電力電纜在線監測技術初探

李思堯

摘要：文章介紹了電力電纜在線監測的傳統技術及其不足之處，并結合多年工作經驗總結了電力電纜在線監測的相關新技術，重點介紹電磁耦合法在對局部放電在線監測上的應用。

關鍵詞：電力電纜；在線監測；交聯聚乙烯；電磁耦合法；局部放電

中圖分類號：TM757 文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）01-0119-03

早于20世紀60年代初，交聯聚乙烯（XLPE）電纜就已問世，該電纜絕緣性能良好，供電安全系數高，制作工藝簡易且安裝方便。隨著它在配電網中逐漸廣泛的運用，已漸漸取代油紙絕緣電纜，并且在高壓和超高壓電網中也得到了應用。近幾年來，城市電網輸配電已大量采用交聯聚乙烯電力電纜，據不完全統計，已投入運行的35kV及以下線路約有幾萬公里；高壓110kV及以上線路達數百公里；可運用的最高壓等級達到500kV。但是交聯聚乙烯電力電纜廣泛運用的同時，也因為其材料樹枝老化問題時常造成電纜絕緣擊穿的事故，因此我們迫切需要對于交聯聚乙烯電力電纜的運行狀況進行監測，及時查找故障，保證交聯聚乙烯電力電纜的良好的絕緣狀況。

一、傳統的電力電纜在線監測技術

傳統的電力電纜在線監測技術分為直流疊加法、直流成分法、tgδ絕緣介損法局部放電的在線監測。然而傳統的電力電纜在線監測技術的也存在不足之處，比如對于交聯聚乙烯電力電纜絕緣劣化的在線監測上，國內外常采用直流疊加法、直流分量法、低頻疊加法和介質損耗法對中低壓交聯聚乙烯電力電纜水樹枝化進行在線診斷，已部分應用到現場并且取得了較好的效果。但是存在一個問題是我們不能利用這些辦法來監測特高壓電力電纜，而且水樹枝化并不是交聯聚乙烯電力電纜絕緣劣化的唯一表現，所以單單監測水樹枝不能夠全面反映絕緣劣化的狀況。

二、電纜在線監測新技術

局部放電這種固體絕緣無損監測方法，效果良好，應用范圍越來越廣。但傳統的局部放電監測方法（IEC60270）因為監測的頻帶過窄且集中在低頻段，容易受到噪聲的影響，不適合電力電纜的在線監測，因此需要選擇適合電力電纜在線監測的局部放電監測方法。

（一）超高頻檢測法

局部放電脈沖的頻率如果很高，必須要提高監測設備的采樣頻率來捕捉局部放電信號，這樣監測高頻段的局部放電信號能夠有效抑制外界噪聲干擾。交聯聚乙烯電力電纜的局部放電監測技術的核心的問題是如何采集微弱的局部放電高頻脈沖信號，并進行識別，同時如何對于強干擾下的局部放電脈沖信號的提取及其特性的分析也是一大問題。由于脈沖的寬度較短，其本質的特征量稍縱即逝，特別是在電纜介質傳輸中高頻脈沖會有嚴重的衰減，會給監測系統的中斷信號采集帶來很大困難，常常造成信號的嚴重失真，直接導致較大的測量誤差甚至于錯誤的結論。文獻[5]中利用寬頻帶局部放電傳感器，使用電磁耦合的方法監測位于10kHz～28MHz頻段范圍內的局部放電現象。由于電纜線路的局部放電現象常常發生在附件位置，可以在附件位置加裝傳感器減少高頻脈沖衰減損失，盡量使采集到的信號能夠還原局部放電脈沖信號的全貌和特征。

（二）電纜接頭監測技術

經過多年的運行經驗可以得出，90%以上的電力電纜故障都是因接頭故障引起的。過負荷與接觸電阻都會引起接頭溫度的上升，容易致使電纜接頭的絕緣老化，發生故障。文獻[6]設計了能監測接頭溫度的集散型接頭溫度實時監測系統，具有監測接頭溫度并實時顯示，記錄并綜合分析進行報警的功能，方便工作人員及時掌握電力電纜的運行情況，可有效地及時發現故障的發生，及時處理，確保供電的順暢。測點信號需要通過雜波綜合吸收電路單元，可進行濾波和過壓保護；后將信號串行化，經光電隔離后通過定時窗口和計數器等實現并行話；數據送入工控機分析處理，送與顯示器顯示；若是達到報警值，進行報警并打印包括故障時間和故障點的故障報告。

（三）電磁耦合法

電磁耦合法是將交聯聚乙烯電力電纜接地線中局部放電的電流信號通過電磁耦合線和測量回路相連，在高壓端不需要通過耦合電容器取得局部放大信號，所以適合電力電纜敷設后交接驗收以及運行中的在線監測。這種方法通過電磁耦合的方式測量局部放電電流，因為高壓電纜與測量回路之間不存在直接電氣連接，可以很好的抑制干擾。

寬頻帶電流耦合器是含高頻磁芯材料的羅哥夫斯基線圈，即帶有高頻磁芯的穿心式電流互感器，其等效電路見圖1。可使電纜外屏蔽層的局放脈沖電流流過電流耦合器，通過測次級線圈內的脈沖信號，進而判斷電纜存在局部放電現象。

