XLPE高压电力电缆局部放电检测方法

何聪，袁川，曾伟，张安安

（1.西南石油大学，四川成都 610500；2.国网四川省电力公司，四川成都 610041；3.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610041）

XLPE高压电力电缆局部放电检测方法

何聪1，袁川2，曾伟3，张安安1

（1.西南石油大学，四川成都 610500；2.国网四川省电力公司，四川成都 610041；3.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610041）

XLPE高压电力电缆局部放电检测是目前国内外广泛用于分析和判断XLPE高压电力电缆及其附件绝缘故障缺陷的有效方法。首先讲述了对XLPE高压电力电缆及其附件进行局部放电检测的实际意义，其次重点介绍了国内外几种常用的电缆局部放电检测方法，并对每一种检测方法的检测原理、适用场合、优缺点做了详细的论述，最后立足于实际对电力电缆局部放电检测方法的未来发展方向进行了展望。

XLPE高压电力电缆；局部放电；局部放电检测

近年来，由于XLPE高压电力电缆自身结构的合理，使其耐热、耐压、耐腐蚀、绝缘等诸多性能优于普通的电缆而被广泛地应用于城市配电网中，成为城市地下电网的重要组成部分，在城市电能输送方面扮演着主要角色。因此，其可靠、稳定运行对整个城市电网系统的安全性至关重要。XLPE高压电力电缆及其附件绝缘材料故障缺陷及劣化程度是影响其可靠、稳定运行的主要因素。最近几年，由XLPE电力电缆及其附件的绝缘缺陷引起的电力故障在不断地增加，因此，对XLPE电力电缆及其附件的绝缘缺陷进行检测具有重要的实际意义。

目前，国内外广泛用于分析和判断XLPE高压电力电缆及电缆附件绝缘故障缺陷及劣化程度的有效方法是局部放电检测。局部放电检测可以检测出电缆及其附件绝缘缺陷的局部放电特征信息，再结合一些合理的数字信号处理方法，就能够比较准确地对电缆及电缆附件的绝缘状况做一个很好的评估。因此，局部放电检测是一种及时发现XLPE高压电力电缆及其附件绝缘缺陷，并做出绝缘寿命评估的有效方法，也是保障XLPE高压电力电缆及其附件安全运行的可靠手段[1-3]。

1 电力电缆局部放电检测方法

XLPE高压电力电缆及其附件局部放电检测的方法比较多，不同的局部放电检测方法所用到的检测原理及传感器的类型也是不同的。局部放电检测常用的方法有脉冲电流（ERA）法、差分法、高频电感耦合法、超高频（UHF）法、声发射（AE）法等等[4]。下面从检测原理、适用场合、优缺点等方面对常用的一些电缆局部放电检测方法做一个详细的介绍。

1.1 脉冲电流（ERA）法

用脉冲电流法对高压电力电缆及电缆附件进行局部放电检测时，通常通过高频电流传感器（HFCT）或检测阻抗来获取局放信息。图1为脉冲电流法检测电力电缆局部放电的接线图。将高频电流传感器安装在电缆终端屏蔽层的接地线上，通过感应流过电缆屏蔽层接地线的局部放电脉冲电流来检测局放[1，5]，同时也可通过检测脉冲电流在检测阻抗上形成的脉冲电压来获取局放信息。该方法广泛应用于电缆敷设后的交接验收实验和运行中的在线监测。

图1 脉冲电流法接线图Fig.1 Pulse current method

高频电流传感器是利用电磁耦合原理来采集局部放电信号[5]。图2是高频电流传感器的工作原理图。当被测电流i流过电缆接地线时，在接地线周围空间产生瞬变磁场。该瞬变磁场在高频电流传感器的线圈中产生感应电动势，此感应电动势与被测电流i的变化率成正比。此时，只需在线圈引出线处加积分电阻，积分后的波形即可真实地反映局放脉冲电流信号[5]。

图2 高频电流传感器Fig.2 High frequency current sensor

图3为高频电流传感器的实物图。实际测量中可将高频电流传感器与示波器相连，当局部放电所产生的脉冲电流流经电缆接地线时可以清楚地在示波器中看到相应的电压波形。

图3 高频电流传感器实物图Fig.3 Object graph of the high frequency current sensor

用高频电流耦合器作为局部放电信号检测元件的优点是高压电力电缆及其附件与测量回路之间没有电气连接，从而可以较好地抑制噪声，另外传感器安装简单、操作方便，可检测到完整的局部放电脉冲。缺点是该方法仅适用于电缆外屏蔽层有接地线的情况，对于有完全屏蔽的电缆将线圈套在电缆本体外难以检测到局放信号[6]。

