国内外几种电缆局部放电在线检测方法技术分析

国内外几种电缆局部放电在线检测方法技术分析 李华春 周作春 张文新 从光 北京市电力公司 100031 摘要：本文简要的介绍国内外几种电缆局部放电在线检测方法的原 理和特点，并进行了简单的分析比较。结合国内外电缆局部放电在线 检测方法研究和应用情况提出当前 XLPE 电缆局部放电在线监测存在的 问题以及在高压 XLPE 电缆附件局部放电在线检测研究方面今后还需要 做的工作。 关键词：电缆、局部放电、在线检测、分析 前言 常规 XLPE 电缆局部放电测量多采用 IEC60270 法，但是其测量频带较 低，通常在几十到几百 kHz 范围内，易受背景干扰的影响，抗干扰能 力差。理论研究表明，XLPE 电力电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽， 最高可达到 GHz 数量级。因此，选择在信噪比高的频段测量有可能有 效地避免干扰的影响。目前国内外已把电缆局部放电测量的焦点转移 到高频和超高频测量上。 21。 迄今为止，国内外用于 XLPE 电缆局部放电检测的方法有很多。但由于 XLPE 电缆局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声和外界 电磁干扰噪声淹没，所以研究开发电缆局部放电在线检测技术的难度 在所有绝缘在线检测技术中是最高的。由于电缆中间接头绝缘结构复 杂，影响其绝缘性能的原因很多，发生事故的概率大于电缆本体，同 时在电缆中间接头处获取信号比从电缆本体获取信号灵敏度要高且容 易实现，因此通常电缆局部放电在线检测方法亦多注重于电缆附件局 部放电的检测，或者在重点检测电缆中间接头和终端的同时兼顾两侧 电缆局部放电的检测。 电缆局部放电在线检测方法中主要的检测方法 有差分法 耦合法6、7、8、93、4、方向耦合法、电磁13、14、15、165 、电容分压法10、REDI 局部放电测量法 1811、12、超高频电容法、超高频电感法17、超声波检测法等 。在众多检测方法中，差分法、方向耦合法、电 磁耦合法检测技术目前已成功应用到现场测量中。下面简要的介绍这 些方法的原理和特点。 1. 电缆局部放电在线检测方法中主要的检测方法 1.1. 差分法（the differential method） 差分法是日本东京电力公司和日立电缆公司共同开发的一种方法。其 基本原理见图 1。将两块金属箔通过耦合剂分别贴在 275kV XLPE 电缆 中间接头两侧的金属屏蔽筒上（此类中间接头含有将两端金属屏蔽筒 连接隔断的绝缘垫圈），金属箔与金属屏蔽之间构成一个约为 15002 000pF 的等效电容。两金属箔之间连接 50 欧姆的检测阻抗。金属箔与 电缆屏蔽筒的等效电容、两段电缆绝缘的等效电容（其电容值基本认 为相等）与检测阻抗构成检测回路。当电缆接头一侧存在局部放电， 另一侧电缆绝缘的等效电3 容起耦合电容作用，检测阻抗便耦合到局部放电脉冲信号。耦合到的 脉冲信号将输入到频谱分析仪中进行窄带放大并显示信号。研究发现 ，频谱分析仪中心频率设在 1020MHz 时，信噪比最高。差分法的检 测回路类似于差动平衡电路，来自导线芯的噪声信号，在检测阻抗上 的两端不能产生压降，因而可以很好地抑制噪声。 图 1 差分法检测结构示意图和原理图 利用这一检测原理，日本电力公司将其应用于后来敷设的 275kV XLPE 电缆局部放电在线监测中。该监测系统除了采用差分法原理检测局部 放电脉冲信号外，还采取了许多抗干扰措施来提高局部放电的识别技 术。