基于電容耦合的電纜接頭植入式局放傳感檢測分析

歐曉妹，劉益軍，李國偉，劉少輝，劉 崧，梁年柏

(廣東電網有限責任公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000)

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜性能優(yōu)良、安裝方便、工藝簡單，與傳統(tǒng)架空線路相比，具有供電可靠性高、布線不受地面和空間建筑物的影響等諸多優(yōu)點，有利于美化城市布局。近年來在配網中應用規(guī)模日益廣泛[1-2]；但因現(xiàn)場安裝、施工等問題，10 kV電纜接頭也成為配網電纜系統(tǒng)絕緣最薄弱環(huán)節(jié)。據統(tǒng)計，配網電纜70%以上的運行故障是由電纜附件故障引起的[3-4]。通常，XLPE電纜絕緣劣化原因分為熱劣化、電氣劣化、水樹枝劣化、化學性劣化，其中，電氣劣化會引起電纜絕緣的耐電強度下降，因屏蔽層有尖狀突起，會引起局部放電；局部放電是最危險的絕緣劣化形式之一，會進一步引起接頭絕緣擊穿[5-7]。

關于局部放電檢測方法有很多，常規(guī)方法是IEC 60270中推薦的脈沖電流法。該方法需要將試品接入單獨的測試回路中，人為對電纜施加高壓，再利用耦合電容和檢測阻抗捕捉局放信號；但該檢測方法需要停電，存在檢測周期長、安排停電困難、檢測效率低下的問題[8-9]，不適應于帶電檢測或帶電監(jiān)測。針對XLPE電纜接頭局放帶電檢測，常用方法主要有電磁耦合法、方向耦合法、電感耦合法、電容耦合法等，其中，電磁耦合法容易受到外部干擾，信噪比不高；方向耦合法需要破壞電纜屏蔽層；電感耦合法監(jiān)測范圍有限，且只適用于有螺旋形屏蔽的電纜[10-12]；電容耦合法不影響電纜的絕緣效果，又有利于對高頻信號的獲取，特別適用于電纜中間接頭的局放檢測[13-15]。

基于此，本文優(yōu)化設計了一種基于電容耦合法的雙極植入式局放傳感單元，提出了該傳感單元的設計原理及結構尺寸。在此基礎上，通過搭建XLPE電纜中間接頭絕緣耐壓試驗平臺，針對電纜接頭常見的4種典型缺陷開展局部放電檢測試驗并獲取典型局放波形。研究論證了基于電容耦合法的植入式局放傳感單元在10 kV電纜中間接頭局放檢測的有效性，為電纜接頭絕緣狀態(tài)診斷評估實現(xiàn)在線監(jiān)測應用提供理論分析及實驗數據支撐。

1 雙極植入式局放傳感單元結構及原理

當電纜接頭內部發(fā)生局部放電時將產生高頻脈沖并向兩端傳播，且隨著傳輸距離的增加，脈沖幅值隨之降低[16-17]。將電纜的外護套絕緣層去掉，鑒于電纜接頭金屬屏蔽層繞包式結構，可在緊靠電纜接頭的本體外半導電層上安裝傳感器后再恢復金屬屏蔽層。在低頻時，外半導電層阻抗可視為地電位，植入的傳感單元不影響本體及附件絕緣；而外半導電層在高頻條件下，其阻抗與絕緣層阻抗具備可比性，外半導電層表面的薄膜電極與金屬屏蔽層之間會形成電位差，植入的傳感單元從而能耦合到電壓信號。因此，利用電容耦合法，在電纜中間接頭外半導電層和金屬屏蔽層之間植入傳感器檢測局放信號具備可行性[18]。薄膜電極攝取局放信號示意圖，具體如圖1所示。

圖1 薄膜電極攝取局放信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of partial discharge signal picked up by thin film electrode

植入式局放傳感單元主要由內外層薄膜電極、信號線組成。在具體安裝時，按正常工藝套裝預制件，將內層薄膜電極繞包在接頭附近的電纜本體外半導電層上并纏繞絕緣膠帶固定；然后在內層薄膜電極正上方繞包絕緣膠墊，防止內外層薄膜電極接觸。接著在PVC膠墊正上方繞包外層薄膜電極，并用絕緣膠帶固定；最后繞包接頭銅網，同軸電纜信號線從銅網的繞包層縫隙穿過。繞包外層薄膜電極可減小銅網內表面的褶皺對傳感器等效電容的影響，可以有效減小試驗的分散性。

