高壓電纜局部放電檢測(cè)方法的探究

梁劭華（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山，528000）

高壓電纜局部放電檢測(cè)方法的探究

梁劭華
（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山，528000）

高壓電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及到高壓絕緣和高壓試驗(yàn)等技術(shù)，局部放電檢測(cè)是通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)故障隱患，采取有效手段進(jìn)行處理，降低供電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高供電設(shè)備的運(yùn)行效率，保證電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

高壓電纜；局部放電；檢測(cè)方法

0 引言

本文定性的分析了局部放電產(chǎn)生的基本原理和檢測(cè)方法，通過(guò)高壓電纜工作的背景噪聲來(lái)源和性質(zhì)的分析，闡述了高壓電纜局部放電檢測(cè)的檢測(cè)技術(shù)與方法，介紹了局部放電量等各個(gè)相關(guān)參數(shù)輸出以及頻譜分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電纜絕緣質(zhì)量的評(píng)價(jià)，確保其投入運(yùn)營(yíng)后的安全可靠。

1 高壓電纜局部放電檢測(cè)的意義及現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在高壓電纜局部放電檢測(cè)技術(shù)方面的研究起步相對(duì)較晚，發(fā)展也比較緩慢，特別是由于局部放電過(guò)程比較復(fù)雜，到目前研究理論仍很不完善，給這方面的研究帶來(lái)了很大的困難。上海電纜研究所從上世紀(jì)60年代起，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行局部放電試驗(yàn)的探索工作，但是由于沒(méi)有靈敏度較高的測(cè)試儀器，而且國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有明確局部放電考核指標(biāo)，所以研究工作曾一度中斷。

目前眾多國(guó)家已將高壓絕緣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于高壓電纜故障檢測(cè)與診斷之中，通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，能夠大大提高其供電設(shè)備運(yùn)行效率，降低供電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高輸電線路運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。但是目前對(duì)高壓電纜故障檢測(cè)在一定程度上主要局限于交流耐壓試驗(yàn)。由于干擾抑制等原因局部放電檢測(cè)效果不是很理想，致使局部放電試驗(yàn)還相對(duì)較少。目前高壓電纜局部放電檢測(cè)仍處于不斷探索和研究階段。

2 高壓電纜局部放電產(chǎn)生的機(jī)理

交聯(lián)聚乙烯電力電纜在其電氣性能和耐熱性能上的突出特點(diǎn)，普遍應(yīng)用于工業(yè)輸電領(lǐng)域，一般輸電線路的高壓電纜的電壓等級(jí)有10kV、35kV、220kV等，由于安裝方式和制造工藝等原因，電纜絕緣材料內(nèi)部可能存在一些雜質(zhì)，使得出現(xiàn)電纜絕緣材料表面或內(nèi)部區(qū)域所承受的電場(chǎng)不均勻的現(xiàn)象。

絕緣體內(nèi)部的氣隙在發(fā)生放電的時(shí)候，氣隙中的氣體便會(huì)產(chǎn)生游離的現(xiàn)象，導(dǎo)致中性分子分離成帶電的正、負(fù)離子等質(zhì)點(diǎn)，并且在外部施加的電場(chǎng)作用下，電子或負(fù)離子會(huì)沿電場(chǎng)相反方向移動(dòng)，正離子會(huì)沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，因此這些空間電荷便建立了新的電場(chǎng)，方向與外界施加的電場(chǎng)相反，此時(shí)氣隙內(nèi)的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度為。其產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1　 局部放電產(chǎn)生機(jī)理

高壓電纜局部放電是比較復(fù)雜的物理過(guò)程，需要通過(guò)多種表征參數(shù)才能全面地描繪其狀態(tài)，主要參數(shù)包括視在放電電荷、放電重復(fù)率、放電能量、放電平均電流、放電功率等。長(zhǎng)時(shí)間的局部放電對(duì)電纜的絕緣材料的絕緣性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，主要表現(xiàn)在由于放電所產(chǎn)生的局部發(fā)熱、化學(xué)活性生成物、帶電粒子的撞擊以及輻射等因素對(duì)絕緣材料的損傷。這種對(duì)絕緣材料的破壞作用是一個(gè)緩慢的發(fā)展過(guò)程，而且從局部開(kāi)始，并受多種其他因素影響，對(duì)運(yùn)行中的高壓電纜存在安全隱患，局部放電是造成高壓電纜最終發(fā)生絕緣擊穿的主要原因之一。

