交聯聚乙烯電纜附件局部放電的聯合檢測方法研究

申鸝，張暉

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

交聯聚乙烯電纜附件局部放電的聯合檢測方法研究

申鸝，張暉

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

隨著交聯聚乙烯（XLPE）電纜線路的增多和投運時間的逐年增長，各類問題逐漸凸顯，尤其是電纜附件的絕緣事故不斷增多，而局部放電是評價XLPE電纜絕緣狀況的重要指標，也是診斷電纜故障的有效方法。簡要介紹當今常用的2種電纜局部放電在線監測方法，即電容差分法和特高頻法（UHF），重點介紹了它們的聯合檢測，利用差分傳感器解決局部放電標定問題，利用UHF特高頻傳感器進行抗干擾處理。運用聯合檢測方法對現場運行的XLPE電纜進行了局部放電在線監測，取得了良好的效果。

交聯聚乙烯電纜；局部放電；差分法；特高頻；聯合監測

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，XLPE（交聯聚乙烯）電纜因其優越的電氣性能和良好的熱效應及機械效應，廣泛應用在各種電壓等級的輸電線路和配電網絡中。但由于電纜在生產、運輸、安裝等過程中可能會混入雜質導致凸起等缺陷，或者受到潮氣、水分、化學物質的長期侵蝕滲透，使運行中的電纜所存在的問題逐步顯現，事故頻發，特別是電纜附件的絕緣老化，導致電纜運行壽命受到嚴重影響[1]。

目前，對于XLPE電纜絕緣的檢測大多采用周期耐壓試驗，該方法對于較為明顯的絕緣缺陷是有效的，但是對于那些需要發展很長時間才能逐漸顯現的絕緣薄弱點卻不太適用。近年來，局部放電在線檢測越來越多地被研究人員用來評估XLPE的絕緣情況[1]。研究表明，電纜的局部放電量與其絕緣狀況緊密相關，局部放電量的變化表征著絕緣可能存在的缺陷，因此，直觀、有效、理想的方法就是對XLPE電纜的局部放電進行精準測試，國內外的學者和IEEE等國際權威電力機構組織也一致推薦局部放電試驗作為XLPE電纜絕緣狀況評價的最佳方法[2]。

局部放電檢測是電纜絕緣非破壞性電氣檢測的重要項目。剛開始，國內外大多采用寬頻帶放大檢測器對絕緣進行局部放電檢測[2]。但是由于XLPE電纜的局部放電信號比較微弱，且波形復雜多變，很容易被背景噪聲和外部的電磁干擾淹沒，因此檢測起來比較困難。目前常用的電纜局部放電檢測方法有電容耦合法、電感耦合法，以及最近10年發展起來的各種高頻測量方法，目前都已經成功應用到現場測量中，但是單獨使用上述方法時或多或少存在著弊端，如抗干擾能力差、靈敏度不夠、檢測到的信號頻帶過高，超出了IEC 60270規定的標定范圍等等，因此本文提出了利用電容差分法和UHF（特高頻法）對電纜附件絕緣進行聯合監測，并且取得了良好的效果。

1 電容差分法

利用電容差分法測量電纜接頭的局部放電時，只需把2片金屬電極分別安裝在接頭絕緣墊的兩側電纜或者護套表面，通過這對電極進行局部放電信號的采集和校驗脈沖的輸入，常用于110 kV及以上等級的XLPE電纜局部放電信號采集。圖1為電容差分法測量的連接示意，將1對電極分別裝在接頭兩側，再將2極通過檢測阻抗連接起來[3]。圖2為電纜中間接頭電容差分法檢測的等效電路示意圖，圖中C0為回路雜散電容；C1為外護套線芯與金屬箔電極間的電容；C2為金屬護套處線芯與金屬箔電極間的電容；C3=C4，為外接電容，Zd為外接阻抗[4]。

圖1 電容差分法連接示意

圖2 電容差分法局部放電檢測等效電路

電容差分法類似于IEC 60270中規定的橋式連接法，當絕緣連接盒一側的電纜發生局部放電時，另一側電纜可以充當耦合電容，將局部放電脈沖耦合到高阻抗Zd上，形成的電壓波經放大后輸入示波器、頻譜分析儀等儀器進行分析處理。

電容差分法的檢測頻帶約為3～20 MHz，符合IEC 60270所規定的可標定頻帶范圍，一般可通過多點標定進行最小二乘擬合，得到當次試驗局部放電量和電壓之間的對應關系，但是該方法的抗干擾能力較差，受頻帶寬度影響而檢測靈敏度不夠，單獨在現場運用時，易受到現場其它電磁信號的干擾而導致測試結果不準確。