1.2 差分法

差分法是利用桥式平衡电路的原理，在电缆中间接头两边的护套上各贴一对金属铂电极，通过这些电极进行局部放电信号采集和校验脉冲输入[7，9]。差分法既简单又安全，适于现场试验及在线检测。

图4为差分法示意图。将2片金属箔电极贴在XLPE电缆中间接头两端的金属屏蔽筒上，金属箔与金属屏蔽筒之间构成一个1 500～2 000 pF的等效电容，两金属箔之间连接一个检测阻抗，金属箔与金属屏蔽筒之间的等效电容、电缆绝缘等效电容与检测阻抗三者构成了检测回路[8]。

图4 差分法示意图Fig.4 Difference method

图5为差分法检测原理图。其中C0为回路杂散电容；C1、C2为电缆绝缘等效电容；C3、C4、C5、C6为金属箔与金属屏蔽筒之间的等效电容；C1等于C2，C1和C2远大于C0；C3等于C4；Zd为外接阻抗。

当电缆中间接头一侧发生局部放电时，由于另一侧电缆绝缘等效电容的耦合电容作用，检测阻抗便耦合到局部放电信号，在检测阻抗上形成的电压波经放大后输入示波器、频谱分析仪等仪器进行分析处理[9]。

图5 差分法检测原理图Fig.5 Principle diagram of the difference method detection

差分法的优点是不必加入专门的高压源和耦合电容，无需改变电缆接线。此外由于差分法检测回路类似于差动平衡回路，所以来自导线的噪声信号不能在检测阻抗两端产生压降，因而可以很好地抑制噪声。另外差分法的灵敏度与传感器的面积以及传感器和电缆外半导层之间的间隙宽度有关系，因而通过调整传感器的面积和传感器与电缆外半导层之间的间隙宽度可以提高差分法的检测灵敏度，缺点是差分法只适用于电缆中间接头的局部放电检测[8]。

1.3 高频电感耦合法

高频电感耦合法是将带状线圈作为传感器对电缆进行局部放电在线检测的方法。图6为高频电感耦合法的示意图。当局部放电所产生的脉冲电流在电缆接地螺旋状金属屏蔽层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。其中轴向分量可在包绕电缆表面的带状传感器上产生感应电压，这样检测系统就可以通过传感器的感应电压信号检测出电缆的局部放电信号[10-11]。

图6 高频电感耦合法示意图Fig.6 High frequency inductive coupling method

高频电感耦合法优点是该传感器具有很宽的信号耦合频率带宽，缺点是由于电缆外屏蔽层与电感型带状传感器的互感较小，所以灵敏度较低，此外，该检测方法只适用于外屏蔽层是螺旋导线结构的电缆[8，10]。

1.4 方向耦合传感器（DCS）

电力电缆局部放电在线监测的关键是抗干扰技术。使用方向耦合器对电缆局部放电进行定位是一项很好的电缆局部放电在线监测抗干扰技术。所谓的方向耦合器就是将电感耦合器与电容耦合器结合起来以达到辨别局部放电脉冲方向的传感器，属于侵入式传感器。检测过程中将方向耦合器安装在电缆中间接头两侧，以测定电缆局部放电电流脉冲的流动方向，区分脉冲是来自电缆中间接头局部放电脉冲，还是从两边传来的干扰脉冲，从而实现了电缆中间接头局部放电源的定位[8-9，12]。

图7为方向耦合法示意图。将方向耦合传感器安装在电缆中间接头两边的金属护套与外半导层之间，在各个端口各引出一个测量接头。当局放最前沿的脉冲经过传感器时，2个端口的电容耦合极性相同，而电感耦合量极性相反。当电容耦合和电感耦合叠加在一起时，会出现一端信号比另外一端信号大很多的现象[8-9，12]。

图7 方向耦合法示意图Fig.7 Direction coupling method

通过A、B、C、D 4个端口的信号反应分辨来自外部的噪声以及发生自电缆接头内部的局部放电信号[8-9，12]，判断关系见表1。

表1 方向耦合传感器信号方向判断关系Tab.1 The directional coupling sensor signal direction judgment

