（AC-DAC）局部放电测试技术简介

一、 振荡波技术背景

1.1 直流充电式振荡波测试技术

上世纪90年代末，荷兰德尔福特理工大学的EdwardGulski教授发明了电力电缆振荡波局部放电测试系统（OWTS，Oscillating Wave Test System），其基本结构及输出电压波形如图1所示。系统基本工作过程如下：

1）高压直流充电阶段。直流电压施加到电缆上，对电缆充电；

2）直流-振荡波转换阶段。充电到预定电压后，转换开关动作，电缆、电抗器、转换开关形成LC振荡回路；

3）振荡波阶段。振荡波（幅值衰减的余弦交流电压）作用在电缆上，激发绝缘缺陷产生局放；

4）局放检测、评估与定位阶段。局放沿着电缆传播，到首端被检测单元拾取，采集与分析单元完成局放量及位置的评估。

（a）OWTS系统结构框图 

(b) OWTS测试电压波形 

图1 OWTS系统结构框图及测试电压波形

1.2 振荡波作用下局部放电定位基本原理

局部放电定位的采用时域反射计原理（TDR）。图2示意了其基本过程：

1) 图2 (a)中，在长度为L电缆距离首端位置x处发生局放，放电量为Q；

2) 局部放电脉冲分别向电缆首端和末端传播，前向和反向脉冲的局放量分别为Q/2;

3) 前向电压波, 到达电缆首端的时间;

4) (4) 反向前电压波, ，在传播到电缆末端并反射回来，到达首端的时间;

5) 前后向脉冲之间的时间差（图2b），进而即可得知位置x。

 

（a) 位置x处发生的局放脉冲分别向电缆前后传播

 

(b）前向和反向局放脉冲先后到达电缆首端

图2 基于时域反射计原理的局部放电传播过程及定位原理

相比于传统的串联谐振、超低频测试装置，OWTS具有一系列突出的优点，包括：

1) 作用在电缆上的高压振荡波的频率接近工频，与实际运行电压接近；

2) 振荡波阶段持续时间短，仅几百毫秒，对电缆无损害；

3) 不仅能够检测电缆局放，还能够定位局放；

4) 测试系统对电源功率的需求极小，无需使用大型柴油发电机组或布置专用的低压电缆；

5) 测试系统体积小、重量轻，便于运输与现场实施。

近20年来OWTS迅速得到电力工业界高度认可，尤其在配电领域，在新建电缆现场交接试验及在役电缆日常运维中得到了广泛应用。

振荡波技术多年来的应用经验反复证明了这样一个事实：对电缆施加非常短时间的交流电压就能够有效地激发绝缘缺陷产生局部放电，且其起始电压、熄灭电压、局放量等与工频电压作用下的局部放电特性具有等价性。

1.3 直流振荡波（OWTS）在输电电缆局部放电测试中的应用现状及原因

与OWTS在配电电缆局部放电检测领域的广泛应用相比，该技术在输电电缆领域远没有得到应有的认可，部分原因在于： 

1) 输电电缆测试电压高，较长的直流充电持续时间，可能导致空间电荷积聚，存在测试过程中或投运后绝缘损坏的危险； 

2) OWTS在输电电缆领域的少量应用已经发现：对于绝缘劣化严重的电缆，由于泄漏电流大，导致直流充电持续时间过长，甚至无法充电至预设测试电压的问题； 

3) 输电电缆线路长度大，局部放电信号在电缆传输中的衰减和畸变问题更为突出，仅仅通过现有的单端测试难以实现高灵敏度的局放检测； 

4) 输电电缆用OWTS系统的售价高昂，影响推广应用。输电电缆OWTS系统中的振荡波转换开关需承受数百千伏高压。单个半导体可控开关的耐压等级一般只能达到数千伏，振荡波转换开关需要由数十乃至数百个半导体可控开关串联而成，于是成本大大增加；此外，开关量的增大，也显著增加了振荡波回路的损耗，导致振荡波衰减过快，影响局放检测效果。 

