XLPE電纜局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)探討

李擁軍，尹 舵，李俊文，陳昶霖，陳永鏵，馮隆福，李 海

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司儋州供電局，海南儋州 571799）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，對(duì)于電力供應(yīng)系統(tǒng)（尤其是城市供電系統(tǒng)）提出了各個(gè)方面新的要求［1－3］。相比于傳統(tǒng)的架空輸電線路，電力電纜線路具有顯著的優(yōu)越性，其在我國(guó)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛［4－7］。對(duì)于電纜運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性，迄今為止電力部門(mén)采取的措施是運(yùn)用盡可能多的方式檢測(cè)電纜的絕緣狀態(tài)。電纜的預(yù)防性試驗(yàn)有一定的局限，但是是最具代表性和最常用的一種方法，在線檢測(cè)電纜的絕緣性也是常用的選擇。預(yù)防試驗(yàn)的界限，不僅會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)特定的停電風(fēng)險(xiǎn)和損失，而且還會(huì)加速電纜絕緣和老化的損害。因此，電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為了研究和應(yīng)用的中心。現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)方法主要有直流分量法、損耗電流諧波分析法、局部放電法等，但最重要的檢測(cè)技術(shù)是采用局部放電法，其中電磁耦合檢測(cè)法最常用。

目前用于電纜的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)主要包括在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有大規(guī)模的覆蓋和可持續(xù)監(jiān)控，安裝復(fù)雜，成本高，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)移植方便，覆蓋較小。針對(duì)以上問(wèn)題，基于電磁耦合法和多通道高速數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的整合，本文討論并開(kāi)發(fā)了一套完整的電纜局部放電在線監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更簡(jiǎn)便、高速的安裝、更寬的檢測(cè)范圍和測(cè)試范圍。系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)的分布式結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的操作可靠性，具有重要的實(shí)際意義。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

電磁耦合原理是XLPE電纜部分放電在線監(jiān)視系統(tǒng)的主要原理之一。經(jīng)由電纜端子的接地線上的傳感器檢測(cè)電纜部分放電信號(hào)。放大后，通過(guò)多通道數(shù)據(jù)取得系統(tǒng)收集、預(yù)處理、抽取，上傳到系統(tǒng)的便攜式診斷中心，通過(guò)系統(tǒng)診斷軟件對(duì)電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估。所有局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)感測(cè)模塊、檢測(cè)前端、信號(hào)集中單元、便攜式分析診斷中心構(gòu)成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了容易安裝功能部件而模塊化了。同時(shí)，根據(jù)分布式設(shè)計(jì)原理，使用4個(gè)檢測(cè)前端來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，每個(gè)檢測(cè)前端彼此獨(dú)立。這樣即使檢測(cè)到前端故障，也能夠根據(jù)需要進(jìn)行電纜部分放電的在線監(jiān)視。在4個(gè)檢測(cè)前端中，可以測(cè)試電纜線的多個(gè)電纜或多個(gè)中間接頭，并且系統(tǒng)架構(gòu)有32個(gè)。

其中信號(hào)感測(cè)模塊包括高頻電流傳感器和高頻放大器。檢測(cè)前端包括8個(gè)信道的高速數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換模塊。4個(gè)檢測(cè)前端通過(guò)光纖以信號(hào)濃度為單位進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，最終通過(guò)信號(hào)集中單元上傳到便攜式分析診斷中心。

2 XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

XLPE電纜內(nèi)局部放電發(fā)生的過(guò)程中，會(huì)伴隨著發(fā)生電流脈沖、電磁波、超聲波、熱、光等許多現(xiàn)象或某些物理量的變化，同時(shí)生成一些新的產(chǎn)物。各種局部放電檢測(cè)方法的基本原理就是通過(guò)這些現(xiàn)象的測(cè)量來(lái)分析電纜中局放的情況，來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)XLPE電纜中的潛在故障，判斷電纜絕緣老化程度，為檢修維護(hù)提供依據(jù)，保證XLPE電力電纜安全可靠運(yùn)行。

