基于暂态地电压的XLPE电缆接头局放在线检测方法

王平 黄伟锋 胡明健 麦华仁 淡文刚

（1.广州地铁集团有限公司 广东省广州市 510335 2.广州白云电器设备股份有限公司 广东省广州市 510335）

（3.广州市扬新技术研究有限责任公司 广东省广州市 510540 4.武汉中开维电气有限公司 湖北省武汉市 430077）

随着城市交通事业快速发展，当前地铁交通覆盖范围在不断扩大，110kV 及35kV 供电系统在地铁供电系统中占有重要位置，110kV 的电力主要通过110kV 电缆从当地电网公司的输电系统获取电源，送给地铁系统的主变电所，主变电所35kV 出线开关柜经过环网电缆向各个部门输送独立电源，然后变电所能够对供电源进行有效转换，确保接触网能够获取电力供应，再借助不同开关将电力资源进行分配，能够保障电缆向供电区域变电所进行有效供电。

本文根据电缆中间附件结构特点，分析了高频放电脉冲在其中的传播特性和暂态地电压的成因，基于此提出了基于暂态地电压的局放信号耦合方法，并结合高速信号采集和特征识别法，实现了局放脉冲的可靠检测，最后，利用目前的物联网信息传输技术，构建了电缆运行状态监测系统，可以使运维人员实时监视电缆的运行状态，避免因绝缘击穿而导致的线路故障。

1 局部放电脉冲在电缆附件中传播特性

图1 为XLPE 电缆绝缘接头的交叉互联线的接线示意图，绝缘筒置于接头两侧的金属屏蔽层中间，在电气上将其断开。三相电缆金属屏蔽经交叉互联线在交叉互联箱内实现交叉换位。

电缆线芯和屏蔽层导体尺寸远远大于ns级脉冲中的高频成分，同时电缆接头内部结构较为复杂，连接点也较多，因此这些部件传播放电脉冲可以等效为一个电阻、电容和电感的混合电路。等效电路如下：

其中C2 为右侧金属屏蔽层与线芯之间的分布电容，C1 为左侧金属屏蔽层与线芯的分布电容，R1 和R2 分别为两侧屏蔽层接地电缆体电阻及接地电缆与焊接点电阻之和，L1 和L2 分别为两侧接地电缆的等效电感，C3 和C4 分别为两侧接地电缆对地的分布电容。

如图3所示，由局部放电激发的电荷经C1、C2 耦合后会在距离屏蔽层最近的位置积聚并迅速形成在屏蔽层表面扩散流向地的脉冲电流。由于电缆终端屏蔽接地线存在不连续处（如接地电缆连接点、屏蔽壳与绝缘环的边缘、应力锥连接处等），这些不连续处对高频信号表现为波阻抗，从而出现脉冲电压信号，这一瞬态脉冲信号就被称为暂态地电压（TEV）。

2 暂态地电压传感器的设计

结合1 中的分析，当局放发生时，TEV 信号主要出现在电缆接头的屏蔽壳体上，可以利用电容传感器来耦合该信号，实现局放脉冲的检测。传感器的等效电路如下：

图3 中，C1 为电容传感器与屏蔽壳体之间的分布电容，C3 为前置放大电路的信号耦合电容，C2 为处理模块内部走线的分布电容，R 为放大回路的输入阻抗。当设置C1 为15pF，C3 为100pF，C2 为2pF，R 为1kΩ 时，对于频率大于10mHz 的信号，可以计算得u0≈0.6ui，即耦合系数为0.6。

图1：绝缘接头交叉互联示意图

图2：电缆接头局放脉冲信号传播等效图

图3：TEV 信号耦合模块电路图

图4：电缆运行状态在线监测系统图

为了进一步验证该传感器的适用性，在具有人工缺陷的电缆接头上进行实际测试。

可调无局放交流电压源的变比为1:250，限流电阻为30Ω/50W，无感取样电阻值为10Ω/50W。测试时逐步升高电压，观察示波器和传感器的检测结果。

该电容耦合传感器可以在几乎不失真的情况下耦合出局放信号，这位后面的信号处理和识别电路打下了坚实的基础。

3 信号处理电路和信噪识别策略

由现场的实际局放波形来看，局放产生的脉冲信号的主要频率可达几十到上百MHz，而且信号微弱，因此需要频带较宽的低噪声前置放大电路对该信号进行预处理，再送给高速A/D 采样电路进行模数转换，对转换后的数据进行消噪和识别，从而提取出真正的局放信号。