3 高壓電纜局部放電檢測(cè)原理及方法

局部放電的測(cè)試是根據(jù)局部放電發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象，通過(guò)可以表達(dá)該現(xiàn)象的物理量的測(cè)量來(lái)表征局部放電發(fā)生的狀態(tài)，由于局部放電發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨多種物理現(xiàn)象，因此測(cè)試方法也相對(duì)比較多，一般分為電測(cè)法和非電測(cè)法兩大類，電測(cè)法主要包括脈沖電流法、電橋法和無(wú)線電干擾法等，它們都是依據(jù)測(cè)試放電時(shí)產(chǎn)生的電荷變化以及放電能量損耗等來(lái)進(jìn)行測(cè)試的。非電測(cè)法主要包括光測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等

（1） 對(duì)檢測(cè)靈敏度的分析研究

在局部放電檢測(cè)過(guò)程中，通常由于外部干擾信號(hào)的影響，使對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，或者使檢測(cè)工作無(wú)法順利進(jìn)行下去。尤其對(duì)局部放電檢測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)不多的人，更容易引起錯(cuò)誤判斷。因此，在局部放電檢測(cè)過(guò)程中，消除外部干擾問(wèn)題成為一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)內(nèi)容。

研究局部放電檢測(cè)技術(shù)的目的是為了使局部放電信號(hào)檢測(cè)的更有效、更準(zhǔn)確，因此必須盡可能的消除外界噪聲對(duì)局部放電信號(hào)測(cè)量產(chǎn)生的不良影響。要對(duì)局部放電檢測(cè)技術(shù)做出評(píng)價(jià)，必須準(zhǔn)確區(qū)分檢測(cè)靈敏度、信噪比和最小檢測(cè)量的概念。

檢測(cè)靈敏度是指測(cè)量?jī)x器或檢測(cè)系統(tǒng)在沒(méi)有外界干擾的情況下，并在保證一定信噪比的條件下能檢測(cè)到的最小視在電荷，它體現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)最小可測(cè)量。提高檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度，就是降低各檢測(cè)單元的最小可測(cè)量。檢測(cè)靈敏度主要由檢測(cè)回路和放大器回路的噪聲決定。

噪聲水平的高低直接影響著實(shí)際檢測(cè)的效果，只有當(dāng)局部放電信號(hào)明顯高于噪聲水平時(shí)，才能得到滿意的檢測(cè)結(jié)果。信噪比是信號(hào)幅值與噪聲幅值的比值，可以用來(lái)衡量存在外界噪聲情況下，信號(hào)高于噪聲的顯著程度。

（2）放電量的校正

在局部放電檢測(cè)中，檢測(cè)系統(tǒng)所顯示的放電脈沖幅值以及顯示的數(shù)字究竟代表多大的放電量，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)放電量校正的檢測(cè)系統(tǒng)中是不確定的，只有經(jīng)過(guò)放電量校正后才能確定放電量的大小數(shù)值。局部放電檢測(cè)系統(tǒng)放電量的校正是根據(jù)視在放電電荷的電量定義，當(dāng)電纜Cx產(chǎn)生了局部放電時(shí)，可以用一個(gè)與被測(cè)電纜并聯(lián)的有源支路來(lái)進(jìn)行模擬，可以用幅值為U0的方波電壓源串聯(lián)小電容C0后，組成一個(gè)模擬支路，并將其產(chǎn)生的放電量q0注入到電纜Cx兩端，這個(gè)注入的電荷量表示為

，如圖2所示。

此時(shí)在局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的顯示屏中可檢測(cè)到脈沖高度為H0，那么放電量的分度系數(shù)可表示為

通過(guò)放電量校正以后，檢測(cè)系統(tǒng)的連接回路需要保持不變，并且系統(tǒng)的放大倍數(shù)等參數(shù)都保持不變，即檢測(cè)系統(tǒng)的分度系數(shù)K0保持不變。然后去掉模擬支路，對(duì)被測(cè)電纜按照試驗(yàn)規(guī)程中所規(guī)定的要求施加試驗(yàn)電壓。當(dāng)被測(cè)電纜產(chǎn)生放電時(shí)，在檢測(cè)系統(tǒng)顯示部分上檢測(cè)到的脈沖高度為H，則被測(cè)電纜的視在放電量表示為

因此，只有通過(guò)放電量校正后的檢測(cè)系統(tǒng)才能使用。

圖2　校正回路示意圖

4 局部放電檢測(cè)過(guò)程中干擾抑制方法研究

電纜局部放電檢測(cè)中的干擾是一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題，它直接影響著檢測(cè)的靈敏度和檢測(cè)的可靠性。通常在一些干擾較為嚴(yán)重的情況下，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致局部放電檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行。由于局部放電過(guò)程中所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率范圍比較寬，在采集脈沖信號(hào)時(shí)，同時(shí)也很容易拾取到各種其他干擾信號(hào)，連續(xù)的干擾信號(hào)會(huì)使局部放電檢測(cè)的最小可測(cè)量升高，同時(shí)會(huì)影響操作人員的辨別能力。因此如何來(lái)抑制和消除干擾噪聲是局部放電檢測(cè)技術(shù)研究中歷來(lái)較為重要的部分。

