高压交流电缆附件的局放测试技术

1、 高压电缆及其附件是输电系统的重要组成部分，其质量问题关系到电网的安全运行。一旦电缆设备出现故障，将会造成巨大损失。因此，对电缆进行状态监测意义重大。局放量检测是目前最为常用的状态监测手段。本文讨论了局放的基本原理以及各种典型局放缺陷，对比了不同电缆局放检测方法的优劣。什么是局部放电？ 局部放电是发生在设备绝缘内部，未贯通高低压电极的放电现象，会造成绝缘劣化，最终导致电缆寿命缩短。传统的油浸纸绝缘电缆，局放对其绝缘性能影响较小，而对于固体绝缘电缆，如XLPE（交联聚乙烯）或者硅橡胶电缆，局放会对其绝缘造成永久性损伤，导致绝缘性能下降。图1展示了局放模型与等效电路。在生产或安装过程中，电缆绝缘内

2、部存在缺陷，如固体绝缘的空隙（void），液体绝缘的气泡，或电场不均匀处。将空隙等效为电容c1，空隙的上层以及下层的绝缘材质等效为c2，临近部分的完好绝缘等效为c3。我们可以获得局放电路的等效模型。局放通常发生在绝缘内部，而且等效电容c1、c2以及c3无法被测量，因此，局放检测属于非直接测量手段。 等效电路的电压与电流波形如图2所示。电压UP（t）为施加在主绝缘上的系统电压，U10（t）为空隙上的电压。当U10电压升高到空隙的击穿电压UZ时，空隙击穿，C1两端电压下降，空隙绝缘恢复，同时C2被充电，当U10高于击穿电压Uz时，以上过程重复发生。而每次局放时，都将会在绝缘泄漏电流上叠加一个小的脉

3、冲放电，如图2所示。通过检测放电脉冲发生的位置、时间以及幅值，我们可以对设备的绝缘运行状况进行评价。不同频率下的局放 不同频率以及电压波形下局放的测量方法基本一致，因此，除了在工频电压下测量电缆局部放电外，还可以采用现场试验的方法，在电缆上施加不同波形频率的电压，对电缆进行局放试验。 由于直流电压对于电缆绝缘的破坏作用较大，因此不建议在直流电压下测量电缆局放，本文也不对其进行讨论。工频电压下的测量技术 目前普遍认为，50Hz电压下的局放试验是应用最为广泛的局放测量方法，最为主要的原因是运行电压频率为50Hz，局放测量结果与实际最为接近。然而，输电电缆线路长度较长，对实验设备的容量要求较高。图3

4、为工频电压下局放测试试验布置图。分为变压器、分压器以及被试电缆三部分。 20至300Hz下的谐振测量方法 图4为谐振频率下的局放试验布置示意图，与工频电压下的布置基本一致。根据IEC62067（245kV）与IEC60840（245kV）标准，电缆的试验频率范围为20至300Hz。试验布置采用串联谐振的方法，试验频率如下所示。 上式中，c为电缆的等效电容量，L为串联电缆。由于串联谐振的特性，其对变压器的容量要求远小于工频电压。此外，通过调整电感数值的大小，可以匹配不同长度、型号的电缆。0.1Hz超低频试验技术 IEC60060规定，0.1Hz的电缆局放试验波形，可以采用正弦波或方波。由于电压频

5、率较低，电缆的充电效应大大减弱，试验电源的容量也随之减小（工频下的1/500）。相同时间下超低频试验电压过零次数远小于50Hz工频试验，因此其局放重复次数要小于工频试验，通常不能采用局放重复次数来评价电缆或附件的运行状况。对于含有非线性电阻的电缆附件，不宜采用超低频试验，因为可能会对绝缘产生损伤。振荡波测量方法 振荡波试验布置如图6所示，可以看做快速开关与谐振电路的结合。其试验原理为，通过直流电源对电缆进行充电，在达到一定电压后开关突然合上，此时电缆与电感形成串联回路，电缆（大电容）中储存的能量在电容与电感之间来回振荡，在振荡过程中电缆的局放量被获取。这项技术主要应用在60kV及以下的电缆设备

