高压电缆局部放电监测研究

赵生传，时翔，文艳，崔潇，张立刚，曲健

（1.青岛供电公司，山东 青岛 266002；2.威海供电公司，山东 威海 263200；3.青岛华电高压电气有限公司，山东 青岛 266102）

1 引言

随着电力系统的飞速发展以及旧城改造工程的进行，电力电缆在电力网络中的应用愈发广泛。电力电缆的基本结构包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四个部分。其中线芯即导体，是电力电缆中传输电能的部分，是电缆的主要结构。绝缘层将线芯与外界电气上隔离。屏蔽层包括导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，一般存在于15kV及以上电缆中。保护层是用来防止外界的杂质和水分的渗入和外力的破坏。

电力电缆按照电压等级分类有低压电缆（35kV及以下输配电线路）、中低压电缆（35kV及以下）、高压电缆（110kV及以上）、超高压电缆（275～800kV）、特高压电缆（1000kV及以上）。

按照绝缘材料电力电缆可以分为油纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆。其中油纸绝缘电缆应用历史最长。它安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。塑料绝缘电缆主要用于低压电缆，常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。橡皮绝缘电缆弹性好，适合用于移动频繁弯曲半径小的敷设地点。

我国早期使用的多是油纸绝缘电缆，但自1970年以来，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆得以广泛应用，并逐渐取代了油纸绝缘电缆的地位。XLPE电缆电气性能优越，具有击穿电场强度高、介质损耗小、载流量大等优点因而得到了广泛的应用。

然而，在电缆投入运行后，由于绝缘老化变质、过热、机械损伤等，会使得电缆在运行中绝缘劣化。为了防止由于绝缘劣化造成电缆运行事故，需要对电缆的运行状态进行即时监测。监测系统控制着电缆及其附件的质量。主要的监测项目包括负载的变化和温度的变化等，然而局部放电是其中最为突出的缺陷指标［1］。当电缆内部绝缘出现缺陷的时候，会导致电缆内部局部放电的发生。通过检测电缆局部放电水平，可以反映出电缆的绝缘情况。而电缆附件又是电缆线路绝缘品质最薄弱的环节，多数电缆故障是由于电缆接头所引起的。因此，对电力电缆线路尤其是附件的绝缘进行局部放电检测有着重要意义。

2 电缆在线PD检测手段

由于电缆故障主要发生在电缆附件位置，而本体较少发生故障。因此，电缆在线检测主要检测电缆接头位置。

在线PD检测的主要问题有三:一是传感器很难接触到带电导体甚至不易接触到金属护套；二是传感点分布在长电缆上，因此它们检测的信号在传输过程中容易变形扭曲；三是干扰信号的存在。

测量局放的辐射场常用敏感的场传感器。这些传感器通常放在靠近电缆接头的外半导电层上，常用铜或铝导体作为内置传感器，半导电层在导体和绝缘之间起一个连接和均匀电场的作用，防止电场的加强，防止造成局放或早期故障。

内置传感器的缺点在于不够便携，而便携式的传感器必须安装在电缆的外部，并通过电感耦合或电容耦合的方法与电介质耦合。这样的传感器安装最大问题在于它不仅仅捕捉内部信号，也捕捉外部干扰。

常用的在线PD检测手段有:高频电流法，电容耦合传感器，声发射法，超高频UHF法，甚高频VHF法等。此外还有一些不太常用的手段，例如定向偶合法［2］、偏振光测量法［3，4］等。

2.1 高频电流法

当电缆内部发生放电时，会产生一个高频的脉冲电流，并从线芯与金属护套之间的电容流入金属护套中，然后通过电缆中间或终端接头流入大地。高频电流互感器就是安置在中间接头或终端的接地线上，通过电流耦合的方式来采集局放信号。高频电流互感器的频带范围为100kHz～200MHz。

这种检测方法是一种外置式互感器，因此它受到的外部干扰较为明显。在12个高压室外变电站进行了试验，最高达到132kV。试验发现噪声和干扰显著存在。XLPE电缆的PD可接受等级为10pC而一般户外变电站的干扰超过1000pC。干扰主要来源于空气中的电晕放电、污染的表面泄漏电流和高压设备的接触不良。

