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抑制局部放电试验系统背景干扰的探讨

时间:2012-10-09 22:40来源:国家电线电缆质量监督检 作者:范洪欣 点击:

抑制局部放电试验系统背景干扰的探讨

范洪欣

(国家电线电缆质量监督检测中心  上海 200093)

摘要:本文论述了在测量局部放电试验时产生的各种背景干扰噪音的成因,分析了在实践中遇到的各种干扰,并讨论了抑制干扰的方法。

关键词:交联聚乙烯绝缘电力电缆;局部放电试验;背景干扰噪音;抑制干扰方法。

引言

   高压交联电缆是输变电系统中的主角,它的优劣直接关系到国计民生。为了确保交联电缆的质量,按GB/T12706-2002标准规定要进行导体直流电阻,局部放电和交流电压等试验,其中最重要的一环是电缆局部放电测试。
   由于局部放电的放电能量很小,所以它不影响电缆的短时绝缘强度。但存在的多处局部放电,这些微弱的放电能量可以慢慢地损坏绝缘,日积月累,最后导致绝缘被击穿。也就是说,存在着内部缺陷的电缆,尽管它通过了出厂验收时的电压试验,但在长期的运行中可能在正常电压下发生击穿。所以要检测电缆绝缘内部的局部放电,且已作为交联电缆出厂检验的必检项目。
   局部放电是一种很微小的放电,它的放电能量单位是pC(微微库)。根据国际规范,对于35kV的交联电缆,在45kV的工频试验电压下,电缆的局部放电量不能超过10pC。这10pC相当于0.1V的脉冲放电,即在45kV试验电压下要测试到0.1V的脉冲放电,其难度可想而知。要做到这样,既要提高局部测量系统的灵敏度,又要提高其抗干扰的能力。因此,抗干扰措施在局部放电测量中是关键的关键。

标准与规范

   电力电缆试验标准GB 12706-1991规定了交联电缆局部放电量(以下简称局放)应小于20pC ,而GB/T 12706-2002规定局放应小于10pC,可见要求越来越高,局放量越来越小。因此,当背景噪音大于或接近10pC时,已难以确定该电缆是否合格。
   以下以美国鄂电公司的设备为例,它利用脉冲电流法(ERA法)为原理精心考虑电缆的特殊需要,构成了完整的测试系统[1]。并对一定长度的交联聚乙烯绝缘电缆局放试验,规定了背景噪音与电缆特性阻抗之间要达到如下水平,才能保证试验系统的正常运行:
   ⑴当电缆特性阻抗为10-30Ω时:背景噪音应小于2.5pC;
   ⑵当电缆特性阻抗大于30Ω时:背景噪音应小于2pC。
   也即,只有符合上述条件,才能正确地反映电缆真实的本体局放性能,才能对20 pC这样较轻微的电缆绝缘故障点进行精确的定位。

背景噪音产生的原因

      背景噪音决定了最小可见视在放电量,亦即决定测量系统的灵敏度,严重的噪音将使局部放电测量无法进行。要消除干扰,必先找到干扰源。干扰的来源很多,如送电线路的电晕放电,电磁波,各种电机或电器的操作,开关的开闭,高压线放电,导体接触不良,试验电路接地不佳,屏蔽不好,以及内部有放电等等,且这些干扰都是随机的,因此难于建立全面的识别方法。
    首先,分析干扰进入试验回路的途径,由图1所示[2]。

图1干扰进入试验回路的途径

    Tr 试验变压器               UA电源干扰
    Cx 被试品                      UB接地干扰
    Ck耦合电容器               UC试验回路杂散电容C产生的干扰
    Zm测量阻抗                 UD悬浮电位放电产生的干扰
    DD检测仪                     UE高压各端部电晕放电的干扰
    M邻近试验回路金属物                IA试验变压器的放电干扰
    IB杂散电感LM耦合的辐射干扰  IC耦合电容器放电干扰
    综上所述,干扰来源于电源干扰UA、电磁辐射干扰IB、地电位干扰、各种电晕UE及UD和终端放电等。在实践中遇到的大量干扰来源于UA、IB和UB。

背景噪音的识别和抑制原则

            由于局放的背景噪音是随机而且杂乱无章的,虽难以建立全面的识别方法,但可利用[3]种局部放电的基本图谱,是有助于提高识别能力。
   其实,只要严格按照局放仪的技术规范去安装和使用,背景噪音会控制在允许范围之内的。
   但是,局放现场试验时各种干扰还是很多的。实践证明,有些干扰信号,要把它全部抑制是非常困难的。因此,从经济和实用角度考虑,只要不影响识别与判断,就不必要花很大精力将干扰信号全部抑制。

