XLPE電纜局部放電在線檢測系統探討

李擁軍，尹 舵，李俊文，陳昶霖，陳永鏵，馮隆福，李 海

（海南電網有限責任公司儋州供電局，海南儋州 571799）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和城市化水平的不斷提高，對于電力供應系統（尤其是城市供電系統）提出了各個方面新的要求［1－3］。相比于傳統的架空輸電線路，電力電纜線路具有顯著的優越性，其在我國的應用將越來越廣泛［4－7］。對于電纜運行的安全性以及穩定性，迄今為止電力部門采取的措施是運用盡可能多的方式檢測電纜的絕緣狀態。電纜的預防性試驗有一定的局限，但是是最具代表性和最常用的一種方法，在線檢測電纜的絕緣性也是常用的選擇。預防試驗的界限，不僅會給國家帶來特定的停電風險和損失，而且還會加速電纜絕緣和老化的損害。因此，電纜在線監測系統成為了研究和應用的中心。現有的在線監測方法主要有直流分量法、損耗電流諧波分析法、局部放電法等，但最重要的檢測技術是采用局部放電法，其中電磁耦合檢測法最常用。

目前用于電纜的局部放電檢測系統主要包括在線監測系統和現場檢測系統。在線監測系統有大規模的覆蓋和可持續監控，安裝復雜，成本高，現場檢測系統移植方便，覆蓋較小。針對以上問題，基于電磁耦合法和多通道高速數據收集數據庫技術的整合，本文討論并開發了一套完整的電纜局部放電在線監視系統，該系統具有更簡便、高速的安裝、更寬的檢測范圍和測試范圍。系統采用設計的分布式結構，大大提高了系統的操作可靠性，具有重要的實際意義。

1 監測系統架構

電磁耦合原理是XLPE電纜部分放電在線監視系統的主要原理之一。經由電纜端子的接地線上的傳感器檢測電纜部分放電信號。放大后，通過多通道數據取得系統收集、預處理、抽取，上傳到系統的便攜式診斷中心，通過系統診斷軟件對電纜絕緣狀態進行分析和評估。所有局部放電監測系統由信號感測模塊、檢測前端、信號集中單元、便攜式分析診斷中心構成。在系統設計過程中，為了容易安裝功能部件而模塊化了。同時，根據分布式設計原理，使用4個檢測前端來提高系統的可靠性，每個檢測前端彼此獨立。這樣即使檢測到前端故障，也能夠根據需要進行電纜部分放電的在線監視。在4個檢測前端中，可以測試電纜線的多個電纜或多個中間接頭，并且系統架構有32個。

其中信號感測模塊包括高頻電流傳感器和高頻放大器。檢測前端包括8個信道的高速數據獲取系統和光電轉換模塊。4個檢測前端通過光纖以信號濃度為單位進行網絡化，最終通過信號集中單元上傳到便攜式分析診斷中心。

2 XLPE電纜局部放電在線監測技術

XLPE電纜內局部放電發生的過程中，會伴隨著發生電流脈沖、電磁波、超聲波、熱、光等許多現象或某些物理量的變化，同時生成一些新的產物。各種局部放電檢測方法的基本原理就是通過這些現象的測量來分析電纜中局放的情況，來及時發現XLPE電纜中的潛在故障，判斷電纜絕緣老化程度，為檢修維護提供依據，保證XLPE電力電纜安全可靠運行。

傳感器是局部放電檢測系統最重要環節，電纜中的局放信號只有經過傳感器才能被測試系統獲取。由于XLPE電纜局部放電過程中會有多種現象或物理化學變化發生，傳感器就是對這些信號進行測量，因而其設計方式也呈現多種多樣。這也是近年來局部放電領域研究的比較多的問題，而在XLPE電纜局部放電在線監測領域被廣泛應用的傳感器，包括有：電容耦合傳感器、方向耦合傳感器、寬頻帶電磁耦合傳感器、超聲波傳感器。

