XLPE電力電纜局部放電在線測(cè)試的現(xiàn)狀與探討

章銘杰，周 雁

(上海華普電纜有限公司，上海201111)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜內(nèi)部常存在一些微缺陷，例如由于制造工藝或原材料問題造成的絕緣內(nèi)部的氣隙或氣泡、絕緣料的焦粒、屏蔽層的突起或嵌入、導(dǎo)體的毛刺，以及電纜在敷設(shè)中的損傷、運(yùn)行中絕緣介質(zhì)的樹枝狀老化等，這些缺陷在高電壓作用下容易首先發(fā)生放電。局部放電測(cè)試能夠在較寬的頻帶范圍內(nèi)獲取電纜內(nèi)的放電特征信息，被公認(rèn)為是最有效的電纜故障診斷方法之一。但是，目前XLPE電力電纜局部放電在線測(cè)試的效果不甚理想，問題的根源在于:現(xiàn)場(chǎng)電纜連接系統(tǒng)復(fù)雜，周圍的電磁場(chǎng)干擾影響較大;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試受隨機(jī)噪聲干擾影響較大;局放脈沖信號(hào)在電纜中傳播受到衰減、反射等因素影響，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度較低。因此，研究如何能使局部放電在線測(cè)試取得更好的測(cè)試效果，具有重要的實(shí)際意義。

1 XLPE電力電纜的局放在線檢測(cè)方法

對(duì)XLPE電力電纜進(jìn)行局部放電測(cè)試，需要通過各種信號(hào)耦合方式，把放電信號(hào)耦合到測(cè)量系統(tǒng)中，然后以局部放電所產(chǎn)生的各種能量為依據(jù)，通過能表述該能量的物理量來表征放電的狀態(tài)。局部放電的過程中，除伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗以外，還會(huì)產(chǎn)生聲波、發(fā)光、發(fā)熱等。因此，相應(yīng)地出現(xiàn)了脈沖電流法、電磁耦合法、電容型耦合法、電感型耦合法、方向型耦合法、超高頻法、超聲波法、光纜感溫測(cè)試法、氣相色譜法、光測(cè)法、無線電干擾檢測(cè)法等多種檢測(cè)方法。

1.1 脈沖電流法

脈沖電流法就是我們?cè)诰址牌帘问覂?nèi)常用的測(cè)試方法，即耦合電容法。IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了局放脈沖電流測(cè)試方法，脈沖值有統(tǒng)一的準(zhǔn)則和規(guī)范，通過標(biāo)定可以檢測(cè)出局放的視在放電量。這種方法被認(rèn)為是靈敏度最高的測(cè)試方法，但不能應(yīng)用于XLPE電力電纜局部放電在線測(cè)試，在研究中我們將它用作在線測(cè)試的對(duì)比參照。

1.2 電磁耦合法

電磁耦合法是通過檢測(cè)電纜金屬屏蔽層接地線中因局放引起的脈沖電流，再通過檢測(cè)阻抗將信號(hào)送到測(cè)試儀獲得放電量(也有被稱為電感型耦合法)。它是研究最早、較廣泛地應(yīng)用于離線和在線局放測(cè)試的一種耦合方法。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)XLPE電纜局部放電的檢測(cè)，首先必須用電磁耦合傳感器有效地提取放電信號(hào)，所以電磁耦合傳感器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該傳感器一般由磁芯、線圈、積分電阻等構(gòu)成，如圖1所示。電磁耦合傳感器按頻帶可分為窄帶和寬帶兩種，窄帶傳感器頻寬一般在10 kHz左右，中心頻率在20～30 kHz之間或更高;寬帶傳感器帶寬為100 kHz左右或更寬，中心頻率在200～400 kHz之間。

圖1 電磁耦合傳感器

1.3 電容耦合法

電容耦合傳感器是從局放信號(hào)的電場(chǎng)中耦合能量，直接得到電信號(hào)。電容耦合法可以利用電纜及其接頭中已有的金屬結(jié)構(gòu)，也可以另外安裝金屬容性電極從而直接耦合獲取放電產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)。

