10kV電纜帶電局放測試技術研究與探討

摘 要：本論文主要是對一套適用于10kV電纜線路的局放測試設備與方法的研究與探討，著重介紹作者們如何通過試驗室的人工模擬電纜局放試驗、對不同位置所檢測局放信號進行分析比較、進而總結出一套電纜局放設備與測試方法。通過對現場實際運行電纜的局放檢測信號進行測試試驗的研究及探討，固化出一套可以推廣的電纜線路局放檢測設備與方法。

關鍵字：10kV電纜；人工局放；局放測試

目前110kV以上的特高壓電纜局放測試判斷技術相對已比較成熟，現場應用多，檢測局放的成功案例也驗證了該技術的可行性，但是10kV配電網電纜線路敷設環境、線路數量、線路之間的相互連接方式等都與110kV以上特高壓電纜不同，至今還沒有一套完整的適合10kV 電纜線路帶電局放測試的方法，使得相關運行維護人員未能夠在電纜線路出故障前預先知道，達到預防的作用。以青秀分局為例統計，設備維護人員22人，人均維護配網線路56.75km，開閉所26.7臺、電纜分接箱31臺、公用配變65臺、柱上開關39臺，除去每月的重要用戶保供電、危險點特巡、樹木砍伐、配合停電作業、班組建設等工作，定期每月一次對轄區配電網線路、設備的巡視強度較大，隨著設備量的增大也對分局運行維護的工作質量帶來了更加嚴峻的考驗。因此，根據10kV電纜線路特點來進行研究開發一種方法是必要的。本文通過實驗室進行10kV電纜模擬局放測試，找出測試方式方法，然后選擇有故障紀錄的線路或常規試驗時發現異常的線路進行對比性的局放帶電測試，以發現和采集10kV電纜的局放信號，比較分析掌握其特征。結合10kV線路特點，局放測試與信號特點，研究及探討出一套安全，簡易，迅速有效的適合10kV電纜線路帶電測試局放的方法與設備。

1. 模擬電纜局放信號研究

一般情況下耐壓試驗合格的高壓設備在正常運行時發生局放并發展導致故障的概率很小。因此，僅通過現場運行設備的局放測試很難真正掌握局放信號的特點和特征。為了更加好的了解掌握電纜局放信號的相關特性，通過在實驗室電纜樣品上人工模擬各類缺陷而產生局放信號，并對信號進行比較分析總結，這是一種行之有效的學習局放方法。

1.1 模擬局放試驗系統

采用一條20m左右的10kV 3相電纜在實驗室構建一個人工局放試驗系統。通過在電纜本體上不同位置進行模擬局放測試，分析歸納10kV電纜在那一種測試方式和傳感器采集位置局放測試靈敏度最高。人工局放系統構成如圖1所示。

1.2 局放傳感器類型與配置

根據10kV電纜試驗系統的連接形態，選取了脈沖電流電磁感應式傳感器（HFCT）與脈沖電流薄膜電極電容耦合式傳感器（PDD），HFCT傳感器可以安裝在單相本體的主絕緣處，單相屏蔽層處，三相本體處及屏蔽層接地線上測試，而PDD傳感器只方便安裝在電纜本體上進行測試，并且靈敏度沒有采用HFCT測試靈敏度高。各傳感器與局放檢測裝置的結線如圖2所示。

1.3 不同位置檢測信號比較分析

1.3.1 單相主絕緣、單相屏蔽層、三相本體屏蔽層與三相本體檢測信號

如圖3所示，在10kV電纜上不同位置安裝脈沖電流局放傳感器（HFCT，PDD），通過升壓使人工局放源產生局放信號，傳感器檢測局放信號波形、信號頻率分布、-q-n圖譜等局放信號特征。由檢測信號可知，10kV電纜局放信號波形呈現單脈沖波形，反應出極性特征，頻率從低頻至高頻連續分布，電腦分析3維-q-n圖譜呈現相位差1800的兩簇信號，與110kV以上電纜局放信號特征基本一致。另外，從該試驗看出，4種不同位置傳感器均可以檢測到局放信號，信號大小依次是PDS-1≥PDS-2>PDS-3>PDS-6 ，說明傳感器安裝在單相電纜本體上靈敏度最高，電磁感應式HFCT傳感器檢測靈敏度比薄膜電極電容耦合式PDD傳感器靈敏度高。

1.3.2 同理，分別在單相屏蔽層與三相共體屏蔽層接地線上進行測試，結果是檢測靈敏度均沒有在單體電纜上檢測靈敏度高，如圖4所示。其余兩相采用同樣的步驟與方法進行試驗，得出的結果與該相一致。

