XLPE电缆中间接头局部放电特征气体及光特性检测技术研究

赵法强, 肖艳霞，陆林

(1.深圳供电局有限责任公司，广东 深圳 518001；2. 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

随着经济和城市的不断发展，城市配电网的电缆覆盖率大大提高，交联聚乙烯(cross-linked poly-ethylene，XLPE)电缆载流量大、敷设方便，是目前电网中普遍采用的主要电缆材料[1-2]。由电缆组成的传输电网主要部分包括电缆和电缆中间接头，其性能和可靠性直接影响电网安全。其中，电缆中间接头安装便利、绝缘性能好、耐高温及酸碱，是配电网电缆连接的主要方式[3-4];然而，在电缆材料、施工、安装质量和运行维护等方面存在问题，严重影响了电缆的可靠性，造成的电缆故障问题也比较突出[5-10]。因此，开发有效的技术手段，实现电缆全寿命安全监测，是保证电网安全的关键。局部放电(简称“局放”)是造成XLPE电缆绝缘性被破坏的主要原因，局放及其变化能够较为全面、灵敏地反映电气设备的绝缘状况[11-13]。通过交联改性制作的XLPE材料，弥补了聚乙烯材料熔点低、耐热性差、存在蠕变等方面的不足。由XLPE制成的绝缘电缆能在90 ℃条件下长期工作，短时间允许过载温度达到130 ℃，这使得XLPE成为目前应用最广泛、最理想的绝缘材料。揭示这种材料在应用过程中(如局放条件)的特性和劣化机理，进而提出有效的监测和预测方法及技术，一直是相关领域的研究重点和焦点。

通常XLPE电缆的工作寿命为30 a，但在其运行过程中的故障会导致工作寿命变短。主要导致电缆出现故障而缩短寿命的原因有以下几点：机械损伤、绝缘老化、过电压、电缆制作材料存在缺陷或设计工艺不足等。这些问题通常会使电力电缆及其中间接头绝缘层的薄弱部位，在强电场的作用下发生局放，尽管一般情况不会直接引起绝缘的穿透性击穿，但会导致电介质的局部损坏，若存在长期的局放，将最终会导致绝缘劣化甚至击穿，造成事故。因此，开发有效的技术手段，实现电缆绝缘能力的安全监测，是保证电网安全的关键。局放与电缆的绝缘性直接相关，能够较为全面、灵敏地反映电气设备的绝缘状况，是衡量电缆工作状态是否正常的重要依据。采用局放检测技术来判断电缆绝缘特性的方法已经得到国内外专家和IEEE协会的一致认可。局放会产生电弧，同时伴随有光、热、声、电磁辐射或引起电流突增、突降等。利用这些特征实现局放监测是目前的主流技术[14-20]。应用较为广泛的有超声波法、特高频法及脉冲电流法等。但是这些技术一般很难用于检测电缆沟内由局放引起的电缆绝缘劣化。实际上，局放除了伴随光、热、声及电磁辐射等现象外，还会在电缆中产生高温和分解出气体，同样能反映电缆的绝缘性及可靠性。此外，已有的局放监测技术大都基于电量检测，很难实现XLPE电缆局放的在线监测，迫切需要研究和开发非电量的检测理论和技术。

为此，以探索XLPE电缆非电量局放监测技术为目的，本文设计并制作了XLPE电缆局部放电实验装置，以收集不同放电条件下局放生成的气体(以下简称“局放气体”)，同时采用电磁不敏感的光纤光栅温度传感器实时监测局放区域温度。通过分析收集气体样本的成分和浓度，发现局放强度、放电区温度和产生的气体成分及浓度均成正比例关系，提出了基于气体吸收光谱和荧光光谱2种非电量局放检测技术，并对其中的荧光光谱检测手段进行了实验验证。将荧光材料安装在放电腔中，在线测试了荧光材料在局放气体长期作用下的荧光谱，发现随着时间增加，局放气体作用会导致荧光谱峰值蓝移。本文为基于荧光探测技术的XLPE电缆局部放电非电量监测和绝缘状态预估提供新的思路，也为XLPE电缆长期工作状态的在线监测和实效评估提供了理论和实验基础。

1 XLPE电缆局放气体采集实验装置

XLPE电缆中间接头内部在出现缺陷发生局放时，会分解破坏局放点周围绝缘材料，释放出一定的气体，通过对这些气体的检测，能评估XLPE电缆中间接头的工作状态。为模拟XLPE电缆中间接头的局放情况，制作了XLPE局放气体采集实验装置，如图1所示，其中虚线框内为后续进行荧光材料光谱实验时另加的实验装置。

