交聯聚乙烯電纜局放檢測技術綜述

龐圣養

(廣東電網有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000)

0 引言

隨著城市化發展進程的快速推進，人們對供電可靠性提出更高的要求，而架空導線又受到城市建設空間、市容市貌和供電安全的限制，因此地下敷設高壓電纜成為城市供電網架建設的主角。與同樣作為輸電主要干線的架空線路相比，電力電纜占地面積小，受外部環境因素干擾小，檢修維護簡單，供電可靠性高。但在相同輸電容量的條件下，電纜線路的建設成本更高，缺陷隱患更加隱蔽，故障搶修工作壓力大。如何做好電纜的日常運維，準確檢測電纜在生產和運行過程中的隱患，對提高電力系統的運行穩定性和可靠性有重要意義。

以下主要從交聯聚乙烯(cross linked polyethylene，XLPE)電纜發展狀況、運行的故障類型和特征、局放檢測的技術發展等方面進行綜述，指出目前研究的主要成果和不足，提出一些工程研究應用的建議。

1 研究背景及意義

近年來，隨著我國經濟的快速發展，城市化水平進程不斷推進，城市用電需求迅猛增長。據某供電局內部統計，電力電纜作為城市電網重要的輸電方式，其建設規模正在以每年約35 %的速度增長。電力電纜類型很多，按照絕緣能夠劃分為：油浸紙絕緣電纜、充油絕緣電力電纜、充氣絕緣電力電纜、橡膠絕緣電纜和塑料絕緣電纜。塑料絕緣電力電纜的絕緣材料主要有：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和交聯聚乙烯(XLPE)。目前交聯聚乙烯(XLPE)電纜由于絕緣性能優良、無漏油隱患、耐高溫、耐腐蝕及耐酸堿等特點，成為城市電網中電力電纜的主流成品[1]。

據不完全統計，我國主要城市的電網線路組成中，電纜線路占比達80 %，XLPE電纜占比 95.3 %，在35 kV及以上電纜線路中占比更是近乎100 %，因此XLPE電纜運行穩定性對于電力系統的安全穩定至關重要。

有研究資料顯示，隨著電力電纜線路的日益增加，XLPE電纜運行故障呈現出逐年遞增的趨勢。主要電纜故障有：外力破壞、電纜附件制作缺陷、電纜附件安裝工藝不合格以及本體制造缺陷等，其中與電纜附件有關的故障占比約60 %[2]。電纜帶缺陷運行的前期，由于局部放電量不大，絕緣并不會被擊穿，但隨著時間的推移，局部放電的長期作用導致絕緣層損傷，最終發生電纜擊穿。電纜故障搶修需要較長時間，會嚴重影響居民的生產和生活，甚至造成企業的重大經濟損失和人員的傷亡。為了減少電纜故障，提高電網運行的安全可靠性，需要對電纜進行有效的絕緣檢測。

絕緣預防性試驗是檢測電纜絕緣的重要手段，通常采用離線檢測的方法，如電纜的出廠例行檢測、投產前的耐壓試驗和運行電纜的周期性絕緣檢測試驗等。電纜停電預防性試驗雖然能在一定程度上確保電纜主絕緣的質量，但不能很好地發現電纜局部放電的一些微小缺陷，同時由于供電可靠性指標考核的壓力，停電檢修的可行性受到限制。因而，電纜局放在線檢測技術得到了快速發展，提高在線局放檢測的準確性是大勢所趨。南方電網公司在2018年發行的《電力設備交接驗收規程》中明確指出：對于66 kV及以上電纜線路，進行主絕緣交流耐壓試驗時應同步開展局部放電檢測工作[3]。XLPE電纜的在線局放檢測技術越來越成為絕緣缺陷檢測技術的發展趨勢。

2 電纜局放產生機理

通常在高場強的作用下存在缺陷的絕緣會在絕緣強度較低的局部先發生電離放電，這種放電只是絕緣介質部分存在缺陷而非絕緣整體貫穿性的現象，稱之為局部放電。為了更好地解析局部放電的現象，在高電壓技術基礎教材中采用如圖1的等效電路。

圖1 介質發生局部放電等效電路

3 電纜局部放電的特征

XLPE電纜絕緣層中可能出現局部放電，根據其放電位置，可以分為電暈放電、沿面放電和內部放電等[5]。

(1) 電暈放電：電纜導體表面不光滑，存在尖端或者毛刺，隨著作用場強增大導致尖端、毛刺附近場強畸變，從而引起周圍空氣介質發生局部放電的現象。電暈一般發生在曲率半徑較小的金屬區域，比如電纜終端出線柱附近。