傳感器是局部放電檢測(cè)系統(tǒng)最重要環(huán)節(jié)，電纜中的局放信號(hào)只有經(jīng)過(guò)傳感器才能被測(cè)試系統(tǒng)獲取。由于XLPE電纜局部放電過(guò)程中會(huì)有多種現(xiàn)象或物理化學(xué)變化發(fā)生，傳感器就是對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，因而其設(shè)計(jì)方式也呈現(xiàn)多種多樣。這也是近年來(lái)局部放電領(lǐng)域研究的比較多的問(wèn)題，而在XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的傳感器，包括有：電容耦合傳感器、方向耦合傳感器、寬頻帶電磁耦合傳感器、超聲波傳感器。

2.1 電容耦合傳感器法

電容耦合傳感器法是耦合局部放電引起的電場(chǎng)變化，從而可以直接得到放電的電信號(hào)，是電檢測(cè)法的一種。在操作過(guò)程中，將2個(gè)金屬薄片安裝在電纜外緣，形成容性電極，也可以利用電纜附件中已存在的金屬結(jié)構(gòu)的電容和電纜本身直接耦合放電，因此產(chǎn)生脈沖電流信號(hào)。電容電極的位置使得這種監(jiān)測(cè)法又劃分為內(nèi)置監(jiān)測(cè)和外置監(jiān)測(cè)［9］。

內(nèi)置式一般安裝在半導(dǎo)電屏蔽層上，具體安裝方法是在電纜金屬護(hù)套上切一個(gè)100 mm長(zhǎng)的環(huán)形開(kāi)口，不會(huì)影響到電纜的XLPE主絕緣，在電纜外露出的半導(dǎo)電屏蔽層上纏繞一些錫箔帶，寬約40 mm，將其作為耦合傳感器。內(nèi)置式電容耦合傳感器法由于直接安裝在電纜主絕緣上，具有靈敏度高且受外界干擾小的特點(diǎn)。內(nèi)置式要對(duì)電纜的金屬護(hù)套進(jìn)行切割，安裝工作量較大且容易損傷電纜主絕緣，因此人們研究出了安裝簡(jiǎn)單，適合于現(xiàn)場(chǎng)及在線檢測(cè)外置式電容耦合傳感器。它直接將金屬電極貼附于附件的護(hù)套外表面，不破壞電纜附件的固有結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)對(duì)電纜的絕緣性能造成影響。

國(guó)內(nèi)多家科研單位已經(jīng)基于此原理研制出了對(duì)應(yīng)的傳感器。西安交通大學(xué)徐陽(yáng)等［12］設(shè)計(jì)一款用于XLPE電力電纜局部放電測(cè)量的頻率響應(yīng)可以達(dá)到500 MHz電容耦合傳感器。重慶大學(xué)唐炬等［13］基于電容耦合原理研制出用于XLPE電纜附件局部放電信號(hào)檢測(cè)的寬頻帶電容型內(nèi)置式傳感器，該傳感器能夠感應(yīng)到納秒級(jí)的放電脈沖信號(hào)，有效頻帶達(dá)到了500 MHz。國(guó)外對(duì)于電容耦合傳感器研究也已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間。日本有企業(yè)利用這種傳感器研制的一種便攜式局放測(cè)試儀已投入電力系統(tǒng)運(yùn)行，檢測(cè)靈敏度達(dá)到了1 pC，噪聲水平小于1 pC，有效頻帶為100 kHz～100 MHz。英國(guó)南安普頓大學(xué)研制出了內(nèi)置式的VHF電容耦合傳感器，其頻帶低于300 MHz，靈敏度低于3 pC。

