電力電纜局部放電機理及檢測方法探究

高二超，汪 淼

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，安徽 蕪湖 241006；2.國家特種電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，安徽 無為 238300）

對于電力電纜等電力產(chǎn)品或設(shè)備來說，研究其局部放電主要是針對絕緣性來說的。電線電纜在達到場強條件下，在線纜局部進行放電，這種放電跟普通短路不同，因為線纜還能工作。但局部放電的影響到底程度如何，還需要檢測確定。如果輕微的局部放電，其絕緣性能效果尚可，電力產(chǎn)品、設(shè)備運行正常，絕緣強度的下降較慢；若強烈的局部放電，將會使絕緣強度下降很快[1]，絕緣性能無法保證，高壓電力產(chǎn)品、設(shè)備的絕緣損壞將不可避免。研究局部放電，以具體數(shù)值參照比對具有現(xiàn)實意義，在線纜檢測領(lǐng)域，特別是高壓電力電纜局部放電參數(shù)研究價值明顯。

1 局部放電原理分析

線纜制造過程中，導體會包裹絕緣材料等介質(zhì)，工藝過程中會擠出氣泡，但不可避免地會殘余氣泡。另外，電力電纜油浸式終端頭的油浸絕緣中，紙層結(jié)構(gòu)間包裹油膜。從絕緣介質(zhì)擊穿角度分析，油浸式的絕緣物材料與固體絕緣物相比，絕緣系數(shù)要小，易被擊穿[2]。帶有同種結(jié)構(gòu)的有澆注型電力電纜、互感器、電纜附件、帶膠紙?zhí)坠艿取ｈb于此，關(guān)于局部放電原理剖析，筆者從兩個方面展開：一是電力電纜局部放電成因；二是局部放電檢測結(jié)果判定。

1.1 電力電纜的局部放電原理

線纜局部放電在線纜內(nèi)部，可以認為線纜的電暈放電是局部放電的一種物理呈現(xiàn)[3]。從狹義角度分析，電暈放電是局部放電中特殊的一種，極端之間不會形成通道（與爬電效應(yīng)區(qū)別）。

局部放電不僅是表現(xiàn)在材質(zhì)上，還體現(xiàn)在部位。如電氣設(shè)備的套管邊緣，高壓電器設(shè)備線圈的出槽口，位置都在邊緣端。

根據(jù)電磁學相關(guān)原理可知，因電場較為集中，導致電場強度特別高，使得膠紙?zhí)坠堋⒏邏弘娖髟O(shè)備的繞組在工作電壓下常發(fā)生局部放電。檢驗合格出廠的新高壓電力電纜、高壓電容器，起始工作場強較低[4]，雖然油紙絕緣起始放電場強較大，但絕緣紙承受能力尚可，投入運行時，可吸收氣泡，保證絕緣效果，這也是絕緣紙在電纜附件、終端頭中廣泛使用的原因，但長期負荷運行中，油紙絕緣會自然老化，吸收能力下降，堆積的氣泡產(chǎn)生局部放電。

交流電局部放電主要是在交流正弦電壓下產(chǎn)生的，日常工作中，會出現(xiàn)雷電過電壓、操作過電壓等情況，由于是瞬間行為，出現(xiàn)的情況偶發(fā)，所以對電力電纜影響有限，而局部放電直接危害著絕緣的正常運行。

相比交流電，直流電性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬，局放出現(xiàn)的重復率頻次較少。這里著重說明一下電暈放電，由于放電是在尖端處或電極邊緣處進行，所處場所可能是變電站、配電所、樞紐區(qū)域等，因都直接暴露在空氣中，所以對介質(zhì)的破壞分析要區(qū)分清楚，分別研究。可分為直接與材料接觸和不接觸兩種情況，原理不再贅述，其影響結(jié)果前者是導致介質(zhì)受損與老化并存；而后者則因產(chǎn)生化學反應(yīng)生成臭氧或其他具有腐蝕性物質(zhì)造成本體受損。

1.2 局部放電檢測結(jié)果判定

IEC 60840《額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》中規(guī)定[5]，電力電纜局部放電測量系統(tǒng)的靈敏度小于或等于10 pC；在GB/Z 18890.1-2002《額定電壓220 kV（Um=252 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分：額定電壓220 kV（Um=252 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件電力電纜系統(tǒng)——試驗方法及要求》中規(guī)定，電力電纜局部放電測量系統(tǒng)的靈敏度小于或等于5 pC。型式檢驗中，靈敏度低于5 pC，可以認為所生產(chǎn)的該批次電力電纜局部放電值達到標準要求。