其基本原理如图 2，在 IJ 接头安装检测装置（IJ 接头与 NJ 接头 的区别在于：IJ 接头内有绝缘筒将两侧金属屏蔽断开；NJ 接头内没有 绝缘筒，两侧的金属屏蔽是连在一起的），并在接头附近设置一个天 线来获取背景噪声信号。耦合到的信号先经过选频放大（信号 H 的中 心频率设定在适合检测该 IJ 中间接头局放信号的频率上，信号 L 的中 心频率设定在适合检测相邻的 NJ 中间接头局放信号的频率上，信号 H 和 L 的中心频率各不相同；而 h、l 则为天线耦合到的信号经过相应选 频放大后的信号）。放大后的信号经调制通过光纤传到监控站，在远 端经解调还原回电信号。图中噪声门的作用是：对比差分法装置检测 到的信号与天线耦合到的噪声信号，将两者中对应的信号视为噪声信 号并给予剔除。持续门的作用是：根据放电脉冲信号出现的频繁程度 判断是否为局部放电信号并输出该信号。NJ 门的作用是：将两侧噪声 门输出的结果中相对应的信号视为局部放电脉冲并输出该信号。 若 IJ1 接头发生局部放电，则信号 H 将检测到放电脉冲，信号被传输 到监控站，并经过噪声门、持续门识别后，输出的信号视为来自 IJ1 接头的局部放电脉冲，并将数据经 A/D 转换送到计算机进行记录、监 控和模式识别等；若 NJ 接头发生局部放电，则在相邻的两个检测装置 均有脉冲信号输出，两侧信号 L 经噪声门、NJ 门、持续门识别后，输 出的信号同样视为来自 NJ 接头的局部放电信号。因此，无论局部放电 发生在 IJ1、IJ2 接头，还是在 NJ 接头，该检测系统均可检测并判断 出放电位置来。据报道，整套检测系统具有很好的识别效果，准确率 高达 99.91。据日本运行经验表明：差分法配合神经网络识别装置可 使整个测量系统对电缆中间接头的灵敏度达 0.24pC。 4 这种方法在现场得到应用，可是应用起来相对比较麻烦，测量需要的 时间长，而且对于直埋电缆线路由于无法在接头上安装电极而难以实 现，对于直通接头（接头中间没有绝缘节）因为信号无法取出而无法 应用。 图 2 基于差分法检测技术的电缆局部放电在线监测系统 1.2. 方向耦合法（the directional coupling method） 另一个成功将 XLPE 电缆局部放电在线监测技术应用到现场测量的例子 是德国柏林的 400kV XLPE 电缆局部放电在线监测系统。该检测系统通 过方向耦合器耦合局部放电信号，方向耦合器结构见图 3。方向耦合器 由一个插在电缆绝缘上的电极板、一个罗戈夫斯基线圈和两个终端阻 抗（分别与端口 A、B 相连）构成。电极板与金属屏蔽层之间形成一个 等效电容，罗戈夫斯基线圈分为性能相同的两部分，连线方式见图 4。 当局部放电信号沿电缆从一侧（如右侧）传来，在电容和线圈上均可 感应出脉冲信号，B 端输出的电压信号为电容的电压信号和线圈 2 的电 压信号的叠加；而 A 端输出的电压信号则为电容与线圈 1 的电压信号 相减。如果电容耦合的信号与线圈耦合的信号大小相等，则 B 端输出 信号则增大，而 A 端信号则被抵消了。由此可判断局部放电脉冲的传 播方向。通常，只需两个端口的电压比值大于 8：1 即可认为该脉冲信 号为局部放电信号且方向可判断。检测系统在电缆中间接头两侧分别 安装一个方向耦合器，这样可以根据两个方向耦合器耦合到的局部放 电信号的方向判断出该放电脉冲信号是来自中间接头内部还是来自外 部。这种方法具有很好的抗干扰能力。现场测试表明，方向耦合器的 检测灵敏度可小于 5pC。检测系统测量频带最高为 600MHz。 5 这种方法最大的问题就是要将传感器植入电缆绝缘上，破坏外面的金 属密封防水。应用比较少。 图 3 方向耦合器结构图 图 4 方向耦合器的接线图 1.3. 