基于局部放电频谱分析的XLPE电力电缆在线监测技术研究

徐国江

摘要：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手段日益完善，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。

关键词：XLPE电力电缆;局部放电;在线监测

引言

随着电力电缆在城市电网中得到广泛应用，电缆的绝缘问题愈显突出。由于电缆通常是敷设在管沟或隧道中，到目前为止，还没有较好的技术能够掌握运行中电缆的绝缘状态。当前，电缆线路在线监测多数是监测电缆的温度。然而，据统计，电缆故障多数源于施工时机械损伤和绝缘处理不当，如制造中存在空隙、裂纹、受潮或损坏。最能够反映电缆绝缘特征的是电缆的局部放电。运行中的电缆总是与其他电气设备相连接（如变压器、GIS、开关、电压互感器、架空线等），这些设备也可能产生局部放电，要将电缆的局部放电信号从其他设备放电或干扰中区分出来是一个关键问题。基于上述问题，必须从研究电缆局部放电机理出发，摸清其放电传播的物理过程，以其作为基础，寻找有效区分电缆内部放电和外部干扰的检测技术。目的是模拟电缆运行中的实际情况，利用局部放电传感器，检测电缆在内部放电和外部干扰传播时，找出传播规律及特点，寻找到能准确区分内部放电和外部干扰的可行方案。

一、基于局部放电频谱分析XLPE电力电缆在线监测技术

（一）局部放电监测的现状

XLPE电力电缆在运行中，其局部放电脉冲的宽度，在1纳秒至10纳秒之间，其所表示的含义为：局部放电脉冲信号有瞬间即逝的特征，尤其以电缆为介质的传输中，高频脉冲信号的衰减程度会逐渐增加。所以，在XLPE电力电缆的终端处，很难采用监测系统对局部放电的信号进行采集，或者已经采集的信号，存在严重的失真现象，导致测量结果存在严重的误差问题，影响后续的相关工作。在本文的分析中，将宽频带局部放电传感器的方式，应用在监测甚高频频段局部放电的工作中。另外，由于XLPE电力电缆的局部放电现象，经常发生在附件的周围，或者就应该在相应的位置，以接地的方式，安装局部放电传感器。通过这样的方式，减小信号在传输过程中的损失，提高XLPE电力电缆局部放电监测的准确性。

（二）在线监测技术的设计与应用

就传感器来说，其经过了特殊的设计，即高频带罗戈夫斯基线圈型的放电传感器，所以将其安装在XLPE电力电缆中，能够准确的采集放电信号，并利用电磁耦合的原理，对XLPE电力电缆局部放电的特征，进行准确地提取与分析。受罗戈夫斯基线圈性能的影响，在监测XLPE电力电缆放电电量的情况下，其不会与式品产生电气关联，所以其具有不会产生饱和、结构简单的优势，可以有效抑制外界的噪音，适合应用在XLPE电力电缆的放电监测中。在本文的分析中，将镍锌铁氧体材料用于传感器线圈的主要材料，其电阻率对高频电流的影响较小，很适合应用在1MHz至300MHz高频电缆中[1]。

在设计XLPE电力电缆的在线监测技术中，以上述的內容为基础，绘制等效电路图。并在这一基础上，由于局部放电的传感器线圈属于环形，R1为内环的半径，而R2为外环的半径。另外，传感器罗戈夫斯基线圈的横截面属于矩形，面积用S表示，N表示线圈中的绕线匝数，l表示闭合回路的磁路长度，并用M、Ls表示线圈的互感、自感，w表示工作的角频率。通过上述的分析，就能够得出传感器的幅频特性、传感器的频带、上限频率等公式。

（三）传感器的相关数值计算

通过以上的分析，能够在理论的条件下，对传感器的相关参数，进行准确的计算。例如：在线圈匝数为39时，且绕线的直径为1毫米，其相关的参数为：（1）线圈自感Ls的计算值为0.435mH，而测量值为0.409mH;（2）线圈互感M的计算值为0.11mH，而计算值为0.010mH;（3）等效电阻的计算值为0.032Ω，测量值为0.040欧姆。为了可以对XLPE电力电缆在线监测技术进行优化，可以在其中安装局部放电信号放大器，并运用接地技术，保证放大器的信号电流，能够在其内部形成回路，减少信号在传输过程中产生的损耗。