局放信號的傳播是一個復雜的波過程，在傳播到植入式傳感單元時，可以采用彼得遜法將其轉化為等值集中參數電路，該電路模型的關鍵就在于傳感器對應集中參數的等效。在高頻條件下，半導電可視作絕緣介質，其電場分布由介電常數決定，薄膜電極與金屬屏蔽層之間的電壓通過電容C1和C2進行分壓；其中，C1為薄膜電極與電纜纜芯之間的電容；C2為薄膜電極與金屬屏蔽層之間的電容，如圖2 所示。在低頻條件下，半導電呈現(xiàn)低電阻特性，可視為導體，其與金屬屏蔽將薄膜電極短路，導致薄膜電極與金屬屏蔽之間的電壓很小。因此，薄膜電極與金屬屏蔽層之間存在一個等效電阻R，其數值為PVC膠墊下外半導電層軸向電阻并聯(lián)值。

圖1結合彼得遜法則可得到圖2所示的雙極植入式局放傳感器檢測局放信號等效電路圖[19]。Ls為同軸電纜信號線線芯的電感；ZL為局放儀或示波器的內阻，通常為50 Ω；Z0為電力電纜的特性阻抗。當電纜A處產生局部放電時，脈沖信號會沿著纜芯傳播，到達B點時會產生徑向電流；從而在OC兩端產生電壓，ZL兩端電壓U0即為局放儀或示波器所檢測的電壓。

圖2 局放信號檢測等效電路圖Fig.2 Partial discharge signal detectionequivalent circuit diagram

2 雙極植入式局放傳感單元結構尺寸分析

上述等效電路模型是結合高頻和低頻分析提出來的，實際上在二者中間很大頻帶內，半導電的電場分布是由電阻率和介電常數同時決定的，因而電路模型與實際場模型存在一定差異，為此采用場分析的方法對等效電路進行驗證。單獨抽取主要誤差來源等效電路R、C1和C2支路，對電容分壓支路的有效性進行驗證。

通過電路模型計算分壓比U0/Ui，將在不同頻率時的場模型與電路模型計算分壓比匯總分析，二者趨勢基本一致。在低頻階段有一定差異，場模型結果接近電路模型的2倍；而到10 MHz后二者逐漸趨于相等。因此，需要對電路進行一定的修正，在低頻情況下電阻R上的電壓主要由位移電流產生，通過增加半導電層電阻R來等效位移電流的增加，假設增加后的半導電層電阻為R′，則半導電層上的電壓UR要保持不變，即UR=R′·ia=R(ia+ib)，從而R′=R(ia+ib)/ia，其中ia=UωCa/2，ib為分布電流。采用微元法求解進一步得等效電阻R′為：

(1)

因此，電阻R修正后的等效電路如圖3所示。

圖3 修正R后局放信號檢測等效電路圖Fig.3 Partial discharge signal detection equivalent circuit diagram after correction R

為計算傳感器的頻率響應特性，需得到圖3中各元件的參數，同軸電纜信號線線芯的電感Ls可用長直導體電感計算公式[20]求得：

(2)

式中：μ0=4π×10-7S/m，l為線芯長度，取3 cm；r為線芯半徑，取0.25 mm。

ZL取示波器內阻50 Ω；Z0根據同軸電纜的特性阻抗計算公式[21]求得：

(3)

式中：εr取交聯(lián)聚乙烯介電常數2.3；D1為電力電纜的銅屏蔽層內徑30 mm；D2為電力電纜的纜芯外徑18.3 mm。

根據上述參數結合前述得到的R、C1和C2，可以計算圖3電路模型的頻響U0：

(4)

根據上述分析，要進一步優(yōu)化雙極植入式局放傳感單元頻響特性，需通過優(yōu)化傳感單元結構尺寸來取得較高的幅頻特性的目的。從圖3中的各等效電路參數入手，具體優(yōu)化結構參數包括內外層薄膜電極間距s、內層薄膜電極寬度w、PVC膠墊下外半導電層長度l。通過固定其余參數尺寸不變，計算某一參數變化對傳感單元頻響特性的影響從而確定傳感單元結構尺寸。

改變內外層薄膜電極間距s，固定其余尺寸不變，計算不同內外層薄膜電極間距s，研究其對傳感器頻響特性的影響，電極間距s主要影響參數C1、C2；不同內外層薄膜電極間距s下對應的頻響特性曲線如圖4所示。

