基于耦合電磁波法的電纜終端局放檢測實例

國網上海市電力公司 楊天宇 紀 航 張圣甫 龔黎翔

近年大中城市的電纜化率逐步提高。交聯聚乙烯電纜憑借良好的絕緣和機械性能，以及耐熱和耐腐蝕的特性已經得到了廣泛的應用。交聯聚乙烯電纜制造工藝不斷發展進步，電纜本體的故障率已逐年降低，但電纜接頭和終端由于結構較為復雜，安裝工藝控制困難，電纜經長時間運行在這些部位容易發生故障[1]。局部放電檢測技術檢測電纜內部微小絕緣缺陷的局部放電現象，通過檢測局放波形、放電量、頻率等，能在不停電的情況下判斷電纜的絕緣狀態，及時發現缺陷，避免缺陷繼續發展，引起跳閘停電事故[2]。目前常用電纜局部放電檢測方法有：高頻電流傳感器法（HFCT）、超高頻法（UHF）、超聲波法和電容耦合法等[3-5]。現有的電纜局放檢測方法還存在著檢測位置較為單一，傳感器容易非線性飽和，局放信號分離提取不便，接線較為復雜等缺點。

本文針對上海電網某110kV 電纜終端，利用新型的耦合電磁波法進行局部放電檢測，發現A、B、C 三相電纜終端均存在異常信號。對每相的異常引號進行信號分離并判斷了放電類型。對該電纜終端進行停電檢修，發現A、B 相終端屏蔽帽處存在螺絲突出，檢查戶外終端尾管部位，發現三相戶外終端底部的接地處理存在焊接缺陷，驗證了局放檢測分析結果。

1 耦合電磁波法天線傳感器

本次110kV 電纜終端局放檢測使用一種基于耦合電磁波法的新型局放帶電檢測設備，集成了新型的耦合電磁波傳感器和高性能信號處理系統，采樣頻率可以達到200M/s，同時采樣帶寬可以達到100MHz。由于電場耦合電磁波天線傳感器和無線連接技術（WiFi）的使用，以及系統高度的集成性，避免了傳統測試方法中信號傳輸線的使用，提高了測試的便利性。

耦合電磁波法是一種非接觸式的局放檢測方法，通過耦合感應局部放電對外界輻射的電磁波來進行檢測，因此檢測位置更加靈活，適用于電纜本體、接頭、終端和換位箱等的局放檢測。傳感器采用球形單極性天線設計的原因主要有兩個：一是天線傳感器是單極性的，具有良好指向性，可方便地用于局放定位。當傳感器面向局放源時傳感器接收信號強度最大，同時可抑制噪聲干擾；二是在現場檢測過程中具有相對強的獲取工頻交流參考相位信號的能力，相較于傳統檢測方法中通過羅氏線圈采集相位，使用該傳感器能減少額外傳感器的使用，提高檢測的便利性。傳統的羅氏線圈采集電纜內部交變電流的相位，而電纜內部的局放是由交變電壓引起的，因此羅氏線圈采集的相位信號會與實際的電壓相位有一定偏差。而耦合電磁波法天線傳感器直接接收電纜內部交變電壓產生的電場信號，避免了參考相位的偏差。

天線傳感器的輸出響應非常線性，避免了傳統局放檢測傳感器非線性和飽和的問題，能夠在局放信號接收和轉換過程中不損失信號的波形和頻率信息。因此通過該傳感器進行電纜局放檢測能夠獲得更完整的信號信息，方便對各種放電現象產生的信號進行分離、判斷，以及抑制采集到的噪聲信號。通過屏蔽實驗室的試驗，在距離信號源1cm 時該傳感器的靈敏度小于1pC，精度達到了10mV/pC[6]。

傳感器采集到的信號需與實際局放脈沖電流波形盡量一致。這需要通過更高的信號采樣頻率以及信號的實時處理來實現。傳感器與一個基于FPGA的高速數據處理單元相連接，同時處理采集到的高頻局放脈沖信號及工頻同步參考信號（圖1）。高頻局放信號經過可編程增益放大器（PGA）信號調理后，通過8bit 的模數轉換器變為數字信號，送入CPU 進行信號處理；同時工頻同步參考信號也送入CPU 作為參考相位信號。協同處理器（Co-Processor）用于實時提取脈沖信號的特征參量（上升沿、下降沿時間、長度、極性等）。所有數據通過網線或WIFI 與電腦連接，通過電腦可進行信號采集、參數調節等操作[6-7]。

圖1 高速數據處理單元電路結構

2 局放檢測結果分析

2018年5 月對110kV 重要電纜線路戶外終端進行帶電局放檢測時，發現某110kV 電纜戶外終端存在明顯局放信號。該電纜型號為YJLW03-630mm2，電纜長度1602米，于2012年11月20日安裝投運。采用基于耦合電磁波法的局部放電檢測設備采集電纜內部局部放電產生的脈沖電磁波信號，對該電纜A、B、C 三相終端進行局部放電檢測。

A 相終端的局放時域波形圖和PRPD 圖譜如圖2和圖3所示。通過放電波形和放電量的相位特性，初步判斷A 相終端存在懸浮及脈沖放電。懸浮放電可能是戶外終端內部油存在雜質（包括水等）或屏蔽罩、頂板上有一定的水、懸浮金屬物或其它導電性材料及接地系統不良引起的放電，而脈沖放電可能是內部某種原因引起的放電（如終端外部、特別是屏蔽罩處較臟引起的放電），也有可能是終端頂部金屬部分存在某種連接不充分或局部尖端引起的放電。

圖2 A 相終端局放時域波形圖

圖3 A 相終端局放PRPD 圖譜

圖4 A 相分離圖譜（電暈放電）

圖5 A 相分離圖譜（表面放電）

圖6 B 相終端局放時域波形圖

圖7 B 相終端局放PRPD 圖譜

圖8 B 相分離圖譜（電暈放電）

圖9 B 相分離圖譜（表面放電）

圖10 C 相終端局放時域波形圖

圖11 C 相終端局放PRPD 圖譜

圖12 C 相分離圖譜（懸浮放電）

圖13 C 相分離圖譜（電暈放電）

對圖3中A 相終端相位圖進行信號分類和分析，如圖4、圖5所示，可以判斷A 相終端存在電暈放電和表面放電。B 相終端的局放時域波形圖和PRPD圖譜如圖6和圖7所示。對圖7中B 相終端相位圖進行信號分類和分析，如圖8、圖9所示，可以判斷B相終端存在電暈放電和表面放電。C 相終端的局放時域波形圖和PRPD 圖譜如圖10和圖11所示。對圖11中B 相終端相位圖進行信號分類和分析，如圖12、圖13所示，可以判斷B 相終端存在懸浮放電和電暈放電。

3 電纜終端解體情況及結論

通過以上分析，該電纜終端A、B 相具有明顯的電暈及脈沖放電信號，C 相具有懸浮放電信號。根據檢測結果，結合之前類似的檢測案例，確認該局放信號為電纜終端內部缺陷引起的放電，終端內部很可能存在浸水或接地系統不良等缺陷。對該電纜終端進行停電檢修，發現A、B 相終端屏蔽帽處存在螺絲突出；檢查戶外終端尾管部位，發現戶外終端底部的接地處理存在焊接缺陷、封鉛不充分的情況，該電纜終端停電檢修的解體情況基本驗證了局放檢測分析結果，表明基于耦合電磁波法的電纜局放檢測具有不用接線、檢測位置靈活、采集信號失真少、局放信號分離提取方便等諸多優勢，驗證了其應用于110kV 電纜終端局放帶電檢測的有效性。