电力电缆局部放电在线监测技术探析

潘志卿

（上海交通大学，上海200240）

0 引言

随着科学技术的不断发展，我国电力电缆的生产逐渐跻身世界先进行列，而且质量也名列世界前列。我国发电站和电网发展迅猛，风能、核能等清洁能源越来越受到重视，使得电网规模、装机容量和电力线路的需求越来越高。电力电缆因其不影响地面的景观且不易受到污染、不需要过多维护、可减少事故、抗干扰能力强等优点，在电网建设中发挥了巨大作用，尤其是在人口密集的城镇地区、交通拥挤地区、污染严重地区以及跨度大难以建设架空线的区域等。

1 电力电缆产生故障及局部放电的原因

电力电缆一般都是由交联聚乙烯（XLPE）制作的，正常工作寿命一般是二三十年，但是它们经常处于条件恶劣的地下，使得寿命受到了很大影响。XLPE电缆长期受土壤和水分的浸润，极易被腐蚀，而且材料本身或制作时的缺陷会使得绝缘层很快老化，甚至出现短路等故障，破坏电力系统的正常运行。

XLPE电缆出现故障的原因主要有以下几个方面：

（1）绝缘老化：包括化学反应引起的热老化、化学性老化，由于空隙部分产生电晕的电气老化，水分侵蚀呈现的水树枝老化等，可以通过测量电缆介质损耗角的正切值、直流漏电电流等来判断老化程度，后者一般只能停电检测，而前者可以通过在线监测方式实现。

（2）机械损伤：一般由外力造成，如在运输、挖土等过程中产生的破坏，例如，一些车辆超载导致地面振动，就会使得道路附近的电缆受到破坏。

（3）过电压：电缆内部电流电压过大或电缆遭受雷击产生的过电压超出了电缆所能承受的允许值而破坏了电缆绝缘层，产生击穿现象。

（4）材料本身或工艺存在缺陷：电缆在制造过程中绝缘层上出现裂纹、褶皱或缺口等，电缆附件制造时出现强度不够、砂眼或者不符合规范等缺陷。

电力电缆出现的局部放电主要是绝缘部分被击穿产生的电气放电，多发生在绝缘较薄弱处，可能是导体附近，也可能是其他地方。局部放电一般出现在绝缘层内或电缆表层的气隙中，这主要是由于在固体和液体中介电常数要比在空气中大，这就使得正常气压下固液介质的击穿电压一般要高于气体的，而且电缆周围的电场强度要比气隙中的电场强度高，所以气隙更容易被击穿，产生放电，而其他地方仍然能够起到一定的绝缘作用，这样就会出现局部放电现象。电缆刚出现故障时，各个部分的绝缘性能不相同，电缆内部的电荷不能均匀分布，这就造成电场强度各有差异。这时，电场强度较大的地方就有可能先出现放电现象，但不会立刻击穿，从而产生了电缆绝缘层内的局部放电。

2 电力电缆局部放电在线监测的重要作用

传统的电力电缆绝缘性能监测方式一般是进行定期试验。这种试验通常在雷雨季节前的春检时期将电网关闭，然后统一检验设备的绝缘性能，并将检验结果与标准作对比，如果超出标准值，就需要对该设备进行检修。这是一种预防式的维护方法，它在我国已经使用40多年了，在一定程度上保证了电力系统的可靠运行。然而从长期来看，这种方式存在很大的局限性。首先，定期试验过程需要对电网停电才能进行，这不但会给各企业和个人带来很大损失，还会耗费大量的人力物力，安排工作也是个很大的问题。其次，定期试验和电缆或设备的实际工作环境不匹配会导致试验结果不准确。试验一般在电压较低的条件下进行，而电缆或设备常常工作在高压状态，还可能存在热应力等问题，这样在工作中出现的一些缺陷有可能在试验中检测不出来。而且，电缆各个部位出现绝缘老化的速度不尽相同，这就使得各种故障有着不同的潜伏期和发展期，定期试验可能会漏报即将出现故障的部位或者早报可能出现的问题。