由于高频电流互感器是外置式互感器，单纯利用HF－CT法检测到的PD信号精确度可能不足以满足系统的要求。为了实现对局放信号的精确测量，可以将HC－CT法与其他方法相结合来使用。例如将HF－CT法与TEV法相结合，同时检测局部放电时产生的瞬时接地信号。

2.2 VHF 法

VHF检测方法的监测频段集中于VHF频段（1～300MHz）。这种检测方法的核心部件是罗氏线圈。与传统电流测量方法相比，罗氏线圈的优点在于避免的电的直接连接。在所有的在线PD检测中，电容式传感器和罗氏线圈最为敏感。而电容式传感器需要置于合适的位置，不能便携。罗氏线圈（Rogowski coil）避免了这个缺陷，因为他们只测量全封闭电流。因此罗氏线圈不依赖设备的几何形状。与铁磁核心的传感器相比，罗氏线圈不会受到磁饱和的影响。

罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流，一次侧的电流会在二次回路中感生电压。其二次回路是个空心线圈。

罗氏线圈是一种较为成熟的技术，适用于电缆本体或接地线上的信号检测。其测得信号包括PD信号和干扰信号。PD信号的放电电流脉冲具有非常陡峭的波前和短的持续时间。通常情况下，在放电脉冲的上升时间只有若干ns而它的持续时间为10 ns的顺序。PD脉冲是一个宽带信号，它具有宽的频率，频谱高达几百兆赫。而噪声主要存在于低频段，为了滤除低频，其一般截止频率设为500kHz～1MHz之间。

对于采集PD信号的传感器，需要同时兼顾灵敏度和带宽，以及具有良好的屏蔽。如果传感器的灵敏度低，PD信号不能被检测到；如果带宽很窄，PD信号可以被扭曲。如果屏蔽是不是合理，PD信号可以被污染，甚至可能检测不到。罗氏线圈具有高灵敏度，良好的屏蔽的优点，但传统的罗氏线圈的带宽较窄。如果要扩大罗氏线圈的测量带宽，必须以牺牲灵敏度为代价。

每个线圈具有自谐振频率引起的自感和及其对环境中的电容，此外还有匝间电容的存在。这些因素会造成谐波的产生。谐波使得它的输出信号在离散的凹口出现减少和扭曲。为了同时在提高罗氏线圈测量带宽的同时也保证其灵敏度，可以采用对称放置二次侧的磁芯电流互感器，减少谐振。

因此，通过选择合适的测量阻抗和平衡阻抗，罗氏线圈传感器可以设计成用于电力电缆的PD测量。图1为改进的罗氏线圈结构图。

2.3 UHF 测量法

UHF信号即频率为300～3000MHz的特高频无线电波。传感器指的是通过接受局部放电时的特高频信号，主要集中于500～1500MHz，其放大器一般设计为50dB的增益。超高频法可以抑制绝大部分来自外部的干扰信号，这是因为干扰信号大多数低于400MHz。

由于特高频的信号在传输过程中衰减的特别厉害，所以有时会导致早期的局放信号不能被检测到。UHF测量方法需要经过特高频放大器的放大。

UHF检测法具体通过超高频监测设备用一根电缆连接到两个采样通道的环上几件复用的方法来发展。这样的检测方法可以应用于多场所。包括中压金属封闭开关设备、电力变压器、配电变电所内的局部放电监测。以往，使用超高频的高电压系统的监测安装在每个单元中，以方便PD内的单元的位置的传感器的阵列。

2.4 声发射技术

声发射技术（acoustic emission，AE）通过安置在电缆接头上的AE传感器，检测局放产生的信号。AE检测到的信号包括声音和超声波，它们都是弹性波。Ae传感器很容易检测到由于PD在介电材料中产生的弹性波，但是它很难直接估计到PD的电荷量，不能判断出绝缘的恶化程度。

AE传感器可以估计XLPE电缆的使用寿命。AE传感器可以检测由于局部放电在电介质材料中的声音和超声波。AE方法具有的优点是不受电气干扰。然而，调查表明，在电缆接头内，AE信号明显衰减。