圖4 頻率響應曲線(s取0.15～7 mm)Fig.4 Frequency response curve (s takes 0.15～7mm)

隨著內外層薄膜電極間距s的增大，頻響是逐漸增加的，尤其體現(xiàn)在高頻階段。這是因為高頻階段主要按照電容C1和C2分壓，內外層薄膜電極間距s增大使得電容C1減小，內層薄膜電極分壓更大。

改變內層薄膜電極寬度w，其余尺寸不變，從而改變了電容C1、C2的大小影響頻響特性；w不同取值的頻響特性曲線如圖5所示。

圖5 內層薄膜電極寬度取1～20 cm時對應的頻率響應曲線Fig.5 Frequency response curve when the widthof inner film electrode is 1～20 cm

由圖5可知，在100 MHz以下頻響的幅值隨著內層薄膜電極寬度w的增加而增加；但超過該頻率以后幅值出現(xiàn)轉折，幅值隨著內層薄膜電極寬度w的增加反而減小。

PVC膠墊下外半導電層長度l主要通過影響參數R進而影響傳感器頻響特性，固定其余尺寸不變，不同距離l下的頻響特性曲線如圖6所示。

圖6 外半導電層長度取1～100 cm時對應的頻率響應曲線Fig.6 Frequency response curve when the lengthof outer semiconducting layer is 1～100 cm

由圖6可知，外半導電層長度l主要影響50 MHz以下的頻段，頻響幅值隨著外半導電層長度l的增加而單調增加；但達5 cm以后逐漸趨于飽和，5、100 cm的頻響特性幅值差異約1 dB。同時，外半導電層長度l對大于50 MHz的高頻部分幾乎沒有影響，因而，外半導電層長度l應當選取5 cm便于現(xiàn)場安裝且又有較高的幅頻特性。

從上述理論分析可知，內外層薄膜電極間距s、PVC膠墊下外半導電層長度l均與頻響幅值呈現(xiàn)單調關系，具體表現(xiàn)為s和l增加頻響特性的幅值會有不同程度的增加，因而在傳感器設計時應盡量增加s和l。由于電纜接頭結構限制，本文s選為5 mm，PVC膠墊下外半導電層長度l到5 cm以后趨于飽和。因此，l選為5 cm。

內層薄膜電極寬度w與頻響特性并非單調變化關系，其存在轉折頻率，在轉折頻率以下，隨著w的增加頻響幅值增大；而超過轉折頻率以后w的增加反而會引起頻響幅值減小，因此需要分析在s、l選為最佳尺寸后w對頻響的影響。其中寬度w上限取20 cm(制作接頭時電纜露出銅屏蔽約有20 cm長)。

在100 MHz以下，傳感器輸出隨著內層電極寬度w的增加而單調遞增；超過100 MHz以后，傳感器輸出隨w的增加而單調減小，因而對于頻譜較高的局放難以確定傳感器的最佳寬度w。如果局放頻率在100 MHz以下，或者局放能量主要集中在100 MHz以內，理論上內層電極寬度w越大越好，那么需要結合試驗得到的局放頻譜進行分析。在傳感器制作過程，外層薄膜電極需與內層薄膜電極相互配合，本文統(tǒng)一選取外層薄膜電極比內層薄膜電極大8 cm。

3 典型缺陷局部放電檢測試驗

3.1 典型缺陷電纜接頭制作

不同缺陷電纜的局放波形存在差異，為加強試驗結論的可信度、充分驗證傳感單元在捕捉接頭局放信號的有效性，同時通過試驗得到內層薄膜電極寬度w最佳取值，本文主要針對以下四種實際中常見的缺陷電纜接頭進行局放試驗，分別為半導電顆粒殘留缺陷、刀痕缺陷、接頭尺寸不匹配缺陷和微平面缺陷[22-26]，其中接頭尺寸不匹配缺陷為電纜接頭預制件比電纜本體尺寸大一號，抱緊力不足，導致產生氣空隙。4種缺陷類型尺寸的電纜接頭預制件長度為440 mm，半導體殘留缺陷，終端側電纜本體長度和電源側電纜本體長度分別為1 888、2 348 mm，刀痕缺陷終端側電纜本體長度和電源側電纜本體長度分別為2 566、2 524 mm，接頭尺寸不匹配終端側電纜本體長度和電源側電纜本體長度分別為2 375、2 242 mm，微平面缺陷終端側電纜本體長度和電源側電纜本體長度分別為2 321、2 241 mm。