2.2 方向耦合傳感器法

方向耦合傳感器由一對(duì)具有相同結(jié)構(gòu)和性能并且能夠識(shí)別局部放電脈沖信號(hào)傳播方向的方向傳感器構(gòu)成。方向傳感器的兩個(gè)輸出信號(hào)的端口分別耦合不同方向的脈沖信號(hào)。在電纜附件兩側(cè)的外半導(dǎo)電層上安裝的方向耦合傳感器具有A、B、C、D 4個(gè)輸出端口。因?yàn)椴煌姆烹娫窗l(fā)出脈沖的傳播方向不一樣，當(dāng)傳感器的方向性為1∶2時(shí)，這4個(gè)輸出端電壓 將會(huì)具有不同的關(guān)系。

2.3 電磁耦合傳感器法

根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)理論，局放產(chǎn)生的電流脈沖在導(dǎo)線傳播過(guò)程中，會(huì)在周?chē)a(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，電磁耦合傳感器就是利用放電脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量放電信號(hào)的。這種傳感器最常見(jiàn)的類(lèi)型1為羅氏線圈傳感器。按照羅氏線圈大小以及安裝的位置的不同，也區(qū)分為內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式電感耦合傳感器安裝在電纜附件內(nèi)部的金屬護(hù)層連接線上，具有尺寸小、受干擾小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但是安裝過(guò)程比較復(fù)雜［10］。

2.4 超聲波傳感器法

超聲波傳感器是利用超聲波特性開(kāi)發(fā)的傳感器。超聲波是聲波振動(dòng)頻率高的一種振動(dòng)波。在電壓的激發(fā)下由能量轉(zhuǎn)換芯片的振動(dòng)產(chǎn)生。高頻、短波長(zhǎng)、小衍射現(xiàn)象、特別是定向性好可以傳播是它的主要特點(diǎn)。

把超聲波作為檢測(cè)手段。完成這個(gè)功能的裝置是被稱(chēng)為超聲波傳感器和超聲波探觸器的超聲波傳感器。人們可以通過(guò)物體的振動(dòng)來(lái)聽(tīng)聲音。頻率在20 Hz～20 kHz的范圍內(nèi)。20 kHz以上稱(chēng)為超聲波，20 Hz以下稱(chēng)為超低頻音。所使用的超聲波頻率是數(shù)萬(wàn)赫茲到幾千萬(wàn)赫茲。超聲波比是彈性介質(zhì)中的機(jī)械振動(dòng)的一種，具有橫向振動(dòng)（橫波）和縱向振動(dòng)（縱波）兩種形式。在產(chǎn)業(yè)界主要使用垂直振動(dòng)。超聲波比在氣體、液體和固體中傳播，傳播速度不同。另外，傳播過(guò)程中也存在反射折射現(xiàn)象和衰減。在空氣中傳播的超聲波頻率較低，通常為幾萬(wàn)赫茲，頻率在固體和液體中較高。衰減在空氣中是高速的，但是在液體和固體中是小的，離得很遠(yuǎn)。利用超聲波特性，可以制造各種超聲波傳感器，配備不同的電路，可以制造和通信各種超聲波探測(cè)器，從而在線監(jiān)測(cè)局部放電。

3 實(shí)踐分析與建議

當(dāng)局部放電發(fā)生在電纜內(nèi)部，就會(huì)存在一些電流觸達(dá)地面，外屏蔽層接地線是其途徑。對(duì)電纜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)電磁耦合法、超聲法和超高頻法。電磁耦合法是通過(guò)連接線圈和電纜進(jìn)而感應(yīng)局部脈沖電流來(lái)檢測(cè)的方法。超聲波法通過(guò)監(jiān)測(cè)局部產(chǎn)生的電流信號(hào)來(lái)確定水平，而電流信號(hào)是由電纜外部的傳感器，將產(chǎn)生的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化而成的。高頻法在GIS生產(chǎn)、運(yùn)行以及電力設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，很大程度因?yàn)槟軓某哳l的電磁波直接獲得局部放電監(jiān)測(cè)的相關(guān)信息。由于信號(hào)傳播時(shí)效短，后兩種監(jiān)測(cè)方式的局限性也體現(xiàn)了出來(lái)，應(yīng)用于小范圍檢測(cè)的電纜附件領(lǐng)域［13］。