6、中，随着技术的进步，在更高电压设备上应用逐渐增多。 这项技术虽然采用直流电源，但充电时间较短，很快切换为振荡波，对电缆设备损伤较小。且电源容量要求较小。缺点是振荡时间较短，100微秒，电缆耐压时间不够。因此，这项技术主要用用于电缆绝缘状况诊断，而不适合投运试验。高压电缆附件上的典型试验结果 本节展示了户外电缆终端的缺陷局放试验结果，某些特性同样适用于中间接头等其他形式的电缆附件。试验采用50Hz电压，在一定条件下也适用于其他频率电压。电晕 属外部产生的局放，如电场集中区域，与其他类型局放有较大的差别，可以精确地测量。由于放电发生在空气中，电极两端不会发生电荷累积，因此，放电主要发生在电压的最大

7、点，并且放电起始电压与结束电压是一致的。此外，当外加电压增大时，局放时间也会增加。 当电晕起始点为高压侧时，在负半周可以检测到局放发生，如图7所示；当电晕发生在零电位区域时，局放发生在正半周。图8展示了户外终端的电晕易发生区域。导致电晕发生的主要原因有：不规范安装、毛边、尺寸不恰当等。一般来说，这些缺陷都是可以消除的，而且对于电缆设备的安全运行不会产生较大影响。电晕类局放主要发生在户外终端，一般不会在中间接头等设备上出现。空隙 当局放在电压的正负半周都能检测到时，说明缺陷为空隙缺陷。正半周的放电量要大于负半周，如图9所示。由于临近电容充放电的影响，空隙局放的起始电压与熄灭电压并不一致，局放起始

8、电压要大于熄灭电压。随着外加电压的升高，局放幅值保持不变，但放电频率增加。长时间局放下，空隙绝缘性能会产生变化，比如内表面绝缘电阻改变或结构发生变化，导致局放次数发生变化。 空隙局放的典型缺陷有绝缘气隙、混入杂质以及工艺不良等原因，其局放易发点如图10所示。沿面放电 沿面放电主要发生在电场切线上，放电量较其他局放形式更大。沿面放电的局放量在100pC至1000pC，并且总是在过零点之后出现。由于沿面放电闪络距离更大，对设备的绝缘性能影响至关重要。根据局放放电相位图（图11），第三象限下的放电量要大于第一象限。 沿面放电主要发生在电缆终端，如图12所示。原因主要有：安装过程中终端内表面脏污，此时

9、放电主要发生在电缆电场集中的应力锥处。当电缆终端进潮气以后，在低温下凝露会造成内表面放电。 电缆的外半导过渡处开剥不平滑也会造成电缆内部发生放电。在制作电缆接头时应做好半导层与应力锥之间的搭接过渡。接触不良 金具连接不良时也会导致局放的发生。金具连接点的空隙会产生电压差，当外加电压足够高时会导致空隙击穿。该种类型的局放相位图相对于过零点是对称的。如图13所示。 金具连接不良造成的局放幅值远高于其他类型局放，达到1000pC。随着外施电压的升高，局放幅值不会增加，但是放电频率会随之升高。由于该类型的放电机理不受自由电荷的影响，在正半周与负半周，局放的起始电压与熄灭电压是一致的。 对于电缆附件，该

10、类型的局放高发故障点集中在金具连接处，如图14所示。典型故障有：压接管与导线的截面积尺寸不合，导致接触面过小，形成局放。持续的局放会造成金具发热，最终导致电缆接头故障。另一个典型故障为：安装过程中涂抹硅脂过多，导致线芯与内半导之间有一层绝缘，形成电位差。悬浮颗粒 以SF6以及N2作为绝缘介质的设备，安装或运行中混入颗粒。改变电场分布，产生局放。该类型局放分布如图15所示。局放幅值基本一致，集中在某几个相位。随着外加电压的增高，放电幅值保持一致，但频率增加。 悬浮颗粒局放主要发生在气体绝缘的电缆中间接头或终端头中，如图16所示。局放分析 目前局放分析主要采用相位图谱（phaseresolvedpartialdisge，PRPD），一些辅助、新式的方法也在逐渐应用。比如局放监测系统，对设备进行持续性的监测。由于电缆局放测试通常在运行现场，而非实验室，外界噪声干扰较大，需要采用辅助屏蔽措施。当试验现场位于变电站或附近有发电机时，外界电磁干扰信号会叠加到电晕或者沿面放电局放相位图谱上。造成局放识别困难。 为了过滤噪音干扰，硬件上采用中心频率和检测带宽可调的组合带通滤波器，滤除外部干扰。软件上采用脉冲波形-时间序列检测，即记录单个局放脉冲波形机器获取时间点（相位），基于脉冲波形特定参数，对脉冲群进行无监督