二、输电电缆交流激励式振荡波（AC-DAC）及分布式局放测试技术简介

2.1 基于DC-AC大功率变换的模块化交流激励式振荡波测试技术

针对当前振荡波技术在输电电缆领域应用中存在的问题，我们提出了一种全新的基于DC-AC大功率变换的模块化交流振荡波局部放电测试技术，研发了首套具有全部自主知识产权的输电电缆模块化交流激励式振荡波局部放电测试系统（AC-DAC），其单个模块系统的结构和试验波形如图3所示。

 

(a) AC-DAC系统结构框图

 

(b) AC-DAC测试电压波形 

图3 AC-DAC系统结构框图和测试电压波形 

交流激励式振荡波的基本工作过程是：

1）低压直流充电阶段。400V电源经由AC-DC单元为储能单元充电；

2）交流激励充电阶段。大功率DC-AC变换单元经由升压变压器输出交流电压，快速升高的交流高压作用在电缆上，在0.5s以内充电至预设的电压水平；

3）交流-振荡波转换阶段。振荡波转换开关开通，电缆、电抗器、工频变压器、转换开关形成LC振荡回路；

4）振荡波阶段。振荡波（幅值衰减的余弦交流电压）作用在电缆上，激发绝缘缺陷产生局放；

5）局放检测、评估与定位阶段。局放沿着电缆传播，到首端被检测单元拾取，采集与分析单元完成局放评估以及定位。

AC-DAC系统采用模块化设计，使用方式灵活：

1）通过多个模块并联，可以提升系统的容量，满足更长电缆的试验需求；

2）通过多个模块串联，可以提升系统的输出电压，满足更高电压等级电缆的测试需求。

2.2分布式局部放电检测技术，提升局放检测灵敏度

针对长距离输电电缆局部放电检测灵敏度低的问题，我们提出了分布式局部放电检测方案，并将其与交流振荡波局放检测技术相结合，克服了局放在传输中因衰减和畸变导致的检测长度局限性，提升了检测灵敏度，其现场试验布置如图4所示，在电缆终端和中间接头处的都安装了局放检测单元。

 

图4沿着电缆线路布置的分布式局部放电检测过程示意图

2.3 同步化的分布式局部放电检测技术，实现局放的高精度定位

分布式局部放电检测技术解决了长距离输电电缆局部放电检测灵敏度低的问题。进一步，我们提出了基于首端脉冲注入技术的同步化分布式局部放电检测方案，并将其与交流振荡波局放检测技术相结合，利用同步脉冲在电缆传输过程中依次触发安装在电缆终端和中间接头处的检测单元，实现局部放电的高精度定位。其现场试验布置和基本定位原理如图5所示

  

（a）现场试验布置

 

（b）同步化局部放电定位原理

图5同步化分布式局部放电检测现场布置及定位原理示意图

 

三、输电电缆交流激励式振荡波（AC-DAC）局部放电测试的技术优势

模块化的交流激励式振荡波检测系统，除包含传统的直流充电式振荡波系统的主要特点外，还有以下技术优势：

1) 对电源功率的需求极小，现场400V/5kW的低压电网接入点或400V/5kW的小型柴油发电机组即可满足系统用电需求；

2) AC-DAC系统采用储能技术和大功率DC-AC变换技术，实现了对被试电缆的交流充电，整个测试过程中电缆始终处于交流电压作用之下，不存在直流电压，无空间电荷积累之虞；

3) 采用交流充电方式，电缆充电阶段的最大电压不再受电缆泄漏电流的限制；

4) 将振荡波转换开关转移至升压变压器低压侧，不仅显著降低了对开关耐压等级以及开关数量的要求，也相应减小了振荡回路的电阻，振荡波衰减慢，持续时间长；

5) 测试过程中先期有交流加压阶段，整体的交流电压持续时间更长，更有利于激发电缆缺陷局部放电的发生；

6) 采用模块化设计思想，只需改变模块数量及连接方式，即可方便地调整测试系统的输出电压和容量，满足110kV、220kV、330kV及500kV等不同电压等级与不同长度电缆线路的测试需求；

7) 采用同步化分布式局部放电检测技术，可以根据实际情况划分和调整局部放电测量区间，突破检测距离的限制，确保高灵敏度的局放检测;