该检测方法的优点是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；缺点是在传感器的安装过程中可能对电缆及电缆附件的其他结构造成人为破坏，从而影响检测结果的准确性[8-9，12]。

1.5 高频电容耦合法

高频电容耦合法是将电缆金属护套切开，然后把锡箔缠于露出的电缆外半导屏蔽层上作为耦合传感器[13-14]。图8为高频电容耦合法示意图。高频局部放电脉冲会穿透半导层向外泄漏，并被耦合传感器检测到，该方法常用于电缆附件局部放电检测[13-14]。

图8 高频电容耦合法示意图Fig.8 High frequency capacitance coupling method

图9为高频电容耦合法等效原理图。其中Rc为电缆特性阻抗；C为耦合传感器与电缆线芯之间的等效电容，其值取决于耦合传感器的长度和电缆单位长度的电容；Cs为耦合传感器与金属屏蔽之间的杂散电容；Rs为耦合传感器与金属屏蔽层之间的等效电阻；R1为测量回路的输入阻抗[15-17]。

图9 高频电容耦合法等效原理图Fig.9 The equivalent principle diagram of the high frequency capacitance coupling method

高频电容耦合法的优点是传感器不会影响电缆本身原有的绝缘特性，并且可以有较高检测灵敏度；缺点是传感器的安装比较复杂，同时在检测过程中容易受到环境中各种电磁干扰的影响[15-17]。

1.6 超高频（UHF）法

电缆或电缆附件内部存在局部放电时，会产生上升时间为纳秒（ns）级的脉冲电流，同时向周围辐射很高频率的电磁波（频率可达GHz）。超高频局部放电检测（UHF）法是利用装设在电缆或电缆附件外部的UHF传感器去检测局部放电所激发的超高频电磁波，从而获得局部放电的相关信息[1，18-21]。图10为一种超高频传感器。该超高频传感器主要由超高频信号接收天线构成，传感器天线采用希尔波特分形天线，它是一种非频变天线，其电性能与频率无关，具有宽频率、圆极化、尺度小、效率高、可嵌装等优点。

图10 超高频传感器Fig.10 UHF sensor

由于局部放电产生的脉冲电流所激发出的高频电磁波主要频段为0.3～1.5 GHz，而现场的干扰信号频率一般小于300 MHz，所以，该方法可以有效地避免干扰信号对检测结果的影响，同时也具有较高的检测灵敏度。但是，由于电缆附件结构比较复杂，高频电磁波在传播过程中会存在折、反射情况，使得高频电磁波信号衰减和畸变，从而给UHF信号的检测带来了相应的难度。同时，高频电磁波信号的快速衰减特性使得该方法不利于对电缆本体进行局部放电检测，但是在2 m以内对电缆附件进行局部放电检测有很好的效果[18-21]。

1.7 声发射（AE）法

声发射检测技术是较早应用成功的一种局部放电在线检测技术。当电缆或电缆附件内部有局部放电时会产生冲击的振动及声音，并伴有爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播，通过安装在电缆或电缆附件外部的超声波传感器将超声波信号转化为电信号，就能够实现对电缆及电缆附件中局部放电现象的检测。此外，由于声信号在电缆中的传输速率不高，所以该方法还可用来对局部放电源进行定位[1，22-24]。图11为一种压电式超声波传感器，实际检测局放时可将传感器贴在被测器件表面。

声发射检测法的优点是避免了与高压电缆及电缆附件的直接电气连接，从而使得此方法受电气干扰比较小、安全性高；该方法可以采用传感器固定安装的在线监测，也可以采用移动传感器进行便携式检测。缺点是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[23]。

图11 超声波传感器Fig.11 Ultrasonic sensors

1.8 温度检测法

电缆或电缆附件内部存在局部放电时常伴随有局部温度升高。局部放电所导致的许多物理特性的变化都直接反映在温度的变化上，因此，温度己成为判断电缆及电缆附件运行是否正常的关键因素之一[32]。所以对电缆及电缆附件进行实时温度监测的实际意义也变得越来越大。

