基于高頻電流法的電纜局部放電帶電檢測的分析

張智超 李盛 邢耀敏 楊海超 楊玉新

摘? 要：首先對電力電纜中局部放電現象產生的成因進行了解釋與說明;其次根據電纜故障發生的作用機理不同以及缺陷所處位置的不同對電纜局部放電進行了分類，并對不同類型局放的特點進行闡述;然后對局部放電主要的檢測方法及原理進行了簡要說明;最后基于高頻電流法對某110 kV變電站運行期間其35 kV進出線電纜進行了局部放電檢測的案例分析，該方法對電纜局部放電帶電檢測工作具有重要的實際意義。

關鍵詞：電力電纜;局部放電;高頻電流法;帶電檢測

0? ? 引言

隨著全國電網的持續發展，尤其是城市電網的改造與升級，交聯電力電纜已成為重點地區輸電的主流設備[1]。交聯電纜具有易鋪設、易維護、耐高溫和絕緣性能優良等特點，逐步取代了油紙絕緣電纜和架空線路，廣泛應用于電網。但與此同時，交聯電纜大多以直埋、排管、隧道等形式鋪設在地下，因此增加了監測電纜是否處在正常工作狀態下的難度。實際作業中，由交聯電纜及電纜接頭絕緣損壞等問題引起的電力故障事故也不斷增加。因此，如何快速有效地通過檢測手段判斷電纜絕緣是否存在劣化狀況有著重要的現實意義[2-3]。

目前，交聯電力電纜的檢測方法主要包括耐壓試驗和局部放電檢測等。耐壓試驗分工頻交流耐壓試驗和直流耐壓試驗，均為破壞性試驗。直流耐壓試驗所需試驗設備容量小，攜帶方便，且可同時測量泄漏電流，根據泄漏電流的數值大小判斷電纜絕緣情況。然而，電纜絕緣層材料成分多、電阻率分布不均，會導致直流電壓下場強分布不均勻，從而可能導致局部絕緣擊穿的問題，且直流耐壓還存在電荷積累導致絕緣加速老化的問題。交流耐壓試驗一定程度上能夠有效發現電纜缺陷，但存在兩個問題：一是由于電纜電容量大，所需試驗設備體積較大，導致操作不夠便捷;二是對于細微缺陷交流耐壓靈敏度較低。鑒于此，國際上已逐漸摒棄對于電纜的耐壓試驗檢測。隨著技術的進步，可以現場在線監測且非破壞性的電纜局部放電檢測得到了更廣的應用。局部放電檢測能夠采集到因絕緣劣化導致的電纜的放電信號，經過數字處理，可以很靈敏地得到檢測結果。對于電纜局部放電檢測，美國電氣和電子工程師協會IEEE、國際電工委員會IEC等權威機構均制定了測試導則與規范，從而使電力電纜局部放電檢測更加標準化和規范化，也有利于提高檢測的準確性。鑒于此，本案例配以相關儀器采用局部放電檢測的手段對電力電纜進行局部帶電檢測。

1? ? 局放原理和產生原因

電力電纜制造過程中產生的氣泡、雜質或導體的毛刺等導致場強分布不均勻是造成電力電纜發生局部放電現象比較普遍的原因。這些原因導致電纜局部區域首先發生放電現象，而其他區域仍然保持良好的絕緣特性，整體絕緣系統保持較好的絕緣能力、沒有發生擊穿現象，這樣就形成了電纜的局部放電現象。局部放電有一個累積的效應，單次或少數幾次的局放并不會造成整體絕緣系統的損壞導致事故發生。但是局放的多次累積發生會對電纜絕緣層產生破壞，導致電纜絕緣層老化或劣化，對絕緣層的不斷破壞、絕緣層老化劣化導致放電范圍的不斷加大，最終會導致整個電纜絕緣系統的擊穿或損壞、絕緣層被擊穿導致發生嚴重事故。

2? ? 局部放電類型和特點

根據電纜故障發生的作用機理不同以及缺陷所處的位置不同，局部放電可以分為電暈放電、沿面放電、懸浮放電以及內部放電四種類型。為了更加清楚地理解、分析和應對不同放電類型的局放，在此對此四種放電類型的特點進行說明。

