XLPE电力电缆局部放电在线测试的现状与探讨

章铭杰，周 雁

(上海华普电缆有限公司，上海201111)

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)电力电缆内部常存在一些微缺陷，例如由于制造工艺或原材料问题造成的绝缘内部的气隙或气泡、绝缘料的焦粒、屏蔽层的突起或嵌入、导体的毛刺，以及电缆在敷设中的损伤、运行中绝缘介质的树枝状老化等，这些缺陷在高电压作用下容易首先发生放电。局部放电测试能够在较宽的频带范围内获取电缆内的放电特征信息，被公认为是最有效的电缆故障诊断方法之一。但是，目前XLPE电力电缆局部放电在线测试的效果不甚理想，问题的根源在于:现场电缆连接系统复杂，周围的电磁场干扰影响较大;现场测试受随机噪声干扰影响较大;局放脉冲信号在电缆中传播受到衰减、反射等因素影响，导致检测灵敏度较低。因此，研究如何能使局部放电在线测试取得更好的测试效果，具有重要的实际意义。

1 XLPE电力电缆的局放在线检测方法

对XLPE电力电缆进行局部放电测试，需要通过各种信号耦合方式，把放电信号耦合到测量系统中，然后以局部放电所产生的各种能量为依据，通过能表述该能量的物理量来表征放电的状态。局部放电的过程中，除伴随着电荷的转移和电能的损耗以外，还会产生声波、发光、发热等。因此，相应地出现了脉冲电流法、电磁耦合法、电容型耦合法、电感型耦合法、方向型耦合法、超高频法、超声波法、光缆感温测试法、气相色谱法、光测法、无线电干扰检测法等多种检测方法。

1.1 脉冲电流法

脉冲电流法就是我们在局放屏蔽室内常用的测试方法，即耦合电容法。IEC 60270标准规定了局放脉冲电流测试方法，脉冲值有统一的准则和规范，通过标定可以检测出局放的视在放电量。这种方法被认为是灵敏度最高的测试方法，但不能应用于XLPE电力电缆局部放电在线测试，在研究中我们将它用作在线测试的对比参照。

1.2 电磁耦合法

电磁耦合法是通过检测电缆金属屏蔽层接地线中因局放引起的脉冲电流，再通过检测阻抗将信号送到测试仪获得放电量(也有被称为电感型耦合法)。它是研究最早、较广泛地应用于离线和在线局放测试的一种耦合方法。

为实现对XLPE电缆局部放电的检测，首先必须用电磁耦合传感器有效地提取放电信号，所以电磁耦合传感器的设计是关键环节，该传感器一般由磁芯、线圈、积分电阻等构成，如图1所示。电磁耦合传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器频宽一般在10 kHz左右，中心频率在20～30 kHz之间或更高;宽带传感器带宽为100 kHz左右或更宽，中心频率在200～400 kHz之间。

图1 电磁耦合传感器

1.3 电容耦合法

电容耦合传感器是从局放信号的电场中耦合能量，直接得到电信号。电容耦合法可以利用电缆及其接头中已有的金属结构，也可以另外安装金属容性电极从而直接耦合获取放电产生的脉冲电流信号。

电容耦合传感器分为内置式和外置式:

(1)内置式。一般安装在半导体屏蔽层上，对于电缆接头，也可以利用应力锥或接头周围的半导体层直接作为检测电极。图2为内置电容耦合传感器的安装示意图。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上作为电极，信号从此电极引出，切断的金属屏蔽层再用导线连接。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，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承受工频高压的效果。在超高频下，外半导电层阻抗与绝缘层阻抗可比，而金属屏蔽层为地电位，高频信号可从半导电层引出进行测量。

