基于三路脉冲信号极性鉴别技术的110kV XLPE电缆局放检测技术

陈腾彪， 邬 韬， 魏前虎， 李高峰， 郑晓泉

(1.深圳供电局有限公司，广东深圳518010;2.西安博源电气公司，陕西西安710054;3.西安交通大学，陕西 西安710049)

0 引言

我国城市输配电网中大量采用XLPE电力电缆系统，这种电缆系统在生产、现场安装和运行中有可能引入缺陷。这些缺陷易产生局部放电(PD)，其中接头的事故率相对电缆本体更高［1］。由于XLPE等挤塑型绝缘材料耐放电性较差，在局部放电的长期作用下，绝缘材料会不断老化并最终导致绝缘击穿，造成严重事故［2-4］。因此，选择合适的带电检测方法，对电力电缆及附件的PD进行预防性绝缘监测，是预防电力电缆绝缘击穿事故的重点发展方向之一。

1 电力电缆中间接头局部放电带电测试原理及试验室验证

1.1 电缆PD测试的主要方法

国内外关于电缆及接头局部放电检测方法的研究报道很多，但由于电缆及接头局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没，所以研究开发电缆及接头局部放电在线检测的装置具有较大难度［5］，根据获取PD信号方法不同，形成了多种测试PD手段，如差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容分压法、REDI测量PD法、超高频电容法、超高频电感法、超声波检测法等［6-7］。

本文采用电感耦合法，利用PD脉冲信号在电力电缆本体及接头处的传播特性［8］，用三个高频电流传感器(HFCT)的组合极性鉴别技术，来分析判断PD源的来源。

1.2 三传感器PD检测系统结构

本系统由高速采集装置、数据分析单元和三只HFCT等组成，如图1所示，三路HFCT信号传送到采集装置中进行数字化，然后由数据分析单元进行集中处理、存储、显示。

图1 系统结构图

每个 HFCT 带宽 500 kHz～20 MHz，#1、#2、#3传感器分别卡在电缆接头的左边、右边和交叉互联线上。系统采样率为100 Mbps，最长连续采集时间为1 s(50个工频周期)。高速采集装置可以三路信号同步采集，利用软件对脉冲信号频域进行滤波、小波去噪、相位开窗、阈值截取等分析，最后加以极性判别，并自动生成各种放电谱图，以此判别电缆接头中是否含有PD源。

1.3 三路信号极性鉴别技术测试原理

HFCT由罗高夫斯基线圈、匹配电阻等组成，因此传感器带有方向性，即同一个PD脉冲电流信号从不同方向穿过两个传感器，两传感器输出的脉冲正负极性是相反的，称为异极性;反之为同极性。

根据110 kV电力电缆自身结构和连接方式，可画出交叉互联接头其中一相的等效电路图，如图2所示。L1、R1、L2、R2为电缆线芯及屏蔽层的等效电感和电阻;C1和G1为电缆主绝缘等效电容和导纳。长线传输时，高频脉冲电流信号快速衰减，由于电缆自身传输特性影响，在接头处发生反射，如图2a所示，但反射波比原波的相位滞后，在时域容易分开。本系统测试只关注原波的极性，所以反射波对本系统测试影响可忽略。

当接头发生PD时，PD脉冲电流沿电缆从放电源向两端传输［9］，穿过#1传感器和#2传感器的PD脉冲电流信号极性相反，又因为两传感器的线圈绕向一致，所以，两传感器输出脉冲波形极性相反，如图2a示，从而鉴别出在电缆接头中出现的PD。PD源信号的量值由安装在交叉互连线上的#3传感器获取，该传感器接收感应到屏蔽层上，又经交叉互联线接地的PD信号。保护器的等效电容C3和C4只会改变PD信号电流的路径，不会影响PD信号的大小(见图2a)。#3传感器耦合出脉冲极性与#1传感器脉冲极性相反，与#2传感器脉冲极性相同。

图2 放电信号在电缆接头部分传输路径图

如在接头左端电缆本体输入脉冲信号，则会在同一个方向穿过#1传感器和#2传感器，在两传感器输出脉冲极性相同的信号;由于电缆接头处为阻抗不均匀点，本体中脉冲信号由交叉互联线进入大地，所以#3传感器耦合到的信号脉冲极性与#1传感器的相同，并与#2传感器信号同极性，图2b中虚箭头代表含有时延和衰减的反射波信号。同样分析方法，可推出从接头的右侧输入脉冲在三个传感器的极性状况。综合分析可得出表1。

