一種XLPE電力電纜接頭缺陷檢測技術

陳立偉

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南，250101）

0 引言

XLPE 交聯聚乙烯是一種線性的分子結構，在耐熱、機械性能方面具有良好優越性，具有較強的電氣性能和絕緣性能，在電纜線路中應用非常廣泛。但是，隨著我國城市建設的腳步不斷加快，城市電網有傳統的架空線路逐漸向電纜隧道進行轉換，這就增加了電纜線路日常維護的工作難度，故障的隱蔽性和隨機性增加，電纜線路運行的安全性和可靠性降低。據數據統計，70%以上的電力電纜故障是由于電纜附件引發的，其中以電纜接頭故障率最高，因此，及時準確的找出電纜故障點，提高電力電纜運行的可靠性成為當前電網檢修部門的工作重點工作。

1 XLPE 電纜故障評價及分析

電纜線路的絕緣性能是影響其使用壽命的關鍵因素，XLPE 電纜正常使用壽命為20～30 年，隨著使用年限不斷增加和環境因素的影響，電纜線路發生故障的可能性也會增加，而且電纜接頭絕緣性能是整個電纜絕緣的薄弱環節，如果發生絕緣故障，會影響到電能輸送的穩定性和可靠性，嚴重時會造成大規模停電。下面就對XLPE 電纜的常見故障進行深入分析：

1.1 絕緣老化

絕緣老化是XLPE 電纜故障常見的一種，XLPE 材料包裹在電纜導體外圍起到絕緣的作用，但是隨著XLPE 電纜使用時間的增加，導體通電后的熱效應以及使用環境因素的影響會產生絕緣老化現象。電纜隧道環境陰暗潮濕容易產生水老化，在電纜線路運行過程中冷熱溫差的變化容易產生微小的水滴，這些水滴存在絕緣層中，隨著電纜損傷逐漸侵入到絕緣內部，導致絕緣損壞，甚至造成嚴重的電氣事故。

1.2 電纜損傷

電纜隧道是城市電網的主要組成部分，隨著城市建設的腳步加快，建設用地大規模的施工有可能會對電纜線路造成機械損傷。另外，電纜線路敷設過程中以及土壤下沉會因為拉力或者彎度過大導致電纜線路機械損傷。

1.3 材料缺陷

電纜線路由于材料缺陷加上在電和熱的作用下，會造成材料溫度上升軟化變形，導致絕緣性能降低，其它絕緣損壞。線纜線路設計過程中如果存在問題，機械強度不夠、電場分布不合理也會導致電纜接頭和終端頭絕緣材料受潮、老化，引起絕緣故障。

1.4 過電壓

過電壓是負荷投切的瞬間結果，主要是指工頻下交流電壓升高，超過額定值的10%，持續時間超過1min 造成擊穿。電纜線路過電壓大都是由大氣過電壓以及電纜本身缺陷導致的。電纜線路正常使用時在感性或者容性負載接通以及斷開情況下發生。

2 XLPE 電纜接頭缺陷檢測系統設計

XLPE 電纜絕緣損是一個長期積累的過程，一些微小的局部放電如果不能及時被檢測出，放電范圍會逐步擴大，最終造成嚴重擊穿，引發大面積的停電故障，因此，必須要采取有效措施對電纜線路尤其是接頭部分進行檢測，最大限度的避免電纜線路絕緣故障。XLPE 電力電纜接頭如果發生局部放電，可以視為一個電脈沖信號源，放電所產生的高頻電磁脈沖信號會沿著電纜線內部的導體向不同方向進行傳播。在XLPE 電力電纜接頭放電部位，放電脈沖電流集中在電纜內部金屬屏蔽層上，傳播一段距離后，脈沖電流將會均勻分布在金屬屏蔽層上，從放電源到均勻分布的脈沖電流，這段距離的長度主要是由放電脈沖電磁波的波長決定的，并且這種金屬屏蔽層上的電流將會在XLPE 電力電纜外部產生一定輕度的磁場，XLPE 電力電纜缺陷檢測主要就是利用這一原理進行設計，當XLPE 電力電纜局部放電，電信號沿電纜線傳播的過程中造成測量位置上的磁場變化，傳感器中就可以捕捉到脈沖信號，進而檢測出XLPE 電力電纜接頭的缺陷部位。

圖1 XLPE 電力電纜系統檢測流程示意圖

本文重點研究的是電磁耦合法進行檢測，包括傳感器、信號調理電路、數據采集卡、PC 單元四個部分，主要工作流程包括檢測信號、信號放大、濾波處理、A/D 轉換、檢測結果處理。將傳感器安裝在XLPE 電力電纜接頭兩端，高壓電線接頭處的屏蔽層是不連續的，將在縫隙處向外泄露電磁波，傳感器測量XLPE 電纜接頭的局部放電信號，既有電纜金屬屏蔽層的脈沖電流感應磁場，也有縫隙處的電磁波信號，因此，需要借助信號調理電路部分進行濾波處理。XLPE 電力電纜缺陷檢測流程如圖1 所示。