通过这样方式，就能够提高在线监测结果的准确性，规避信号失真的现象，即信号放大器的实际增益为41dB，因此3dB的带宽就能够达到70dB，进而更好的满足XLPE电力电缆在线监测的相关需求。另外，运用相关的理论知识，对数据识别、数据处理系统进行优化设计，可以将外界的噪声进行剔除，并优化局部放电信号的提取方式，合理判断XLPE电力电缆的实际运行状态。在分形维数变化、局部放电脉冲信号频谱的基础上，就能够通过分维尺度的规律，对信号进行识别、提取，提高在线监测技术的灵敏度，以此来实现减少干扰的最终目标。

二、基于局部放电频谱分析XLPE电力电缆在线监测结果

在本文的相关分析中，以35kV的XLPE电力电缆为例，并运用甚高频局部放电传感器电磁耦合的方式，对线路的放电问题进行在线监测，以便于践行有针对性的分析，为后续的治理工作，奠定有价值的数据基础。局部放电传感器，可以安装在XLPE电力电缆式品的中间位置，并在连接同轴电缆的过程中，均以50Ω为标准。基于这样的方式，就能够避免在电力运行的过程中，高频信号会产生反射而形成驻波的现象[2]。具体来说，局部放电传感器的频带宽在10kHz至28MHz之间，而信号采集器3dB贷款实际上为70MHz，这一数据在上文已经提及。另外，RPS属于数据识别、数据处理系统，其是基于分形维数变化、脉冲信号相似性而进行特殊设计的。对此，基于局部放电频谱，分析XLPE电力电缆在线监测的结果，主要体现在XLPE电力电缆绝缘性能方面，其主要内容如下：

XLPE电力电缆的式品，其自身所存在的绝缘缺陷，会受到外施电场的激励，而生成局部放电信号，但是采用数学的相关方式对其进行处理，就会提高其特征的明显性。如果XLPE电力电缆的绝缘缺陷，处于高电位的位置时，其局部放电脉冲的信号，基本上会产生在180度至270度的相位，或者产生在0度至90度的相位。在这两个相位中，脉冲信号之间的差异，并没有明显的特征，同时其相互之间的正放电次数、负放电次数，也有着较强的相似性。经过对XLPE电力电缆局部放电的实际测量，其式品局部放电信号频谱，与计算之间的比较就是外界的噪声信号相对较弱，主要集中在两个峰值的位置，即24MHz与32MHz处。

三、基于局部放电频谱分析XLPE电力电缆在线监测结论

结合本文的相关分析，能够得出基于局部放电频谱，分析XLPE电力电缆在线监测的相关结论，其内容分为两部分：

（1）采用高频宽带电瓷耦合试验的方式，对XLPE电力电缆的甚高频信号段的范围，进行局部放电信号监测。同时，工作人员应该选择恰当的位置，合理的安装传感器，基于这样的方式减少信号传输过程中的损失。另外，基于这样的在线监测技术方式，还可以将中心频率为20MHz高频局部放电信号的特征量、信号波形等，进行全面的、准确的采集，为数据的分析提供有价值的条件，主要是因为信号在线监测技术的灵敏度，高达1pC，可以满足XLPE电力电缆局部放电的相关需求，保证结果的精准性。

结语：综上所述，XLPE电力电缆在运行的过程中，存在着局部放电的现象，影响其运行的稳定性。为了能够解决这一问题，就应该发挥局部放电频谱的作用，实现对XLPE电力电缆的在线监测。在这一基础上，可以提高监测结果的准确性，为相关的治理工作提供参考，保证XLPE电力电缆能够安全运行。所以，结合文本的分析发现，基于局部放电频谱，对XLPE电力电缆在线监测结果进行分析，其具有较强的可行性。

参考文献：

[1]刘凯.基于无线通信技术的XLPE电缆局部放电在线监测系统的研究[D].西安理工大学，2017.

[2]赵法强.局部放电在线监测技术在电力电缆运行中的应用[J].中国高新技术企业，2016（35）：70-72.

[3]姜芸，周韫捷.分布式局部放电在线监测技术在上海500kV交联聚乙烯电力电缆线路中的应用[J].高电压技术，2015，41（04）：1249-1256.