關于高壓電纜局部放電檢測傳感器的研究

2019-01-12 02:18:58鄭海波蘇平常海群邱越程夢凌肖擁軍汪天星

鄭海波蘇平常海群邱越程夢凌肖擁軍汪天星

1.國網襄陽供電公司檢修分公司，湖北襄陽 441021；2.北京國電迪揚電氣設備有限公司，北京 100102

一、引言

對于高壓電纜系統的例行試驗和型式試驗，可遵循IEC 270的局放測量的原理和方法進行，但在高壓電纜的現場測試中，例如對已經安裝好的高壓電纜進行試驗時，無法按IEC標準做到線路屏蔽；此外電纜的長度可能很長，以致衰減誤差不能忽略。因此，IEC標準中規定的校準可能是行不通的。

為了對現場安裝的高壓電纜及其附件進行局放測量，本文將對高壓電纜局部放電檢測傳感器進行研究，提出通過為高壓電纜及其附件安裝專門的傳感器，使現場測試能以高效率和盡可能低的噪聲接收局放信號，從而滿足高壓電纜現場局部放電檢測工作的需要。

高壓電纜局部放電帶電或者在線檢測所使用到的傳感器一般分為內置傳感器和外置傳感器兩種，外置傳感器一般采用高頻電流傳感器（HFCT），卡鉗式樣的結構，測試時卡接到高壓電纜的接地線上，比較常見，在此不做研究、分析。

本文介紹的三種高壓電纜局部放電測量傳感器的原理特性，這些傳感器為內置傳感器，其優點在于它們可以在電纜尚在制造廠時進行安裝，并終身提供局放檢測服務，而且這種傳感器可以最大限度地排除外部可能的干擾，對高壓電纜的局部放電檢測起到了非常重要的意義。

電容傳感器由導電層形成，通常具有一個到電纜導體的主電容，和到接地屏蔽的雜散電容，原理如圖1所示。

對于iPD的低頻成分（Cc和Cs可以忽略）和位于附件中的局放源，四端網絡Zm輸入阻抗兩端的電壓um近似為：

測得的電壓可以處理成相應于局放的視在電荷，由線路確定的高頻上限可以近似的表示為：

其中，f近似地在10MHz～20MHz范圍。

對于低頻成分，由式（1）在四端網絡處的信號是：

對于較高的頻率，傳感器的對地電容Cs將使局放信號隨著抑制系數k的相應增大而減小，降低了固有的噪聲抑制。另一方面，在較高頻率下，沿著電纜的衰減將增大。

圖2表示如何在預制的接頭上制作傳感器，用金屬編織物或者金屬箔緊緊的覆蓋在半導電的應力錐體上。

電感傳感器可以設計成測量導體電流、屏蔽電流或者二者都測量。其原理圖如圖3。

電感傳感器的刻度系數對于“外部”和“內部”脈沖是相同的。對于低頻（ωL比Z'm和Z小），而且雜散電容可以忽略，按照圖3下部分所示，測得的信號由下式表示：

電感也對應于局放信號的輸出幅值，可以通過改變線圈的匝數調整。

對于高頻，式（4）簡化為：

其中，Z'm＜＜Z。

與等式（1）類似，因為等式（5）僅對高頻有效，不能對電荷測量進行準積分。

電感傳感器對磁場分量很靈敏，用無線電頻率電流互感器（RFCT）可以檢測局放電流，該互感器可以有磁性材料例如鐵淦氧鐵心，也可以沒有。市場上買得到的羅哥夫斯基線圈傳輸阻抗太低，不能接受，這會導致靈敏度降低或者帶寬受限制。帶鐵心的RFCT需要大直徑的鐵淦氧鐵芯，這樣可得到較好地靈敏度。傳感器如圖4所示。

方向耦合器可以看作是電容傳感器和電感傳感器的組合，產生的兩個信號是：

（1）ucap+uind

（2）ucap-uind

對于電容信號ucap，給出一個足夠大的um。兩個信號分量ucap和uind應有大致相同的值，以提供合成信號（1）和（2）之間很好的差值。

如果在一個電纜接頭中使用兩個方向傳感器，則它可以鑒別脈沖是在接頭內產生的，還是來自左邊或者右邊的反射波，從而可消除外來脈沖。另外，方向傳感器的很寬的帶寬可用來準確定位電纜附件中的局放源。

這種傳感器示于圖5，它一般位于電纜附件附近的半導電層，它由金屬箔（電極）和在電極上面的絕緣層組成。傳感器相當于電纜的第三圓周線，并且完全被電纜的外屏蔽覆蓋，所以屏蔽了外界噪聲。電極和電纜絕緣屏蔽之間的絕緣層用于避免電極和電纜的屏蔽短路。

表1 各種傳感器匯總比較表

以上介紹的三種局放傳感器各具特點，為方便比較，將各傳感器的實用附件類型、傳感器信噪比、帶寬等參數作匯總如表1。

傳感器的安裝事項如下：

首先要考慮的是有源傳感器需要電源，對于短時間測量可以應用電池供電傳感器，然而對于長時間測量，電源成為需要考慮的重要問題；

其次，傳感器使用位置不同，分終端和接頭處安裝。

對于終端：終端中所用的傳感器一般圍繞著終端的接地線，它可以合并地安裝在終端之內，也可以固定在外面。需要與變電站的接地網絡絕緣，并與帶電部分保持要求的安全距離。

對于接頭：具有三種情況，其一：直接可達到附件（安裝在導管中/入口系統或者管道中）；其二：從表面可達到接地線路（不論是不是交叉連接）；其三：經由測量引線可達到被并入的傳感器。

本文介紹了三種高壓電纜局部放電測量傳感器，即電容、電感、方向傳感器，通過安裝和應用這些傳感器，預期可以從最基礎的方面提高高壓電纜局部放電檢測水平。

目前新的電纜附件越來越普遍地配置用于診斷試驗的傳感器，除了方便地進行診斷試驗以外，這也簡化了在線測量和連續監測。

考慮到小型電子裝置的迅速發展，可以預期在不遠的將來看到把傳感器集成在高壓電纜及其附件中，形成所謂的“聰明電纜”、“聰明接頭”或“聰明終端”。用戶可以要求它根據訪問或者程序在潛在故障的情況下及時地發送警示信號。