局放现场试验时干扰成因及解决措施

   鄂电公司生产的局放仪已对各类干扰采取了相应措施,在技术规范中已明确指出。但实际使用中因种种原因,各类干扰还会频频出现,所以只有反复实践,在不断总结经验中加深理解其规范,才能把局放试验做好。

局放试验室的屏蔽

   屏蔽室对局放试验而言主要是屏蔽高频电磁场的影响。它采用低电阻的金属材料,利用电磁场在屏蔽金属内部产生的涡流所产生的反向磁场来抵消原磁场。由于屏蔽板或网是接地的,所以它也可兼顾由分布电容耦合而产生的静电干扰,达到静电屏蔽的效果。
   高压试验室的六面屏蔽在电气上焊成一体,且接地,实际上是个大法拉第笼。这个笼的静电屏蔽是很好的,而对磁场屏蔽要求屏蔽效果约-60dB,即采取屏蔽后使干扰磁场强度减弱1000倍。局放一般为几个pC,要求干扰水平小于1 pC,这应该是足够的[4]。
   实践中,有的厂家为了防接地棒与连接螺丝生锈,把防锈漆错误地涂在金属棒或与屏蔽室连接的铜螺栓处,这样就使屏蔽室失去了屏蔽作用。当外来电动工具工作时,示波器像限上明显地出现叠加10-30 pC类似尖峰的放电信号,即使屏蔽室门全关时也这样,实际上说明此屏蔽室已失效。当把油漆清楚后,重新涂上即可防锈又可降低接触电阻的电力脂类或稀土、石墨型长效防腐降阻剂后,在屏蔽门全关闭情况下,局放椭圆形波形上叠加的背景噪音降低到1 pC以下。这时,当电动工具在屏蔽室外屏蔽工作时,局放试验照样能正常地进行。
   在日常反复试验中,要经常检查屏蔽门的状况,对于推拉式屏蔽门要特别注意门边的撞击变形,要确保门框和门的间隙成非接触式且构成等距波导管,这样才能确保其屏蔽效果,而对于开式屏蔽门要经常检查门框和门边装嵌的凸形弹性磷青铜片的质量,要确保关闭屏蔽门后,使屏蔽室和屏蔽门能构成一个导电良好的一个屏蔽整体。同时要经常清除门沟内的灰尘及杂物,尤其是金属物或金属粉尘,这样,才能做到万无一失。

出入屏蔽室的管道与线路

    为了降低局放试验的背景噪音水平,除了把试验室屏蔽起来外,还要防止外部干扰通过管道和线路等窜入室内。凡是金属管道穿过屏蔽室时都必须与屏蔽连接好,否则它们会象天线一样把干扰引入。凡是通过屏蔽室的配电线要先通过隔离变压器和滤波器。
    一般局放试验系统的电网是采用220V输入电压,然后经双屏蔽变压器及其低压滤波器,其对电网给予大于120dB的噪音衰减。这套供电设备单独使用时应该是没问题的。但在实践中,有的厂还用这套供电设备供给其他设备用时就会产生干扰,所以建议屏蔽室里的其他辅助设备,可另用一台双屏蔽隔离变压器供电,若有功率较大的设备(如空调等)建议用分体式空调单独供电,将室外机装在屏蔽室外,接地线也在室外,而室内机地线仅与室外机相连,也即让它成为一个独立系统,这样,干扰水平可降到1 pC以下甚至消失。
    局放系统的所有低压信号传输线应采用双屏蔽同轴射频电缆。实践证明,采用双屏蔽同轴射频电缆、优质BNC连接器及电缆与示波器良好接地等对消除电缆外皮电流,消除干扰的有效方法,如图(2)所示。
            

图(2)消除电缆外皮电流的方法

                    (图中电缆为双屏蔽同轴电缆)
    1、电缆信号  2、电缆里层屏蔽层    3、电缆外层屏蔽层
    4、BNC接头   5、示波器外加屏蔽层  6、示波器  
    图中示波器放在屏蔽罩内,屏蔽罩接地,示波器通过信号电缆外层3接地。由于集肤作用,所有干扰电流I(t)将从电缆外层屏蔽3流过,而不走电缆里层屏蔽层2,从而消除了干扰。

排除屏蔽室内部的干扰源

    排除来自于屏蔽室内部的干扰,也是极其重要的。
    所有高压电极及引线都应有合适的曲率半径和光滑洁净的表面状态,并应接触良好。所有不带电的金属部件都应良好接地。
     局放试验室内部照明最好放在屏蔽门外适当位置,将照明投入室内,并由双极开关同时断开灯具的火线与零线,在必要时,还得把灯关掉。
    实践证明,光源不宜采用冷光灯,尤其是采用电子整流器得冷光灯,因它会产生强电磁干扰,严重时会超过4-6pC,所以,应采用普通白炽灯为佳。