2.1? ? 電暈放電

電暈放電是指電纜導體部分出現毛刺、尖端等凸起的局部部位，隨著電場強度增大，超過空氣的電離場強，從而使此凸起部分附近空氣發生電離，出現電暈放電現象而發生電纜的局部放電。這是因為導體尖端或者毛刺等曲率半徑較小的區域電荷更易聚集和積累，隨著電荷的積累此處場強會很大，從而使氣體電離發生電暈。電暈放電發生時導體與絕緣層的間隙并沒有被擊穿，其只是發生在導體尖端或者毛刺等曲率半徑較小的附近的氣體區域，且伴隨著光和聲音等現象同時還可能會產生一些化學氣體。一般情況下，導體尖端發生放電產生的放電脈沖主要聚集在負半周，但若電壓很高，正半周也可能會出現放電脈沖。如果放電端是接地端，放電脈沖則主要聚集在正半周。隨著電壓增大，電暈放電次數會逐漸增多，單次放電量基本不變。

2.2? ? 沿面放電

沿面放電一般發生在電纜外表面、套管法蘭等電氣絕緣設備的某一端部。當外護套和環氧分界面之間接觸不緊密時，表面電場強度達到擊穿電壓，此時發生的沿著絕緣介質表面放電的現象稱為沿面放電。沿面放電脈沖一般發生在0°～90°和180°～270°相位上，且對稱性一般取決于施加電場是否均勻。在均勻電場中，沿面放電圖形基本對稱;在不均勻電場中，沿面放電圖形一般不對稱。

2.3? ? 懸浮放電

懸浮放電一般發生在設備中的金屬部件上。由于設備運行時的振動等原因，金屬部件與地的連接發生松動，從而導致接地不良或者沒有接地，進而在金屬部件上積累了大量電荷，這些電荷與地之間形成了電位差，當電位差較大時則會發生懸浮放電。懸浮放電也是電纜局部放電的一種類型，一般來說，其放電脈沖在正負半周對稱出現。

2.4? ? 內部放電

內部放電一般指絕緣介質內部的氣隙、氣縫或雜質等發生的放電現象。此類氣隙、氣縫或雜質可能形成于電纜生產過程中，也可能形成于電纜使用過程中。大多數情況下，其形成的電場強度會比絕緣介質大很多，從而發生局部放電。內部放電大多發生于絕緣層中絕緣強度較低的區域，與絕緣介質材料特性、氣隙位置、氣隙形狀和氣隙大小等有很大關系。

3? ? 局部放電檢測方法和檢測原理

局部放電檢測方法主要包括超高頻法、差分法、超聲波法以及高頻電流法。

3.1? ? 超高頻法

超高頻法是利用一種特殊的特高頻傳感器對電纜局部放電產生的電磁信號進行采集。近年來，該方法較為廣泛地運用在GIS組合電器等一些電氣設備的絕緣檢測中，因而也有一部分科研人員采用這種手段進行局部放電的檢測。但是超高頻電磁波信號頻率高、波長短，傳輸距離較為有限，在電纜長度較長時衰減比較明顯，因而測量的范圍也會受限。因超高頻設備裝配不易，現在其在電力電纜檢測中運用還比較少，但是其由于靈敏度高，抗干擾強，發展前景較為良好。

3.2? ? 差分法

差分法是將兩個電容耦合器分別置于電纜兩端的屏蔽層上，再將兩個電容耦合器利用一個檢測阻抗連接構成回路。這樣若被測電纜發生局部放電，電纜兩端會產生一個瞬時電壓差，并在回路中產生一脈沖電流，脈沖電流經過檢測阻抗會產生一脈沖電壓信號，采集、放大并把此信號顯示出來，從而用以觀察、檢測局部放電是否發生。該方法簡單易行，但是在高頻信號中衰減程度較大，靈敏度不足。

3.3? ? 超聲波法

電力電纜發生局部放電時，會伴生超聲波信號，而超聲波具有頻率高、波長短的特點[4]。利用這一特點，可以利用超聲波法檢測局部放電。目前對電氣設備的狀態檢測和故障監測通常會選擇檢測設備電氣量變化，但是電氣量所包含的故障信息可能存在信號不明顯或信號滯后的情況。超聲波法則是以壓電晶片作為試驗傳感器，利用壓電效應將局放發生導致的超聲波信號轉換成電信號，從而利用非電氣量檢測電氣設備的狀態，當然也可以運用在電力電纜的檢測上[5]。超聲波檢測法是一種非侵入式的方法，檢測設備不需要和電纜有電氣連接即可檢測電纜的局部放電信號，檢查時超聲波檢測設備只需在電纜外壁移動檢測即可。但是由于聲音由固體傳輸到空氣中時能量損耗嚴重，從而導致該測量方法準確度受到影響。3.4? ? 高頻電流法

