交聯(lián)聚乙烯電纜附件局部放電的聯(lián)合檢測(cè)方法研究

申鸝，張暉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

交聯(lián)聚乙烯電纜附件局部放電的聯(lián)合檢測(cè)方法研究

申鸝，張暉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

隨著交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜線路的增多和投運(yùn)時(shí)間的逐年增長(zhǎng)，各類問題逐漸凸顯，尤其是電纜附件的絕緣事故不斷增多，而局部放電是評(píng)價(jià)XLPE電纜絕緣狀況的重要指標(biāo)，也是診斷電纜故障的有效方法。簡(jiǎn)要介紹當(dāng)今常用的2種電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)方法，即電容差分法和特高頻法（UHF），重點(diǎn)介紹了它們的聯(lián)合檢測(cè)，利用差分傳感器解決局部放電標(biāo)定問題，利用UHF特高頻傳感器進(jìn)行抗干擾處理。運(yùn)用聯(lián)合檢測(cè)方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的XLPE電纜進(jìn)行了局部放電在線監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果。

交聯(lián)聚乙烯電纜；局部放電；差分法；特高頻；聯(lián)合監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜因其優(yōu)越的電氣性能和良好的熱效應(yīng)及機(jī)械效應(yīng)，廣泛應(yīng)用在各種電壓等級(jí)的輸電線路和配電網(wǎng)絡(luò)中。但由于電纜在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等過程中可能會(huì)混入雜質(zhì)導(dǎo)致凸起等缺陷，或者受到潮氣、水分、化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期侵蝕滲透，使運(yùn)行中的電纜所存在的問題逐步顯現(xiàn)，事故頻發(fā)，特別是電纜附件的絕緣老化，導(dǎo)致電纜運(yùn)行壽命受到嚴(yán)重影響[1]。

目前，對(duì)于XLPE電纜絕緣的檢測(cè)大多采用周期耐壓試驗(yàn)，該方法對(duì)于較為明顯的絕緣缺陷是有效的，但是對(duì)于那些需要發(fā)展很長(zhǎng)時(shí)間才能逐漸顯現(xiàn)的絕緣薄弱點(diǎn)卻不太適用。近年來，局部放電在線檢測(cè)越來越多地被研究人員用來評(píng)估XLPE的絕緣情況[1]。研究表明，電纜的局部放電量與其絕緣狀況緊密相關(guān)，局部放電量的變化表征著絕緣可能存在的缺陷，因此，直觀、有效、理想的方法就是對(duì)XLPE電纜的局部放電進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和IEEE等國(guó)際權(quán)威電力機(jī)構(gòu)組織也一致推薦局部放電試驗(yàn)作為XLPE電纜絕緣狀況評(píng)價(jià)的最佳方法[2]。

局部放電檢測(cè)是電纜絕緣非破壞性電氣檢測(cè)的重要項(xiàng)目。剛開始，國(guó)內(nèi)外大多采用寬頻帶放大檢測(cè)器對(duì)絕緣進(jìn)行局部放電檢測(cè)[2]。但是由于XLPE電纜的局部放電信號(hào)比較微弱，且波形復(fù)雜多變，很容易被背景噪聲和外部的電磁干擾淹沒，因此檢測(cè)起來比較困難。目前常用的電纜局部放電檢測(cè)方法有電容耦合法、電感耦合法，以及最近10年發(fā)展起來的各種高頻測(cè)量方法，目前都已經(jīng)成功應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，但是單獨(dú)使用上述方法時(shí)或多或少存在著弊端，如抗干擾能力差、靈敏度不夠、檢測(cè)到的信號(hào)頻帶過高，超出了IEC 60270規(guī)定的標(biāo)定范圍等等，因此本文提出了利用電容差分法和UHF（特高頻法）對(duì)電纜附件絕緣進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)，并且取得了良好的效果。