表1 不同方向脉冲源在三个传感器的极性关系

由此，可根据三个传感器输出信号的极性，准确判断脉冲来源，明确指出放电源是否来自接头内部，有效滤除随机性脉冲干扰。

1.4 三路信号极性鉴别技术的验证

根据上述技术原理进行试验检验:将两段30 m、110 kV电力电缆(截面积800 mm2)用绝缘接头(带有交叉互联功能接头)连接，接头部分及传感器放置方式按图2连接，模拟运行电缆的连接方式。首先用PD脉冲校正器(型号:HAEFELY-K451)在电缆接头左端输入幅值为100 pC的PD脉冲信号，得到三个传感器脉冲极性情况如图3a;再从电缆本体右端输入同样信号，得到脉冲极性情况如图3b;最后在电缆接头内部做气泡缺陷，使在一定电压下放电产生约100 pC放电源，得到三个传感器的脉冲极性情况如图3c;其结果完全符合表1中给出的极性情况，从而说明利用三路传感器极性，判定PD源是否来自接头内部的可行性。

图3 实验室验证极性鉴别原理波形

2.现场测试典型案例分析

2.1 被测电缆概况

图4 现场测试电力电缆一次接线图

对一条正在运行的110kV XLPE电缆现场进行PD检测，被测电缆线路概况为:两端是站内GIS设备，线路全长3.1 km，中间共有5组中间接头，如图4所示。其中1号接头和2号接头为交叉互连保护接地绝缘接头，3号接头为直接接地接头，4号接头为保护接地接头，5号接头为直连接头，站内电缆两终端屏蔽层都是直接接地。利用本监测方法对这条线路的每一个接头进行详细带电检测，并依据测试数据对每个接头进行PD评估。

测试结果分析:2号三相接头都有明显的内部PD放电脉冲，经过离线进一步分析，最终确认电缆2号接头C相中存在放电源，建议对其进行更换处理，相关部门随后进行更换，但是还未实施，2号电缆接头C相发生了绝缘击穿，造成一次停电事故，击穿后照片见图5。对击穿后电缆接头进行切片分析，发现主绝缘中有明显的电树枝，后经专家和运行维护人员综合分析，属于在现场制作接头时，施工不慎造成内部少量气泡或杂质遗留，产生局部放电，经过长期积累，导致绝缘劣化严重，内部形成电树枝并不断生长，最终导致绝缘击穿。

图5 击穿后电缆接头照片

2.2 测试过程及数据分析

现场传感器的连接方式及位置与试验中保持一致，2号接头C相测试截图如图6a示。对传感器原始信号做小波分析，应用Mallat算法，设定为10级数滤波，然后再通过 Shrinkage技术进行小波去噪［10-14］，最终得到图6a波形，可以看出，#1与#2传感器信号极性相反，#1与#3传感器信号极性相同，完全符合接头内部产生放电条件，连续测试50个工频周期，结合图6b所示，放电点集中在第一和第三象限，符合内部放电特点，判定接头存在内部局放放电源。

3 结论

(1)三个传感器的脉冲极性鉴别方法，能直接判断带有交叉互联线的电力电缆绝缘接头的高频脉冲信号的来源，可以较为直观地指明放电源的来源。

(2)此种检测局放方式，结合频域滤波和小波滤波等手段，经过现场的检验，能有效剔除随机性的脉冲干扰，减小误判概率。

图6 2号接头C相测试截图

［1］葛景滂，邱昌容，谢恒堃.局部放电测量［M］.北京:机械工业出版社，1984.

［2］冯 义.便携式电缆接头局部放电在线检测装置的研制［D］.西安:西安交通大学，2004.

［3］罗俊华，冯 江，袁 检，等.交联聚乙烯电缆局部放电高频检测技术的研究［J］.电网技术，2001，25(12):41-42.

［4］郭灿新，张 丽，钱 勇，等.XLPE电力电缆中局部放电检测及定位技术的研究现状［J］.高压电器，2009，45(3):56-57.

［5］李华春.电缆局部放电在线检测方法的分析比较［J］.电力设备，2005，6(5):29-33.

［6］姚 翔，李海生，付尚莹.XLPE电缆交叉互联系统中的PD脉冲传播特性［J］.高电压技术，2008，34(2):52-63.

［7］韦 斌，李 颖.XLPE电缆绝缘接头PD在线检测方法探讨［J］.高电压技术，2005，31(10):30-32.

［8］郑建康，张 莉，杨文虎，等.电缆接头局部放电在线检测系统及其应用［J］.陕西电力，2008，12(2):21-42.

［9］IEC 60885－3 Electrical test methods for electrical cable;part 3:test methods for partial discharge measurements on lengths of extruded power cable［S］.

［10］颜景安.长电缆绝缘局部放电定位及定量的计算方法［J］.高电压技术，1987，4(1):85-98.

［11］Hao Zhang，TR Blackbum，BT Phung.A novel wavelet transfor technique for on-line partial discharge measurements part 1:WT De-noising algorithm［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(3):12-34.

［12］彭玉华.小波变换与工程应用［M］.北京:科学出版社，1999.

［13］唐 炬.组合电器局部放电在线监测外置传感器和复小波抑制干扰的研究［D］.重庆:重庆大学，2006.

［14］陈向荣，徐 阳，徐 杰，等.工频电压下110 kV XLPE电缆电树枝生长及PD特性［J］.高电压技术，2010，36(10):2436-2443.