電容耦合傳感器分為內(nèi)置式和外置式:

(1)內(nèi)置式。一般安裝在半導(dǎo)體屏蔽層上，對(duì)于電纜接頭，也可以利用應(yīng)力錐或接頭周圍的半導(dǎo)體層直接作為檢測(cè)電極。圖2為內(nèi)置電容耦合傳感器的安裝示意圖。取一段靠近接頭的電纜，剝?nèi)ゲ糠滞庾o(hù)套，將金屬箔片貼在外半導(dǎo)電層上作為電極，信號(hào)從此電極引出，切斷的金屬屏蔽層再用導(dǎo)線連接。在工頻電壓下，由于外半導(dǎo)電層的阻抗遠(yuǎn)小于絕緣層的阻抗，半導(dǎo)電層可視為工頻地電位，故電容耦合器并不影響電纜絕緣承受工頻高壓的效果。在超高頻下，外半導(dǎo)電層阻抗與絕緣層阻抗可比，而金屬屏蔽層為地電位，高頻信號(hào)可從半導(dǎo)電層引出進(jìn)行測(cè)量。

圖2 內(nèi)置電容耦合傳感器安裝示意圖

(2)外置式。直接將金屬電極貼附于電纜或接頭的護(hù)套外表面，無需接觸電纜或接頭內(nèi)部的任何部件，故不影響原有的絕緣性能，而且安裝也非常簡(jiǎn)單，適合于現(xiàn)場(chǎng)及在線檢測(cè)。日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社利用這種方法研制了一種便攜式局放測(cè)試儀，安裝示意圖如圖3所示。將一對(duì)電極安裝在電纜接頭兩側(cè)，接頭中間的屏蔽層用絕緣墊圈隔開，金屬屏蔽層與線芯導(dǎo)體形成等效電容，金屬電極與金屬屏蔽層也形成等效電容，再用檢測(cè)阻抗將兩電極相連。當(dāng)電纜接頭一側(cè)發(fā)生放電時(shí)，另一側(cè)的等效電容就可以作為耦合電容與檢測(cè)阻抗一起構(gòu)成檢測(cè)回路從而耦合局放信號(hào)。

圖3 外置電容耦合傳感器安裝示意圖

1.4 高頻電流傳感法

將高頻電流傳感器(HFCT )套在電纜本體或電纜的接地線上，當(dāng)電纜內(nèi)發(fā)生局放時(shí)，會(huì)有電流通過外屏蔽層或接地線流入大地，HFCT可采集到局放電流信號(hào)并傳輸?shù)骄址艤y(cè)試分析儀。一般用于電纜局放檢測(cè)的HFCT選擇100 kHz～20 MHz的帶寬頻段。HFCT安裝方便，且信號(hào)帶寬可根據(jù)檢測(cè)需要調(diào)整。

1.5 電感耦合法

局部放電信號(hào)沿電纜傳播時(shí)，產(chǎn)生的電磁波信號(hào)向周圍空間輻射能量，電力電纜的金屬屏蔽層并不能將磁場(chǎng)能量完全束縛在電纜內(nèi)部，所以在電纜護(hù)套層外直接繞包電感線圈就可以耦合到放電信號(hào)。電感耦合法示意圖見圖4。局放電流在外屏蔽層的螺旋導(dǎo)線中流動(dòng)時(shí)可分解為沿電纜表面切向和沿電纜軸向兩個(gè)方向的電流分量，其中軸向電流分量可在包繞電纜表面的帶狀傳感器上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

圖4 電感耦合法

1.6 超高頻傳感器(UHF)法

電纜或者電纜附件內(nèi)發(fā)生局放時(shí)，會(huì)向周圍空間輻射出超高頻電磁波，UHF檢測(cè)法通過超寬頻帶天線，可以檢測(cè)到局放所激發(fā)的頻率為300 Hz～3 GHz的超高頻電磁波。常見的雙臂平面等角螺旋傳感器可用于外置式電纜局放檢測(cè)及定位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 外置式超高頻傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

