XLPE電力電纜局部放電在線測試的現狀與探討

章銘杰，周 雁

(上海華普電纜有限公司，上海201111)

0 引言

交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜內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部的氣隙或氣泡、絕緣料的焦粒、屏蔽層的突起或嵌入、導體的毛刺，以及電纜在敷設中的損傷、運行中絕緣介質的樹枝狀老化等，這些缺陷在高電壓作用下容易首先發生放電。局部放電測試能夠在較寬的頻帶范圍內獲取電纜內的放電特征信息，被公認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試的效果不甚理想，問題的根源在于:現場電纜連接系統復雜，周圍的電磁場干擾影響較大;現場測試受隨機噪聲干擾影響較大;局放脈沖信號在電纜中傳播受到衰減、反射等因素影響，導致檢測靈敏度較低。因此，研究如何能使局部放電在線測試取得更好的測試效果，具有重要的實際意義。

1 XLPE電力電纜的局放在線檢測方法

對XLPE電力電纜進行局部放電測試，需要通過各種信號耦合方式，把放電信號耦合到測量系統中，然后以局部放電所產生的各種能量為依據，通過能表述該能量的物理量來表征放電的狀態。局部放電的過程中，除伴隨著電荷的轉移和電能的損耗以外，還會產生聲波、發光、發熱等。因此，相應地出現了脈沖電流法、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、光纜感溫測試法、氣相色譜法、光測法、無線電干擾檢測法等多種檢測方法。

1.1 脈沖電流法

脈沖電流法就是我們在局放屏蔽室內常用的測試方法，即耦合電容法。IEC 60270標準規定了局放脈沖電流測試方法，脈沖值有統一的準則和規范，通過標定可以檢測出局放的視在放電量。這種方法被認為是靈敏度最高的測試方法，但不能應用于XLPE電力電纜局部放電在線測試，在研究中我們將它用作在線測試的對比參照。

1.2 電磁耦合法

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

為實現對XLPE電纜局部放電的檢測，首先必須用電磁耦合傳感器有效地提取放電信號，所以電磁耦合傳感器的設計是關鍵環節，該傳感器一般由磁芯、線圈、積分電阻等構成，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的電場中耦合能量，直接得到電信號。電容耦合法可以利用電纜及其接頭中已有的金屬結構，也可以另外安裝金屬容性電極從而直接耦合獲取放電產生的脈沖電流信號。

電容耦合傳感器分為內置式和外置式:

(1)內置式。一般安裝在半導體屏蔽層上，對于電纜接頭，也可以利用應力錐或接頭周圍的半導體層直接作為檢測電極。圖2為內置電容耦合傳感器的安裝示意圖。取一段靠近接頭的電纜，剝去部分外護套，將金屬箔片貼在外半導電層上作為電極，信號從此電極引出，切斷的金屬屏蔽層再用導線連接。在工頻電壓下，由于外半導電層的阻抗遠小于絕緣層的阻抗，半導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，高頻信號可從半導電層引出進行測量。

圖2 內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套外表面，無需接觸電纜或接頭內部的任何部件，故不影響原有的絕緣性能，而且安裝也非常簡單，適合于現場及在線檢測。日本住友電氣工業株式會社利用這種方法研制了一種便攜式局放測試儀，安裝示意圖如圖3所示。將一對電極安裝在電纜接頭兩側，接頭中間的屏蔽層用絕緣墊圈隔開，金屬屏蔽層與線芯導體形成等效電容，金屬電極與金屬屏蔽層也形成等效電容，再用檢測阻抗將兩電極相連。當電纜接頭一側發生放電時，另一側的等效電容就可以作為耦合電容與檢測阻抗一起構成檢測回路從而耦合局放信號。

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，當電纜內發生局放時，會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并傳輸到局放測試分析儀。一般用于電纜局放檢測的HFCT選擇100 kHz～20 MHz的帶寬頻段。HFCT安裝方便，且信號帶寬可根據檢測需要調整。

1.5 電感耦合法

局部放電信號沿電纜傳播時，產生的電磁波信號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能量完全束縛在電纜內部，所以在電纜護套層外直接繞包電感線圈就可以耦合到放電信號。電感耦合法示意圖見圖4。局放電流在外屏蔽層的螺旋導線中流動時可分解為沿電纜表面切向和沿電纜軸向兩個方向的電流分量，其中軸向電流分量可在包繞電纜表面的帶狀傳感器上產生感應電壓。

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發生局放時，會向周圍空間輻射出超高頻電磁波，UHF檢測法通過超寬頻帶天線，可以檢測到局放所激發的頻率為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及定位，系統結構如圖5所示。