电磁耦合法（the electromagnetic coupling method） 电磁耦合检测法是一种测量电气设备局部放电的有效手段。这种方法 较早应用于发电机、变压器的绝缘监测上。将电磁耦合法应用于 XLPE 电缆的局部放电检测还是近十几年才开始的,最近几年使用比较普遍。 基于电磁耦合法原理的 XLPE 电缆局部放电的检测装置有很多，这些装 置使用的传感器材料、传感器结构、检测位置、抗干扰措施等各有不 同。电磁耦合法通常采用带铁氧体磁芯的宽频带罗戈夫斯基线圈型电 流传感器，而主要测量位置为电缆终端金属屏蔽层接地引线处。此外 测量位置还可为中间接头金属屏蔽连接线、电缆本体上或三芯电缆的 单相电缆上等位置。图 5 为几种可能的测量位置。 电磁耦合法用于 XLPE 电缆局部放电在线监测比较成功的例子是 1998 年瑞士研制的 170kV XLPE 电缆局部放电在线监测系统。检测系统由罗 氏线圈、前置放大器和频谱分析仪等组成。检测系统以铁氧体磁芯线 圈为传感器，磁芯大小为直径 36mm，线圈匝数为 1 匝，积分电阻为 50 欧姆；测量位置选在 170kV XLPE 电缆中间接头金属屏蔽的连接引线上 ，见图 6。现场中使用 34dB 的前置放大器，频谱分析仪频带范围为 15 50MHz。检测的基本原理是：当电缆中存在局部放电时，金属屏蔽层 中将感应出脉冲电流，脉冲电流流经传感器时，传感器的二次绕组将 感应出信号，由此可以获取局部放76 电信息。据报道，该检测系统检测灵敏度可低于 15pC。该检测系统目 前已经应用于瑞士后来敷设的 170kV 电缆中间接头上，并取得较好的 检测效果。 图 5 局放传感器几种可能安放的位置 图 6 电磁耦合法的电流传感器安放位置图 此外，德国汉诺威大学提出的一种的检测方法可提高电磁耦合法的抗 干扰能力，可以较好地判断电缆中间接头是否存在局部放电现象。其 基本原理是将两个性能相同、绕线方向相反的罗戈夫斯基线圈型传感 器安放在电缆中间接头的两侧，两个传感器的感应信号经过一个加法 器将信号叠加。这样，当发生在电缆中间接头内的局部放电沿电缆两 侧传播经过传感器时，在两个传感器中感应出极性相同的信号，经信 号叠加后，得到一个更高幅值的输出信号；相反，当来自电缆接头外 侧的局部放电信号或干扰将在两个传感器中感应出极性相反的信号， 经叠加后被削弱，见图 7。根据这个原理，可以判断电缆中间接头处是 否存在局部放电现象。 图 7 电缆中间接头局部放电检测图 上述环状结构的传感器只能在电缆施工时预先安装在检测位置上或者 在停止设备 正常运行的情况下安装，因而具有很大的局限性，因此应用很少。而 钳型结构的传感器具有更多的优点，因此得到了更好的应用。新西兰 开发了用于 XLPE 电缆局部放电检测的在线局放检测系统6 ，该检测系统主要由钳型局放传感器和手提式数字贮存示波器组成， 可由手提箱带到现场。传感器可暂时或永久性安放在 XLPE 电缆附件的 合适位置上（见图 5）。类似的研究近年来比较多，主要是将传感器安 放在接地线和交叉互联线上，通过接地线提取局部放电信号，这种方 法现在被意大利、日本等多个国家的厂家开发出新出品，并得到比较 好的应用。这种方法测量比较方便，适用于直埋、管井和隧道等多种 敷设环境，特别适合于长期在线监测，如果采用宽频的传感器可以同 时测量电缆附件和电缆本体，有很好的应用前景。具体检测情况见图 8 和图 9。 图 8 电缆终端和中间接头局部放电检测图 图 9 电缆终端和中间接头局部放电检测图 1.4. 超高频电容耦合法 超高频电容耦合法是由英国南安普敦大学、英国电网公司和西安交通 大学共同研究的一种 XLPE 电缆局部放电在线检测的方法13、14、15 。