UHF檢測(cè)一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行局放定位，通過使用2個(gè)或2個(gè)以上的UHF傳感器，能夠較好地對(duì)局放源進(jìn)行定位。UHF傳感器不需要接觸到導(dǎo)體及電纜終端的高壓部分，且UHF傳感器可以移動(dòng)檢測(cè)，適用于在線檢測(cè)。

1.7 方向耦合傳感法

方向耦合傳感器安裝于電纜的外半導(dǎo)體層和金屬護(hù)套之間，這樣的安裝不會(huì)影響電纜的高壓性能，圖6為方向耦合傳感器的安裝結(jié)構(gòu)圖。

圖6 方向耦合傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖

兩個(gè)方向耦合傳感器被安裝在電纜接頭的兩邊，傳感器只能感應(yīng)到其一側(cè)來的脈沖，這樣就可以通過測(cè)量脈沖到達(dá)A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)中的某幾個(gè)點(diǎn)來判斷脈沖傳播的方向。

如果只有A點(diǎn)和C點(diǎn)檢測(cè)到脈沖，說明電纜接頭左方有局放故障;而B點(diǎn)和C點(diǎn)檢測(cè)到脈沖就說明是接頭處有局放故障;如果B點(diǎn)和D點(diǎn)檢測(cè)到脈沖就說明接頭右端有局放故障。這一方法可以有效地區(qū)分脈沖的方向，有利于進(jìn)一步辨識(shí)脈沖是局放還是噪聲。

1.8 聲發(fā)射(AE)檢測(cè)法

電力電纜內(nèi)發(fā)生局放時(shí)會(huì)伴有聲波發(fā)射現(xiàn)象，使用超聲波傳感器，能夠探測(cè)出電纜和電纜附件中的局放現(xiàn)象。超聲波檢測(cè)法避免了與高壓電纜等的直接電氣連接，適用于電纜不需斷電的局放在線檢測(cè)。研究表明，局放聲波產(chǎn)生的頻率范圍為20～110 kHz。

1.9 分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)

電纜在運(yùn)行過程中，電纜的局部放電會(huì)引起電纜本體的局部溫度升高。目前智能電網(wǎng)大量使用光纖復(fù)合電纜，在光纖組合中就能配置多模感溫光纖，通過分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)電纜的溫度，可獲取電纜絕緣的工作溫升分布狀況，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)因局部放電造成的電纜局部溫度升高，并且定位。分布式光纖溫度傳感技術(shù)測(cè)試距離誤差可達(dá)到±1 m之內(nèi)，測(cè)試溫度誤差達(dá)到±0.1℃之內(nèi)。

2 各種局放在線檢測(cè)方法討論分析

2.1 測(cè)試方法對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

局放信號(hào)耦合方式在局部放電在線測(cè)試中是很重要的環(huán)節(jié)，改變信號(hào)的取樣方法，就會(huì)對(duì)測(cè)試效果產(chǎn)生很大的影響。比如用高頻電流傳感器對(duì)一根故障電纜進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證改變測(cè)試帶寬和接線方式對(duì)測(cè)試背景的影響有多大。把兩個(gè)高頻電流傳感器:一個(gè)為高通300 K，另一個(gè)為高通1.6 M，先將它們套接在耦合電容和檢測(cè)阻抗的連接線上，如圖7所示;后又將它們套在故障電纜屏蔽層接地線上，如圖8所示。分別向試驗(yàn)系統(tǒng)注入5pC標(biāo)定脈沖信號(hào)，在前者接線方式中，系統(tǒng)檢測(cè)背景噪聲都約為1.7 pC;后者接線方式中，高通300 K的背景噪聲約為3～4pC，高通1.6M的背景噪聲約為5 pC。上述試驗(yàn)，證實(shí)了HFCT具有較高的靈敏度，同時(shí)取樣方式的改變對(duì)靈敏度影響較大。