电缆温度在线监测按照测温点的分布情况可分为两大类:点散式在线温度监测和分布式光纤温度测量法。点散式在线温度监测系统主要针对电缆附件进行温度监测，利用热电偶、热电阻、红外线式温度计或者光纤、光栅等相关的温度传感器对电缆附件局部温度的变化进行在线监测与采集，从而获得局放相关信息[22-23]。分布式光纤温度测量系统主要针对电缆本体进行温度监测，利用的是光在光纤中的散射效应来检测电缆沿轴向的温度分布[24]。分布式光纤温度测量法可以比较准确地测量电缆线路各处的温度，对即将发生的电缆故障提前进行预警，能有效地避免电缆事故的发生。但是该方法安装复杂，需要沿电缆线路铺设光纤，另外电缆表面的温度与电缆导线芯的温度关系没有完全确定，对于内置光纤的高压XLPE电缆虽然可以测量电缆内部的温度，但是由于光纤较脆弱，如果破损后将无法完成温度测量，并且较难修复[36-40]。

1.9 其他检测法

1.9.1 光测法

通常电学检测方法容易被周围电磁信号干扰，超声检测法由于信号衰减较快，不利于发现局放信号，使得光测法成为近年来局部放电信号检测研究的新方向。光测法是利用法拉第磁光效应将检测回路中磁场的变化转换为光偏振角度的变化，再通过偏振片将偏振角的变化转变为可测量的光强的变化，从而来检测局部放电[1，21-24]。

1.9.2 气体检测法

XLPE高压电力电缆或电缆附件内部绝缘长时间存在局部放电现象时，绝缘材料会发生分解破坏，产生一些相应的气体生成物。通过相应的传感器对电缆或电缆附件周围环境中气体生成物浓度的检测，可以获取电缆或电缆附件局放相关的信息[1，24]。

2 结语

目前，XLPE高压电力电缆及其附件局部放电检测的方法比较多，主要以脉冲电流法为主。在高压电力电缆及其附件局部放电检测方面存在的主要问题是局放信号的捕捉还不是很理想，主要由以下3个方面的原因造成：1）传感器的检测灵敏度问题。由于局部放电是一种极其微弱的放电现象，所以对传感器的检测灵敏度就有很高的要求。2）实际检测现场环境的复杂性问题。实际现场会存在各种带宽不定的电磁干扰和随机噪声，这些不相干信号的存在均会影响到对局放信号的捕捉。3）XLPE高压电力电缆及其附件的结构复杂性问题。被测对象的复杂结构会影响到局放信号的传播，使局放信号的能量在传播过程中大打折扣。

XLPE高压电力电缆及其附件局放联合检测技术是电缆局放检测的未来发展方向。多种检测方法组合使用，对不同的检测结果进行综合分析有助于提高局放检测方法的质量。未来还应继续致力于提高传感器的检测灵敏度和抗干扰能力，以达到对局放信号的准确捕捉。同时也应注重局放信号的分析方法的改善，局放信号去噪技术是关键，如何从含有各种干扰的信号中准确地提取局放信号是关键，是进一步分析识别绝缘缺陷及电缆附件剩余使用寿命评估的前提。

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Detection Method for Partial Discharge of XLPE High-Voltage Power Cable

HE Cong1，YUAN Chuan2，ZENG Wei3，ZHANG An’an1
（1．Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，Sichuan，China；2．State Grid Sichuan Electric Power Company，Chengdu
610041，Sichuan，China；3.Southwest Company，China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610041，Sichuan，China）

At present，the partial discharge detection of XLPE high-voltage power cables is widely used as an effective method in the analysis and judgment of the insulation fault defects of XLPE high-voltage power cables and accessories at home and abroad.This paper firstly describes the practical significance of the partial discharge detection of XLPE highvoltage power cables and accessories.Secondly it highlights several common methods of the cable partial discharge detection both at home and abroad and discusses in detail the detection principle，applicable occasions，advantages and disadvantages of each detection method.Finally，the future development direction of the partial discharge detection of power cables is prospected based on the actual conditions.

XLPE high-voltagepowercables；partial discharge；partial discharge detection

2016-02-01。

何 聪（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为高压电气设备故障检测。

（编辑 冯露）

国网四川省电力公司科技项目（SCF-201403-FW024）；中国博士后基金面上项目（2014M562335）。

State Grid Sichuan Electric Power Company Research Project（SCF-201403-FW024）；China Postdoctoral Science Foundation Funded Project（2014M562335）.

1674-3814（2016）05-0027-07

TM835

A