電力電纜局部放電在線監測技術探析

潘志卿

（上海交通大學，上海200240）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，我國電力電纜的生產逐漸躋身世界先進行列，而且質量也名列世界前列。我國發電站和電網發展迅猛，風能、核能等清潔能源越來越受到重視，使得電網規模、裝機容量和電力線路的需求越來越高。電力電纜因其不影響地面的景觀且不易受到污染、不需要過多維護、可減少事故、抗干擾能力強等優點，在電網建設中發揮了巨大作用，尤其是在人口密集的城鎮地區、交通擁擠地區、污染嚴重地區以及跨度大難以建設架空線的區域等。

1 電力電纜產生故障及局部放電的原因

電力電纜一般都是由交聯聚乙烯（XLPE）制作的，正常工作壽命一般是二三十年，但是它們經常處于條件惡劣的地下，使得壽命受到了很大影響。XLPE電纜長期受土壤和水分的浸潤，極易被腐蝕，而且材料本身或制作時的缺陷會使得絕緣層很快老化，甚至出現短路等故障，破壞電力系統的正常運行。

XLPE電纜出現故障的原因主要有以下幾個方面：

（1）絕緣老化：包括化學反應引起的熱老化、化學性老化，由于空隙部分產生電暈的電氣老化，水分侵蝕呈現的水樹枝老化等，可以通過測量電纜介質損耗角的正切值、直流漏電電流等來判斷老化程度，后者一般只能停電檢測，而前者可以通過在線監測方式實現。

（2）機械損傷：一般由外力造成，如在運輸、挖土等過程中產生的破壞，例如，一些車輛超載導致地面振動，就會使得道路附近的電纜受到破壞。

（3）過電壓：電纜內部電流電壓過大或電纜遭受雷擊產生的過電壓超出了電纜所能承受的允許值而破壞了電纜絕緣層，產生擊穿現象。

（4）材料本身或工藝存在缺陷：電纜在制造過程中絕緣層上出現裂紋、褶皺或缺口等，電纜附件制造時出現強度不夠、砂眼或者不符合規范等缺陷。

電力電纜出現的局部放電主要是絕緣部分被擊穿產生的電氣放電，多發生在絕緣較薄弱處，可能是導體附近，也可能是其他地方。局部放電一般出現在絕緣層內或電纜表層的氣隙中，這主要是由于在固體和液體中介電常數要比在空氣中大，這就使得正常氣壓下固液介質的擊穿電壓一般要高于氣體的，而且電纜周圍的電場強度要比氣隙中的電場強度高，所以氣隙更容易被擊穿，產生放電，而其他地方仍然能夠起到一定的絕緣作用，這樣就會出現局部放電現象。電纜剛出現故障時，各個部分的絕緣性能不相同，電纜內部的電荷不能均勻分布，這就造成電場強度各有差異。這時，電場強度較大的地方就有可能先出現放電現象，但不會立刻擊穿，從而產生了電纜絕緣層內的局部放電。

2 電力電纜局部放電在線監測的重要作用

傳統的電力電纜絕緣性能監測方式一般是進行定期試驗。這種試驗通常在雷雨季節前的春檢時期將電網關閉，然后統一檢驗設備的絕緣性能，并將檢驗結果與標準作對比，如果超出標準值，就需要對該設備進行檢修。這是一種預防式的維護方法，它在我國已經使用40多年了，在一定程度上保證了電力系統的可靠運行。然而從長期來看，這種方式存在很大的局限性。首先，定期試驗過程需要對電網停電才能進行，這不但會給各企業和個人帶來很大損失，還會耗費大量的人力物力，安排工作也是個很大的問題。其次，定期試驗和電纜或設備的實際工作環境不匹配會導致試驗結果不準確。試驗一般在電壓較低的條件下進行，而電纜或設備常常工作在高壓狀態，還可能存在熱應力等問題，這樣在工作中出現的一些缺陷有可能在試驗中檢測不出來。而且，電纜各個部位出現絕緣老化的速度不盡相同，這就使得各種故障有著不同的潛伏期和發展期，定期試驗可能會漏報即將出現故障的部位或者早報可能出現的問題。