接地与地线系统

   局放试验,由于电压的性质和工作方式,更需要建立一个可靠的地线系统,使其即能达到工作接地又能满足保护接地。
   为了消除由于地电位升高引起的干扰,可采取减小接地阻抗和排除地中电流。
   试验系统的接地宜采用铜管状电极、铜板状电极,连接件可采用铜母排,活动连接可采用多股绞合软导线等,这样确保接地电阻在1Ω以下,若能做到0.5Ω以下更佳。
   为了排除地中电流,放电回路都在地面上有回路母线,这根母线一般由铜板或铜带制成,除有一点与接地网相连,其余部分与地绝缘。这样接地网和回路连线就严格分开。
   但局放试验电压较高,这时寄生电容(设备对地面、墙壁、天花板等杂散电容)也将放电,这些电流必在地中流过,它能变动地电位,从而影响测量结果。解决这个问题的最理想办法是把整个局放试验作成一个大法拉第笼,笼仅有一点与地相连,而测量仪和线路在笼外,由于笼尺寸较大,阻抗小,杂散电容电流在笼上造成的压降很小,所以,地电位较稳定。但这样做,投资成本较高。实践中,一般采用在地面铺许多铝板,互成一整片,板只有一点接地。高压设备置于铝板上,设备接地点用宽铜带与板相连,所有测量电缆、控制电缆和接地应从板下电缆套管中通过,避免在板上形成回路。
   例如,鄂电公司的局放高压滤波器的电容接地,是利用电容自身连接螺栓直接固定在移动小车的铁板上,并通过铁板接地。由于铁板的导电率较差,加上表面油漆和绝缘油污,在高压下就会产生较大的杂散电容电流,往往有1-2pC背景噪音,现经加多层薄铜片来连接该电容接地点与改善移动小车的集中接地点后,背景噪音基本消失。

其它

    实际试验时,还有许多具体的细微处要特加注意:
    ⑴试验设备应紧固连接,连接导线宜采用高压绝缘软线,连接处建议采用压接或焊接,且线对不得外露。
    ⑵确保试验现场及所有高压元件的干净、干燥、无油污、无粉尘、无锈蚀,在潮湿天气进行35kV局放试验时,为避免潮湿对试验的影响,建议采用无水酒精擦元件表面,然后用干布擦干。
    ⑶屏蔽室不应堆放与试验无关的杂物,尤其是电气设备及金属。实践中,曾发现一台不用的旧仪器,在10kV以上可产生20-40pC的稳定放电信号,且堆物与局放检测的距离有关,距离越近,干扰越严重;另外,曾经在潮湿空气下,在20kV电压下,堆放物由于离局放放电位置较近,由于空气击穿而危及堆放物,在堆放物表面可见放电痕迹。
    ⑷绝缘油要及时更换:
    当绝缘油受潮或有大量气泡时,要对绝缘油加热驱潮,静置排除气泡和降温,这样处理后要做空载试验,按规范,放电应小于1pC,达到此要求后方能重复使用。

结论

        ⑴严格按局放试验规范进行试验,能做局放试验的必要条件是信噪比大于2;
       ⑵为了减少背景噪音,希建屏蔽室,屏蔽室要上下左右前后六面都要屏蔽,更要作好门窗的屏蔽,且屏蔽室要可靠接地。进入室内的管道应与屏蔽层连接起来,进入室内的电源线要先经过滤波;
        ⑶选用没有内部放电的设备,外露电极要屏蔽;
        ⑷一切不带电的导体都要可靠接地;
        ⑸照明灯应采用白炽灯,采用双联开关,把火线和零线同时关闭;
        ⑹与试验无关的设备与物品,不要堆放在屏蔽室内;
        ⑺只要不影响识别与判断,就不必要花很大精力将背景噪音全部抑制。

参考文献

[1] 史金高.电缆局放试验讲义,上海蓝波高电压技术设备有限公司第五期局放培训班学习资料[M]. 上海:上海蓝波高电压技术设备有限公司 ,2004.18-56.
[2] 孙秉国.局部放电的波形和识别,上海蓝波高电压技术设备有限公司第五期局放培训班学习资料[M]. 上海:上海蓝波高电压技术设备有限公司 ,2004.57-67.
[3] 范作义. 局部放电测试中的干扰问题,上海杰智电工科技有限公司高压电缆局部放电检测培训资料[M]. 上海:上海杰智电工科技有限公司,2005.17-28.
[4] 张仁豫,陈昌渔,王昌长,陈秉中.高电压试验技术 [M].北京: 清华大学出版社,1982.225-234.

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