在試驗前，需提前準備好3組植入式局放傳感器，寬度較小的植入式局放傳感器靠近電源，寬度較大的傳感器靠近終端，將2路植入式局放傳感器和檢測阻抗同時接入示波器，每種缺陷下做3組不同尺寸的傳感單元，3組傳感單元尺寸如表1所示。外層電極均比內層電極寬8 cm，PVC膠墊比外層電極寬2 cm。

表1 各組傳感器內銅箔寬度Tab.1 Width of copper foil in each group of sensors cm

3.2 接頭局部放電檢測試驗

3.2.1雙極植入式局放傳感單元安裝

針對上述理論和頻率響應特性曲線分析，考慮實際安裝限制，我們采用內外層薄膜電極間距s取5 mm、PVC膠墊下外半導電層長度l為5 cm、信號線裸露線芯長度d為5 cm，內外薄膜電極寬度w則根據表1制作6類傳感器開展試驗驗證。

在具體安裝時候，首先展開電纜接頭銅屏蔽層，裸露出外半導電層，將植入式局放傳感單元內層薄膜電極繞包在外半導電層上，并用絕緣膠帶固定，并在內層薄膜電極上方繞包PVC膠墊，用絕緣膠帶固定后恢復電纜銅屏蔽，搭接并固定通網，最后繞包防水膠。具體安裝過程關鍵點實際安裝圖見圖7。

(1)繞包內層薄膜電極

3.2.2接頭局部放電試驗

局放試驗中為減小試驗量，將10 kV三芯電纜取出其中一根電纜進行局放試驗，檢測試驗平臺主要包括：植入了局放傳感單元的電纜中間接頭及本體、示波器、耦合電容、高頻濾波器、檢測阻抗等，具體接線示意圖如圖8所示；主要包括現(xiàn)場局放檢測試驗平臺實物圖如圖9所示。

圖8 10 kV電纜接頭局放檢測示意圖Fig.8 10 kV cable connector partial discharge detection diagram

圖9 10 kV電纜接頭局放檢測實物圖Fig.9 Physical map of 10 kV cable connectorpartial discharge detection

實驗過程中逐步增加電壓并觀察示波器記錄波形，若檢測到明顯大于背景噪聲的信號則停止升壓，記錄此時電壓和局放傳感器及檢測阻抗的波形，每個尺寸傳感器記錄60個局放波形，記錄完后降低電壓至零，將纜芯接地。經比對分析，在局放源一致的情況下，傳感器寬度越大，則其靈敏度越高，采用20 cm寬度傳感器較為合適。20 cm寬度傳感器在4種典型缺陷下局放信號波形圖如圖10所示。

(1)接頭不匹配缺陷

4 結語

本文基于電容耦合法，設計了一種雙極植入式局放傳感單元，可用于10 kV中壓電纜接頭局部放電檢測，從理論和試驗2方面對傳感器的結構進行了優(yōu)化。

(1)提出了基于電容耦合法的雙極植入式局放傳感單元的等效電路模型，內層薄膜電極用于捕捉接頭局部放電信號，外層薄膜電極可減小銅網內表面的褶皺對傳感器等效電容的影響，有效減小試驗分散性；

(2)根據修正等效電路模型，通過優(yōu)化傳感單元結構尺寸來取得較高的幅頻特性，具體表現(xiàn)為：隨著內外層薄膜電極間距s的增加，10 MHz頻率以上的幅值增大；10 MHz以內頻率幅值幾乎不變。隨著PVC膠墊下外半導電層長度l的增大，50 MHz以內的頻率響應增大；而超過該頻率的頻響幾乎不變。隨著信號線裸露線芯長度d的增大，10 MHz以上頻響減?。欢?0 MHz以內頻響幾乎不變。隨著內層薄膜電極寬度w的增大，100 MHz信號逐漸增大，并慢慢趨于飽和，超過100 MHz以上頻響反而減?。?/p>

(3)結合頻響特性及實際安裝限制，選定s=5 mm、l=5 cm和d=5 cm，重點針對w開展10 kV電纜接頭局放試驗進行傳感單元結構優(yōu)化，通過制造了4種不同缺陷的10 kV電纜中間接頭，并內置植入式局放傳感器，通過局放試驗有效驗證了傳感單元的有效性。