圖7 HFCT套在耦合電容和檢測(cè)阻抗連接線上

2.2 各種信號(hào)耦合方式的比較

每種測(cè)試方法都有它的優(yōu)點(diǎn)和局限性，只有揚(yáng)長(zhǎng)避短測(cè)試效果才能有效發(fā)揮。為此我們對(duì)各種XLPE電力電纜局放在線測(cè)試的信號(hào)耦合方式作了比較，見表1。

圖8 HFCT套在故障電纜接地線上

表1 各種信號(hào)耦合方式的比較

測(cè)試方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)方向耦合傳感法1.能準(zhǔn)確判斷脈沖傳播的方向2.和其他在線測(cè)試組合使用，能幫助辨識(shí)信號(hào)是局放還是噪聲易受到環(huán)境因素影響，如金屬片腐蝕造成不報(bào)，或受強(qiáng)磁場(chǎng)影響而誤報(bào)聲發(fā)射檢測(cè)法(AE)1.測(cè)量操作簡(jiǎn)便2.不受電磁噪聲的干擾1.聲波在電纜內(nèi)的傳輸會(huì)有較大的衰減，會(huì)影響測(cè)試靈敏度2.所測(cè)聲信號(hào)與放電量之間的關(guān)系尚不明確，通常需橫向比較測(cè)量結(jié)果來推斷局部放電的情況多模光纜溫度在線監(jiān)測(cè)1.測(cè)量數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單直觀2.數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)、追溯方便1.專設(shè)光纜成本高，一般在光纖復(fù)合電纜上使用較經(jīng)濟(jì)2.對(duì)周圍的熱源容易產(chǎn)生誤報(bào)

2.3 各種信號(hào)耦合方式的組合

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，使得每種XLPE電力電纜局放在線測(cè)試方式都有它的局限性。在實(shí)際測(cè)試工作中要盡量避開現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)測(cè)試的影響，采用合適的測(cè)試方法。比如在環(huán)境比較干燥，周圍沒有電磁干擾的情況下，采用外置式電容耦合法就比較有效;又比如在現(xiàn)場(chǎng)沒有電磁屏障時(shí)，采用UHF的效果非常好。

然而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)干擾情況往往是非常復(fù)雜的，為了能有效地進(jìn)行局放測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和條件，建議采用多種耦合方式組合進(jìn)行測(cè)試，比如常用的組合方式是將UHF和HFCT結(jié)合使用，UHF的頻段較高，可避開無線電廣播干擾，但容易受空間隨機(jī)脈沖干擾影響;HFCT容易受廣播干擾影響，但是受外界的隨機(jī)干擾影響較小，而且UHF局放檢測(cè)的靈敏度也較高，兩者組合正好能互補(bǔ)。圖9為各種信號(hào)耦合方式的組合示意圖，合理地組合運(yùn)用多種測(cè)試方法，能取得更好的測(cè)試效果。

圖9 各種信號(hào)耦合方式的組合示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

XLPE電力電纜局部放電在線測(cè)試技術(shù)的研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在實(shí)際測(cè)試工作中靈活運(yùn)用各種測(cè)試方法，主要的目的就是想方設(shè)法提高測(cè)試靈敏度，降低現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)測(cè)試工作的影響，有助于綜合分析電纜局放狀況。抑制噪聲、提高傳感器的靈敏度是推廣XLPE電力電纜局部放電在線測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵。如何分析局放測(cè)試數(shù)據(jù)、識(shí)別局放源類型乃至精確定位局放源，需要更多的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和理論研究。

［1］孫 波，黃成軍.電力電纜局部放電檢測(cè)技術(shù)的探討［J］.電線電纜，2009(3):38-41.

［2］朱曉輝，杜伯學(xué)，周風(fēng)爭(zhēng).高壓交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.絕緣材料，2009，42(5):58-63.