图2 内置电容耦合传感器安装示意图

(2)外置式。直接将金属电极贴附于电缆或接头的护套外表面，无需接触电缆或接头内部的任何部件，故不影响原有的绝缘性能，而且安装也非常简单，适合于现场及在线检测。日本住友电气工业株式会社利用这种方法研制了一种便携式局放测试仪，安装示意图如图3所示。将一对电极安装在电缆接头两侧，接头中间的屏蔽层用绝缘垫圈隔开，金属屏蔽层与线芯导体形成等效电容，金属电极与金属屏蔽层也形成等效电容，再用检测阻抗将两电极相连。当电缆接头一侧发生放电时，另一侧的等效电容就可以作为耦合电容与检测阻抗一起构成检测回路从而耦合局放信号。

图3 外置电容耦合传感器安装示意图

1.4 高频电流传感法

将高频电流传感器(HFCT )套在电缆本体或电缆的接地线上，当电缆内发生局放时，会有电流通过外屏蔽层或接地线流入大地，HFCT可采集到局放电流信号并传输到局放测试分析仪。一般用于电缆局放检测的HFCT选择100 kHz～20 MHz的带宽频段。HFCT安装方便，且信号带宽可根据检测需要调整。

1.5 电感耦合法

局部放电信号沿电缆传播时，产生的电磁波信号向周围空间辐射能量，电力电缆的金属屏蔽层并不能将磁场能量完全束缚在电缆内部，所以在电缆护套层外直接绕包电感线圈就可以耦合到放电信号。电感耦合法示意图见图4。局放电流在外屏蔽层的螺旋导线中流动时可分解为沿电缆表面切向和沿电缆轴向两个方向的电流分量，其中轴向电流分量可在包绕电缆表面的带状传感器上产生感应电压。

图4 电感耦合法

1.6 超高频传感器(UHF)法

电缆或者电缆附件内发生局放时，会向周围空间辐射出超高频电磁波，UHF检测法通过超宽频带天线，可以检测到局放所激发的频率为300 Hz～3 GHz的超高频电磁波。常见的双臂平面等角螺旋传感器可用于外置式电缆局放检测及定位，系统结构如图5所示。

图5 外置式超高频传感系统结构图

UHF检测一个主要的优点在于能够进行局放定位，通过使用2个或2个以上的UHF传感器，能够较好地对局放源进行定位。UHF传感器不需要接触到导体及电缆终端的高压部分，且UHF传感器可以移动检测，适用于在线检测。

1.7 方向耦合传感法

方向耦合传感器安装于电缆的外半导体层和金属护套之间，这样的安装不会影响电缆的高压性能，图6为方向耦合传感器的安装结构图。

图6 方向耦合传感器安装结构图

两个方向耦合传感器被安装在电缆接头的两边，传感器只能感应到其一侧来的脉冲，这样就可以通过测量脉冲到达A、B、C、D四个点中的某几个点来判断脉冲传播的方向。

如果只有A点和C点检测到脉冲，说明电缆接头左方有局放故障;而B点和C点检测到脉冲就说明是接头处有局放故障;如果B点和D点检测到脉冲就说明接头右端有局放故障。这一方法可以有效地区分脉冲的方向，有利于进一步辨识脉冲是局放还是噪声。

1.8 声发射(AE)检测法

电力电缆内发生局放时会伴有声波发射现象，使用超声波传感器，能够探测出电缆和电缆附件中的局放现象。超声波检测法避免了与高压电缆等的直接电气连接，适用于电缆不需断电的局放在线检测。研究表明，局放声波产生的频率范围为20～110 kHz。

1.9 分布式光纤温度传感器监测

电缆在运行过程中，电缆的局部放电会引起电缆本体的局部温度升高。目前智能电网大量使用光纤复合电缆，在光纤组合中就能配置多模感温光纤，通过分布式光纤温度传感器监测电缆的温度，可获取电缆绝缘的工作温升分布状况，能及时发现因局部放电造成的电缆局部温度升高，并且定位。分布式光纤温度传感技术测试距离误差可达到±1 m之内，测试温度误差达到±0.1℃之内。