其传感器示意图见图 10。取一段靠近接头的电缆，剥去部分外护套 ，将金属箔片贴在外半导电层作为电极。信号从耦合器上的 BNC 头输 出，中断的金属屏蔽层经导线连接。在工频电压下，由于外半导电层 的阻抗远小于绝缘层的阻抗，则外半导电层可视为工频地电位，故电 容耦合器并 不影响电缆绝缘效果。在超高频下，外半导电层阻抗与绝缘层阻抗可 比，而地电位为金属屏蔽层，故有利于高频信号的测量。该检测方法 采用的超高频放大器频带为 10MHz500MHz，数字示波器的采样率为 5 GS/s。在实验室里测量，灵敏度为 3pC。 图 10 超高频电容耦合器示意图 1.5. 超高频电感耦合法 超高频电感耦合法为荷兰提出的一种利用线圈作为传感器对螺旋状金 属屏蔽电缆进行局部放电在线检测的方法17。超高频电感耦合器的 示意图见图 11。这种检测方法要求被测电缆金属屏蔽为螺旋带状绕制 而成的。 当电缆中存在局部放电，局部放电脉冲沿电缆屏蔽传播，该电流信号 可分解为沿电缆长度的径向分量和围绕电缆的切向分量。切向分量的 电流产生一个轴向的磁场，变化的磁场穿过传感器时，传感器上因磁 通变化而感应一个双极性的电压信号。因此检测系统便可检测到局部 放电信号。检测系统测量频率最高为 600MHz，检测灵敏度为 1020pC ，较传统方法高出一个数量级。此外，其受高频信号衰减特性的限制 ，有效测量距离为 10m 左右，只能用于电缆附件的测量。 近几年，超高频检测技术成为 XLPE 电缆局部放电在线检测的焦点问题 之一。值得注意的是，超高频下信号衰减要比低频信号严重得多，因 此超高频检测位置或对象多为电缆中间接头或终端。 图 11 超高频电感耦合器的示意图 1.6. 超声波检测法 除了上述提到的电气测量方法以外，还有很多非电气量的测量方法。 这些方法是根据局部放电过程中伴随着电荷的转移和电能损耗产生各 种非电信息，如声波、发光、发热以及出现新的生成物等，通过测量 这些非电气量来获取局部放电信息。超声波检测法便是一例。 超声波检测系统通常采用压电晶体作传感器，压电晶体将声信号成比 例的转换成电荷量，信号经前置放大器放大后再进行光电转换，并应 用光纤传输，传输的光信号经光电元件转换成电信号，再经放大后在 示波器或峰值表上显示。近代超声波测量局部放电所用的仪器频带多 取 60300kHz。由于传播衰减等原因，能采集的声信号很微弱，长期 以来超声波测量就是因为灵敏度太低，而没有被广泛采用。近年来由 于电传感器效率的提高，集成元件组成的低噪声放大器和光纤的发展 ，使得测量灵敏度得到提高18。 2. 电缆局部放电在线检测方法分析比较 差分法 优点：不必加入专门的高压源和耦合电容，也无需改变电缆接线，且 由于可等效为桥式电路，故能很好抑制噪声。方法简单安全，适合于 现场试验及在线检测。 缺点：高频信号在电缆传播衰减相当严重，以 至降低检测灵敏度，测试时间长，测试方法上有局限性。 方向耦合法 灵敏性：在实验室条件下（12m，110kvXLPE 电缆，测得方向性 1：8） ，可实现小于 1pC 的信号测量。而在高压电缆测试中（100m，400kvXL PE 电缆），可测得小于 5pC 的信号。 缺点：要将传感器植入电缆绝缘上，破坏外面的金属密封防水。应用 比较少。 电磁耦合法 优点：与电缆无直接电气连接，结构简单，能很好抑制噪声，安装方 便，携带方便，适用现场操作。 缺点：高频信号传输时衰减比较严重，需要尽量靠近电缆接头测量， 否则影响灵敏度。 超高频电容耦合法 优点：所设计的电容耦合器的最高频率可达 500MHz，可用作电缆和附 件局放超高频传感器。