一种宽频带、高磁导率电缆局部放电检测装置的研制与应用

杨巧为,陈 蓉,多俊龙

(1.重庆国际复合材料股份有限公司,重庆 404100;2.国网沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110052)

0 引言

随着城市建设快速发展,架空输电线路走廊用地越发紧张,大中型城市内新建、改造地下电缆输电线路数量不断增加,电缆已经成为高电压等级电能传输的重要载体。但在长期运行过程中,受地下潮湿环境及电缆本身材料质量影响,电缆绝缘层很可能出现老化、破损等问题,导致电缆出现外层局部放电缺陷,长时间带伤运行可能导致电缆绝缘层彻底损坏甚至发生爆炸。

通过对电缆绝缘层局部放电量进行检测和分析,能够有效掌握电缆绝缘层劣化程度,及时消除运行安全隐患。目前通常使用高频电流法进行电缆局部放电检测,由于高压电力电缆绝缘材料通常为交联聚氯乙烯,其局部放电量较小、对检测器件灵敏度要求较高,同时局部放电为脉冲信号,其特征频带范围宽、现场环境背景噪声多,很难仅从单一频率下的信号判断局部放电是否发生,实际检测过程中存在漏报、误报等现象。

因此,自主研发新型宽频带、高磁导率铁氧体磁芯材料,解决现有检测装置灵敏度低的问题,创新传感器封装工艺,协同提升检测装置各项参数,开发出一种宽频带、高磁导率电缆局部放电检测装置,在66 kV电压等级电缆线路上实际应用,对提升我国电力电缆带电检测技术水平,保障电力电缆的安全可靠运行具有重要意义[1-6]。

1 高磁导率铁磁芯制备研究

高压电缆局部放电检测装置的核心部件是磁芯,其磁导率大小直接影响检测装置适用频带范围和灵敏度,因此如何通过合理添加辅助元素,突破磁芯磁导率低这一技术难点亟待解决。

常规磁芯通常采用NiO-ZnO-Fe2O3三元系复合材料,技术较为成熟,但受其成分配方和制备工艺限制,磁芯磁导率偏低。本文提出通过复合添加Cu、Co元素,采用CuO-ZnO-Fe2O3铁氧体以及CoO-ZnO-Fe2O3铁氧体与Ni、Zn铁氧体的复合配方体系,综合调控元素添加比例,构建CuO-ZnO-Fe2O3-NiO和CoO-ZnO-Fe2O3-NiO四元系。充分发挥Cu、Co元素材料特性,同时考虑均匀显微结构及高频磁导率等特征,改善材料磁导率的高频特性,获得具有优异高频磁导率特性的软磁铁氧体材料[7-8]。

设定Cu、Co复合配方质量浓度分别为1.139 g/mL、1.142 g/mL、1.144 g/mL、1.149 g/mL,观察样品的微观结构,如图1所示,随着不同量Cu、Co复合配方的增加,NiZnFe铁氧体平均晶粒尺寸增加、密度增大,但晶粒尺寸的标准偏差也增大,均匀性略有降低,如图1所示。

随Cu、Co复合配方含量增加,铁磁材料复数磁导率实部μ′与虚部μ″在低频范围(1～10 MHz)内均增加,在低频时动态磁化过程主要由畴壁位移决定,在高频范围内(10 MHz以上)复数磁导率主要由磁畴内部磁矩转动机制决定,如图2所示。

图2 NiZnFe铁氧体居里温度Tc随Cu、Co含量的变化关系曲线

试验结果表明,Cu、Co复合配方含量复合添加量占高磁导率铁磁芯总质量的0.04%时,可以兼顾高磁导率与高阻抗的特性。

此外,铁磁芯制备过程中,材料的烧结温度对磁体性能影响较大,不同烧结温度下磁芯的密度有所不同,如图3所示。

图3 不同烧结温度下样品的显微结构

分别使用1230～1290 ℃的温度进行烧结试验,随着烧结温度升高,磁芯材料内部晶粒的生长速率先增大后减小,晶粒生长的过程中,气孔被不断排出,磁芯显微结构密度先升后降,材料的致密化得以实现。

Cu、Co复合配方添加体系主配方试验中,随着Cu、Co含量的增多,铁氧体材料的饱和磁感应强度略有降低,起始磁导率显著升高,矫顽力、剩余磁感应强度呈下降趋势,居里温度则是单调下降。当铁氧体中Cu、Co复合配方的质量浓度为1.15 g/mL时,可研制出具有高磁导率(μi=1410),高饱和磁感应强度(Bs=345 mT),低矫顽力(Hc=16 A/m)的NiCuZn磁芯材料,在保证磁芯性能的前提下,有效降低了磁芯的制备成本。

