一種XLPE 電纜局部放電在線監測技術

楊 琪

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

隨著電力電纜技術的不斷發展，供電的可靠性也受到越來越多用戶的關注。在城市、工業電網建設方面，XPLE 電纜憑借其良好的電氣性能、熱性能、機械性能，工作溫度較高，載流量較大以及敷設安裝方便等優勢，在電網建設中得到了普及應用。由于電纜線路敷設在地面下，通過人力定期進行檢修和維護，不僅增加了故障停電時間，而且耗費大量人力物力，降低了XPLE 電纜線路的檢修效率。為能夠科學、有效降低XPLE 電纜線路局部放電造成的停電故障，需要設計一種在線監測技術，準確掌握XPLE 電纜線路運行狀況，及時發現并判斷XPLE 電纜線路的異常情況和安全隱患，使其保持良好運行狀態。下面介紹XPLE 電纜局部放電的在線監測技術。

1 XPLE 電纜技術特點

1.1 結構特點

XPLE 電纜主要是指用常溫下電性能優越的聚乙烯樹脂絕緣材料，通過輻照或者化學方法進行交聯處理形成的新型絕緣電纜材料。XPLE 電纜結構內部分子由原來的先行變成網狀立體結構，有效改善了傳統聚乙烯材料電纜在高溫下的電氣性能和機械性能。XPLE 電纜具有擊穿電場強度高，絕緣電阻高等優勢，熱性能以及機械性能良好，工作溫度高、載流量大、敷設安裝方便，并且不受高落差和垂直敷設的限制。此外，XPLE 電纜在高壓等級使用方面與充油電纜相比，具有結構簡單，制造周期短，輸電損耗小等多種優勢，不僅可以廣泛應用于中低壓輸電工程，還可以應用于高壓和超高壓輸電系統中。

1.2 絕緣特點

XPLE 電纜采用圓形單線絞合緊壓導線截面，XPLE 電纜線的絕緣結構包括導體內絕緣層和導體外絕緣層。導體內絕緣層也稱內屏蔽層，起到屏蔽電和熱的作用。導體外絕緣層又稱外屏蔽層，介于絕緣層與金屬屏蔽層之間，主要作用是消除與絕緣外表面間的氣隙并保護絕緣層，對外屏蔽材料的要求與內屏蔽基本相同。XPLE 電纜經過一定年限的使用后，XPLE 電纜線路的絕緣性能會隨著時間發生不可逆下降的現象，產生絕緣老化、擊穿強度下降以及機械強度下降等問題，導致XPLE 電纜線路絕緣擊穿，引發嚴重的電力電網事故。

2 XPLE 電纜局部放電在線監測技術

XPLE 電纜是電網的重要組成部分，作為連接供電系統和輸電設備之間的橋梁，為確保電纜運行的安全性和可靠性，需要對電纜運行狀態進行狀態監測和故障診斷。隨著我國經濟快速發展，工業化進程的不斷加快，電網建設也由傳統的架空線路轉化成地下電纜，不僅起到節約土地資源的作用，而且能有效美化環境。但是電纜線路的迅速增加，長期高負荷運行，電纜線路故障發生的概率也呈上升趨勢，不僅給人們日常生活帶來不便，而且嚴重制約了經濟發展。針對此類問題，供電部門會針對XPLE電纜絕緣材料進行在線監測，現階段常用的在線監測方法有直流分量法、交流疊加法、在線介質損耗法和局部放電法等。

2.1 直流分量法

XPLE 電纜局部放電產生的短路電流，在暫態過程中包含交流分量和直流分量。直流分量的產生原因是電路電感中的電流在短路瞬間不能突變。電纜線路發生局部放電時，電纜線導體、絕緣層、絕緣接地以及電源線組成回路，通過低通濾波器和接地保護裝置可以對XPLE 電纜線路直流分量進行監測。XPLE電纜局部放電所產生的短路電流直流分量的幅值會隨時間衰減。XPLE 電纜直流分量的起始值大小與電源電壓的初始角α、短路前回路中電流值及角φ 有關。

2.2 交流疊加法

交流疊加法主要是通過監測XPLE 電纜上疊加低頻交流電壓信號的方式來判斷電纜絕緣性能。XPLE 電纜絕緣層是電容和電阻并聯等效電路，電壓通過電容產生小部分電流，并且經過電阻的電流大小不變。交流疊加法工作原理就是在電纜線路上疊加直流電壓，測量通過電纜絕緣層直流電流，根據電流大小可以判斷電纜絕緣性能。需要注意的是，在XPLE 電纜線路中疊加的直流電壓信號的有效值必須足夠小，以免對電網系統造成巨大的干擾或者對用電設備負載造成嚴重危害，同時疊加直流電壓又需要有足夠大的峰值，以便在XPLE 電纜線路局部放電部位形成足夠大的電流，能夠使局部放電傳感器準確捕捉到電流脈沖信號。

