高压电缆屏蔽层局放信号定位检测试验及其应用

伍弘，郝金鹏，杨凯，李奇超

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011)

对运行中的输变电设备进行带电检测是预先发现其隐患或缺陷的重要手段[1]。常见的带电检测方法包括红外热像、紫外成像、X射线成像检测等光学方法[2]，声成像检测、超声波局放检测等声学方法[3]，高频局放检测、特高频局放检测等电学方法[4]，以及化学分析方法等[5]。高压电缆线路因其结构和运行环境的特殊性，能够进行带电检测的方法有限，且多数未能达到理想的检测效果。

影响高压电缆运行状态的因素有电场、热、机械、化学、外部环境等[6]，常规的带电检测方法如红外热像检测只对发热、过流类缺陷较为敏感，特高频局放检测主要应用于GIS终端，X射线成像检测则对电缆运行的空间环境要求较高且安全防护存在一定难度，涡流探伤、超声波检测等也具有较强的针对性[6-7]。相关研究及实际应用结果显示，高频局放检测是高压电缆线路常用且效果最好的带电检测方法之一，尤其对电缆附件不同类型缺陷均具有较好的检测灵敏度[8-9]。

局放信号可在电缆的导体层和屏蔽层中传播，因此采用交叉互联接地形式的高压电缆线路一旦出现局部放电，很难对其进行准确定位[10-12]。为研究局放信号在交叉互联系统中的传递方式，总结传递规律，积累通过信号幅值和波形特征进行电缆屏蔽层局放源定位经验，采用9节短距离单芯电缆搭建电缆线路高频局放检测试验平台。最后利用试验结果对1条110 kV电缆线路高频局放检测到的异常信号进行了有效分析。

1 高频局放检测

当电力设备本体或其附件发生局部放电时，通常会在其接地引下线或其他地电位连接线上产生高频脉冲电流信号，通过高频电流传感器HFCT检测该信号即能实现对电力电缆、避雷器以及其他电容型设备局部放电的带电检测。1套完整的高频局放检测装置由高频电流传感器、信号处理单元、信号采集单元和数据处理终端组成[13]。

对于电力电缆及附件，可以在电缆终端及电缆中间接头接地线、电缆中间接头交叉互联接地线、电缆本体上安装高频局放传感器。传感器安装时应注意放置方向，保证三相传感器方向一致。经电缆中间接头交叉互联接地线安装传感器进行高频局放检测的原理接线如图1所示。

图1 经电缆中间接头交叉互联接地线的高频局放检测原理接线

对于电力电缆线路，当电缆本体或屏蔽层(含接地系统)上有局放缺陷时，均能在接地线处检测到异常高频信号。产生于本体上的局放缺陷信号主要沿电缆本体传播，同时会耦合至屏蔽层；产生于屏蔽层上的局放缺陷信号主要沿电缆屏蔽层传播，包括直接接地线及交叉互联接地线，同时会有信号耦合至电缆本体。无论是产生于电缆本体或屏蔽层的局放缺陷，均能通过比对在屏蔽层(接地线)上检测到的高频信号幅值大小及波形特征判断其方向和来源，再通过比对本体上测得高频信号幅值大小进一步判断信号是来自于本体还是屏蔽层。本文主要研究屏蔽层上局放信号的传播规律及判断方法，暂不考虑在电缆本体上的测试和分析。

高频电流信号需通过专门的传感器检测得到，其能量微小且因频率较高导致衰减快、传播距离短，一旦通过接地线入地，很快便会衰减消散。通常采用交叉互联接地系统的电缆线路，两端直接接地点相距多在1 km以上，因此，对于产生于电缆本体或屏蔽层上某处的局放信号，检测时通常只考虑从电缆上传播至检测点，而不考虑从另一端接地线经大地传播至检测点。