然而，由于声波和超声波在传播过程中会有衰减，故检测其减少量较为困难。当局部放电信号离AE传感器较远时，由于弹性波的衰减，检测结果可能会有误。要评定局放变化量和绝缘劣化度，必须得知局放位置。XLPE电缆的外绝缘层材料为乙烯－丙烯橡胶（ethylene propylene rubber，EPR），为了测得局放位置，首先要研究弹性波在EPR中传播过程的衰减，通过衰减系数来确定局放位置的AE强度。

AE技术的优点在于它能有效的抵抗电磁干扰，方便装卸且能识别缺陷的位置，而它的主要缺陷在于它的灵敏度低，这一点限制了它在电力系统中的应用，在一般情况下，它都是作为一种辅助的手段。在实际应用当中，可以将VHF技术和AE技术结合起来测量电缆的局放信号。

VHF和AE处于不同的频段，两者采集到的信号比较结果可以看出，对于不同的PD信号来说，他们的频谱是不同的，而同一种PD信号在AE信号和VHF信号上的频谱是非常相似的。通过两者相结合的方式（如图2所示），同时兼顾了抗电磁干扰和灵敏度的要求。通过手动移动的AE传感器可以找到缺陷的位置。

2.5 电容耦合法

电容耦合法是采用耦合电容器的方式来进行检测的。电容耦合传感器有内置式和外置式两种。将金属箔安装在电缆接头或终端，采用高频电容耦合机制。在各种测量方式中，电容式传感器具有较高的灵敏度。根据实测信号，电容式传感器，灵敏度可以达到10pC。电容耦合式传感器的测量范围较宽，可以测得100kHz～300MHz范围内的信号，但这个频域范围内的噪声也较为严重，容易受到外界信号的干扰。

外置式电容耦合传感器比高频电流传感器具有更好的灵敏度，能提供更典型的局放模型。此外，外置式电容耦合传感器可以安装在任何位置，拆卸方便。外置式传感器一般用于电缆本体或直通型电缆接头中。

内置式电容耦合传感器一般置于外半导电层上。金属箔包裹住电缆本体或应力锥的半导体层，然后金属箔与同轴信号电缆的内半导体层，而信号电缆的屏蔽连接到高压电缆的的中性点。这样金属箔在高压导体和接地屏蔽之间形成一个电容分压器。内置式电容传感器的敏感度取决于它的安装条件，影响敏感性的主要因素是金属箔和地护套之间形成的电阻。

内置式电容耦合传感器的好处在于对外界干扰信号起了一起屏蔽的作用。PD检测的频率范围取决于从源到原始局放脉冲的传播路径和传感器的电容量。电缆的单位阻抗约为30Ω，主要取决于电缆的结构和材料的特性。如果局放发生位置离传感器有一段相对较长的距离，那么由于电缆的阻抗作用，局放脉冲到达时衰减和分散会相对严重。

内置式电容式传感器可以用来EHV电缆（extra high voltage cable）和测预制式电缆接头（pre－fabricated type joints）中，特别是三相互联的高压电缆接头中。与罗氏线圈相比，电容式传感器更容易安装在电缆交叉互联箱。

3 结论

电缆中间接头内置式局部放电UHF传感器相比其他测量方法具有测量灵敏度高，抗干扰能力强的优点，适合在现场电缆故障检测中应用。

［1］C.G.Henningsen，K.Polster，B.A.Fruth，and D.W.Gross，"Experience with an on － line monitoring system for 400 kV XLPE cables，"in Transmission and Distribution Conference，1996.Proceedings.，1996 IEEE，1996:515－520.

［2］D.Pommerenke，T.Strehl，R.Heinrich，W.Kalkner，F.Schmidt，and W.Weissenberg，“Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems，”Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，vol.1999.6:814 －824.

［3］Y.Tian，P.L.Lewin，J.S.Wilkinson，G.Schroeder，S.J.Sutton，and S.G.Swingler，“An improved optically based PD detection system for continuous on－ line monitoring of HV cables，”Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，vol，2005，12:1222 －1234.

［4］Y.Tian，P.L.Lewin，D.Pommerenke，J.S.Wilkinson，and S.J.Sutton，"Partial discharge on－line monitoring for HV cable systems using electro － optic modulators，"Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，vol，2004，11:861 －869.