從干擾信號(hào)的來(lái)源來(lái)看，主要包括檢測(cè)設(shè)備自身產(chǎn)生的信號(hào)干擾以及來(lái)自系統(tǒng)外界的干擾兩種。檢測(cè)系統(tǒng)自身的干擾主要包括試驗(yàn)電源的電磁接觸器、繼電器、開(kāi)關(guān)等動(dòng)作以及試驗(yàn)變壓器工作產(chǎn)生的高頻信號(hào)以及設(shè)備產(chǎn)生的放電信號(hào)，另外還包括放大器產(chǎn)生的熱噪、自激干擾等。檢測(cè)系統(tǒng)外部干擾主要有來(lái)自供電系統(tǒng)的連續(xù)性周期性干擾、地線的傳導(dǎo)干擾、其他脈沖干擾和白噪聲干擾以及空間電磁干擾等，這些干擾信號(hào)一般通過(guò)傳導(dǎo)、輻射、感應(yīng)等多種耦合方式侵入到檢測(cè)設(shè)備中。特別是電纜檢測(cè)試驗(yàn)車間，這些干擾信號(hào)往往比較嚴(yán)重，甚至淹沒(méi)電纜局部放電信號(hào)，致使無(wú)法測(cè)量。

干擾信號(hào)頻帶范圍較寬，經(jīng)過(guò)檢測(cè)阻抗后，連同局部放電脈沖電壓信號(hào)一起被放大器放大，因此被采集到的信號(hào)需要進(jìn)行進(jìn)一步的抑制。通常可用高通濾波器和低通濾波器來(lái)調(diào)節(jié)其上限頻率，一般采用T型K式濾波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。高通濾波器和低通濾波器如圖3所示。和下限頻率和由下式?jīng)Q定，即為信號(hào)采集頻帶寬度，因此通過(guò)高通濾波器和低通濾波器來(lái)抑制局部放電主要集中頻帶以外的其他干擾信號(hào)。

圖3　 K式濾波器

5 局部放電檢測(cè)圖譜分析

局部放電檢測(cè)系統(tǒng)圖形顯示部分是將表征局部放電的各種參數(shù)。主要包括放電量與相位圖譜基圓圖譜、放電次數(shù)與相位圖譜放電量與放電時(shí)間圖譜等二維圖譜以放電量、相位和時(shí)間三維圖譜。這些圖譜主要是將試驗(yàn)電壓一個(gè)工頻周期的相位分成多個(gè)等區(qū)間，然后選取不同周期內(nèi)同一個(gè)相位區(qū)間的視在放電電荷的平均值，做出放電量與相位之間的直方圖。其中局部放電圖譜和基圓圖譜如圖4所示。

圖4　 局部放電圖譜

由圖譜圖4中1）和2）兩幅波形圖可以看出，電纜局部放電是一個(gè)能量積累和釋放的過(guò)程，在正弦交流電壓下，電纜的局部放電主要發(fā)生在一個(gè)正弦周期電壓絕對(duì)值由零升至峰值的相位上，即工頻周期內(nèi)0~90°和180~270°的相位上，并且在電纜試品發(fā)生的放電量、放電次數(shù)、放電能量上形成正態(tài)分布。而且由圖可以觀察到局部放電發(fā)生的脈沖不可能是發(fā)生在固定的位置、固定幅值的脈沖信號(hào)。

6 總結(jié)

本章主要講述了高壓電纜局部放電產(chǎn)生的原因以及產(chǎn)生局部放電的現(xiàn)象，并闡述了對(duì)高壓電纜局部放電檢測(cè)的意義所在，同時(shí)介紹了高壓電纜局部放電檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后分析了局部放電產(chǎn)生的基本原理和檢測(cè)方法以及對(duì)放電圖譜進(jìn)行了分析，通過(guò)采取有效手段對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行合理的處理，降低供電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高供電設(shè)備的運(yùn)行效率，保證電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

韓伯鋒.電力電纜試驗(yàn)及檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

Study on detection method of partial discharge in high voltage cable

Liang Shaohua
（Guangdong Grid Co Foshan Power Supply Bureau，F(xiàn)oshan，528000）

The development of partial discharge in high voltage cable detection system relates to the high voltage insulation and high voltage test，partial discharge detection is throughcondition monitoring fault found hidden dangers，to take effective means of treatment，reduce the power supply system operation risk，improve the operation efficiency of power supply equipment，ensure the security and stability of power system.

high voltage cable；partial discharge；detection method

2014—06—18

梁劭華（1971-） 女.廣東新會(huì).工程師.研究方向：電力設(shè)備試驗(yàn)。