1 電容差分法

利用電容差分法測(cè)量電纜接頭的局部放電時(shí)，只需把2片金屬電極分別安裝在接頭絕緣墊的兩側(cè)電纜或者護(hù)套表面，通過這對(duì)電極進(jìn)行局部放電信號(hào)的采集和校驗(yàn)脈沖的輸入，常用于110 kV及以上等級(jí)的XLPE電纜局部放電信號(hào)采集。圖1為電容差分法測(cè)量的連接示意，將1對(duì)電極分別裝在接頭兩側(cè)，再將2極通過檢測(cè)阻抗連接起來[3]。圖2為電纜中間接頭電容差分法檢測(cè)的等效電路示意圖，圖中C0為回路雜散電容；C1為外護(hù)套線芯與金屬箔電極間的電容；C2為金屬護(hù)套處線芯與金屬箔電極間的電容；C3=C4，為外接電容，Zd為外接阻抗[4]。

圖1 電容差分法連接示意

圖2 電容差分法局部放電檢測(cè)等效電路

電容差分法類似于IEC 60270中規(guī)定的橋式連接法，當(dāng)絕緣連接盒一側(cè)的電纜發(fā)生局部放電時(shí)，另一側(cè)電纜可以充當(dāng)耦合電容，將局部放電脈沖耦合到高阻抗Zd上，形成的電壓波經(jīng)放大后輸入示波器、頻譜分析儀等儀器進(jìn)行分析處理。

電容差分法的檢測(cè)頻帶約為3～20 MHz，符合IEC 60270所規(guī)定的可標(biāo)定頻帶范圍，一般可通過多點(diǎn)標(biāo)定進(jìn)行最小二乘擬合，得到當(dāng)次試驗(yàn)局部放電量和電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是該方法的抗干擾能力較差，受頻帶寬度影響而檢測(cè)靈敏度不夠，單獨(dú)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用時(shí)，易受到現(xiàn)場(chǎng)其它電磁信號(hào)的干擾而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。

2 特高頻法

XLPE電纜特高頻局部放電檢測(cè)是從特高頻法在GIS（氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備）和變壓器上的成功應(yīng)用發(fā)展而來的，通過特高頻傳感器耦合電纜或者附件內(nèi)輻射出的高頻電磁波來實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)，該方法抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度較高[5-7]。雖然XLPE電纜本身具有很好的屏蔽層，但是由內(nèi)部絕緣缺陷局部放電引發(fā)的高頻電磁波依然會(huì)通過附件處的絕緣部件以及接地線向外輻射，只要特高頻天線靠近它們，就能夠被檢測(cè)到。

UHF傳感器的前端采用平面等角螺旋天線，其平面結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線的工作原理和接收能力如圖4所示，其中天線視為電源，等效為電壓源V和其內(nèi)阻Z，且Z可以表示為Z=R+jX，也稱之為接收天線的阻抗，與之匹配的負(fù)載阻抗為ZL。根據(jù)電路理論，為使負(fù)載獲得最大功率，接收天線的最佳接收方向應(yīng)分別做到阻抗共軛匹配和阻抗匹配[8]。

圖3 天線平面結(jié)構(gòu)示意

由于電纜附件內(nèi)產(chǎn)生的局部放電輻射出的特高頻信號(hào)強(qiáng)度很弱，而且衰減很快，為了便于分析處理，需要用放大器來放大特高頻信號(hào)。研究表明，局部放電脈沖頻段的頻帶寬度越寬，能量就越大，一般來說，寬頻帶可以獲得更高的靈敏度[9]。由于空氣電暈干擾的頻率一般不超過0.4 GHz[10]，本文將天線的下限截止頻率設(shè)定為0.45 GHz，用來表示天線頻率響應(yīng)和輸入阻抗的駐波比通過分析得到，如圖5所示。根據(jù)電磁波理論，在駐波比不超過2.0時(shí)，駐波的影響不必考慮，而工程上通常會(huì)比理論值更加寬松，只要求不超過3.5[11]。從圖5中可以看出，在0.45～1.5 GHz的頻帶范圍內(nèi)，該天線的工作性能完全滿足工程上的需求。因此，將UHF放大器的帶寬范圍設(shè)定在450～1 500 MHz。由于選擇的頻率較高，因而避開了現(xiàn)場(chǎng)可能存在的很多較低頻率信號(hào)的干擾，抗干擾性良好，而其頻帶寬度有1 GHz以上，靈敏度較高。但是很明顯，該天線的檢測(cè)頻段遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了IEC 60270規(guī)定的頻帶范圍，因而無法對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。