比常规局放测量有更高灵敏度。 缺点：超高频信号衰减比低频严重得多，故在线监测需安装多个传感 器且尽量靠近电缆接头或端部处。此外，也破坏电缆表层。 超高频电感耦合法 优点：所设计的电容耦合器的最高频率可达 500MHz，可用作电缆和附 件局放超高频传感器。比常规局放测量有更高灵敏度。 缺点：超高频信号衰减比低频严重得多，故在线监测需安装多个传感 器且尽量靠近电缆接头或端部处。此外，也破坏电缆表层。 超声波检测法 优点：方法简单安全， 缺点：灵敏度低。 3. 当前 XLPE 电缆局部放电在线监测需要考虑的问题 局部放电检测技术研究开发难度很大，以前被认为是理论上可行，但 难以实际应用的一种检测技术。很多 XLPE 电缆局部放电在线检测方法 在实验室里是可行的，但是应用到现场中测量效果并不理想，其主要 原因是：1、外界强电磁场干扰源很多，单纯依赖硬件技术实现剔除和 防止外界电磁干扰难度很大；2、采集的信号量微弱，幅值很小，极易 被背景噪声淹没；3、宽频带滤波器和高倍数的放大器使得采集到的信 号的原始波形畸变，容易导致误判；4、缺乏电缆绝缘局部放电信号的 识别技术，缺乏局部放电脉冲信号波形、频率及幅值的识别判断技术 ；5、缺乏 XLPE 电力电缆绝缘劣化的评价基础和运行状态判据等实际 运行经验的积累。 最近几年，随着 XLPE 电力电缆局部放电在线监测技术的快速发展、抗 干扰能力的提高、局部放电识别技术的发展、现场运行经验的积累等 ，XLPE 电缆局部放电在线监测技术已经在国际上一些地方在现场应用 方面取得非常好的效果，下一步大规模现场应用已经成为可能。为保 证电缆局部放电测量工作可以在现场得到顺利推广，需要考虑以下问 题： 1、 选择设备时要考虑选择抗干扰能力强的设备，将是检测技术成功 应用于现场 XLPE 电缆在线检测的关键。由于现场噪声干扰严重、因素复杂，XLPE 电缆局部放电测量的难点就是难以有效抗干扰，所以要想取得局部放 电的成功首先采用包括软硬件相结合良好的抗干扰技术。 2、 选择设备时要分析设备的局放定位能力，局放定位问题一直是 XLP E 电缆局部 放电检测的一个难题。由于 XLPE 电缆本身结构的特殊性，在线定位颇 有难度。但现场非常需要有一种良好的在线故障定位的检测方法对电 缆线路和附件进行精确定位，尤其是针对带有交叉互联的电缆接头的 故障定位技术。 3、 选择设备时要分析设备的专家系统分析能力，XLPE 电缆局部放电 在线检测的 根本目的是通过检测局部放电来判断 XLPE 电缆的故障。设备厂家需要 大量的现场测试结果的积累，才能真正总结出电缆及其附件内部缺陷 及其发展程度与局部放电特性之间的关系，才能将局部放电的检测结 果和电缆的故障情况联系起来，提高故障诊断的准确度，才能为实现 X LPE 电缆状态检修奠定更坚实的基础。 4、 需要安排有经验的专业技术人员操作设备，并经过充分的培训。 电缆局部放电的测量人员需要通过大量的测量总结经验，对于出现的 局部放电信号要敢于判断，不怕出现失误，要通过案例逐步摸索设备 的使用经验。 主要作者： 李华春（1971-），男，工学硕士，高级工程师，北京市电力公司，主 管高压电缆运行、技术、状态监测工作。联系电话： （010）6367777 1； E-mail： 周作春（1973-），男，高级工程师,北京市电力公司，主要从事高压 电缆生产技术管理工作。联系电话： （010）63121767，E-mail： zh 参考文献 1 Shim et al. 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