20世紀70年代以后，我國裝機容量飛快增長，原有預防性維修體系的可靠性和經濟性已經不能滿足裝機要求，于是人們便提出了在線監測的方法，即在設備正常運行的狀態下，對其絕緣狀態進行監測，根據連續監測得到的信息進行分析，如果發現絕緣狀況不好的地方就及時進行維修。這是一種預知性的維修方式，可以有效地提高設備利用率和可靠性，降低維修成本。根據統計分析，采用基于在線監測的預知性維修每年可以減少維修費用1／4以上，故障停機時間減少3／4。

3 局部放電在線監測方法

在線監測的思想最早是由美國的約翰遜提出來的，經過60多年的發展，電力電纜局部放電在線監測技術不斷進步和完善，形成了以下幾種方法：

（1）差分法。這是日本研發的一種監測方法，即將兩塊金屬箔用粘合劑粘在電纜中間接頭兩側的金屬屏蔽層上，這樣金屬箔和屏蔽層的中間就構成了近2 000 p F的等效電容。然后把一個50Ω的電阻接入兩塊金屬箔中間，使得上述等效電容、電阻和電纜絕緣層之間形成一個檢測回路。如果電纜某端出現局部放電，電信號與絕緣層之間的等效電容形成耦合作用，檢測回路中就會產生電流，電阻中就會檢測到電信號。對檢測到的電信號進行頻譜分析可知，如果頻譜分析的中心頻率在10～20 MHz之間，產生的信噪比是最大的。這種差分法在線監測電路能夠像差動平衡回路一樣，電阻兩端電壓值不會降低，干擾信號經過時不會產生壓降，所以能夠起到抑制干擾的作用。

（2）方向耦合法。它的主要部件是方向耦合器，由羅格夫斯基線圈、電極板和兩個終端電阻組成，金屬屏蔽層和電極板中間會形成一個等效電容。該方法需要在電纜中間接頭的兩端都裝上方向耦合器。當電纜中產生局部放電信號時，電信號從一端傳向另一端，于是在等效電容和線圈中能檢測到脈沖信號。局部放電信號的傳播方向是根據電容中產生的耦合信號和線圈中產生的耦合信號的大小關系來確定的，這樣就可以判斷出放電信號產生的部位。這種方法靈敏度高，監測頻帶較寬，且抗干擾能力較強。

（3）電磁耦合法。這種方法最早應用于發電機和變壓器中，后來才逐漸應用到電力電纜監測上。運用電磁耦合思想進行在線監測的方式有多種，它們使用不同的傳感器和結構，監測部位和抗干擾手段也各不相同。一般使用的電流傳感器是帶鐵氧體磁芯的寬頻帶羅氏線圈型，監測部位包括電纜終端金屬屏蔽層接地引線處、電纜上或者中間接頭屏蔽層。

（4）超高頻電容耦合法。將接頭附近電纜上的外護套削去一部分，使得外半導電層的金屬箔形成一個電極，用導線連接屏蔽層，電容耦合器輸出檢測到的電信號。低頻電壓時，外半導電層電阻較小，耦合器不會破壞絕緣。當出現超高頻電壓時，可以很好地檢測到放電信號。

除上述方法外，還有超高頻電感耦合法和超聲波檢測等電力電纜局部放電在線監測方法。

4 當前在線監測方法存在的不足

電力電纜局部放電在線監測技術通常在理論上具有很強的可行性，但在實際應用中存在很多問題，難以達到預期效果，這主要是由于在實際工作條件下，外界存在較強的電磁干擾，硬件很難完全抵消；采集到的信號強度不夠，幅值小，很容易被噪聲淹沒；沒有足夠優良的絕緣優劣評估技術。總而言之，電力電纜在實際工作中所處的環境比試驗條件要復雜得多，這直接影響了在線監測技術的實際應用。

5 結語

隨著信號采集技術、抗干擾技術、濾波技術的不斷發展，電力電纜局部放電在線監測的手段將日益完善，在實際應用中也將會逐漸適應各種各樣的復雜環境，從而在電力電纜線路的安全運行中發揮越來越重要的作用。

［1］沈黎明．電力電纜應用技術［M］．鄭州：鄭州大學出版社，2011

［2］卓金玉，韓雪清．電力電纜設計原理［M］．北京：機械工業出版社，1999

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