圖5 外置式超高頻傳感系統結構圖

UHF檢測一個主要的優點在于能夠進行局放定位，通過使用2個或2個以上的UHF傳感器，能夠較好地對局放源進行定位。UHF傳感器不需要接觸到導體及電纜終端的高壓部分，且UHF傳感器可以移動檢測，適用于在線檢測。

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體層和金屬護套之間，這樣的安裝不會影響電纜的高壓性能，圖6為方向耦合傳感器的安裝結構圖。

圖6 方向耦合傳感器安裝結構圖

兩個方向耦合傳感器被安裝在電纜接頭的兩邊，傳感器只能感應到其一側來的脈沖，這樣就可以通過測量脈沖到達A、B、C、D四個點中的某幾個點來判斷脈沖傳播的方向。

如果只有A點和C點檢測到脈沖，說明電纜接頭左方有局放故障;而B點和C點檢測到脈沖就說明是接頭處有局放故障;如果B點和D點檢測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分脈沖的方向，有利于進一步辨識脈沖是局放還是噪聲。

1.8 聲發射(AE)檢測法

電力電纜內發生局放時會伴有聲波發射現象，使用超聲波傳感器，能夠探測出電纜和電纜附件中的局放現象。超聲波檢測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。研究表明，局放聲波產生的頻率范圍為20～110 kHz。

1.9 分布式光纖溫度傳感器監測

電纜在運行過程中，電纜的局部放電會引起電纜本體的局部溫度升高。目前智能電網大量使用光纖復合電纜，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測電纜的溫度，可獲取電纜絕緣的工作溫升分布狀況，能及時發現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測試距離誤差可達到±1 m之內，測試溫度誤差達到±0.1℃之內。

2 各種局放在線檢測方法討論分析

2.1 測試方法對檢測靈敏度的影響

局放信號耦合方式在局部放電在線測試中是很重要的環節，改變信號的取樣方法，就會對測試效果產生很大的影響。比如用高頻電流傳感器對一根故障電纜進行測試時，我們進行了對比試驗，驗證改變測試帶寬和接線方式對測試背景的影響有多大。把兩個高頻電流傳感器:一個為高通300 K，另一個為高通1.6 M，先將它們套接在耦合電容和檢測阻抗的連接線上，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。分別向試驗系統注入5pC標定脈沖信號，在前者接線方式中，系統檢測背景噪聲都約為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，證實了HFCT具有較高的靈敏度，同時取樣方式的改變對靈敏度影響較大。

圖7 HFCT套在耦合電容和檢測阻抗連接線上

2.2 各種信號耦合方式的比較

每種測試方法都有它的優點和局限性，只有揚長避短測試效果才能有效發揮。為此我們對各種XLPE電力電纜局放在線測試的信號耦合方式作了比較，見表1。

圖8 HFCT套在故障電纜接地線上

表1 各種信號耦合方式的比較

測試方法 優點 缺點方向耦合傳感法1.能準確判斷脈沖傳播的方向2.和其他在線測試組合使用，能幫助辨識信號是局放還是噪聲易受到環境因素影響，如金屬片腐蝕造成不報，或受強磁場影響而誤報聲發射檢測法(AE)1.測量操作簡便2.不受電磁噪聲的干擾1.聲波在電纜內的傳輸會有較大的衰減，會影響測試靈敏度2.所測聲信號與放電量之間的關系尚不明確，通常需橫向比較測量結果來推斷局部放電的情況多模光纜溫度在線監測1.測量數據簡單直觀2.數據記錄存儲、追溯方便1.專設光纜成本高，一般在光纖復合電纜上使用較經濟2.對周圍的熱源容易產生誤報

2.3 各種信號耦合方式的組合

由于現場環境的復雜性，使得每種XLPE電力電纜局放在線測試方式都有它的局限性。在實際測試工作中要盡量避開現場干擾對測試的影響，采用合適的測試方法。比如在環境比較干燥，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;又比如在現場沒有電磁屏障時，采用UHF的效果非常好。

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

圖9 各種信號耦合方式的組合示意圖

3 結束語

XLPE電力電纜局部放電在線測試技術的研究有重要的現實意義，在實際測試工作中靈活運用各種測試方法，主要的目的就是想方設法提高測試靈敏度，降低現場干擾對測試工作的影響，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試技術的關鍵。如何分析局放測試數據、識別局放源類型乃至精確定位局放源，需要更多的現場檢測經驗和理論研究。

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

［2］朱曉輝，杜伯學，周風爭.高壓交聯聚乙烯電纜在線監測及檢測技術的研究現狀［J］.絕緣材料，2009，42(5):58-63.