電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)探析

潘志卿

（上海交通大學(xué)，上海200240）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)電力電纜的生產(chǎn)逐漸躋身世界先進(jìn)行列，而且質(zhì)量也名列世界前列。我國(guó)發(fā)電站和電網(wǎng)發(fā)展迅猛，風(fēng)能、核能等清潔能源越來越受到重視，使得電網(wǎng)規(guī)模、裝機(jī)容量和電力線路的需求越來越高。電力電纜因其不影響地面的景觀且不易受到污染、不需要過多維護(hù)、可減少事故、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用，尤其是在人口密集的城鎮(zhèn)地區(qū)、交通擁擠地區(qū)、污染嚴(yán)重地區(qū)以及跨度大難以建設(shè)架空線的區(qū)域等。

1 電力電纜產(chǎn)生故障及局部放電的原因

電力電纜一般都是由交聯(lián)聚乙烯（XLPE）制作的，正常工作壽命一般是二三十年，但是它們經(jīng)常處于條件惡劣的地下，使得壽命受到了很大影響。XLPE電纜長(zhǎng)期受土壤和水分的浸潤(rùn)，極易被腐蝕，而且材料本身或制作時(shí)的缺陷會(huì)使得絕緣層很快老化，甚至出現(xiàn)短路等故障，破壞電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

XLPE電纜出現(xiàn)故障的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）絕緣老化：包括化學(xué)反應(yīng)引起的熱老化、化學(xué)性老化，由于空隙部分產(chǎn)生電暈的電氣老化，水分侵蝕呈現(xiàn)的水樹枝老化等，可以通過測(cè)量電纜介質(zhì)損耗角的正切值、直流漏電電流等來判斷老化程度，后者一般只能停電檢測(cè)，而前者可以通過在線監(jiān)測(cè)方式實(shí)現(xiàn)。

（2）機(jī)械損傷：一般由外力造成，如在運(yùn)輸、挖土等過程中產(chǎn)生的破壞，例如，一些車輛超載導(dǎo)致地面振動(dòng)，就會(huì)使得道路附近的電纜受到破壞。

（3）過電壓：電纜內(nèi)部電流電壓過大或電纜遭受雷擊產(chǎn)生的過電壓超出了電纜所能承受的允許值而破壞了電纜絕緣層，產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。

（4）材料本身或工藝存在缺陷：電纜在制造過程中絕緣層上出現(xiàn)裂紋、褶皺或缺口等，電纜附件制造時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度不夠、砂眼或者不符合規(guī)范等缺陷。

電力電纜出現(xiàn)的局部放電主要是絕緣部分被擊穿產(chǎn)生的電氣放電，多發(fā)生在絕緣較薄弱處，可能是導(dǎo)體附近，也可能是其他地方。局部放電一般出現(xiàn)在絕緣層內(nèi)或電纜表層的氣隙中，這主要是由于在固體和液體中介電常數(shù)要比在空氣中大，這就使得正常氣壓下固液介質(zhì)的擊穿電壓一般要高于氣體的，而且電纜周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度要比氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度高，所以氣隙更容易被擊穿，產(chǎn)生放電，而其他地方仍然能夠起到一定的絕緣作用，這樣就會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。電纜剛出現(xiàn)故障時(shí)，各個(gè)部分的絕緣性能不相同，電纜內(nèi)部的電荷不能均勻分布，這就造成電場(chǎng)強(qiáng)度各有差異。這時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度較大的地方就有可能先出現(xiàn)放電現(xiàn)象，但不會(huì)立刻擊穿，從而產(chǎn)生了電纜絕緣層內(nèi)的局部放電。

2 電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)的重要作用

傳統(tǒng)的電力電纜絕緣性能監(jiān)測(cè)方式一般是進(jìn)行定期試驗(yàn)。這種試驗(yàn)通常在雷雨季節(jié)前的春檢時(shí)期將電網(wǎng)關(guān)閉，然后統(tǒng)一檢驗(yàn)設(shè)備的絕緣性能，并將檢驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，如果超出標(biāo)準(zhǔn)值，就需要對(duì)該設(shè)備進(jìn)行檢修。這是一種預(yù)防式的維護(hù)方法，它在我國(guó)已經(jīng)使用40多年了，在一定程度上保證了電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。然而從長(zhǎng)期來看，這種方式存在很大的局限性。首先，定期試驗(yàn)過程需要對(duì)電網(wǎng)停電才能進(jìn)行，這不但會(huì)給各企業(yè)和個(gè)人帶來很大損失，還會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，安排工作也是個(gè)很大的問題。其次，定期試驗(yàn)和電纜或設(shè)備的實(shí)際工作環(huán)境不匹配會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。試驗(yàn)一般在電壓較低的條件下進(jìn)行，而電纜或設(shè)備常常工作在高壓狀態(tài)，還可能存在熱應(yīng)力等問題，這樣在工作中出現(xiàn)的一些缺陷有可能在試驗(yàn)中檢測(cè)不出來。而且，電纜各個(gè)部位出現(xiàn)絕緣老化的速度不盡相同，這就使得各種故障有著不同的潛伏期和發(fā)展期，定期試驗(yàn)可能會(huì)漏報(bào)即將出現(xiàn)故障的部位或者早報(bào)可能出現(xiàn)的問題。