2 特高頻法

XLPE電纜特高頻局部放電檢測是從特高頻法在GIS（氣體絕緣金屬封閉開關設備）和變壓器上的成功應用發展而來的，通過特高頻傳感器耦合電纜或者附件內輻射出的高頻電磁波來實現局部放電的檢測，該方法抗干擾能力強，靈敏度較高[5-7]。雖然XLPE電纜本身具有很好的屏蔽層，但是由內部絕緣缺陷局部放電引發的高頻電磁波依然會通過附件處的絕緣部件以及接地線向外輻射，只要特高頻天線靠近它們，就能夠被檢測到。

UHF傳感器的前端采用平面等角螺旋天線，其平面結構如圖3所示。天線的工作原理和接收能力如圖4所示，其中天線視為電源，等效為電壓源V和其內阻Z，且Z可以表示為Z=R+jX，也稱之為接收天線的阻抗，與之匹配的負載阻抗為ZL。根據電路理論，為使負載獲得最大功率，接收天線的最佳接收方向應分別做到阻抗共軛匹配和阻抗匹配[8]。

圖3 天線平面結構示意

由于電纜附件內產生的局部放電輻射出的特高頻信號強度很弱，而且衰減很快，為了便于分析處理，需要用放大器來放大特高頻信號。研究表明，局部放電脈沖頻段的頻帶寬度越寬，能量就越大，一般來說，寬頻帶可以獲得更高的靈敏度[9]。由于空氣電暈干擾的頻率一般不超過0.4 GHz[10]，本文將天線的下限截止頻率設定為0.45 GHz，用來表示天線頻率響應和輸入阻抗的駐波比通過分析得到，如圖5所示。根據電磁波理論，在駐波比不超過2.0時，駐波的影響不必考慮，而工程上通常會比理論值更加寬松，只要求不超過3.5[11]。從圖5中可以看出，在0.45～1.5 GHz的頻帶范圍內，該天線的工作性能完全滿足工程上的需求。因此，將UHF放大器的帶寬范圍設定在450～1 500 MHz。由于選擇的頻率較高，因而避開了現場可能存在的很多較低頻率信號的干擾，抗干擾性良好，而其頻帶寬度有1 GHz以上，靈敏度較高。但是很明顯，該天線的檢測頻段遠遠超出了IEC 60270規定的頻帶范圍，因而無法對局部放電信號進行標定。

圖4 特高頻天線接收原理

圖5 特高頻天線的駐波特性

3 電容差分法和特高頻法聯合檢測

采用電容差分法測量交聯聚乙烯電力電纜附件局部放電，能夠標定出局部放電的視在放電量，操作方便，由于頻帶相對較低，衰減相對緩慢，易于測量。但是，由于附件環境周圍的電磁干擾較多，使得干擾信號容易耦合進來，影響局部放電信號的判別，而且靈敏度相對較低；而特高頻法由于測量頻率較高，能夠避開大多數干擾，而且靈敏度較高，但是超過了可標定的頻帶范圍。基于上述2種方法的優缺點，本文提出了電容差分法和特高頻方法的聯合檢測，既能解決局部放電信號的標定問題，又能有效避免干擾，而且具有相對較高的靈敏度。

3.1 聯合檢測的原理

電容差分法測量電纜接頭的局部放電時是把2片金屬電極分別安裝在接頭絕緣墊的兩側電纜或護套表面，用標定源標定后，通過電容耦合檢測到攜帶干擾信號的局部放電脈沖信號。通過特高頻法檢測電纜局部放電時，通過時域和頻域開窗的方法，利用周期型的干擾信號在頻域范圍內具有離散的特點來加以抑制，通過特高頻天線捕捉到的局部放電脈沖信號，將電容傳感器測到的對應的局部放電信號從各種噪聲和干擾中提取出來，這樣既能檢測到最真實可靠的放電信號，又能通過標定得到相應的視在放電量。聯合檢測系統的結構如圖6所示。

圖6 聯合檢測系統結構示意

系統的硬件包括電容差分傳感器及其放大模塊AMP，UHF傳感器，工控機等。電容差分傳感器耦合局部放電脈沖信號，UHF天線接收從接地引線或者接頭附近輻射出來的高頻信號，原始信號經過放大器后被采集卡接收到工控機。為了獲得局部放電信號的相位信息，外接1個工頻信號觸發器，設置觸發條件為上升沿過零點觸發，最后通過工控機上的Labview軟件對信號進行提取、分析及模式識別等后續操作。

3.2 聯合檢測系統的試驗論證

為了驗證聯合檢測系統的性能，在110 kV XLPE電纜上預設氣泡作為絕緣缺陷：打磨電纜本體厚度以滿足與應力錐的過盈配合和安裝要求，氣泡缺陷模型如圖7所示，在電纜本體的半導電口向前5 mm處挖1個10 mm×2 mm×2 mm的空隙，將應力錐定位于電纜本體半導電口向后40 mm處，使空隙埋于應力錐半導電部分下面，處在較強電場的位置，更接近于實際電纜運行中的氣泡放電類故障。