8) 模块化结构，每个单元重量不大于120kg；整套系统重量不大于800kg。

四、输电电缆交流激励式振荡波（AC-DAC）软件系统

除了新颖的技术原理、模块化设计思想和卓越的硬件性能外，AC-DAC系统还配备了优越的软件系统，具备人性化的操作界面和智能的数据后处理功能，集成了PRPD、多点定位等多种数据分析功能，协助电缆运维人员全面、可靠地评估电缆绝缘状态，部分操作界面如图6所示。

 

（a）局部放电

 

（b）加压测试

  

（c）局部放电相位图谱

 

（d）局部放电定位

图6输电电缆AC-DAC测试系统软件操作典型界面图

五、输电电缆交流激励式振荡波系统（AC-DAC）基本指标
	最大输出电压	180kV（峰值）
	最大负载	2μF（长度10km,110kV*630mm2电缆线路）
	阻尼振荡波频率	20-500Hz
	数据采样率	125M/s
	数据分辨率	14bit
	局部放电测试范围	50pC-20nC
	定位精度	3m+1%分布式检测区间长度
	数据通信	Wlan+4G网络
	是否实现局部放电多点定位	是
	系统电源需求	400V/5kVA的低压电网接入点；或者5kW的小型柴油发电机组；
	重量（整套系统）	800kg

*注：

l 模块并联数取决于负载及单模块满足等效容值为2μF的电缆试验需求，两个模块并联满足等效容值为4μF的电缆测试需求；

l 模块串联可提高最大输出电压，单个模块最大输出电压为180kV峰值（满足64kV/110kV电缆测试电压要求），两个模块串联最大输出电压为250kV峰值（满足127kV/220kV电缆测试电压要求）。

六、输电电缆交流激励式振荡波系统（AC-DAC）的初步应用

测试案例一：

对一条长度为260m的YJLV22-64/110kV-1*630mm2的输电电缆开展局部放电交流振荡波测试，试验布置和试验概况如图7所示，最高施加电压为2U0（即180kV峰值）。可以看到，整个交流电压上升、振荡波电压下降阶段持续不到0.5s，电缆中无明显局部放电发生。

 

（a） 输电电缆测试现场

 

（b）180kV（峰值）测试电压完整波形

 

（c）180kV（峰值）测试电压下的局部放电

图7案例一：输电电缆AC-DAC测试现场和测试结果

测试案例二：

对一条长度为4.2km的YJLV22-64/110kV-1*630mm2输电电缆开展局部放电交流振荡波测试，最高施加电压为2U0（即180kV峰值），未发现明显局部放电。为验证系统局放检测与定位效果，在距离电缆线路首端2000m处利用一个信号发生器经过中间接头接地线向电缆中注入脉冲信号以模拟局部放电，试验布置和定位图谱如图8所示。可以看到，整个交流电压上升、振荡波电压下降阶段持续不到0.5s，能准确检测并定位模拟的局放。

 

 

（a）输电电缆测试现场

 

 

（b）180kV（峰值）测试电压完整波形

 

（c）180kV（峰值）测试电压下的局放波形

 

 

（d）定位图谱

图8案例二：输电电缆AC-DAC测试现场和测试结果

测试案例三：

对一条长度为5.9km的YJLW03-Z 64/110kV-1*1200mm2的输电电缆开展局部放电交流振荡波测试，最高施加电压为2U0（即180kV峰值）未发现明显局部放电脉冲，试验布置与2U0试验电压下测试结果分别如图9（a）、（b）所示。为验证系统局放检测与定位效果，在距离电缆首端约2500m处利用故障模拟装置经过中间接头接地线向电缆中注入脉冲信号以模拟局部放电，局部放电检测结果及其定位图谱分别如图9（c）、（d）所示，定位结果显示放电源距离电缆首端2520米，与故障模拟装置实际位置相符。可以看到，整个交流电压上升、振荡波电压下降阶段持续不到0.5s，能准确检测并定位模拟的局放。

（a）输电电缆测试现场

 

（b）180kV（峰值）测试电压下的检测结果

 

（c）启动故障模拟装置后的局放波形

 

（d）局部放电定位图谱

图9案例三：输电电缆AC-DAC测试现场和测试结果