(2) 沿面放電：在不同介質的表面之間，由于某一介質表面的電場擊穿電壓降低，導致出現沿面放電的現象。沿面放電一般出現在絕緣介質和金屬層表面之間，比如表面臟污的電纜終端頭。

(3) 內部放電：電力電纜內部放電是指電纜絕緣中含有一些分散性的異物，如各種雜質、空氣間隙等，在外施電壓升高到一定程度時，這些雜散異物場強超過了電離場強發生局部放電的過程。一般來說，電纜在制造過程中會由于如脫氣處理不良等原因存在微孔與氣隙，中間接頭與終端頭附件安裝中由于工藝缺陷出現毛刺、突起等同樣會產生氣隙，氣隙會先于絕緣介質發生擊穿放電。

電纜局放一般只發生在絕緣強度較低的部分區域，它幾乎不影響當時整體絕緣的擊穿電壓。但是，局部放電時產生的電子、離子反復沖擊絕緣物，會使絕緣物質逐步分解，其分解出具有導電性和化學活性的物質進一步氧化、侵蝕絕緣。同時，絕緣物質的劣化導致局部場強畸變更加劇烈，進一步加劇局部放電的強度，電子和離子產生的過程可能伴隨著X射線或者γ射線的產生而產生局部的高溫，使絕緣物老化、破壞。在局部放電持續已久的情況下，絕緣物的老化和破壞到一定程度時，會導致絕緣物最終被擊穿[6]。

4 電纜局放檢測的關鍵技術

德國最早提出局部放電試驗的建議和相應的試驗方法，并設定了最早的局放試驗標準。離線局放檢測的振蕩波局部放電檢測技術由荷蘭 E.Gulski 等人最早提出，通過施加振蕩電壓的方式，檢測電纜局部放電情況，從而評估電纜絕緣狀況[7]。隨著社會發展，供電可靠性的要求越來越高，局放在線檢測也得到了相應的發展，對電纜絕緣狀態進行在線狀態檢測，可以根據電纜故障的早期征兆，提前發現電纜的故障隱患，對于運行電纜絕緣控制尤為重要[8]。目前電纜局放的檢測手段主要有離線檢測和在線檢測兩種。

4.1 局放的離線檢測

離線局放檢測的方法一般是振蕩波局部檢測。振蕩波局部檢測是對退出運行的電纜進行局放檢測，評估被測電纜在工頻額定電壓下的絕緣狀態，多運用在35 kV及以下電纜，檢測用的儀器是振蕩波測試系統(oscillating wave test system，OWTS)。振蕩波測試系統采用的是阻尼振蕩波電壓(DAC)進行局放測試。DAC試驗法的工作原理是主要利用被測電纜等值電容C與電感線圈的 RLC串聯諧振，產生衰減的振蕩電壓。振蕩波局放測試系統的高壓發生和測試原理電路，具體如圖2所示。

圖2 振蕩波局放測試系統測試原理電路

(1) 高壓發生過程。高壓開關處于斷開的狀態，通過恒流電源持續升壓，對被測電纜進行充電蓄能，加壓到預設的電壓值。

(2) 檢測階段。閉合高壓開關并同時切斷電流源，系統工作在RLC振蕩回路，能量在被測電纜電容和振蕩電感線圈之間交換，經過等效電阻逐漸損耗，從而在被測電纜上產生頻率合適的衰減振蕩交流電壓。經過若干個有效的振蕩周期之后，高壓開關斷開，一次振蕩檢測工作結束，等待進行下一次試驗。

振蕩波局放檢測的技術一直被行業研究人員比較看好，振蕩波電壓與工頻交流電壓有較好的等效性[9]。隨著技術的發展，有比較多的研究表明振蕩波局放檢測系統一定程度上可以代替傳統的耐壓試驗；并且震蕩波耐壓試驗持續時間短，不會對電纜造成損傷，可以通過諧振產生的衰減振蕩交流電壓，激勵被試電纜潛在的絕緣隱患發生局部放電現象，從而對電纜的絕緣狀況作出評估。

4.2 局放的在線檢測

電纜局放的在線檢測方式根據檢測設備的安裝類型也可以分為兩種，一種是檢測設備固定安裝在一個檢測位置的常態式在線檢測，另一種則是攜帶檢測設備對需要檢測的位置進行檢測的移動式在線檢測。