本项目制备的磁芯磁导率频谱在0.3～40 MHz下磁导率实部≥86.1,40～100 MHz下磁导率实部≥26,进而保障了在较宽的频带范围内均有较高的灵敏度。

2 宽频带传感器封装工艺研究

电缆局部放电检测装置的性能很大程度上受传感器封装工艺的影响,磁饱和及发热是装置封装工艺中的主要问题。当磁通量通过气隙时,形成一个高磁阻路径,此时磁通量将沿着气隙绕组导体通过并感应出涡流。当频率较低时,边缘磁通不会对装置总功率损耗造成显著影响,但当频率较高时,边缘磁通在绕组导体中引发高涡流效应,造成功率损耗和测量失真。

本文提出主动引入气隙的方法,利用磁芯气隙处的磁阻抗提高磁场饱和强度、降低磁芯发热。该方法的原理在于引入气隙后,可以有效地切断原有磁芯中的闭合回路,限制了涡流的产生,降低了磁芯材料中的磁感应强度,提高了一次侧绕组的通流能力,因此可以有效降低发热。

通过分析B-H曲线可见,引入气隙后B-H曲线显示出剪切轮廓,通过考虑气隙区域的磁通边缘,可进一步分析相对磁导率的变化以及磁通路径的整体磁导率,当在由气隙隔开的2个磁芯之间流动时,边缘磁通近似为半圆形,如图4所示。

图4 气隙对磁芯磁化曲线的影响

考虑边缘形状的边缘磁导可通过如下公式计算：

(1)

式中：μ0为空气磁导率;L为总长度;X是外径;g是气隙宽度。

最终气隙的磁导近似为直线磁导Ps和4个边缘磁导元素Pf的总和[9-10]。

边缘磁导和总气隙磁导率随气隙长度的变化而变化,通过改变气隙形状可以改变气隙周围的磁导率通量和分布。为了解决磁场耦合问题,除了线性气隙外,还对锯齿形气隙和阶梯式气隙通过瞬态与稳态相结合的方式开展仿真,瞬态电磁模型向稳态热模型提供铁芯损耗和焦耳损耗信息,稳态热模型使用此信息作为热源进行分析,如图5所示。传感器的磁芯损耗,包括磁滞、涡流和额外损耗,使用Bertotti方法计算：

(2)

图5 线性、锯齿形和阶梯磁芯结构

式中：P为发热损耗;kh为Bertotti 系数;Bm为磁场幅值;f为工作频率;ah为磁场涡流损耗系数;βh为频率杂散损耗系数。

磁通分布可分为流过铁芯的主磁通和流过绕组区域的边缘磁通,由于主磁通不会进入绕组区域,因此不会在绕组导体中感应出任何涡流,边缘通量会引起涡流并导致焦耳损失,如图6所示。这种现象以热点形式表现出来,导致靠近气隙的绕组导体的热量增加,是造成传感器绕组退化的原因。在高频应用中,边缘磁通足以导致高绕组和热损耗,将气隙剖面从线性变为锯齿形,并且锯齿形剖面与阶梯剖面是减少边缘最有效的方法。

图6 不同气隙结构的磁通分布

磁芯结构参数及实物如表1及图7所示。

表1 磁芯结构参数表

图7 高磁导率磁芯结构实物图

3 宽频带、高磁导率电缆局部放电检测装置工程应用

为验证宽频带、高磁导率电缆局部放电检测装置工程应用效果,选取某地区实际在运高压电缆线路220 kV 6条27.8 km、66 kV 10条32.5 km,共计48个点位开展局部放电测试,共检测出安全隐患2处,已配合属地供电公司完成整改,有效避免了设备运行故障,如图8、图9所示。

图8 在运高压电缆检测现场

图9 在运高压电缆检测结果

从图9典型测试图谱中可以看出,在宽频带、高磁导率电缆局部放电检测装置8～10 MHz频段上均有信号,包含于局部放电产生的信号频带内,根据PRPD图谱,频段内信号有180°对应关系,根据放电点时域谱图,判定存在高压电缆局部放电缺陷。

4 结语

本文研发的宽频带、高磁导率电缆局部放电检测装置最低检测灵敏度可达24 mV/mA,优于国内外现有同类产品检测灵敏度,且检测频带较宽。

装置大幅提升了国产检测装置的灵敏度和可靠性,实现国产设备对电力电缆稳定、可靠的带电检测能力,使电力电缆等设备的运行检测能力大幅提升,降低事故发生概率,具有显著的社会效益和经济效益。