2 各种局放在线检测方法讨论分析

2.1 测试方法对检测灵敏度的影响

局放信号耦合方式在局部放电在线测试中是很重要的环节，改变信号的取样方法，就会对测试效果产生很大的影响。比如用高频电流传感器对一根故障电缆进行测试时，我们进行了对比试验，验证改变测试带宽和接线方式对测试背景的影响有多大。把两个高频电流传感器:一个为高通300 K，另一个为高通1.6 M，先将它们套接在耦合电容和检测阻抗的连接线上，如图7所示;后又将它们套在故障电缆屏蔽层接地线上，如图8所示。分别向试验系统注入5pC标定脉冲信号，在前者接线方式中，系统检测背景噪声都约为1.7 pC;后者接线方式中，高通300 K的背景噪声约为3～4pC，高通1.6M的背景噪声约为5 pC。上述试验，证实了HFCT具有较高的灵敏度，同时取样方式的改变对灵敏度影响较大。

图7 HFCT套在耦合电容和检测阻抗连接线上

2.2 各种信号耦合方式的比较

每种测试方法都有它的优点和局限性，只有扬长避短测试效果才能有效发挥。为此我们对各种XLPE电力电缆局放在线测试的信号耦合方式作了比较，见表1。

图8 HFCT套在故障电缆接地线上

表1 各种信号耦合方式的比较

测试方法 优点 缺点方向耦合传感法1.能准确判断脉冲传播的方向2.和其他在线测试组合使用，能帮助辨识信号是局放还是噪声易受到环境因素影响，如金属片腐蚀造成不报，或受强磁场影响而误报声发射检测法(AE)1.测量操作简便2.不受电磁噪声的干扰1.声波在电缆内的传输会有较大的衰减，会影响测试灵敏度2.所测声信号与放电量之间的关系尚不明确，通常需横向比较测量结果来推断局部放电的情况多模光缆温度在线监测1.测量数据简单直观2.数据记录存储、追溯方便1.专设光缆成本高，一般在光纤复合电缆上使用较经济2.对周围的热源容易产生误报

2.3 各种信号耦合方式的组合

由于现场环境的复杂性，使得每种XLPE电力电缆局放在线测试方式都有它的局限性。在实际测试工作中要尽量避开现场干扰对测试的影响，采用合适的测试方法。比如在环境比较干燥，周围没有电磁干扰的情况下，采用外置式电容耦合法就比较有效;又比如在现场没有电磁屏障时，采用UHF的效果非常好。

然而测试现场干扰情况往往是非常复杂的，为了能有效地进行局放测试，根据现场情况和条件，建议采用多种耦合方式组合进行测试，比如常用的组合方式是将UHF和HFCT结合使用，UHF的频段较高，可避开无线电广播干扰，但容易受空间随机脉冲干扰影响;HFCT容易受广播干扰影响，但是受外界的随机干扰影响较小，而且UHF局放检测的灵敏度也较高，两者组合正好能互补。图9为各种信号耦合方式的组合示意图，合理地组合运用多种测试方法，能取得更好的测试效果。

图9 各种信号耦合方式的组合示意图

3 结束语

XLPE电力电缆局部放电在线测试技术的研究有重要的现实意义，在实际测试工作中灵活运用各种测试方法，主要的目的就是想方设法提高测试灵敏度，降低现场干扰对测试工作的影响，有助于综合分析电缆局放状况。抑制噪声、提高传感器的灵敏度是推广XLPE电力电缆局部放电在线测试技术的关键。如何分析局放测试数据、识别局放源类型乃至精确定位局放源，需要更多的现场检测经验和理论研究。

［1］孙 波，黄成军.电力电缆局部放电检测技术的探讨［J］.电线电缆，2009(3):38-41.

［2］朱晓辉，杜伯学，周风争.高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状［J］.绝缘材料，2009，42(5):58-63.