1.4 檢測歸納

通過實驗室人工升壓模擬產生的局放信號的檢測分析研究，可以總結出10kV電纜局放測試位置及局放信號的一些共同特點和特征。

a）頻率分布（f），PD的頻率成分分布比較寬，由數MHz到數十MHz。

b）發生相位（？），PD信號具有明顯的相位特性或稱為工頻特性，即在？-q-n圖譜上呈現中心相位差1800的兩個簇群信號，重心主要分布在Ⅰ、Ⅲ象限。

c）發生頻度（n），即每秒鐘內有多少個放電脈沖信號。PD的發生頻度一般是n>30以上。

d）放電強度（q），PD的放電量一般是隨著電壓的升高而變大，如果電壓穩定運行，則放電信號強度不會在短時間內變大，而是緩慢的增大或不變。

e）持續性（t），PD一旦發生，只要電壓不變，一般情

況下PD都會連續發生，大小和頻率都趨于穩定。

f）應用HFCT傳感器在測試中相對與其他類型的傳感器靈敏度要高。

h）傳感器安裝位置在單相電纜本體上檢測局放信號靈敏度最好。

2 10kV電纜局放測試設備

電纜局放在線測試設備的使用目的主要是檢測和追蹤發生在10kV等級的電纜以及與其相連高壓設備附件的局部放電（局放，PD），及時預報和預測局放的發展趨勢和預測相關設備的絕緣劣化程度，預止突發性的電氣事故，為設備的狀態檢修和維護提供有效的數據依據。電纜局放在線測試設備示意圖如圖5所示，主要由局放傳感器，信號處理裝置、信號分析顯示裝置三個單元組成。

電纜局放在線測試系統基本工作原理是如果被監測對象某處發生局放，安裝在被測對象上面的局放傳感器就會采集到局放信號，然后將所檢測的局放信號傳輸到系統的信號處理裝置并對局放信號進行數據處理，數據信號經信號處理裝置處理后通過以太網送到信號分析顯示裝置進行分析和可視化處理并存儲。

局放傳感器將采集到的信號傳輸至信號處理裝置中進行數據信號處理。信號處理單元進行濾波、放大，時域分析和頻譜分析等信號處理，處理結果再經通信接口送到信號分析顯示裝置，經局放測試軟件分析處理后進行信號顯示存儲，并發出相應的報警信號。

3 運行電纜局放檢測設備與方法之研究

實驗室試驗歸納總結出局放信號的共同特性以及根據10kV電纜線路結構而改進的測試設備，為運行電纜局放檢測提供了可以借鑒的測試設備及方法。現場運行電纜局放測試與實驗室局放試驗測試存在相同點及不同點，兩者對象均是10kV電纜，并帶電測試；不同點在于實驗室只是單回線路升壓測試，而現場測試通常是在環網柜或開閉所進行運行帶電測試，而環網柜中一般都是多回電纜線路連接同一母線，只測試一回路還無法對信號源位置進行方向性定位，需要多回路的同相進行測試才行，而且由于多數電纜是直埋敷設，不能直接在電纜中間接頭測試，現場各種接地方式以及接地線長短也不一樣，噪聲干擾也比實驗室高而雜的多，因此現場電纜局放測試不能硬搬實驗室總結的方法，需根據現場條件選擇不同傳感器測試和靈活應用各種測試手法。

為了驗證和推廣該設備與測試方法，作者特別選取了20回10kV電纜線路環網柜進行了帶電局放測試。

3.1 電纜線路局放設備的選擇

10kV電纜線路中間接頭通常都是直接埋在地下方式敷設的，很難對該接頭進行測試，只能在電纜線路的終端環網柜/開閉所處測試，采用電磁感應式HFCT傳感器直接卡接在單相電纜本體上或卡接在接地線上進行測試，如圖6所示。

3.2 同步相位信號的提取

同步相位信號有無，對局放真偽的判別也有一定的影響。實驗室由于同步相位能夠直接在升壓器側直接提取，即可以得到真實的相位信號，于是，從信號簇群的象限分布可以一定程度對PD的真實性作 分析。故現場進行測試時需要利用相位采集器在運行電纜上采集工頻相位信號，如圖7所示。

3.3 信號判別

現場運行電纜局放測試，除了實驗室歸納總結的局放信號判別方法外，根據現場電纜運行環境，構造特性歸納出以下特性。

1）多回路相同相同時同步測試，利用檢測到的波形極性來判別信號源的方向。如3回路的A相同時同步測試，在某回路的A相波形極性與其他兩回路的A相波形極性相反，則說明在3回路上檢測到的信號源來自于極性相反的回路的A相方向。

2）由于現場環網柜/開閉所同一母線連接的電纜線路較多，如果在某回線路檢測到局放信號，還需綜合同一母線的其他線路同時測試定出信號源的方向性。

4. 設備與方法之現場使用分析及探討

4.1異常信號的分析

現場電纜測試在某回路電纜終端處檢測到疑似異常信號，其線路及檢測信號圖譜如圖8所示。

4.1.1檢測狀態

4.1.2 現場局放信號分析

基于前述局放信號識別方法可知，在C相所檢測到的異常信號是一個疑似PD，差異在于現場是三相同時檢測，故判讀上三相信號波形與圖譜可以進行相互比較，如波形極性與大小（交叉互聯箱PD相信號與其他兩相的極性相反，幅值大1倍以上），相圖譜的相位信號簇群圖譜相位相差1800，可以看出，該疑似信號源在C相，頻率分布小于等于15MHz。