3.1 運(yùn)行中電纜的局放巡檢

以前多運(yùn)用如目測(cè)法、紅外測(cè)溫法等傳統(tǒng)方法對(duì)電纜運(yùn)行進(jìn)行定期巡檢。近些年來(lái)超高頻法和超聲波法得到了更多的關(guān)注和應(yīng)用。是因?yàn)檠矙z中快速、準(zhǔn)確、高效對(duì)于迅速排除被檢測(cè)設(shè)備的故障隱患，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有極為重要的意義。上海在這方面積極推進(jìn)，電力公司和大學(xué)專(zhuān)業(yè)科研的通力合作，將寬頻電磁耦合、超聲波檢測(cè)技術(shù)和超高頻檢測(cè)技術(shù)等多種手段一起應(yīng)用，同步檢測(cè)，研發(fā)出一套更新、更便捷的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前應(yīng)用于監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，從現(xiàn)場(chǎng)干擾排除以及保障檢測(cè)結(jié)果方面考慮，更多采用了聲電聯(lián)合法。利用多種信號(hào)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)和處理了很多局放缺陷，很大程度消除了事故隱患。保障了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高了設(shè)備檢修效率和降低了維護(hù)設(shè)備的成本。

3.2 電纜局放在線監(jiān)測(cè)

發(fā)展并推進(jìn)對(duì)電纜內(nèi)的局部放電在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于發(fā)現(xiàn)并盡早消除潛在的絕緣缺陷隱患有重大意義。單一的依靠某一種方法在線監(jiān)測(cè)的方法去進(jìn)行監(jiān)測(cè)不能全面的反饋其用電的設(shè)備的真實(shí)情況，只有把各種設(shè)備、問(wèn)題、環(huán)境勘察相結(jié)合才能夠正確捕捉用電設(shè)備的運(yùn)行情況。在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中也存在設(shè)備應(yīng)安裝不牢靠、傳感器與電纜密合度不高而引發(fā)的監(jiān)測(cè)信息、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。故現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試在線監(jiān)測(cè)設(shè)備尤為重要，在一定程度上，安裝和監(jiān)測(cè)密不可分。上海電力公司率先在上海市35 kV變電站黎安站和疏影站，引進(jìn)安裝了2套電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這種積極探索以及和專(zhuān)業(yè)大學(xué)科研積極合作的態(tài)度精神對(duì)于國(guó)內(nèi)局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展具有很大的推動(dòng)意義。雙站多線路、電纜層的傳感器和信號(hào)線纜雙輔助、專(zhuān)家系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)服務(wù)器、機(jī)柜安裝隨手可操作，實(shí)現(xiàn)了在線對(duì)電纜內(nèi)的局部放電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)及國(guó)外現(xiàn)有的電纜局放實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的方法，并指出了現(xiàn)有的各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的局放檢測(cè)只用放電量的大小報(bào)警，不管什么信號(hào)只要超出預(yù)設(shè)值的閾值就會(huì)報(bào)警，出現(xiàn)很多錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)、誤報(bào)的現(xiàn)象。而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是先判斷是否有放電，使用放電特征診斷與放電量等多個(gè)參數(shù)相結(jié)合報(bào)警機(jī)制報(bào)警，解決了錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)和誤報(bào)問(wèn)題，同時(shí)增加了區(qū)內(nèi)區(qū)外放電定位功能，在實(shí)際測(cè)試工作中，靈活運(yùn)用各種測(cè)試方法主要目的就是盡可能的提升設(shè)備的靈敏度，降低現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)測(cè)試工作的影響，從而提升測(cè)試質(zhì)量，使得在線監(jiān)測(cè)可用性提高，準(zhǔn)確性提升。在線檢測(cè)法在今后的實(shí)際生產(chǎn)中必將得到更廣泛的推廣和提高，這也更加有利于整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。