圖4 特高頻天線接收原理

圖5 特高頻天線的駐波特性

3 電容差分法和特高頻法聯(lián)合檢測(cè)

采用電容差分法測(cè)量交聯(lián)聚乙烯電力電纜附件局部放電，能夠標(biāo)定出局部放電的視在放電量，操作方便，由于頻帶相對(duì)較低，衰減相對(duì)緩慢，易于測(cè)量。但是，由于附件環(huán)境周圍的電磁干擾較多，使得干擾信號(hào)容易耦合進(jìn)來，影響局部放電信號(hào)的判別，而且靈敏度相對(duì)較低；而特高頻法由于測(cè)量頻率較高，能夠避開大多數(shù)干擾，而且靈敏度較高，但是超過了可標(biāo)定的頻帶范圍?；谏鲜?種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了電容差分法和特高頻方法的聯(lián)合檢測(cè)，既能解決局部放電信號(hào)的標(biāo)定問題，又能有效避免干擾，而且具有相對(duì)較高的靈敏度。

3.1 聯(lián)合檢測(cè)的原理

電容差分法測(cè)量電纜接頭的局部放電時(shí)是把2片金屬電極分別安裝在接頭絕緣墊的兩側(cè)電纜或護(hù)套表面，用標(biāo)定源標(biāo)定后，通過電容耦合檢測(cè)到攜帶干擾信號(hào)的局部放電脈沖信號(hào)。通過特高頻法檢測(cè)電纜局部放電時(shí)，通過時(shí)域和頻域開窗的方法，利用周期型的干擾信號(hào)在頻域范圍內(nèi)具有離散的特點(diǎn)來加以抑制，通過特高頻天線捕捉到的局部放電脈沖信號(hào)，將電容傳感器測(cè)到的對(duì)應(yīng)的局部放電信號(hào)從各種噪聲和干擾中提取出來，這樣既能檢測(cè)到最真實(shí)可靠的放電信號(hào)，又能通過標(biāo)定得到相應(yīng)的視在放電量。聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)的硬件包括電容差分傳感器及其放大模塊AMP，UHF傳感器，工控機(jī)等。電容差分傳感器耦合局部放電脈沖信號(hào)，UHF天線接收從接地引線或者接頭附近輻射出來的高頻信號(hào)，原始信號(hào)經(jīng)過放大器后被采集卡接收到工控機(jī)。為了獲得局部放電信號(hào)的相位信息，外接1個(gè)工頻信號(hào)觸發(fā)器，設(shè)置觸發(fā)條件為上升沿過零點(diǎn)觸發(fā)，最后通過工控機(jī)上的Labview軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、分析及模式識(shí)別等后續(xù)操作。

3.2 聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)的性能，在110 kV XLPE電纜上預(yù)設(shè)氣泡作為絕緣缺陷：打磨電纜本體厚度以滿足與應(yīng)力錐的過盈配合和安裝要求，氣泡缺陷模型如圖7所示，在電纜本體的半導(dǎo)電口向前5 mm處挖1個(gè)10 mm×2 mm×2 mm的空隙，將應(yīng)力錐定位于電纜本體半導(dǎo)電口向后40 mm處，使空隙埋于應(yīng)力錐半導(dǎo)電部分下面，處在較強(qiáng)電場(chǎng)的位置，更接近于實(shí)際電纜運(yùn)行中的氣泡放電類故障。