圖1中、為線圈的自感和等效電阻，為雜散電容，為線圈互感，作為自積分電阻與形成自積分電路，在上得到電壓。

應用高頻小信號并聯諧振回路理論分析計算，該寬頻帶電流耦合器的下限截止頻率：

上限截止頻率

所以頻寬為：

為了使工作頻帶盡量寬，應使盡可能大，而盡可能小，由上下限截止頻率可見，應使盡量大，而和盡量小，因此在相同的線圈尺寸下，應選用磁導率大的磁性材料，并增大線圈匝數，并選用直徑較粗的導線減小。同時我們應該看到，雖然增加線圈匝數和減小積分電阻會增大，但是也會降低靈敏度。所以確定磁性材料之后，存在最佳的一個積分電阻和線圈匝數的配合，使電流傳感器具有較寬的工作頻帶，且能維持一定響應靈敏度。

三、寬頻帶電流耦合器的設計

根據分析，電流傳感器頻率特性是由線圈的磁芯材料、積分電阻、匝數等參數綜合決定。本文使用鎳鋅材料的磁芯，它具有應用頻帶寬，高頻損耗小的特點，滿足寬帶測量的要求。同時通過改變匝數和繞線截面積，分別設計了3個不同的線圈，還設計了一個以錳鋅鐵氧體材料作為磁芯的線圈，如表1所示：

試驗中四個線圈使用相同積分電阻，使用AWG2041產生一原邊可調電流，使其穿過傳感器幾何中心，測量感應電壓就可得到其幅頻特性，如圖2所示。由圖2可知傳感器A具有較高的靈敏度，但由于其匝數少而頻帶較窄。傳感器B的-3dB帶寬在17kHz～18MHz之間，而傳感器C的-3dB帶寬在14 kHz～18MHz之間，這是由于傳感器B的導線截面積較C傳感器小所導致。傳感器D使用了錳鋅鐵氧體作磁芯，帶寬較窄，為2kHz～14MHz。綜上傳感器C具備最佳的幅頻特性。

四、模擬試驗及電力電纜的局部放電測量

由于傳感器C具有最佳幅頻特性，因此用它進行如下的試驗研究。

（一）模擬試驗

圖3模擬試驗的原邊信號（1）及副邊感應的信號（2）

利用任意波形發生器產生一窄脈沖，利用該脈沖模擬局放時的脈沖電流，作為原邊信號，再用示波器同時觀察線圈傳感器的原邊及副邊信號，波形如圖3。由圖可知，當線圈中心有數十納秒的脈沖信號流過時，輸出較好的反應該脈沖。感應到的脈沖由于線圈的感性特性會伴隨著一定的振蕩。

（二）電纜局放測量

對線圈做電纜局放檢測的試驗：將一段長度為4 m的交聯聚乙烯電力電纜一端的應力錐做一點位移， 由于終端處的電場不均勻度增加，在加壓時而產生局部放電。對缺陷電纜用電磁耦合法檢測局放信號，分別用示波器的通道1及通道2記錄放電波形和一個與外施電壓同相電壓信號，定性地觀察放電相位，試驗電路如圖4。試驗結果如圖5和圖6。

從圖6可以看出：正半周放電在90°附近且放電幅值較大，負半周在270°附近有重復率較高但幅值很小的放電；同時從線圈感應到的波形圖5中，我們也可以看到正半周90°附近有幅值較高的脈沖，而在負半周270°附近只出現了一些很小的凸起，這些凸起可能反映了負半周的局部放電，因此應該采取相關措施去噪，以利于分辨幅值與噪音差不多的局放脈沖信號。由于用示波器記錄的只是一個周期的實時采樣結果，相當于t-Φ-Q三維圖中的某一個t時記錄的結果。比較可知用電磁耦合法與用IEC60270法的檢測結果是一致的。但是IEC60270法難以滿足長電纜線路的現場局放檢測的要求，因此電磁耦合法所具有的靈敏、方便、頻帶寬、安全等優勢能得到充分的發揮。

五、結語

在對缺陷電纜局放的初步實驗中，寬頻帶電磁耦合法與傳統的IEC60270法測得的結果表現出一定的一致性。證明了電力電纜在線監測新技術的可行性，并且具有傳統技術所不具有的優勢。同時電力電纜的在線監測技術會逐漸向多參數、全天候監測的方向發展，這樣能夠使電力電纜管理人員實時掌握電纜狀況，及時處理發生的故障，減少因故障帶來的損失，保證供電的安全暢通。

參考文獻

[1]王日恒．淺析電力電纜的在線監測技術[J]．民營科技，2010，（4）．

[2]蔡秋水．分析電廠電氣設備狀態維修技術與在線監測技術[J]．電氣設備， 2009，（8）．

[3]高啟勝，王勁松．淺談變電設備在線監測技術[J]．黑龍江科技信息，2009，（30）．

[4]嚴新華．電力電纜在線監測數據的傳輸及組織處理[J]．上海電力，2007，（4）．

[5]朱海鋼，馮江，羅俊華．XLPE 電力電纜局部放電高頻檢測技術的研究[J].高電壓技術，2004，（1）．

[6]王新超，王葵．電力電纜接頭運行中的實時監測[J]．繼電器，2001，（8）．

（責任編輯：劉 晶）