电力电缆局部放电在线监测技术探析

电力电缆局部放电在线监测技术探析

姚斐

（国网镇江供电公司江苏镇江212000）

摘要：随着信号采集技术、抗干扰技术、滤波技术的不断发展，电力电缆局部放电在线监测手段日益完善，在实际应用中也将会逐渐适应各种各样的复杂环境，从而在电力电缆线路的安全运行中发挥越来越重要的作用。

关键词：电力电缆；局部放电；在线监测

引言

随着电力电缆在城市电网中得到广泛应用，电缆的绝缘问题愈显突出。由于电缆通常是敷设在管沟或隧道中，到目前为止，还没有较好的技术能够掌握运行中电缆的绝缘状态。当前，电缆线路在线监测多数是监测电缆的温度。然而，据统计，电缆故障多数源于施工时机械损伤和绝缘处理不当，如制造中存在空隙、裂纹、受潮或损坏。最能够反映电缆绝缘特征的是电缆的局部放电。运行中的电缆总是与其他电气设备相连接（如变压器、GIS、开关、电压互感器、架空线等），这些设备也可能产生局部放电，要将电缆的局部放电信号从其他设备放电或干扰中区分出来是一个关键问题。基于上述问题，必须从研究电缆局部放电机理出发，摸清其放电传播的物理过程，以其作为基础，寻找有效区分电缆内部放电和外部干扰的检测技术。目的是模拟电缆运行中的实际情况，利用局部放电传感器，检测电缆在内部放电和外部干扰传播时，找出传播规律及特点，寻找到能准确区分内部放电和外部干扰的可行方案。

一、电力电缆产生故障及局部放电的原因

目前城市电网中的电力电缆一般采用交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）绝缘，理论工作寿命一般是二三十年。但是由于施工运行条件较为恶劣，电缆的寿命受到了很大影响。电缆长期受地下杂质的侵蚀和地下水的浸泡，极易被腐蚀，而材料本身或生产时的缺陷会使得绝缘层很快老化，甚至出现短路等故障，破坏电力系统的正常运行。电力电缆出现故障的原因主要有以下几个方面：

（1）绝缘老化：包括化学反应引起的热老化、化学性老化，由于空隙部分产生电晕的电气老化，水分侵蚀呈现的水树枝老化等。通常可以通过测量电缆介质损耗角的正切值、直流漏电电流等来判断老化程度，后者一般只能停电检测，而前者可以通过在线监测方式实现。

（2）机械损伤：一般由外力造成，即在运输、敷设、运行等过程中产生的破坏，如在敷设电缆过程中保护不到位致使电缆外层收到破坏。

（3）过电压：电缆内部电流电压过大或电缆遭受雷击产生的过电压超出了电缆所能承受的允许值而破坏了电缆绝缘层，产生击穿现象。

（4）材料本身或工艺存在缺陷：电缆在制造过程中绝缘层上出现裂纹、褶皱或缺口等，电缆附件制造时出现强度不够、砂眼或者不符合规范等缺陷。

电力电缆出现的局部放电主要是绝缘部分被击穿产生的电气放电，多发生在绝缘较薄弱处，可能是导体附近，也可能是其他部位。局部放电一般出现在绝缘层内或电缆表层的气隙中，这主要是由于在固体和液体中介电常数要比在空气中大，这就使得正常气压下固、液介质的击穿电压要高于气体，而且电缆周围的电场强度要比气隙中的电场强度高，所以气隙更容易被击穿，产生放电，而其他部位仍然能够保持一定的绝缘效果，因此出现局部放电现象。电缆刚出现故障时，各个部位的绝缘性能不相同，电缆内部的电荷不能均匀分布，这就造成电场强度各有差异。这时，电场强度较大的地方就有可能先出现放电现象，但不会立刻击穿，从而产生了电缆绝缘层内的局部放电。