由定制的玻璃管和2个玻璃塞形成密闭的放电腔，放电电极安装在玻璃塞上，用环氧胶固定，密封玻璃管用V形槽支撑。XLPE样品片为直接从高压电缆上取下的绝缘套制成的圆片(中心打孔)，放电电极对称安装，与其中心孔共轴。在形成放电的情况下，使电弧有效作用于XLPE样品，通过直接烧蚀和加温样品释放气体，以模拟实际的局放状态。为监测放电过程中放电位置的温度变化，采用了新型的光纤光栅温度传感器。光纤光栅基于光波调制解调实现温度测量，具有电磁不敏感、精度高、测量范围大的优点。测试时，将光纤光栅温度传感器安装在接近XLPE样片放电位置的小孔中，传输光纤连接光纤光栅解调仪(SM125)，由光纤光栅解调仪采集和记录温度信号。放电需要的高电压由专用的高电压发生装置产生，通过改变放电电流的大小实现放电强度的调节。为了真实模拟XLPE电缆及其中间接头的工作状况，在玻璃塞2上制作了出气孔，在放电之前，先连接真空泵，将密闭玻璃腔内空气抽出，尽可能保证其与电缆及中间接头密封工作条件一致。在放电形成足够多气体后，出气孔连接气体采样注射器，由注射器抽取放电产生的气体样品。改变放电条件，可获得不同放电状态的放电气体。采用气相色谱仪(GCMS-QP2010)测量放电气体成分和浓度，能准确获得放电气体中主要气体成分及其在不同放电条件下的演变情况。通过相关性分析，可确定XLPE局放特征气体成分及其演变规律。

图1 XLPE电缆局放气体采集实验装置Fig.1 XLPE cable partial discharge gas collection setup

在本实验中，采用了新型的光纤光栅温度传感器[21]取代了热敏电阻进行温度测量。这种温度传感器为本征型光纤传感器，具有尺寸微小、电磁不敏感、可远程测量的特点，特别适合复杂电磁环境的温度测量。光纤光栅本质上是一种光纤纤芯内的位相光栅，其形成机理为空间周期性分布的紫外或红外激光照射到纤芯时，芯内掺杂物质吸收光子能量发生状态改变，并根据入射紫外或红外光的周期沿光纤轴向进行重新分布，最终表现为纤芯内出现周期性的折射率调制，该调制会引起2个相互匹配相位的光纤本征模式之间的耦合，这种耦合会导致特定波长的入射光基本被反射，其他波长的入射光则可以正常通过。

图 2为光纤光栅的传感原理示意图，入射光为宽谱光源，当其经过光栅后，反射光通过光纤耦合器进入光谱仪，反射光光谱中只有波长为λB的窄线宽光谱成分，透射光谱中则会出现波长对应的波谷。

反射光波长

λB=2neffΛ.

(1)

式中：neff为纤芯等效折射率；Λ为纤芯折射率调制的周期。当外界温度作用在光纤光栅上时，neff和Λ都会发生对应的变化：当温度升高时，热光效应会使得纤芯等效折射率变大，热膨胀效应使得纤芯折射率调制的周期变大，从而引起反射波长λB的增加；温度降低时，则反射波长减小。光纤光栅温度测量模型为

(2)

式中：ΔλB为温度引起的反射波长变化量；∂neff/∂T为由于温度导致的纤芯等效折射率的变化；∂Λ/∂T为由于温度变化导致的光栅周期变化；ΔT为温度变化量。利用光纤光栅解调仪能准确测量反射波长及其变化，进而实现温度的测量。本文实验中使用Micro Optics (MOI)公司生产的SM125光纤光栅解调仪实现反射波长和温度的测量，温度测量精度为0.3 ℃，温度分辨率为0.1 ℃。

图2 光纤光栅传感原理示意图Fig.2 Principle of fiber Bragg grating sensing

2 实验结果和分析

在进行实验之前，首先按照图1所示连接好实验装置，之后将XLPE样片放入实验装置中，静置2 h后，抽取室温下XLPE绝缘材料的自然挥发气体样品；继而切换到真空泵，将玻璃管内气体抽空，关闭阀门，调节放电电流，启动放电，记录光纤光栅温度传感器测量的放电区电缆温度，直到温度到达80 ℃附近稳定，在此温度点间歇放电约15 min，保证XLPE样片能够释放出足够多的气体;之后将阀门切换到取样注射器，使用注射器收集放电气体待测，改变放电强度重复上述过程，完成110 ℃、140 ℃、170 ℃温度点附近放电气体样品采集；最后，用气相色谱仪分别测试分析采集的5种样品包含的气体成分和浓度，取每种放电条件下的平均温度为电缆放电温度，上述放电状态和温度下实验所收集的气体色谱如图3所示。

