關(guān)于高壓電纜局部放電檢測傳感器的研究

鄭海波 蘇平 常海群 邱越 程夢凌 肖擁軍 汪天星

1.國網(wǎng)襄陽供電公司檢修分公司，湖北襄陽 441021；2.北京國電迪揚(yáng)電氣設(shè)備有限公司，北京 100102

一、引言

對于高壓電纜系統(tǒng)的例行試驗和型式試驗，可遵循IEC 270的局放測量的原理和方法進(jìn)行，但在高壓電纜的現(xiàn)場測試中，例如對已經(jīng)安裝好的高壓電纜進(jìn)行試驗時，無法按IEC標(biāo)準(zhǔn)做到線路屏蔽；此外電纜的長度可能很長，以致衰減誤差不能忽略。因此，IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的校準(zhǔn)可能是行不通的。

為了對現(xiàn)場安裝的高壓電纜及其附件進(jìn)行局放測量，本文將對高壓電纜局部放電檢測傳感器進(jìn)行研究，提出通過為高壓電纜及其附件安裝專門的傳感器，使現(xiàn)場測試能以高效率和盡可能低的噪聲接收局放信號，從而滿足高壓電纜現(xiàn)場局部放電檢測工作的需要。

二、高壓電纜局放測量傳感器

高壓電纜局部放電帶電或者在線檢測所使用到的傳感器一般分為內(nèi)置傳感器和外置傳感器兩種，外置傳感器一般采用高頻電流傳感器（HFCT），卡鉗式樣的結(jié)構(gòu)，測試時卡接到高壓電纜的接地線上，比較常見，在此不做研究、分析。

本文介紹的三種高壓電纜局部放電測量傳感器的原理特性，這些傳感器為內(nèi)置傳感器，其優(yōu)點(diǎn)在于它們可以在電纜尚在制造廠時進(jìn)行安裝，并終身提供局放檢測服務(wù)，而且這種傳感器可以最大限度地排除外部可能的干擾，對高壓電纜的局部放電檢測起到了非常重要的意義。

1、電容式傳感器

電容傳感器由導(dǎo)電層形成，通常具有一個到電纜導(dǎo)體的主電容，和到接地屏蔽的雜散電容，原理如圖1所示。

對于iPD的低頻成分（Cc和Cs可以忽略）和位于附件中的局放源，四端網(wǎng)絡(luò)Zm輸入阻抗兩端的電壓um近似為：

測得的電壓可以處理成相應(yīng)于局放的視在電荷，由線路確定的高頻上限可以近似的表示為：

其中，f近似地在10MHz～20MHz范圍。

對于低頻成分，由式（1）在四端網(wǎng)絡(luò)處的信號是：

對于較高的頻率，傳感器的對地電容Cs將使局放信號隨著抑制系數(shù)k的相應(yīng)增大而減小，降低了固有的噪聲抑制。另一方面，在較高頻率下，沿著電纜的衰減將增大。

圖2表示如何在預(yù)制的接頭上制作傳感器，用金屬編織物或者金屬箔緊緊的覆蓋在半導(dǎo)電的應(yīng)力錐體上。

2、電感傳感器

電感傳感器可以設(shè)計成測量導(dǎo)體電流、屏蔽電流或者二者都測量。其原理圖如圖3。

電感傳感器的刻度系數(shù)對于“外部”和“內(nèi)部”脈沖是相同的。對于低頻（ωL比Z'm和Z小），而且雜散電容可以忽略，按照圖3下部分所示，測得的信號由下式表示：

電感也對應(yīng)于局放信號的輸出幅值，可以通過改變線圈的匝數(shù)調(diào)整。

對于高頻，式（4）簡化為：

其中，Z'm＜＜Z。

與等式（1）類似，因為等式（5）僅對高頻有效，不能對電荷測量進(jìn)行準(zhǔn)積分。

電感傳感器對磁場分量很靈敏，用無線電頻率電流互感器（RFCT）可以檢測局放電流，該互感器可以有磁性材料例如鐵淦氧鐵心，也可以沒有。市場上買得到的羅哥夫斯基線圈傳輸阻抗太低，不能接受，這會導(dǎo)致靈敏度降低或者帶寬受限制。帶鐵心的RFCT需要大直徑的鐵淦氧鐵芯，這樣可得到較好地靈敏度。傳感器如圖4所示。

3、方向耦合器

方向耦合器可以看作是電容傳感器和電感傳感器的組合，產(chǎn)生的兩個信號是：

（1）ucap+uind

（2）ucap-uind

對于電容信號ucap，給出一個足夠大的um。兩個信號分量ucap和uind應(yīng)有大致相同的值，以提供合成信號（1）和（2）之間很好的差值。

如果在一個電纜接頭中使用兩個方向傳感器，則它可以鑒別脈沖是在接頭內(nèi)產(chǎn)生的，還是來自左邊或者右邊的反射波，從而可消除外來脈沖。另外，方向傳感器的很寬的帶寬可用來準(zhǔn)確定位電纜附件中的局放源。

這種傳感器示于圖5，它一般位于電纜附件附近的半導(dǎo)電層，它由金屬箔（電極）和在電極上面的絕緣層組成。傳感器相當(dāng)于電纜的第三圓周線，并且完全被電纜的外屏蔽覆蓋，所以屏蔽了外界噪聲。電極和電纜絕緣屏蔽之間的絕緣層用于避免電極和電纜的屏蔽短路。

三、局部放電傳感器比較表及安裝注意事項

表1 各種傳感器匯總比較表

以上介紹的三種局放傳感器各具特點(diǎn)，為方便比較，將各傳感器的實用附件類型、傳感器信噪比、帶寬等參數(shù)作匯總?cè)绫?。

傳感器的安裝事項如下：

首先要考慮的是有源傳感器需要電源，對于短時間測量可以應(yīng)用電池供電傳感器，然而對于長時間測量，電源成為需要考慮的重要問題；

其次，傳感器使用位置不同，分終端和接頭處安裝。

對于終端：終端中所用的傳感器一般圍繞著終端的接地線，它可以合并地安裝在終端之內(nèi)，也可以固定在外面。需要與變電站的接地網(wǎng)絡(luò)絕緣，并與帶電部分保持要求的安全距離。

對于接頭：具有三種情況，其一：直接可達(dá)到附件（安裝在導(dǎo)管中/入口系統(tǒng)或者管道中）；其二：從表面可達(dá)到接地線路（不論是不是交叉連接）；其三：經(jīng)由測量引線可達(dá)到被并入的傳感器。

四、總結(jié)

本文介紹了三種高壓電纜局部放電測量傳感器，即電容、電感、方向傳感器，通過安裝和應(yīng)用這些傳感器，預(yù)期可以從最基礎(chǔ)的方面提高高壓電纜局部放電檢測水平。

目前新的電纜附件越來越普遍地配置用于診斷試驗的傳感器，除了方便地進(jìn)行診斷試驗以外，這也簡化了在線測量和連續(xù)監(jiān)測。

考慮到小型電子裝置的迅速發(fā)展，可以預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來看到把傳感器集成在高壓電纜及其附件中，形成所謂的“聰明電纜”、“聰明接頭”或“聰明終端”。用戶可以要求它根據(jù)訪問或者程序在潛在故障的情況下及時地發(fā)送警示信號。