20世紀(jì)70年代以后，我國(guó)裝機(jī)容量飛快增長(zhǎng)，原有預(yù)防性維修體系的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)不能滿足裝機(jī)要求，于是人們便提出了在線監(jiān)測(cè)的方法，即在設(shè)備正常運(yùn)行的狀態(tài)下，對(duì)其絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)得到的信息進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)絕緣狀況不好的地方就及時(shí)進(jìn)行維修。這是一種預(yù)知性的維修方式，可以有效地提高設(shè)備利用率和可靠性，降低維修成本。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用基于在線監(jiān)測(cè)的預(yù)知性維修每年可以減少維修費(fèi)用1／4以上，故障停機(jī)時(shí)間減少3／4。

3 局部放電在線監(jiān)測(cè)方法

在線監(jiān)測(cè)的思想最早是由美國(guó)的約翰遜提出來的，經(jīng)過60多年的發(fā)展，電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步和完善，形成了以下幾種方法：

（1）差分法。這是日本研發(fā)的一種監(jiān)測(cè)方法，即將兩塊金屬箔用粘合劑粘在電纜中間接頭兩側(cè)的金屬屏蔽層上，這樣金屬箔和屏蔽層的中間就構(gòu)成了近2 000 p F的等效電容。然后把一個(gè)50Ω的電阻接入兩塊金屬箔中間，使得上述等效電容、電阻和電纜絕緣層之間形成一個(gè)檢測(cè)回路。如果電纜某端出現(xiàn)局部放電，電信號(hào)與絕緣層之間的等效電容形成耦合作用，檢測(cè)回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，電阻中就會(huì)檢測(cè)到電信號(hào)。對(duì)檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可知，如果頻譜分析的中心頻率在10～20 MHz之間，產(chǎn)生的信噪比是最大的。這種差分法在線監(jiān)測(cè)電路能夠像差動(dòng)平衡回路一樣，電阻兩端電壓值不會(huì)降低，干擾信號(hào)經(jīng)過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓降，所以能夠起到抑制干擾的作用。

（2）方向耦合法。它的主要部件是方向耦合器，由羅格夫斯基線圈、電極板和兩個(gè)終端電阻組成，金屬屏蔽層和電極板中間會(huì)形成一個(gè)等效電容。該方法需要在電纜中間接頭的兩端都裝上方向耦合器。當(dāng)電纜中產(chǎn)生局部放電信號(hào)時(shí)，電信號(hào)從一端傳向另一端，于是在等效電容和線圈中能檢測(cè)到脈沖信號(hào)。局部放電信號(hào)的傳播方向是根據(jù)電容中產(chǎn)生的耦合信號(hào)和線圈中產(chǎn)生的耦合信號(hào)的大小關(guān)系來確定的，這樣就可以判斷出放電信號(hào)產(chǎn)生的部位。這種方法靈敏度高，監(jiān)測(cè)頻帶較寬，且抗干擾能力較強(qiáng)。

（3）電磁耦合法。這種方法最早應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和變壓器中，后來才逐漸應(yīng)用到電力電纜監(jiān)測(cè)上。運(yùn)用電磁耦合思想進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方式有多種，它們使用不同的傳感器和結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)部位和抗干擾手段也各不相同。一般使用的電流傳感器是帶鐵氧體磁芯的寬頻帶羅氏線圈型，監(jiān)測(cè)部位包括電纜終端金屬屏蔽層接地引線處、電纜上或者中間接頭屏蔽層。

（4）超高頻電容耦合法。將接頭附近電纜上的外護(hù)套削去一部分，使得外半導(dǎo)電層的金屬箔形成一個(gè)電極，用導(dǎo)線連接屏蔽層，電容耦合器輸出檢測(cè)到的電信號(hào)。低頻電壓時(shí)，外半導(dǎo)電層電阻較小，耦合器不會(huì)破壞絕緣。當(dāng)出現(xiàn)超高頻電壓時(shí)，可以很好地檢測(cè)到放電信號(hào)。

除上述方法外，還有超高頻電感耦合法和超聲波檢測(cè)等電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。

4 當(dāng)前在線監(jiān)測(cè)方法存在的不足

電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)通常在理論上具有很強(qiáng)的可行性，但在實(shí)際應(yīng)用中存在很多問題，難以達(dá)到預(yù)期效果，這主要是由于在實(shí)際工作條件下，外界存在較強(qiáng)的電磁干擾，硬件很難完全抵消；采集到的信號(hào)強(qiáng)度不夠，幅值小，很容易被噪聲淹沒；沒有足夠優(yōu)良的絕緣優(yōu)劣評(píng)估技術(shù)?？偠灾娏﹄娎|在實(shí)際工作中所處的環(huán)境比試驗(yàn)條件要復(fù)雜得多，這直接影響了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著信號(hào)采集技術(shù)、抗干擾技術(shù)、濾波技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)的手段將日益完善，在實(shí)際應(yīng)用中也將會(huì)逐漸適應(yīng)各種各樣的復(fù)雜環(huán)境，從而在電力電纜線路的安全運(yùn)行中發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］沈黎明．電力電纜應(yīng)用技術(shù)［M］．鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2011

［2］卓金玉，韓雪清．電力電纜設(shè)計(jì)原理［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

［3］徐丙垠，李勝祥，陳宗．電力電纜故障探測(cè)技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

［4］速水敏幸．電力設(shè)備的絕緣診斷［M］．劉曉萱，譯．北京：科學(xué)出版社，2003