2.3 在線介質損耗法

介質損耗法主要是指XPLE 電纜絕緣材料在電場作用下，介質導電性和極化滯后效應，是衡量XPLE 電纜絕緣性能的重要指標。在線介質損耗法包括電橋法、數字測量法等，在線介質損耗法的原理是通過監測電纜絕緣體的泄漏電流信號，計算泄漏電流與電壓差值得到介質損耗角正切值tgδ 的數值。現階段，XPLE 電纜局部放電在線監測產品基本都是用快速傅立葉變換計算介質損耗。取XPLE 電纜線路標準電壓信號與局部放電泄漏電流信號直接經高速A/D 采樣值，通過計算機對XPLE 電纜線路局部放電產生的脈沖信號進行頻譜分析，并計算出絕緣介質損耗。

2.4 局部放電法

XPLE 電纜局部放電屬于非貫穿性放電現象，主要是由電纜線絕緣本體以及附屬件缺陷造成。存在缺陷的部位施加電壓會產生放電現象，局部放電幅值與外部電壓有關，如果XPLE 電纜線路發生局部放電，該部分電荷會移動中和介質極性，同時電荷的移動會導致周圍介質產生脈沖信號，該脈沖信號會延XPLE 電纜線路向兩邊分散傳遞，通過傳感器捕捉脈沖信號就可以判斷XPLE 電纜的絕緣狀態。隨著傳感器監測精度的不斷提升，局部放電法的應用將會有良好的發展前景。

3 XPLE 電纜局部放電在線監測系統設計

XPLE 電纜在線監測系統結構由局部放電傳感器、現場監測單元、數據中心組成，如圖1 所示。XPLE 電纜在線監測系統長期在電網中運行，需要能夠抵抗現場電磁干擾的影響，在復雜的外部環境中準確提取XPLE 電纜局部放電的電信號，判斷電網設備運行狀況。通過網絡通信把XPLE 電纜局部放電的電量數值、報警信息等監測數據上傳至數據中心，然后數據中心可以利用專業的分析軟件對現場監測數據進行分析處理，借助互聯網實現對現場監測單元的遠程控制操作，對XPLE 電纜絕緣狀態進行有效評估。

圖1 在線監測系統結構

3.1 硬件模塊設計

XPLE 電纜局部放電在線監測系統整體采用模塊化設計，多路局部傳感器可以采集XPLE 電纜接頭以及局部放時電脈沖電流信號，通過信號放大、濾波、模數轉換后變成數字信號，再通過光纖傳送至控制室?？刂剖依糜嬎銠C對所有傳感器的信號分別進行分類識別分析、計算，并將這些通過計算機獲得的局部放電信息數據寫入到數據庫中并顯示監測結果。局部傳感器可以通過接觸式超聲波，通過同軸電纜將信號傳遞給在線監測單元?，F場監測單元接收前端傳感器的各種局部放電模擬信號，對多路局部傳感器采集到的信號進行信號調理、噪聲去除、A/D 轉換、干擾處理、放電量顯示、超標報警，并將實時數據通過互聯網上傳至后臺計算機控制室進行分析處理。數據中心通過互聯網連接服務器，實現對XPLE 電纜的在線監測。根據現場各監測系統傳輸來的信號建立故障監測數據庫，顯示各現場監測系統監測到的局部放電變化。數據中心服務器可以同時監測多個設備，并且能夠實時顯示每一個登入設備的放電信號，能夠根據參數設定，定期保存已登入的監測設備從現場傳來的數據。

3.2 軟件系統設計

XPLE 電纜局部放電在線監測系統軟件主要功能是將在線監測單元收集到的數據信息進行分析處理，得到電纜線路局部放電的特征參數，并且存入數據庫中進行資源共享，后臺計算機控制室可以通過軟件界面顯示XPLE 電纜線路的診斷結果。并且通過互聯網將XPLE 電纜的特征參數上傳至遠程監測中心，實現遠程監控操作。此外，本地監測服務器和遠程監測中心可以共享數據庫信息，對XPLE 電纜歷史數據進行對比分析，判斷XPLE 電纜局部放電的嚴重程度，從而提供科學、合理地預警信息。

4 總結

交聯聚乙烯XPLE 電纜憑借其優越的電氣、熱力學性能、易輻射和維護簡單等優勢，在輸電線路和配電網中的應用非常普遍。為能夠有效提升電纜線路運行的可靠性和穩定性，本文引入電纜線路局部放電監測系統，通過遠程監控的方式替代傳統人工巡檢，能夠有效增強電網運行的安全性和穩定性。XPLE 電纜局部放電在線監測技術能對XPLE 電纜線路的絕緣狀況進行科學有效管理，準確掌握XPLE 電纜線路運行狀態，提高整個電網系統運行的安全性以及可靠性。