2.1 電容耦合傳感器法

電容耦合傳感器法是耦合局部放電引起的電場變化，從而可以直接得到放電的電信號，是電檢測法的一種。在操作過程中，將2個金屬薄片安裝在電纜外緣，形成容性電極，也可以利用電纜附件中已存在的金屬結構的電容和電纜本身直接耦合放電，因此產生脈沖電流信號。電容電極的位置使得這種監測法又劃分為內置監測和外置監測［9］。

內置式一般安裝在半導電屏蔽層上，具體安裝方法是在電纜金屬護套上切一個100 mm長的環形開口，不會影響到電纜的XLPE主絕緣，在電纜外露出的半導電屏蔽層上纏繞一些錫箔帶，寬約40 mm，將其作為耦合傳感器。內置式電容耦合傳感器法由于直接安裝在電纜主絕緣上，具有靈敏度高且受外界干擾小的特點。內置式要對電纜的金屬護套進行切割，安裝工作量較大且容易損傷電纜主絕緣，因此人們研究出了安裝簡單，適合于現場及在線檢測外置式電容耦合傳感器。它直接將金屬電極貼附于附件的護套外表面，不破壞電纜附件的固有結構，因此不會對電纜的絕緣性能造成影響。

國內多家科研單位已經基于此原理研制出了對應的傳感器。西安交通大學徐陽等［12］設計一款用于XLPE電力電纜局部放電測量的頻率響應可以達到500 MHz電容耦合傳感器。重慶大學唐炬等［13］基于電容耦合原理研制出用于XLPE電纜附件局部放電信號檢測的寬頻帶電容型內置式傳感器，該傳感器能夠感應到納秒級的放電脈沖信號，有效頻帶達到了500 MHz。國外對于電容耦合傳感器研究也已經有較長時間。日本有企業利用這種傳感器研制的一種便攜式局放測試儀已投入電力系統運行，檢測靈敏度達到了1 pC，噪聲水平小于1 pC，有效頻帶為100 kHz～100 MHz。英國南安普頓大學研制出了內置式的VHF電容耦合傳感器，其頻帶低于300 MHz，靈敏度低于3 pC。

2.2 方向耦合傳感器法

方向耦合傳感器由一對具有相同結構和性能并且能夠識別局部放電脈沖信號傳播方向的方向傳感器構成。方向傳感器的兩個輸出信號的端口分別耦合不同方向的脈沖信號。在電纜附件兩側的外半導電層上安裝的方向耦合傳感器具有A、B、C、D 4個輸出端口。因為不同的放電源發出脈沖的傳播方向不一樣，當傳感器的方向性為1∶2時，這4個輸出端電壓 將會具有不同的關系。

2.3 電磁耦合傳感器法

根據麥克斯韋的電磁學理論，局放產生的電流脈沖在導線傳播過程中，會在周圍產生變化的電場，變化的電場產生變化磁場，電磁耦合傳感器就是利用放電脈沖電流產生的磁場來測量放電信號的。這種傳感器最常見的類型1為羅氏線圈傳感器。按照羅氏線圈大小以及安裝的位置的不同，也區分為內置式和外置式。內置式電感耦合傳感器安裝在電纜附件內部的金屬護層連接線上，具有尺寸小、受干擾小、靈敏度高等優點，但是安裝過程比較復雜［10］。

2.4 超聲波傳感器法

超聲波傳感器是利用超聲波特性開發的傳感器。超聲波是聲波振動頻率高的一種振動波。在電壓的激發下由能量轉換芯片的振動產生。高頻、短波長、小衍射現象、特別是定向性好可以傳播是它的主要特點。

把超聲波作為檢測手段。完成這個功能的裝置是被稱為超聲波傳感器和超聲波探觸器的超聲波傳感器。人們可以通過物體的振動來聽聲音。頻率在20 Hz～20 kHz的范圍內。20 kHz以上稱為超聲波，20 Hz以下稱為超低頻音。所使用的超聲波頻率是數萬赫茲到幾千萬赫茲。超聲波比是彈性介質中的機械振動的一種，具有橫向振動（橫波）和縱向振動（縱波）兩種形式。在產業界主要使用垂直振動。超聲波比在氣體、液體和固體中傳播，傳播速度不同。另外，傳播過程中也存在反射折射現象和衰減。在空氣中傳播的超聲波頻率較低，通常為幾萬赫茲，頻率在固體和液體中較高。衰減在空氣中是高速的，但是在液體和固體中是小的，離得很遠。利用超聲波特性，可以制造各種超聲波傳感器，配備不同的電路，可以制造和通信各種超聲波探測器，從而在線監測局部放電。