高頻電流法是在頻段為100 kHz到20 MHz之間進行檢測，目前較廣泛應用于電力電纜局部放電試驗。其工作原理是檢測電容或者電感耦合器在脈沖電流下產生的電磁信號。這種方法是對流經電纜接地線或電纜本體的放電脈沖電流信號進行檢測，故此種方法在電纜屏蔽層有接地線的情況下廣泛使用。此種方法常采用高頻電流傳感器（HFCT），此類型傳感器具有安裝簡便、容易攜帶、抗干擾能力強等優點[6]。

HFCT即羅氏線圈，如圖1所示，其是一種不含鐵芯的均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈。使用時，使待檢測的導體穿過環形線圈，將電流對時間的積分進行輸出。當線圈套在導體上時，經過導體的交流電信號會在其周圍產生一個變換的磁場，從而從線圈中感應出與電流成正比的電壓信號。其實際上是1：N的電流互感器，原邊為單匝線圈，副邊是N匝環形繞組。

4? ? 案例分析

本文對上海某110 kV變電站運行期間其35 kV進出線電纜進行局部放電檢測，檢測方法示意圖如圖2所示。數據采集傳感器安裝在接地變壓器套管下方電纜外護套接地處，環境傳感器安裝在接地銅排處。等效測量回路如圖3所示。

開展局部放電檢測后發現，接地變壓器進線電纜存在局部放電現象，放電量約1 000 pC，位于電纜靠近接地變壓器套管處。數據采集傳感器測量到的信號PRPD圖譜如圖4所示，環境傳感器測量到的信號PRPD圖譜如圖5所示。

從圖譜中可以明顯看出，數據采集傳感器檢測到兩簇局部放電信號，放電量最大為1 000 pC。環境傳感器未檢測到局部放電信號，因此排除了數據采集傳感器中信號為外部干擾的可能。數據采集傳感器檢測到的脈沖放電信號如圖6所示。

隨后使用脈沖反射法進行電纜局部放電單端定位，根據電纜長度、脈沖波速及脈沖式時間差計算得故障位置為距離傳感器1 m處，如圖7所示。

由PRPD圖譜及缺陷位置綜合分析，該處電纜存在沿面放電現象。經對該段電纜停電解體，發現該位置電纜本體存在明顯的沿面放電痕跡，如圖8所示。

通過檢測準確定位了電纜的放電位置，避免了進一步的事故和損失，因此，該檢測方法有效且較為準確，具有實際的意義。

5? ? 結論

本文圍繞電纜局部放電檢測展開了分析，詳細介紹了局放的原理并分析了其產生原因，在此基礎上介紹了不同局放類型及特點。其次，分析了局部放電檢測方法及檢測原理，通過比較分析，采用高頻電流法進行電纜局放帶電檢測。最后，通過實際案例和檢測結果驗證了檢測方法的有效性和合理性，得到的結論如下：

（1）高頻電流法的電纜局部放電帶電檢測技術適用于電纜終端的局部放電帶電檢測;

（2）根據現場試驗結果，基于高頻電流法的電纜局部放電帶電檢測技術得到的脈沖信號PRPD相位圖可以作為輔助手段判斷電纜缺陷的類型，有一定參考性，并且定位技術可有效地預定位電纜故障位置，有效提高電纜局放檢測結果的準確性[7]。

[參考文獻]

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[5] 趙愛華，李偉，葉劍濤，等.超聲波局部放電檢測法在電纜終端中的應用[J].重慶大學學報，2014，37（6）：112-118.

[6] 曹俊平，蔣愉寬，王少華，等.XLPE電力電纜接頭缺陷檢測關鍵技術分析與展望[J].高壓電器，2018，54（7）：87-97.

[7] 吳勇，袁軍芳，嚴波，等.一起基于特高頻法的電纜局部放電帶電檢測與定位案例分析[J].電線電纜，2017（6）：28-31.

收稿日期：2020-06-30

作者簡介：張智超（1992—），男，陜西人，工程師，主要從事火力發電技術研究與電氣設備維護檢修工作。