20世纪70年代以后，我国装机容量飞快增长，原有预防性维修体系的可靠性和经济性已经不能满足装机要求，于是人们便提出了在线监测的方法，即在设备正常运行的状态下，对其绝缘状态进行监测，根据连续监测得到的信息进行分析，如果发现绝缘状况不好的地方就及时进行维修。这是一种预知性的维修方式，可以有效地提高设备利用率和可靠性，降低维修成本。根据统计分析，采用基于在线监测的预知性维修每年可以减少维修费用1／4以上，故障停机时间减少3／4。

3 局部放电在线监测方法

在线监测的思想最早是由美国的约翰逊提出来的，经过60多年的发展，电力电缆局部放电在线监测技术不断进步和完善，形成了以下几种方法：

（1）差分法。这是日本研发的一种监测方法，即将两块金属箔用粘合剂粘在电缆中间接头两侧的金属屏蔽层上，这样金属箔和屏蔽层的中间就构成了近2 000 p F的等效电容。然后把一个50Ω的电阻接入两块金属箔中间，使得上述等效电容、电阻和电缆绝缘层之间形成一个检测回路。如果电缆某端出现局部放电，电信号与绝缘层之间的等效电容形成耦合作用，检测回路中就会产生电流，电阻中就会检测到电信号。对检测到的电信号进行频谱分析可知，如果频谱分析的中心频率在10～20 MHz之间，产生的信噪比是最大的。这种差分法在线监测电路能够像差动平衡回路一样，电阻两端电压值不会降低，干扰信号经过时不会产生压降，所以能够起到抑制干扰的作用。

（2）方向耦合法。它的主要部件是方向耦合器，由罗格夫斯基线圈、电极板和两个终端电阻组成，金属屏蔽层和电极板中间会形成一个等效电容。该方法需要在电缆中间接头的两端都装上方向耦合器。当电缆中产生局部放电信号时，电信号从一端传向另一端，于是在等效电容和线圈中能检测到脉冲信号。局部放电信号的传播方向是根据电容中产生的耦合信号和线圈中产生的耦合信号的大小关系来确定的，这样就可以判断出放电信号产生的部位。这种方法灵敏度高，监测频带较宽，且抗干扰能力较强。

（3）电磁耦合法。这种方法最早应用于发电机和变压器中，后来才逐渐应用到电力电缆监测上。运用电磁耦合思想进行在线监测的方式有多种，它们使用不同的传感器和结构，监测部位和抗干扰手段也各不相同。一般使用的电流传感器是带铁氧体磁芯的宽频带罗氏线圈型，监测部位包括电缆终端金属屏蔽层接地引线处、电缆上或者中间接头屏蔽层。

（4）超高频电容耦合法。将接头附近电缆上的外护套削去一部分，使得外半导电层的金属箔形成一个电极，用导线连接屏蔽层，电容耦合器输出检测到的电信号。低频电压时，外半导电层电阻较小，耦合器不会破坏绝缘。当出现超高频电压时，可以很好地检测到放电信号。

除上述方法外，还有超高频电感耦合法和超声波检测等电力电缆局部放电在线监测方法。

4 当前在线监测方法存在的不足

电力电缆局部放电在线监测技术通常在理论上具有很强的可行性，但在实际应用中存在很多问题，难以达到预期效果，这主要是由于在实际工作条件下，外界存在较强的电磁干扰，硬件很难完全抵消；采集到的信号强度不够，幅值小，很容易被噪声淹没；没有足够优良的绝缘优劣评估技术。总而言之，电力电缆在实际工作中所处的环境比试验条件要复杂得多，这直接影响了在线监测技术的实际应用。

5 结语

随着信号采集技术、抗干扰技术、滤波技术的不断发展，电力电缆局部放电在线监测的手段将日益完善，在实际应用中也将会逐渐适应各种各样的复杂环境，从而在电力电缆线路的安全运行中发挥越来越重要的作用。

［1］沈黎明．电力电缆应用技术［M］．郑州：郑州大学出版社，2011

［2］卓金玉，韩雪清．电力电缆设计原理［M］．北京：机械工业出版社，1999

［3］徐丙垠，李胜祥，陈宗．电力电缆故障探测技术［M］．北京：机械工业出版社，1999

［4］速水敏幸．电力设备的绝缘诊断［M］．刘晓萱，译．北京：科学出版社，2003