为了精确的区分干扰和局放信号，需要采用较高的采样频率实现波形的精细复原，同时，为了提高检测的精度，需要高分辨率的A/D芯片（12bits以上），同时满足这两个条件的芯片很难实现，为此，采用两路A/D 来实现：一路采用8bits/1GHz 进行采样，实现快速采样，结果用于傅里叶分析、小波变换提取信号特征，与局放波形库中的标准局放脉冲特征进行比对，识别有效放电脉冲出现时间，用于时域开窗；另外一路采用12bits/100 MHz 的A/D 采样模块进行局放脉冲的幅值采样。这样利用两路采样信号的处理结果进行综合判断，相当于“时域开窗”，实现局放信号的可靠提取。

由于采样速率较高，一般的单片机无法实现如此高的信号处理要求，因此该项目采用FPGA 来构造高速并行信号处理模块。

为了检验整个处理过程的可靠性，采用Q/GDW 11063-2014 暂态地电压局部放电检测仪中推荐的测试方法对设备进行检验：

用标准局放校准仪做为脉冲信号发生器，给测试系统提供局放模拟信号，输出信号的上升沿时间为10ns 的周期性脉冲波形。金属板通过50Ω 匹配电阻接地。TEV 传感器测量金属表面的信号并通过zigbee 将结果发送给手持终端。标准局放校准仪输出的放电脉冲幅值范围为10pC～1000pC，设备检测结果用dB 来表示，检测结果与输入的关系为：

Ao——设备检测的输出结果

S——设备信号传输系数

P——外加模拟局放量

由于脉冲校准仪模拟输出放电量无法连续调节，因此采用离散点进行测试，从整个数据来看，输入和输出属于单调递增的关系，因此其他放电量的对应结果可以采用插值的办法推算出来。

当不加任何信号时，设备输出为7dB,直到注入10pC 时，输出为8dB,注入50pC 时输出为15dB，由此可以看出设备的检测灵敏度在10～20pC。可以看出，在50～1000pC 区间，设备输入/输出基本属于线性关系。由于电缆接头正常局放一般小于50pC，危险局放值一般取300pC，因此该设备可以作为在线监测设备用于实时监测电缆中间接头的局放水平。

4 电缆接头运行状态监测系统

电缆状态综合监测系统由分布在各个电缆接头中的电缆运行状态综合传感器、数据采集终端组成。电缆运行状态综合传感器负责采集电缆的局部放电量和温度等参数，采集终端负责采集各个综合传感器的数据，对这些数据进行处理、保存和上传，并实现自身状态监测调整。

系统结构如图4所示，整个系统以每个电缆接头（群）为基本监测点，每个基本监测点包括若干个腕表式安装在电缆接头处的电缆运行状态综合传感器和一个数据采集终端。

电缆运行状态综合传感器用于检测安装位置电缆内部的局部放电、表面温度等信息，用于判断电缆是否存在故障隐患以及隐患的发展情况，用于预测电缆的健康状况。传感器预留有源式RFID功能，用于保存和展示电缆基础信息。传感器将采集到的数据利用局域无线网传输给数据采集终端。

数据采集终端用于采集智能传感器发送的局放等数据，终端利用NB-IOT 网络将采集到的数据实时送给设置于变电站的通信管理机。通信管理机进行相关的分析、处理后可以在当地显示和报表打印，同时通过正向隔离装置将监测到的数据送给数据采集平台，确保数据的可靠性和数据采集平台的安全性，实现与大屏展示、报表服务、报警处理等模块进行安全的数据共享。

由于数据采集平台属于安全性更高的区域，因此通信前置机与数据采集平台之间通过反向隔离装置进行隔离，确保平台数据安全。考虑到采集数据多为文件传输，测量物理量定义明细，数量不大，为了提高数据传输的效率，采用目前国内国际在电网自动化中常用的IEC8705-104 协议进行数据交换。

5 结束语

本文设计了一种基于TEV 检测高压电缆中间接头的传感器以及由此传感器构成的电缆终端运行状态在线监测系统，能够有效的解决目前电缆接头处于盲目运行和检修的状态，提高了对运行中电缆状态的感知程度。主要结论有:

（1）设计的电缆局放信号耦合装置可以有效耦合电缆内部局部放电信号，传输特性可以满足现场在线监测需求，结合双通道时域开窗和模式识别技术，可以准确检测出局放脉冲;

（2）基于TEV 检测的电缆运行状态监测系统利用移动物联网平台可以实时将运行在地下的电缆接头局放信息传输给监控平台，实现电缆绝缘隐患的及时预警，从而避免电网重特大事故的发生，对于电网的安全运行具有重大意义。