電力電纜局部放電的多傳感器聯合檢測

黃 海 鄧探宇

（1.湖南省電線電纜產品質量監督檢驗中心，湖南 衡陽 421001；2.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410014）

擠包絕緣電力電纜的絕緣材料一般為交聯聚乙烯或乙丙橡膠，因此具有結構輕便、介電強度高、介質損耗低、耐老化、安裝簡單、敷設不受落差限制等一系列的優點，適用于550kV及以下高壓輸配電電路，特別是城市地下變電輸電網中對該類電纜的使用日益增加。

局部放電檢測則是發現電纜絕緣中缺陷，保障電纜安全正常運行的重要手段。當電纜絕緣內部存在缺陷時，會導致電纜內部局部放電的發生。通過檢測電纜絕緣內部發生局部放電時所產生的聲、光、電信號及化學物質，可以實現對電纜局部放電的檢測和定位。

而測量局部放電最大的問題就是抗干擾問題，由電纜特性決定的局部放電測試頻率會被空間中許多的無線電干擾，導致不能夠最終確定是干擾信號還是局部放電信號，只有確保抗干擾能力，才能提高試驗水平。

本文通過基于羅氏線圈的電磁藕合法，結合多種傳感器的應用，設計出滿足電纜局部放電檢測的系統。

1 基本原理

1.1 電磁藕合法

電磁藕合法是將羅氏線圈安裝在電纜屏蔽層的接地線上，通過感應電流通過電纜屏蔽層的局部放電脈沖電流來檢測局放。其結構簡單、使用方便，并且能很好的抑制噪聲，可以更加真實反映脈沖波形。

羅氏線圈傳感器結構原理如圖1所示，羅氏線圈測量電流的理論依據是法拉第電磁感應定律和安培環路定律,當被測電流I沿軸線通過羅氏線圈中心時,在環形繞組所包圍的體積內產生相應變化的磁場，當線圈一定時，互感系數為定值，輸出電壓U0與被測電流I的微分成正比，只要在線圈引出線處增加積分器，即可得到反映局放脈沖電流信號。

圖1 羅氏線圈傳感器結構原理圖

1.2 特高頻（UHF）法原理

由于局部放電都伴隨正負極性電荷的相互中和，會產生一個很陡的電流脈沖，并向周圍輻射電磁波。局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強度有關。當放電間隙較小時，放電過程的時間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強；由于絕緣材料的絕緣強度比較高（交聯聚乙烯的最小工頻平均擊穿場強不小于 30kV/mm，最小沖擊平均擊穿場強不小于60kV/mm），擊穿過程比較快，電流脈沖的陡度較大，輻射高頻電磁波的能力也較強。

特高頻（UHF）法局部放電檢測方法就是使用超高頻傳感器接收局部放電產生的超高頻電磁波，實現局部放電的檢測。由于檢測頻段較高且頻帶寬，能夠避開常規局部放電測量中的電暈、開關操作等多種電氣干擾，檢測靈敏度也很高。

2 聯合檢測系統的組成

局部放電多傳感器聯合檢測系統主要由加壓控制臺、調壓變壓器、保護電阻、耦合電容器、局部放電檢測儀、加壓艙、鉗型傳感器、特高頻傳感器、信號采集器、計算機等部件組成。

2.1 VHF鉗型傳感器

VHF鉗型傳感器基于電磁藕合法原理，主要由磁芯、線圈、金屬屏蔽盒、同軸電纜、放大器等組成，工作頻率在1～100MHz，放大器增益為40dB。其等效電路如圖2所示。

圖2 VHF鉗型傳感器等效電路圖

磁心采用耐磨耐蝕、高頻高導磁率、損耗小、穩定性好的磁性材料，由兩個半環經金屬屏蔽盒的閉合結構而形成一圓環。

金屬屏蔽盒的作用是屏蔽現場的干擾信號,確保現場測量局放時不受干擾。屏蔽盒設計為兩半環結構,尺寸稍大于磁心,用于安放并固定好磁心。金屬盒內環側邊開有一縫隙，使穿過傳感器的電流脈沖信號被線圈耦合，并在垂直于金屬屏蔽盒軸線的方向開一縫隙，避免剩磁出現，提高線圈穩定性。線圈中R上的電壓信號經金屬屏蔽盒上的接頭引出。當電纜絕緣發生局部放電時，電纜的金屬屏蔽層可感應到脈沖電流信號并將其傳過電流傳感器，傳感器就可檢測到局放信號。

2.2 UHF傳感器

UHF傳感器基于特高頻（UHF）法檢測內部局部放電的原理，主要由平面等角螺旋天線（見圖3）、寬帶放大器、高頻電纜等組成，工作頻率在 400～3000MHz，放大器增益為50dB。

圖3 平面等角螺旋天線結構圖

平面等角螺旋天線用于接收電纜絕緣發生局部放電時輻射出的特高頻電磁波。局部放電時產生的電脈沖在會因較高的絕緣電氣強度具有10-9s的脈沖寬度和很陡的上升沿（見圖4）。由于現場的干擾信號的頻率多在400MHz以下，而激勵起的特高頻電磁信號頻率在1GHz以上，因此能極大地提高局部放電檢測的靈敏度和可靠性，利于局部放電信號的檢測。

圖4 局部放電時產生的電脈沖波形

3 聯合檢測系統的應用論證

在試驗室選取110kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜樣品，將鉗型傳感器安裝在電纜本體上，VHF傳感器耦合到的局部放電產生的電脈沖信號帶有背景噪聲等干擾信號（見圖5a），同時放大、采集UHF傳感器接收的信號（見圖5b），在計算機上用LabVIEW編寫的程序，首先判斷傳感器是否超過設置的初始噪聲閾值，然后尋找特高頻信號中超過閾值，且與VHF信號相應相位對應的相位點，判斷該點幅值是否超過初始噪聲閾值。最后根據局部放電信號的特征，查看所提取的信號相位分布，確定局部放電信號（見圖5c）。

圖5 獲取和處理后的局部放電信號

通過以上試驗，設計的多傳感器聯合檢測系統能夠很好地檢測出電纜的局部放電。

4 結論

本文利用VHF鉗型傳感器和UHF傳感器各自的優缺點，討論了多傳感器聯合檢測電力電纜局部放電的方法，具有抗干擾能力強、使用安全、操作靈活方便的特點，應用前景廣闊。

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