3 實踐分析與建議

當局部放電發生在電纜內部，就會存在一些電流觸達地面，外屏蔽層接地線是其途徑。對電纜現場監測主要通過電磁耦合法、超聲法和超高頻法。電磁耦合法是通過連接線圈和電纜進而感應局部脈沖電流來檢測的方法。超聲波法通過監測局部產生的電流信號來確定水平，而電流信號是由電纜外部的傳感器，將產生的超聲波信號轉化而成的。高頻法在GIS生產、運行以及電力設備中的廣泛應用，很大程度因為能從超高頻的電磁波直接獲得局部放電監測的相關信息。由于信號傳播時效短，后兩種監測方式的局限性也體現了出來，應用于小范圍檢測的電纜附件領域［13］。

3.1 運行中電纜的局放巡檢

以前多運用如目測法、紅外測溫法等傳統方法對電纜運行進行定期巡檢。近些年來超高頻法和超聲波法得到了更多的關注和應用。是因為巡檢中快速、準確、高效對于迅速排除被檢測設備的故障隱患，保障電力系統的安全運行具有極為重要的意義。上海在這方面積極推進，電力公司和大學專業科研的通力合作，將寬頻電磁耦合、超聲波檢測技術和超高頻檢測技術等多種手段一起應用，同步檢測，研發出一套更新、更便捷的局部放電監測系統。目前應用于監測領域，從現場干擾排除以及保障檢測結果方面考慮，更多采用了聲電聯合法。利用多種信號對比分析，發現和處理了很多局放缺陷，很大程度消除了事故隱患。保障了電力系統的安全運行，提高了設備檢修效率和降低了維護設備的成本。

3.2 電纜局放在線監測

發展并推進對電纜內的局部放電在線監測，對于發現并盡早消除潛在的絕緣缺陷隱患有重大意義。單一的依靠某一種方法在線監測的方法去進行監測不能全面的反饋其用電的設備的真實情況，只有把各種設備、問題、環境勘察相結合才能夠正確捕捉用電設備的運行情況。在現場安裝過程中也存在設備應安裝不牢靠、傳感器與電纜密合度不高而引發的監測信息、數據不準確的現象。故現場安裝調試在線監測設備尤為重要，在一定程度上，安裝和監測密不可分。上海電力公司率先在上海市35 kV變電站黎安站和疏影站，引進安裝了2套電纜局部放電在線監測系統，這種積極探索以及和專業大學科研積極合作的態度精神對于國內局放監測系統的發展具有很大的推動意義。雙站多線路、電纜層的傳感器和信號線纜雙輔助、專家系統的監測服務器、機柜安裝隨手可操作，實現了在線對電纜內的局部放電信號進行實時診斷分析。

4 結束語

本文介紹了國內及國外現有的電纜局放實時在線檢測的方法，并指出了現有的各個方法的優缺點。傳統的局放檢測只用放電量的大小報警，不管什么信號只要超出預設值的閾值就會報警，出現很多錯報、漏報、誤報的現象。而在線監測系統是先判斷是否有放電，使用放電特征診斷與放電量等多個參數相結合報警機制報警，解決了錯報、漏報和誤報問題，同時增加了區內區外放電定位功能，在實際測試工作中，靈活運用各種測試方法主要目的就是盡可能的提升設備的靈敏度，降低現場干擾對測試工作的影響，從而提升測試質量，使得在線監測可用性提高，準確性提升。在線檢測法在今后的實際生產中必將得到更廣泛的推廣和提高，這也更加有利于整個電網系統的穩定運行以及社會經濟的發展。