其中：Tr為試驗變壓器；Cx為被試品；Ck為耦合電容器；ZM為測量阻抗；DD為檢測儀；M為實驗回路附近金屬物；IB為雜散電感；LM為耦合的輻射干擾；UA為電源干擾；UB為接地干擾回路雜散電容C產(chǎn)生的干擾；UB為懸浮電位產(chǎn)生的干擾；UE為高壓各部位電暈放電形成的干擾；IA為變壓器放電干擾；IC為耦合電容器放電干擾。

型式檢驗中，影響因素很多，干擾進入實驗回路的途徑如圖1所示，為使檢測順利進行，要對背景噪音有效識別和抑制。噪音抑制識別，學術(shù)界以及工程領(lǐng)域尚未建立全面識別方法，但可利用文獻[6-7]提供的幾種局部放電的基本圖譜來提高識別能力。

圖1 干擾進入實驗回路的途徑

同時，干擾信號在所難免，從經(jīng)濟性和實用性來說，把干擾信號束縛到允許范圍之內(nèi)，不影響識別與判斷即可，不必大動干戈地將干擾信號完全抑制濾除（也不可能）。

2 局部放電檢測方法介紹及驗證

2.1 局部放電檢測方法

脈沖電流法進行局部放電檢測，其技術(shù)成熟，已經(jīng)建立國際國內(nèi)評判標準，專業(yè)程度高，具有良好的科學性和可操作性。脈沖電流法是通過檢測阻抗、檢測電力電纜套管接地線、外殼接地線、鐵芯接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流來獲得放電量，該電流傳感器通常按頻帶可分為窄帶和寬帶兩種。

電力電纜運行環(huán)境復雜，迫切需要一種可在線檢測，同時受現(xiàn)場外界干擾噪聲影響較小的檢測技術(shù)，基于射頻技術(shù)的局部放電檢測應(yīng)運而生。目前，能達到300～3000 MHz超高頻信號局部放電檢測技術(shù)越來越成熟，可實現(xiàn)快速定位、精準檢測：當頻帶寬變化時，局部放電脈沖能做到隨帶寬變化，有效跟蹤，熱噪聲、諧波等都會對其造成影響，如果單考慮檢測裝置本身的熱噪聲，認為對靈敏度測量的影響可以接受，且靈敏度測量精準穩(wěn)定[9]；另外，電力電纜應(yīng)用場所較多，對其造成的電磁干擾溯源及其構(gòu)成復雜，都會對局部放電檢測造成影響，而使用超高頻檢測法（UHF檢測法），可使影響降到最低，具體操作為：用寬頻法抑制周圍可測頻譜干擾；用窄頻法將其與局部放電信號加以區(qū)別，做到有效識別，方便讀取。同時輔以數(shù)字化濾波技術(shù)，使得超高頻+數(shù)字化檢測方法在局部放電在線檢測中應(yīng)用前景廣闊。

2.2 超高頻+數(shù)字化局部放電檢測驗證

為驗證超高頻+數(shù)字化檢測技術(shù)使用的有效性，做如下實驗驗證。實驗選取YJV-8.7/15 3×185型電力電纜試品，按照圖2所示的實驗接線圖，對YJV電纜進行局部放電檢測研究，電源為380 V交流電源，調(diào)壓器輸出電壓為0～3.3 kV，變壓器等級400 V/80 kV，變比為1∶200，緩沖電阻7 kΩ，耦合電容為3000 pF（±5%）（主要分二級，級電容6000 pF）。

圖2 YJV電纜局部放電檢測實驗接線圖

所加的試驗電壓為22.5 kV，YJV電力電纜的電壓等級為8.7/15 kV，選擇MPD600型局部放電/局放故障定位儀（帶寬選擇范圍：9/40/100/160/300/650 kHz,1 MHz,1.5 MHz，最大采樣率20 GS/s，存儲長度為雙通道48 MB，德國歐姆克朗公司制造）。圖2中S是容性電力電纜試品，使用的升壓電抗器是4800 kVA/2×400 kV的可調(diào)電抗器臺套裝置。

實驗結(jié)果如圖3所示，YJV-8.7/15 3×185型電力電纜試品局部放電檢測值為2.6 pC，對比GB/Z 18890.1—2002標準規(guī)定，電力電纜局部放電測量系統(tǒng)的靈敏度小于或等于5 pC，符合要求，而且局放值很小，說明高頻+數(shù)字化檢測技術(shù)效果明顯。

圖3 試品局部放電檢測

3 結(jié)束語

通過對檢測方法進行對比及其機理進行剖析，探索構(gòu)建UHF檢測和數(shù)字化檢測相結(jié)合的新機制，搭建設(shè)備系統(tǒng)，驗證效果，達到預期目標，具有實際應(yīng)用價值。但圍繞新機制還有一些如線纜在線局部放電檢測、運用大云平移技術(shù)實現(xiàn)局部放電自動識別等問題，還須進一步研究。