圖7 氣泡缺陷模型

分別對設置了氣泡的XLPE電纜和新電纜加壓以檢測局部放電，所施加的電壓均為45 kV（小于額定相電壓64 kV），當電纜絕緣發生局部放電時，通過外部工頻觸發信號進行觸發，2路傳感器的信號通過采集卡獲取，將UHF傳感器通道的信號幅值和預先設置的噪聲閾值進行對比，一旦超過閾值，通過該處特高頻信號對應的工頻相位來尋找對應的差分傳感器上的信號，并進行去噪等后續處理后獲取聯合檢測的信號。

圖8所示為對新電纜施加45 kV電壓時，電容差分傳感器、UHF傳感器及聯合檢測提取的局部放電信號，從圖中可以看出，電容差分傳感器所測得的信號分布比較廣泛，存在不少脈沖信號，而UHF傳感器沒有捕捉到異常。通常認為，對新電纜施加電壓低于額定電壓時不會發生局部放電，因此可以認為電容差分傳感器測得的信號為背景噪聲干擾，聯合檢測未提取到局部放電信號。

圖8 新電纜的檢測信號

圖9所示為對故障電纜施加45 kV電壓時，電容差分傳感器、UHF傳感器及聯合檢測提取到的局部放電信號。從圖中可以看出，電容差分傳感器及UHF傳感器在t=-1 μs時均捕捉到了信號，而在t=0.5 μs時電容差分傳感器檢測到信號，UHF傳感器則沒有捕捉到異常。將這2個傳感器的測試信號進行聯合提取后，得到電纜局部放電的聯合檢測信號。由圖可知，在t=-1 μs時測得的信號是真實的局部放電信號，而t=0.5 μs時電容差分傳感器捕捉到的信號可能是背景噪聲干擾。

圖9 氣泡缺陷模型電纜的檢測信號

4 結語

本文介紹了目前常用于XLPE電纜局部放電故障在線檢測的電容差分法和UHF特高頻法，重點介紹了基于上述2種檢測方法的聯合檢測系統，不僅可以去除背景噪聲干擾，準確提取出局部放電波形，還能夠對局部放電脈沖進行標定，便于進一步的數據分析和處理，靈活性好，使用方便，與單獨采用電容差分法或特高頻法相比，聯合檢測法具有非常明顯的優勢。

[1]張磊.基于XLPE電纜局部放電檢測的傳感器研究[D].天津：天津大學，2009.

[2]張強.電力電纜局部放電檢測與模式識別的研究[D].天津：天津大學，2007.

[3]唐慶華.XLPE高壓電力電纜局部放電檢測方法研究[D].天津：天津大學，2010.

[4]代風龍.電力電纜絕緣在線檢測與診斷[D].長沙：長沙理工大學，2009.

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[7]原美琳，李和明，李永剛.用于局部放電信號提取的Daubechies復小波研究[J].電力科學與工程，2009（10）∶12-16.

[8]鄧志勇.電纜附件局放內置傳感器與超高頻檢測的研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[9]STONE G C，SEDDING H G，FUJIMOTO N，et al.Practical implementation of ultrawideband detectors[J].IEEE Trans on Electrical Insulation，1992，27（1）∶70-81.

[10]王元坤，李玉權.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[11]王偉.超高頻（UHF）法檢測電力變壓器局部放電的試驗研究[D].北京：華北電力大學，2004.

（本文編輯：龔皓）

Research on Joint Detection Method for Partial Discharge in XLPE Cable Accessories

SHEN Li，ZHANG Hui
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

With the increase of XLPE cable lines and its annually growing operation time，diverse problems in XLPE cables are gradually highlighted，among which are the growing insulation accidents in cable accessories.Partial discharge is not only an important indicator for evaluation of insulation condition of XLPE cables but an effective method for cable faults diagnosis.This paper briefly introduces two common online monitoring methods for cable partial discharge，namely capacitance difference method and ultrahigh frequency（UHF）method.The paper focuses on the joint detection method，which uses capacitance difference method to demarcate partial discharge and uses UHF sensors to resist interference.Favorable effect is achieved by using joint detection method to detect partial discharge of field operating XLPE cables.

XLPE cable；partial discharge；difference method；ultrahigh frequency（UHF）；joint detection

TM855+.2

：B

：1007-1881（2014）06-0011-05

2014-02-26

申鸝（1985-），女，浙江杭州人，助理工程師，從事電力生產管理和研究工作。