2.1 傳感器

傳感器是XLPE 電纜絕緣檢測系統的重要部分，XLPE電纜局部放電時間短，放電信號弱，頻譜較寬，傳感器需要具有較強的靈敏度，要求在電纜隧道等特殊工作環境下能夠有效檢測出XLPE 電纜局部放電的信號沒并且輸出失真小、線性度高。本文主要研究的是羅氏線圈型的寬頻帶電流耦合器，Rogowski 羅氏線圈又稱為電流測量線圈，其結構是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈，非鐵磁性材料常用鐵氧體材料制作，通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可以真實還原輸入電流，尤其是在較低頻帶環境下，檢測靈敏度較高，信號響應能力強。羅氏線圈與傳統帶鐵芯的互感器相比，具有測量范圍寬，檢測精度高，穩定可靠，響應頻帶寬，同時具有測量和繼電保護功能，體積小、重量輕、安全并且符合環保要求。基于羅氏線圈的具有電流可實時測量、響應速度快、不會飽和、幾乎沒有相位誤差的特點，被廣泛應用于繼電保護，可控硅整流，變頻調速以及電阻焊等信號嚴重畸變的場合。羅氏線圈結構如圖2 所示。

圖2 羅氏線圈結構圖

圖2 中，R 是積分電阻，R 值選擇時應該根據電阻實驗進行選擇，由于鐵芯材質不同，環繞匝數不同，積分阻值也會有差異，R 值過大，工作頻帶會減??；相反R 值過小，靈敏度將會降低。當線圈中的導線局部放電時，線圈會產生感應電動勢，積分電阻會有感應電流。羅氏線圈與脈沖電流產生磁通相交鏈，一旦電流通過整個線圈中就會產生磁動勢，與導體中的脈沖電流成正比，通過磁場變化感應出電場變化。

2.2 信號調理電路

通過傳感器的耦合作用，可以獲取XLPE 電纜局部放電的高頻電壓信號，但是該信號通常較弱，在線路中傳輸會產生不同程度的衰減，此時就需要借助信號調理電路進行補償，完成信號放大輸出。本文采用的是PXPA Ⅱ型放大器，該放大器工作溫度為-30～70℃，帶寬15kHz～2MHz，配備BNC Q9 接口，增益40dB，經過放大器處理后，XLPE 電纜局部放電信號得到有效加強，同時噪聲信號可以有效過濾，輸出的信號滿足數據采集卡的要求。

2.3 數據采集卡設計

數據采集卡主要是將XLPE 電纜局部放電的高頻電壓模擬信號轉換成數字信號?？紤]XLPE 電纜局部放電的特性，本設計遵循奈奎斯特采樣定理（sampling theory），從而滿足局部放電檢測的要求。該采樣定理為連續時間信號（“模擬信號”）和離散時間信號（“數字信號”）之間的傳輸橋梁。依據該定理需保證采樣率大于被采集對象頻率的2 倍，才可避免頻率混迭問題，表達式如下。數據采集卡采用USB-9215A 高精度同步數據采集卡，采樣率高達100kS/s，采樣分辨率為16 位，最大輸出范圍-10V～10V，可同步采集4通道模擬輸入數據。實驗得知，采樣率越高，數字信息波形便越真實，檢測數據譜圖更為準確。

2.4 PC 單元

PC 單元負責分析處理數據采集卡傳輸的數字信號，顯示傳感器耦合信號的波形變化，標記出XLPE 電纜局部放電的信號的特點，便于電力工作人員識別，通過PC 程序可以讀取局部放電量的大小以及集中放電的區域，這些數據信息能夠實時保存在數據庫中，工作人員可以隨時進行調取分析。

3 電力電纜接頭缺陷檢測技術的應用

由于XLPE 電力電纜產生局部放電的原因較多，包括材料本身以及電纜敷設過程中外力影響都會造成絕緣損傷，通過針板放電、內部放電、懸浮放電和沿面放電來驗證羅氏線圈電纜接頭缺陷檢測技術的有效性。

實驗使用的圓形銅板電極直徑均為50mm，厚度10mm，電極表面和邊緣光滑，電極采用球形螺帽。針板放電在圓形銅板電極上放置直徑100mm、厚度1mm 環氧樹脂絕緣板，使用的高壓針尖半徑0.5mm、尖長15mm；內部放電在放電模型上放置兩層厚度為3mm 的環氧樹脂板，在板中間開有直徑為10mm 圓孔，絕緣板之間用環氧樹脂膠粘結；懸浮放電在直徑100mm、厚度5mm 的環氧樹脂板邊緣放置直徑10mm、高10mm 銅柱；沿面放電在兩個圓形銅板電極間縱向放置一個直徑10mm、長10mm 的環氧樹脂棒。實驗過程中逐步升高調壓器電壓，分別使針板放電、內部放電、懸浮放電和沿面放電四種模型產生局部放電脈沖，通過羅氏線圈檢測技術進行檢測并儲存信號，做相關發分析處理。通過四種放電模型進行局部放電檢測，結果證明了羅氏線圈電纜接頭缺陷檢測技術對于XLPE 電力電纜產生局部放電檢測靈敏度高、性能良好。

4 結論

綜上所述，電能是工業生產和居民生活中不可或缺的基礎能源之一，隨著城市建設腳步加快，電纜隧道應用已經逐漸取代了架空線路，對于電纜線路檢測提出了更高的要求，因此，對電纜線路的日常維護，就成為確保電力系統穩定性的核心工作。XLPE 材料在電纜線路中的應用日趨廣泛，電纜接頭絕緣性能又是整個電纜絕緣的薄弱環節，如何及時、準確地尋找XLPE 電纜接頭缺陷故障成為了進行檢修維護的關鍵任務。介于此，本文主要分析了羅氏線圈法進行XLPE電纜接頭缺陷故障檢測，為電力電纜在線檢測局部放電譜圖提供樣本數據，并且為日后開展電力電纜故障檢測和定位工作積累了豐富的經驗和堅實的基礎。