系统PD测量组件,如PC表,定标方波,高压注入电容Cg,其误差已符合我国制订的有关标准,如定标方脉冲:
Tr≤0.1us,Ug≤±
0.5%(幅值误差),Cg误差≤±
4%,PC表的测量精度±
3%,可保证PD测量误差≤±
10%。
3.1.9.2各组件的电气原理,性能指标
(1)显示单元
显示方式,椭圆形/直线.可旋转0°
-30°
-60°
-90°
-120°
调节功能:
亮度调节及聚焦调节。
(2)门单元
门窗宽范围:
15°
-150°
门窗位置:
每个门窗位置可变化170°
(即旋转170°
);
门电路由R-C移相电路,零电平放大检测电路及脉宽调节电路组成,讯号送至PC表及显示单元,控制PC表PD讯号连通电子开关及显示单元增辉电路。
零电平放大检测选用LM351运算放大器,脉宽调制选用SC12或74121单稳触发器。
门单元可有效地将固定干扰讯号调至窗外,不进入PC表,且不在示波屏上显示出来。
(3)PC表
数字式0~100.0±
3%(满量程),测试重复频率:
20KHz
PC电路峰值检测电路,线性放大器电路组成,PD信号由峰值检测电路检测到最大正/负峰值,送至数显表头,读出PC值。
(4)定标脉冲发生器
Tr-脉冲前沿≤100ns;
实测值≤50ns;
T1
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