一種寬頻帶、高磁導率電纜局部放電檢測裝置的研制與應用

楊巧為,陳 蓉,多俊龍

(1.重慶國際復合材料股份有限公司,重慶 404100;2.國網沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110052)

0 引言

隨著城市建設快速發展,架空輸電線路走廊用地越發緊張,大中型城市內新建、改造地下電纜輸電線路數量不斷增加,電纜已經成為高電壓等級電能傳輸的重要載體。但在長期運行過程中,受地下潮濕環境及電纜本身材料質量影響,電纜絕緣層很可能出現老化、破損等問題,導致電纜出現外層局部放電缺陷,長時間帶傷運行可能導致電纜絕緣層徹底損壞甚至發生爆炸。

通過對電纜絕緣層局部放電量進行檢測和分析,能夠有效掌握電纜絕緣層劣化程度,及時消除運行安全隱患。目前通常使用高頻電流法進行電纜局部放電檢測,由于高壓電力電纜絕緣材料通常為交聯聚氯乙烯,其局部放電量較小、對檢測器件靈敏度要求較高,同時局部放電為脈沖信號,其特征頻帶范圍寬、現場環境背景噪聲多,很難僅從單一頻率下的信號判斷局部放電是否發生,實際檢測過程中存在漏報、誤報等現象。

因此,自主研發新型寬頻帶、高磁導率鐵氧體磁芯材料,解決現有檢測裝置靈敏度低的問題,創新傳感器封裝工藝,協同提升檢測裝置各項參數,開發出一種寬頻帶、高磁導率電纜局部放電檢測裝置,在66 kV電壓等級電纜線路上實際應用,對提升我國電力電纜帶電檢測技術水平,保障電力電纜的安全可靠運行具有重要意義[1-6]。

1 高磁導率鐵磁芯制備研究

高壓電纜局部放電檢測裝置的核心部件是磁芯,其磁導率大小直接影響檢測裝置適用頻帶范圍和靈敏度,因此如何通過合理添加輔助元素,突破磁芯磁導率低這一技術難點亟待解決。

常規磁芯通常采用NiO-ZnO-Fe2O3三元系復合材料,技術較為成熟,但受其成分配方和制備工藝限制,磁芯磁導率偏低。本文提出通過復合添加Cu、Co元素,采用CuO-ZnO-Fe2O3鐵氧體以及CoO-ZnO-Fe2O3鐵氧體與Ni、Zn鐵氧體的復合配方體系,綜合調控元素添加比例,構建CuO-ZnO-Fe2O3-NiO和CoO-ZnO-Fe2O3-NiO四元系。充分發揮Cu、Co元素材料特性,同時考慮均勻顯微結構及高頻磁導率等特征,改善材料磁導率的高頻特性,獲得具有優異高頻磁導率特性的軟磁鐵氧體材料[7-8]。

設定Cu、Co復合配方質量濃度分別為1.139 g/mL、1.142 g/mL、1.144 g/mL、1.149 g/mL,觀察樣品的微觀結構,如圖1所示,隨著不同量Cu、Co復合配方的增加,NiZnFe鐵氧體平均晶粒尺寸增加、密度增大,但晶粒尺寸的標準偏差也增大,均勻性略有降低,如圖1所示。

隨Cu、Co復合配方含量增加,鐵磁材料復數磁導率實部μ′與虛部μ″在低頻范圍(1～10 MHz)內均增加,在低頻時動態磁化過程主要由疇壁位移決定,在高頻范圍內(10 MHz以上)復數磁導率主要由磁疇內部磁矩轉動機制決定,如圖2所示。

圖2 NiZnFe鐵氧體居里溫度Tc隨Cu、Co含量的變化關系曲線

試驗結果表明,Cu、Co復合配方含量復合添加量占高磁導率鐵磁芯總質量的0.04%時,可以兼顧高磁導率與高阻抗的特性。

此外,鐵磁芯制備過程中,材料的燒結溫度對磁體性能影響較大,不同燒結溫度下磁芯的密度有所不同,如圖3所示。

圖3 不同燒結溫度下樣品的顯微結構

分別使用1230～1290 ℃的溫度進行燒結試驗,隨著燒結溫度升高,磁芯材料內部晶粒的生長速率先增大后減小,晶粒生長的過程中,氣孔被不斷排出,磁芯顯微結構密度先升后降,材料的致密化得以實現。

Cu、Co復合配方添加體系主配方試驗中,隨著Cu、Co含量的增多,鐵氧體材料的飽和磁感應強度略有降低,起始磁導率顯著升高,矯頑力、剩余磁感應強度呈下降趨勢,居里溫度則是單調下降。當鐵氧體中Cu、Co復合配方的質量濃度為1.15 g/mL時,可研制出具有高磁導率(μi=1410),高飽和磁感應強度(Bs=345 mT),低矯頑力(Hc=16 A/m)的NiCuZn磁芯材料,在保證磁芯性能的前提下,有效降低了磁芯的制備成本。