圖7 氣泡缺陷模型

分別對(duì)設(shè)置了氣泡的XLPE電纜和新電纜加壓以檢測(cè)局部放電，所施加的電壓均為45 kV（小于額定相電壓64 kV），當(dāng)電纜絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，通過外部工頻觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)，2路傳感器的信號(hào)通過采集卡獲取，將UHF傳感器通道的信號(hào)幅值和預(yù)先設(shè)置的噪聲閾值進(jìn)行對(duì)比，一旦超過閾值，通過該處特高頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的工頻相位來尋找對(duì)應(yīng)的差分傳感器上的信號(hào)，并進(jìn)行去噪等后續(xù)處理后獲取聯(lián)合檢測(cè)的信號(hào)。

圖8所示為對(duì)新電纜施加45 kV電壓時(shí)，電容差分傳感器、UHF傳感器及聯(lián)合檢測(cè)提取的局部放電信號(hào)，從圖中可以看出，電容差分傳感器所測(cè)得的信號(hào)分布比較廣泛，存在不少脈沖信號(hào)，而UHF傳感器沒有捕捉到異常。通常認(rèn)為，對(duì)新電纜施加電壓低于額定電壓時(shí)不會(huì)發(fā)生局部放電，因此可以認(rèn)為電容差分傳感器測(cè)得的信號(hào)為背景噪聲干擾，聯(lián)合檢測(cè)未提取到局部放電信號(hào)。

圖8 新電纜的檢測(cè)信號(hào)

圖9所示為對(duì)故障電纜施加45 kV電壓時(shí)，電容差分傳感器、UHF傳感器及聯(lián)合檢測(cè)提取到的局部放電信號(hào)。從圖中可以看出，電容差分傳感器及UHF傳感器在t=-1 μs時(shí)均捕捉到了信號(hào)，而在t=0.5 μs時(shí)電容差分傳感器檢測(cè)到信號(hào)，UHF傳感器則沒有捕捉到異常。將這2個(gè)傳感器的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合提取后，得到電纜局部放電的聯(lián)合檢測(cè)信號(hào)。由圖可知，在t=-1 μs時(shí)測(cè)得的信號(hào)是真實(shí)的局部放電信號(hào)，而t=0.5 μs時(shí)電容差分傳感器捕捉到的信號(hào)可能是背景噪聲干擾。

圖9 氣泡缺陷模型電纜的檢測(cè)信號(hào)

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了目前常用于XLPE電纜局部放電故障在線檢測(cè)的電容差分法和UHF特高頻法，重點(diǎn)介紹了基于上述2種檢測(cè)方法的聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以去除背景噪聲干擾，準(zhǔn)確提取出局部放電波形，還能夠?qū)植糠烹娒}沖進(jìn)行標(biāo)定，便于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理，靈活性好，使用方便，與單獨(dú)采用電容差分法或特高頻法相比，聯(lián)合檢測(cè)法具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

[1]張磊.基于XLPE電纜局部放電檢測(cè)的傳感器研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

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（本文編輯：龔皓）

Research on Joint Detection Method for Partial Discharge in XLPE Cable Accessories

SHEN Li，ZHANG Hui
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

With the increase of XLPE cable lines and its annually growing operation time，diverse problems in XLPE cables are gradually highlighted，among which are the growing insulation accidents in cable accessories.Partial discharge is not only an important indicator for evaluation of insulation condition of XLPE cables but an effective method for cable faults diagnosis.This paper briefly introduces two common online monitoring methods for cable partial discharge，namely capacitance difference method and ultrahigh frequency（UHF）method.The paper focuses on the joint detection method，which uses capacitance difference method to demarcate partial discharge and uses UHF sensors to resist interference.Favorable effect is achieved by using joint detection method to detect partial discharge of field operating XLPE cables.

XLPE cable；partial discharge；difference method；ultrahigh frequency（UHF）；joint detection

TM855+.2

：B

：1007-1881（2014）06-0011-05

2014-02-26

申鸝（1985-），女，浙江杭州人，助理工程師，從事電力生產(chǎn)管理和研究工作。