二、电缆在线监测新技术

传统的局部放电测量标准（IEC60270）因为监测的频带过窄且集中在低频段，容易受到噪声的影响，不适合电力电缆的在线监测。下面介绍两种电力电缆局部放电在线监测新方法：

（一）超高频检测法

局部放电脉冲的频率较高，必须要提高监测设备的采样频率来捕捉局部放电信号，这样监测高频段的局部放电信号能够有效抑制外界噪声干扰。电缆的局部放电监测技术的核心的问题是如何采集微弱的局部放电高频脉冲信号，并进行识别。同时，如何在强干扰下提取局部放电脉冲信号并分析其特性也是一大难题。由于脉冲的宽度较短，其本质的特征量稍纵即逝，特别是在电缆介质传输中高频脉冲会有严重的衰减，给监测系统的中断信号采集带来很大困难。常常造成信号的严重失真，直接导致较大的测量误差甚至错误的结果。利用宽频带局部放电传感器，使用电磁耦合的方法监测位于10kHz~28MHz频段范围内的局部放电现象。由于电缆线路的局部放电现象常常发生在附件位置，可以在附件位置加装传感器以减少高频脉冲衰减损失，使采集到的信号能够还原局部放电脉冲信号的全貌，反映其特征。

（二）电磁耦合法

电磁耦合法是将电缆接地线中局部放电的电流信号通过电磁耦合线和测量回路相连，在高压端不需要通过耦合电容器取得局部放大信号。所以适合电力电缆敷设后交接验收以及运行中的在线监测。这种方法通过电磁耦合的方式测量局部放电电流。因为高压电缆与测量回路之间不存在直接电气连接，所以可以很好的抑制干扰。

宽频带电流耦合器是含高频磁芯材料的罗戈夫斯基线圈，即带有高频磁芯的穿心式电流互感器，其等效电路如图1所示。电缆外屏蔽层的局放脉冲电流i流过电流耦合器，通过测次级线圈内的脉冲信号，进而判断电缆存在局部放电现象。

图1中LS为线圈自感，RS为线圈等效电阻，CS为等效杂散电容，R为积分电阻。由于电流传感器等效电路类似于高频小信号并联谐振电路，因此采用高频小信号并联谐振回路理论分析可得电流传感器的频带。

下限截止频率为：

上限频率为：

因此工作频带宽为：

为使电流传感器的通频尽量宽，应使fh尽可能大，而fl尽可能小，即Ls尽可能大，R尽可能小。因此在相同的线圈尺寸下，应选用磁导率μ大的磁性材料，增大线圈匝数N，选用直径较粗的导线减小R。同时应该看到，虽然增加线圈匝数N和减小积分电阻会增大工作频带宽，但是也会降低灵敏度。所以确定磁性材料之后，存在最佳的积分电阻和线圈匝数的配合，使电流传感器具有较宽的工作频带，且能维持一定响应灵敏度。

三、结语

局部放电是导致电力电缆绝缘击穿事故发生的主要原因。本文介绍的电力电缆带电局部放电监测技术，基于局部放电谐波分析方法对电力电缆潜在的缺陷进行监测，确保在未停电情况下发现电力电缆的缺陷。通过在线局放检测技术对电缆测试发现潜在隐患和缺陷，从而有效地解决现场实际问题。

参考文献：

[1]朱海钢，冯江，罗俊华．XLPE电力电缆局部放电高频检测技术的研究[J]．高电压技术，2004，（1）

[2]李浩.电力电缆绝缘在线监测系统的探讨[J].自动化应用，2013（9）：78-79.

[3]陈冬梅.电力电缆在线监测技术与检测技术的研究与应用[J].中国电业：技术版，2015（8）：64.

[4]王日恒.浅析电力电缆的在线监测技术[J].民营科技，2010，（4）.

作者介绍

姚斐（1987.07.15），性别：男；籍贯：江苏镇江；民族：汉；学历：本科、学士；职称：工程师；职务：线路设计员；研究方向：输配电线路技术；单位：国网镇江供电公司；