提取其中含量较大的前5项气体作为特征气体，通过与NIST库气体进行查询比对，可确定其名称，表1中列出了5种气体的特征参数。

从图3可以直接看出，当电缆温度处于室温时，释放气体浓度基本都在色谱仪器测量分辨率以下，表明电缆绝缘状态稳定。但电缆放电时，随着放电强度增加，电缆温度升高，释放气体成分增加，对应气体浓度也明显增加，电缆绝缘状态发生变化。表2列出了从色谱图上积分计算出的样品气体的峰面积(代表气体浓度)。图4为各气体成分浓度与温度的关系曲线。可以看出，随着电缆温度的升高，各种特征气体的浓度几乎线性增加，因此可用如式(3)所示的线性模型来描述。

图3 局放特征气体气相色谱测量曲线Fig.3 Gas chromatographic measurement curves of characteristic gas of partial discharge

表1 特征气体的种类Tab.1 Characteristic gas varieties

序号时间/min分子式名称11.640C6H12O2-甲基戊醛21.950C4H6O异丁烯醛32.099C4H8O丁醛416.149C9H7NO3N-羟甲基邻苯二甲酰亚胺516.878C12H14O4酞酸二乙酯

表2 特征气体峰面积Tab.2 Peak area of characteristic gas

图4 各气体成分浓度与温度的关系Fig.4 Relationship between gas concentration and temperature

(3)

式中：y为气体峰面积；T为温度；a、b为模型参数。通过计算，得到5种气体的模型参数，见表3。

表3 特征气体峰面积温度模型参数Tab.3 Temperature model parameters of peak area of characteristic gas

从表2、图3、图4还可以看出：2-甲基戊醛随温度变化的速率最快，且在常温下浓度很低。以这种气体为局放检测的特征气体，有希望实现电缆局放的高灵敏度检测。可根据不同气体在不同放电条件(或不同温度)下释放气体速率不同，监测长时间气体成分的变化，来确定电缆长时间内放电情况；并可借助收集长期的释放气体数据建立模型，进行电缆的绝缘状况预估。

3 XLPE电缆局放非电量检测技术

为探索XLPE电缆局放非电量气体检测方法，提出了分别基于气体吸收光谱和荧光光谱的局放检测技术。基于气体吸收光谱的局放检测系统如图5所示。

该系统由显示器、CPU信号控制及信号处理系统、可调激光光源、光谱吸收系统、光纤、反光镜、测量气室组成。通过CPU控制系统调谐可调激光光源，将发射的激光波长调至特征气体敏感的波长范围。发射光经由传光光纤进入到充满局放产生气体的测量气室。光纤出射的激光在气室中与局放气体相互作用后，通过调整好位置与角度的反光镜，反射到接收光纤中，进入光谱接收系统；然后由信号检测系统对接收光的光谱进行检测分析，将结果显示到显示器上。激光在测量气室中会受到局放特征气体的吸收影响，部分波长会被气体吸收，导致强度降低，光谱发生变化，信号接收分析系统对光谱的变化进行分析量化；每一种气体都有其对应的吸收峰，通过实验可以得到特征气体浓度与光谱强度以及光谱的变化存在的比例关系，从而可以检测特征气体的浓度，分析电缆中间接头的局放状态和XLPE电缆的老化程度，实现局放的非电量测量。

图5 气体吸收光谱局放气体检测系统示意图Fig.5 Schematic diagram of spectrum partial discharge gas detection system based on gas absorption

另外，基于荧光光谱原理，进行了电缆局放气体对有机荧光材料荧光光谱的影响实验。实验所用材料为较常用的有机荧光材料。在图1的基础上，加入荧光测试单元，形成荧光实验装置，如图1虚线框所示。荧光测试单元由荧光探头、紫外激励激光器和光谱仪组成。其中荧光探头包含传光光纤和多孔陶瓷管及填充的有机荧光材料。紫外激励激光波长约为395 nm，光谱仪为海洋光学公司生产的固态光谱仪USB2000+。实验过程中，由于局放气体对荧光材料的光谱影响较弱，须调节放电强度，使放电区域温度稳定在110 ℃，通过间隙放电的方式保证XLPE样片能够释放足够多的气体，获得高浓度并保持相对的稳定，这种高温和高浓度实验条件，可以加速实验过程。每3 d记录一次荧光光谱，图6为经过12 d的实际实验光谱，测试时，紫外激励激光的强度、波长保持不变，保证测量得到的荧光光谱的产生条件是一致的。可以看出在电缆局放气体作用下，随着荧光材料的荧光强度减小，荧光谱峰值波长变短，并发生蓝移。