疑似PD信號的初步分析：1）波形特征，根據在接頭處檢測到的波形特點，如波形呈現單脈沖形態，前沿陡峭，可以判斷，C相的異常信號是PD的可能性比較大；2）極性，檢測系統是3相同步測試方式。根據線路的結構及傳感器的安裝方法，從3相檢測信號波形的幅值和極性就可以判斷出局放信號是來自于哪一相，即PD相的波形極性與其他非PD相波形極性相反，非PD的兩相波形極性相同。如圖8-2所示，C相的波形前沿向上，而A相和B相的同步波形前沿向下，這個相關極性說明信號源在C相。3）密度，由于該疑似信號的發生密度即重復率比較高，平均每秒出現10次以上，以一般統計累積型的數據圖譜，如常見的？-q-n圖譜可以明顯的凸顯出PD信號特征。4）頻率，信號頻譜顯示該信號的頻率成分主要在15MHz以下，如圖8-2所示。根據PD信號在電纜中傳播特性，信號傳播的距離越遠，高頻成分衰減得越快越大，相反，信號源離傳感器越近，所檢測到的信號頻率分布就越高。而接頭處所檢測到疑似PD信號頻率分布只到15MHz，很多高頻部分由于電纜傳播衰減。換言之，該疑似PD信號源不應該在測試點位置，而是離測試點有一定的距離。

對于該疑似PD信號的狀態，視在量上看還不是很大，對10kV電纜正常運行來說，危害性還不大，因此對該信號的處理措施是跟蹤測試，如果該信號存在增大的趨勢，則進行定位并估算信號源位置信號的大小，制定進一步的處理措施。

4.2 異常信號之信號源方向性定位

現場電纜測試某電纜環網柜多回路A相均檢測到疑似異常信號，通過多回路相同相同時同步測試判定出信號源方向，其線路及檢測信號圖譜如圖9所示。

4.1檢測信號狀態

分別在902、903、904回路接頭A相統一方向安裝傳感器，檢測3個接頭的A相信號，通過3接頭檢測到的波形幅值與極性來判斷A相疑似PD信號是來自于那個接頭的電纜線路如圖10所示。

由以上分析可見，3個接頭電纜檢測到的波形信號，904接頭電纜A相波形極性與其他兩個個波形極性相反且信號幅值比其他兩個波形幅值大，說明PD信號是來自于903接頭線路方向。同理，901、902、903接頭A相同時同步測試，得出還是903接頭A相檢測波形極性與其他兩相相反，故最終確定在該開閉所多回路A相疑似PD信號應該是來自與903回線路方向。

5. 探討性結論

5.1 通過10kV電纜樣品上人工絕緣缺陷所產生的PD，在電纜不同位置采用不同傳感器進行測試，歸納10kV 電纜PD信號在特征特性上如頻率、相位、頻度、強度、持續時間、波形極性和信號快慢的相似和差異，為PD的識別提供了有力的依據。

5.2根據實驗室試驗的各種數據分析以及10kV電纜線路的結構與連接方式設計改進了10kV電纜局放測試設備，并采用相應的設備在現場電纜線路進行PD測試，對實驗室PD試驗的結論作進一步的研究及補充。

5.3線路測試更需要注意傳感器的類型選擇和接線方式，相位信號的獲取以及檢測信號在相與相之間或同一相不同地點間的極性和時間差上的差異，這對PD的判斷和定位都很有要意義。

5.4本文所述的設備及方法雖然在實驗室及現場運行電纜的局放測試中發現了一些疑似局放的異常信號，并根據總結出來的判斷依據對信號進行了相應判定，而異常信號目前來說還處于較弱水平，暫不建議做進一步的處理，但是作為一種研究型技術項目，該信號或結論可以為以后對該技術進一步的研究增加探討的可能性。

參考文獻：

[1] M. Chen， k， Urano， Basic Techniques of 0n-line Partial Discharge Measurement for Power Cables with a Portable PDM System[C]. ICEE2003， Hongkong China， 2003.

[2] M， Chen， K. Urano， Application of On-line Partial Discharge Measurement at Main Transformer in P/S [C]. ISH2005， Beijing China， 2005.

[4] 孫波，黃成軍. 電力電纜局部放電檢測技術的探討. 電線電纜，2009.

[5] 王偉，趙森. 電纜狀態檢修中局部放電（PD）在線檢測系統的研究.全國第八次電力電纜運行經驗交流會論文集.

[6] 趙宇，劉青，高援利等. 高壓XLPE電纜線路局部放電測試系統應用研究. 電力設備，2009.