常態式在線檢測裝置一般安裝在電纜終端頭或者電纜中間接頭處的直接接地引線處，利用光纖或者無線傳輸將電纜的局放量實時地傳回后臺服務器處理。移動式在線檢測，是檢修作業人員根據電纜的預試周期及檢測工作的需要，現場安裝檢測裝置逐點檢測的一種方式。兩種在線檢測的方式差異主要是在設備安裝和設備取能等方面，局放檢測的機理和技術手段基本是一樣的，都能在電纜不退出運行的狀態下對電纜局放進行有效的檢測。

目前主流的XLPE電纜局部放電在線檢測方法有高頻電流法、特高頻法、差分法、電容耦合法、方向耦合法和超聲波檢測法[10]。

4.2.1 高頻電流法

在高頻電流法推廣以前，國內外的局部放電檢測系統大多以IEC 60270標準中的脈沖電流法為依據，檢測頻帶從幾十kHz到幾百kHz，檢測效果并不理想。隨著高頻CT傳感器的技術發展，電纜局部放電檢測向高頻率和寬頻帶的檢測方向發展，頻率從kHz級別提升到了MHz級別，高頻電流法成為應用最為廣泛的XLPE電纜局部放電在線檢測方法，并且已經被國家電網公司列為高壓電纜狀態檢測的必做項目[11]。

高頻電流法的基本原理是通過鉗在電纜接地線上的高頻電流傳感器(high frequency current transformer， HFCT)耦合電纜局放信號，檢測電路見圖3。當電纜絕緣內部出現局部放電時，產生高頻局放脈沖電流穿過外屏蔽層傳入大地。因此，將高頻電流傳感器套于屏蔽層的接地上，來感應其局部放電電流，并以此判斷是否發生局放現象。

圖3 高頻電流法局部放電信號檢測電路

高頻電流法可以在不影響電纜正常運行的前提下耦合高頻脈沖電流，從而獲取局部放電信號，儀器便攜，接線簡單，適用性好，被廣泛推廣使用。目前，高頻電流法中的局部信號采集技術已經逐漸成熟，多家公司也開發了基于高頻電流法的在線檢測設備。

4.2.2 特高頻法

特高頻法是一種多用于電纜GIS終端頭局放信號檢測的方法，通過在被測設備外部放置傳感器，感應電纜局放的無線電信號完成檢測工作。研究表明，這種方法對于檢測電纜附件，尤其是GIS終端頭的局放信號效果顯著。因為電纜頭在GIS設備內部發生局放時，能發出頻率很高的電磁信號，達到GHz級別，天線耦合器能有效地捕捉到信號。但對于戶外的電纜附件以及電纜本體的局放信號的檢測，由于環境的電磁波干擾、電纜金屬護套的屏蔽作用以及局放信號高頻電磁波的衰減特性，這種方法的靈敏度相對較低，現場應用效果不理想。

4.2.3 差分法

差分法(也稱金屬膜電極法)采用電纜的屏蔽層與金屬箔形成電容來耦合電容信號，而用測試電阻即可耦合到局放信號。這種檢測法是日本公司研發的一種電纜局部放電測試方法，只能檢測XLPE電纜的絕緣中間接頭產生的局放。此方法的局放測試電路與差動平衡回路相似，因此能夠有效抑制噪聲干擾，有較好的靈敏度，但對于電纜這種大電容載體，高頻信號衰減嚴重，因而其電纜局放檢測靈敏度也受到限制。

4.2.4 電容耦合法

電容型傳感器一般內置在電力電纜的接頭內。在電纜接頭安裝時，利用接頭內部的預制橡膠應力錐尾端和電纜本體金屬鋁護套斷口以外的半導電層，將傳感器的金屬箔繞包在這兩個部位的半導電層上作為電容的一個電極，而電纜本體的導體線芯作為電容的另一個電極，利用形成的電容來耦合電纜接頭的局部放電信號。高頻局放信號可穿透半導電層向外泄漏，被內置的電容型傳感器檢測到，能有效檢測出電纜附件內的缺陷所引起的局部放電，且不影響電纜的絕緣能力。此傳感器距離檢測部件較近，電容表面越大則越敏銳，但受到其安裝的環境限制，現場使用較少。