本項目制備的磁芯磁導率頻譜在0.3～40 MHz下磁導率實部≥86.1,40～100 MHz下磁導率實部≥26,進而保障了在較寬的頻帶范圍內均有較高的靈敏度。

2 寬頻帶傳感器封裝工藝研究

電纜局部放電檢測裝置的性能很大程度上受傳感器封裝工藝的影響,磁飽和及發熱是裝置封裝工藝中的主要問題。當磁通量通過氣隙時,形成一個高磁阻路徑,此時磁通量將沿著氣隙繞組導體通過并感應出渦流。當頻率較低時,邊緣磁通不會對裝置總功率損耗造成顯著影響,但當頻率較高時,邊緣磁通在繞組導體中引發高渦流效應,造成功率損耗和測量失真。

本文提出主動引入氣隙的方法,利用磁芯氣隙處的磁阻抗提高磁場飽和強度、降低磁芯發熱。該方法的原理在于引入氣隙后,可以有效地切斷原有磁芯中的閉合回路,限制了渦流的產生,降低了磁芯材料中的磁感應強度,提高了一次側繞組的通流能力,因此可以有效降低發熱。

通過分析B-H曲線可見,引入氣隙后B-H曲線顯示出剪切輪廓,通過考慮氣隙區域的磁通邊緣,可進一步分析相對磁導率的變化以及磁通路徑的整體磁導率,當在由氣隙隔開的2個磁芯之間流動時,邊緣磁通近似為半圓形,如圖4所示。

圖4 氣隙對磁芯磁化曲線的影響

考慮邊緣形狀的邊緣磁導可通過如下公式計算：

(1)

式中：μ0為空氣磁導率;L為總長度;X是外徑;g是氣隙寬度。

最終氣隙的磁導近似為直線磁導Ps和4個邊緣磁導元素Pf的總和[9-10]。

邊緣磁導和總氣隙磁導率隨氣隙長度的變化而變化,通過改變氣隙形狀可以改變氣隙周圍的磁導率通量和分布。為了解決磁場耦合問題,除了線性氣隙外,還對鋸齒形氣隙和階梯式氣隙通過瞬態與穩態相結合的方式開展仿真,瞬態電磁模型向穩態熱模型提供鐵芯損耗和焦耳損耗信息,穩態熱模型使用此信息作為熱源進行分析,如圖5所示。傳感器的磁芯損耗,包括磁滯、渦流和額外損耗,使用Bertotti方法計算：

(2)

圖5 線性、鋸齒形和階梯磁芯結構

式中：P為發熱損耗;kh為Bertotti 系數;Bm為磁場幅值;f為工作頻率;ah為磁場渦流損耗系數;βh為頻率雜散損耗系數。

磁通分布可分為流過鐵芯的主磁通和流過繞組區域的邊緣磁通,由于主磁通不會進入繞組區域,因此不會在繞組導體中感應出任何渦流,邊緣通量會引起渦流并導致焦耳損失,如圖6所示。這種現象以熱點形式表現出來,導致靠近氣隙的繞組導體的熱量增加,是造成傳感器繞組退化的原因。在高頻應用中,邊緣磁通足以導致高繞組和熱損耗,將氣隙剖面從線性變為鋸齒形,并且鋸齒形剖面與階梯剖面是減少邊緣最有效的方法。

圖6 不同氣隙結構的磁通分布

磁芯結構參數及實物如表1及圖7所示。

表1 磁芯結構參數表

圖7 高磁導率磁芯結構實物圖

3 寬頻帶、高磁導率電纜局部放電檢測裝置工程應用

為驗證寬頻帶、高磁導率電纜局部放電檢測裝置工程應用效果,選取某地區實際在運高壓電纜線路220 kV 6條27.8 km、66 kV 10條32.5 km,共計48個點位開展局部放電測試,共檢測出安全隱患2處,已配合屬地供電公司完成整改,有效避免了設備運行故障,如圖8、圖9所示。

圖8 在運高壓電纜檢測現場

圖9 在運高壓電纜檢測結果

從圖9典型測試圖譜中可以看出,在寬頻帶、高磁導率電纜局部放電檢測裝置8～10 MHz頻段上均有信號,包含于局部放電產生的信號頻帶內,根據PRPD圖譜,頻段內信號有180°對應關系,根據放電點時域譜圖,判定存在高壓電纜局部放電缺陷。

4 結語

本文研發的寬頻帶、高磁導率電纜局部放電檢測裝置最低檢測靈敏度可達24 mV/mA,優于國內外現有同類產品檢測靈敏度,且檢測頻帶較寬。

裝置大幅提升了國產檢測裝置的靈敏度和可靠性,實現國產設備對電力電纜穩定、可靠的帶電檢測能力,使電力電纜等設備的運行檢測能力大幅提升,降低事故發生概率,具有顯著的社會效益和經濟效益。