基于图6光谱，可积分计算荧光强度，提取光谱的峰值波长。计算和提取的荧光强度和峰值波长如图7所示，在稳定的局放气体作用下，有机荧光材料的荧光强度和峰值波长均呈单调变化。图7中荧光光强和峰值波长2组数据在第9日出现分离，并无特殊含义，仅为荧光强度测量存在误差所致。实验结果表明，通过检测有机荧光材料在XLPE样片局放气体长时间作用下的荧光光谱中功率和波长变化均可以实现XLPE电缆局放强度和长期作用的监测。

图6 XLPE局放气体长期作用下的荧光光谱Fig.6 Spectrum of luminescence light under long-term partial discharge gases in XLPE

图7 XLPE局放气体长期作用下荧光光谱峰值波长和功率曲线Fig.7 Peak wavelength and power of luminescence light under long-term partial discharge gases in XLPE

基于荧光光谱原理，制作了小型的检测仪，根据荧光光谱的变化可以计算出XLPE材料的相对放电量。对3种不同实际工况下XLPE电缆中间接头的放电情况进行了检测，实验现场照片如图8所示。3种工况的中间接头用胶带颜色区分，白色胶带标识的是可以正常工作的正常相中间接头，黄色胶带标识的是有局放缺陷的缺陷相中间接头，红色胶带标识的是短路接地的故障相中间接头。

将3根荧光光纤传感探头分别安装在3个中间接头中，并将荧光探头接入检测仪，3个中间接头分别接入高压供电装置中。加压过程为从10 kV加压至50 kV，加压间隔为10 kV，每个电压值保持5 min。从加电起每隔5 min对每个中间接头的当前放电量进行一次检测并记录。实验系统如图9所示。

图8 3种不同工况的XLPE电缆中间接头现场照片Fig.8 Photo of XLPE cable intermediate joint under three different working conditions

图9 工况检测实验系统示意图Fig.9 Schematic diagram of working condition experimental system

实验结果如图10所示。当所加电压低于20 kV时，3种工况的中间接头都没有出现放电现象。当所加电压超过30 kV时，接地故障相的中间接头首先出现了放电现象，所加电压升高时，相对放电量也呈现增长；当所加电压超过50 kV时，局放缺陷相出现了放电现象，且局放缺陷相在相同加载电压下的相对放电量均小于接地故障相；正常相则始终未出现放电现象。实验结果表明，基于荧光光谱的非电量检测手段能够良好地区分不同工况下的XLPE电缆中间接头。

荧光光谱局放检测手段在实际电缆局放检测应用中，可以在电网容易出现局放现象的关键部分(如中间接头)布置光纤传感探头。当这些关键部分出现局放释放气体时，检测终端即可发现电缆异常工况，从而避免重大事故的发生。

4 结论

为确定XLPE绝缘电缆绝缘层在放电条件下的放电气体特征，本文模拟XLPE电缆的局放状态，设计制作了XLPE电缆绝缘材料局放气体产生和收集装置，用电磁不敏感的光纤光栅温度传感器监测放电区域XLPE绝缘电缆材料的温度，并用气相色谱仪分析了不同放电条件下XLPE绝缘电缆产生的特征气体成分和浓度。通过分析确认了被测试的XLPE绝缘电缆材料5种局放特征气体，以及其浓度与电缆局放时温度的相关性，发现XLPE绝缘电缆中局放气体具有明显的特征，主要气体成分浓度随放电条件和温度的变化呈较好的线性关系。随后，将一种有机高分子荧光材料安装在实验腔中，进行了加速实验，在线测试了有机荧光材料在局放气体长期作用下的荧光光谱，发现随着时间增加，局放气体作用会导致荧光光谱的峰值蓝移，有机荧光材料的荧光强度和峰值波长均呈单调变化。实验结果表明，通过检测有机荧光材料荧光光谱的功率和波长变化均可实现对XLPE电缆局放强度的监测。基于该方法对正常相、接地故障相、局放缺陷相3种不同工况的XLPE电缆中间接头在不同电压下的放电情况进行了检测，检测结果表明荧光光谱非电量局放检测手段能够良好地区分出不同工况的电缆中间接头。实验方法和结果为XLPE高压电缆局放特性研究、非电量局放检测和电缆绝缘状态的预估提供了重要理论和实验基础。

图10 3种不同工况的中间接头放电检测结果Fig.10 Discharge test results of three different working conditions of the intermediate joint