4.2.5 方向耦合法

方向耦合法采用方向傳感器耦合到局放信號，其裝置一般裝設在電纜絕緣屏蔽和外半導電之間，其結構如圖4所示。傳感器由安裝在絕緣層上的金屬箔片、羅哥夫斯基線圈及電纜的阻抗組成，其中金屬箔片與外屏蔽構成一個等效電容，同時將線圈分割成兩個性質相同的模塊。當局部放電從電纜的一端傳播過來時，A端和B端的感應電壓將會出現一個增加另一個減少的情況，當其差值達到一定閾值，則可判斷存在局放信號并且可判斷方向。這種檢測方法的最大限制便是傳感器的安裝問題，不僅現場安裝存在困難，同時會破壞電纜本來的防水結構，因此使用不多[11]。

圖4 方向傳感器結構

4.2.6 超聲波檢測法

超聲波檢測法是一種非電的檢測方法，采用壓電晶體作傳感器，通過信號信息的聲電轉換和匹配的放大器作用，最后在示波器上顯示測量結果。超聲波測量局放的儀器能測到的頻帶原本就比較窄，加上傳播衰減作用和電纜運行環境本身就存在各種各樣的超聲波的原因，采集的聲信號很弱，檢測的靈敏度較低，因此未被得到推廣使用。

5 電纜局放檢測的不足和展望

近幾年，國內很多電力部門、高校科研單位以及設備廠家均致力于電纜局放檢測技術的研究，在一定程度上豐富了電纜局放檢測的理論研究和檢測設備的開發應用，取得了不錯的成績。尤其是相關技術研究人員針對不同檢測方法所需的傳感器以及局放系統的開發研究，帶動電纜局放檢測技術不斷走向實用化階段。

隨著電纜局放技術的不斷發展，我國電纜運維也正在由傳統的定期檢修不斷往狀態檢修過渡，國家電網和南方電網都相繼將電纜局放檢測工作作為電纜絕緣狀況的一項重要判斷依據。盡管電纜局放技術已經取得一定的發展，但在實際生產應用方面還是存在不足，主要體現在以下幾點。

(1) 現場實際檢測過程中的降噪技術有待提高。雖然高頻電流法在技術理論研究和現場實際應用方面都有很大的突破，但現場檢測過程中的降噪處理還是需要重點研究。電纜局放檢測經驗顯示，高頻電流傳感器的檢測結果往往包含大量的噪聲干擾，因此，需做數據處理方能分辨出電纜中的局放脈沖信號。相信隨著檢測成功案例的累積、“專家系統”數據庫的完善，高頻電流法將會在應用方面有更大的優勢。在現階段，建議可以考慮推動高頻電流法和特高頻法相結合等多種檢測技術互補的檢測系統，特高頻法的頻段比較高，可避開噪聲干擾，但易受空間隨機脈沖的干擾，高頻法容易受到噪聲的影響，但受隨機脈沖的影響很小。通過不同檢測技術手段的互補，可提高現場檢測判斷的準確性。

(2) 部分電纜局放檢測技術沒有很好地考慮現場運維實際，缺乏行之有效的技術應用手段。如電容耦合法，其需要剝去部分電纜外護套和金屬護套，把金屬箔片貼在半導電層上，或者是提前內置在電纜中間接頭。這種需要破壞電纜原有結構的做法在實際運行電纜檢測中很難實行。如方向耦合法，其最大限制便是傳感器的安裝問題，不僅現場安裝存在困難，同時會破壞電纜本來的防水結構，這些檢測的技術手段因為不能切合電纜運維實際需要，基本都只是實驗室的檢測手段，在電纜現場檢測過程中極少用到。建議由電纜建設單位在電纜建設初期做好設計科研，做好設備廠家和傳感器廠家之間的溝通協調，才能使得這些檢測技術手段更好地為電纜局放檢測服務。

(3) 相關技術規范標準的不齊全或者不普及，導致有的檢測技術手段方法被邊緣化。如一些技術研究人員通過仿真模擬和試驗驗證研發的傳感器和局放檢測系統，在進行首次成果轉化時經常會遇到系統內部要求“掛網運行成功案例”等，容易被保守做法排斥。如震蕩波局放檢測技術采用的直流加壓，雖然是微秒級別的，但這么短時間的直流加壓對交聯聚乙烯是否存在電荷積聚作用，這也是電網內部人員爭議較多的問題之一。建議有關廠家和技術科研人員加強技術推廣交流，統一相關技術標準并推廣普及，這樣才能更好地推進電纜局放檢測實用化進程。

隨著電纜局放檢測技術的不斷發展，電纜局放檢測手段的不斷實用化推進，電纜在線檢測技術將會是電纜在線狀態檢修的一種最具有代表性的檢測方法，對電網的整個運行都具有深遠的意義。