2 电缆高频局放检测试验平台

2.1 电缆线路交叉互联系统

交叉互联是高压单芯电缆线路常见的1种接地形式，其将线路分成长度相等的3段(或3的倍数段)，每段电缆间用绝缘接头连接，接头处三相屏蔽用同轴电缆经交叉互联箱进行换位连接，而两端的屏蔽层则直接接地。常见的交叉互联箱如图2所示。采用这种接地方式可有效减少电缆屏蔽层因环流产生的损耗并限制屏蔽层中的感应电压幅值[11]。

图2 交叉互联箱实物

2.2 平台搭建

为对高压电缆线路高频局放检测过程中异常信号的传播过程进行分析，同时积累电缆屏蔽层异常信号定位经验，采用9节110 kV高压电缆搭建采用交叉互联接地形式的高压电缆线路局放检测试验平台，其结构如图3所示。

图3 高压电缆线路高频局放检测试验平台结构

图3中每节电缆长2 m，截面积400 mm2，左右两端接地线及中间交叉互联线采用15 mm2的裸铜线。信号发生器可激发绝缘、悬浮、电晕、外部干扰等典型局放或其他异常信号，这与实际电缆高频局放检测过程中检测到的信号类似，均具有明显的频率或相位特征。

图3中①～⑥表示局放检测过程中高频电流传感器安装地点(安装于直接接地线或交叉互联线)。如传感器安装在A相→B相交叉互联线，则②或④表示A相屏蔽，③或⑤表示B相屏蔽。

2.3 屏蔽层局放检测分析

2.3.1 幅值分析

(1)将信号发生器安装于左侧A相接地线

采用便携式高频局放检测仪按照图2所示接线方法分别测得①～⑥处高频局放信号幅值如表1所示(同一检测点增益相同)。

表1 高频局放检测信号幅值(源在左侧B相)

需要注意的是，表1中所示信号幅值只是相对概念，只有三相信号处于同一检测参数下进行幅值比较才有意义。当电缆屏蔽层(波纹铝护套)中产生局放信号时，铜导体中也会耦合出1个信号，但后者幅值会明显小于前者。当将信号发生器安装于左侧A相接地线时，幅值最大的信号会主要沿着屏蔽层传播(从①到⑥)，传播路径为A→A→B→B→C→C，如图4所示。分析表1可知，信号幅值最大相分别为A、A、B、B、C、C，与信号传播路径一致。

图4 信号源在左侧A相接地线时信号传播方向

(2)将信号发生器安装于右侧C相接地线

采用便携式高频局放检测仪，按照图2所示接线方法分别测得①-⑥处高频局放信号幅值如表2所示(同一检测点增益相同)。

表2 高频局放检测信号幅值(信号源在右侧C相)

当将信号发生器安装于右侧C相接地线时，幅值最大的信号会主要沿着屏蔽层传播，传播路径为C→C→B→B→A→A，如图5所示。

图5 信号源在右侧C相接地线时信号传播方向

分析表2可知，信号幅值最大相(从⑥到①)分别为C、C、B、A、A、A，与信号传播路径并不完全一致，主要表现在信号由④传播至③过程中，信号幅值最大相由B变成A(预计是由B至B)，且在信号达到左侧终端(位置①)时，A相与B相信号幅值大小相差并不明显。

为判断表1或表2中信号幅值是否因检测不当出现了偶然误差，分别将信号发生器安装于左右两端不同相别(重复多次)后检测各测量点信号幅值。结果显示，信号幅值大小与预想传播路径表征一致的次数较少，出现1处或多处表征不一致的占大多数，但均出现在信号传播路径的后半段。这说明，在交叉互联系统中，屏蔽层产生的局放信号因存在耦合现象会在电缆本体与屏蔽层中同时传播，并在传播过程中进一步相互耦合，从而导致局放信号传播路径不易判断。同时因本试验平台自身存在局限性(线路长度太短)，使得局放信号传播更加复杂，但总结检测结果仍可得到以下规律：越靠近信号源，相应相别检测到的信号幅值大于另外两相的特征越明显。

2.3.2 波形分析

仍将信号发生器安装于右侧C相接地线，信号预想传播路径为C→C→B→B→A→A，检测到的信号幅值与表2类似，为进一步判断异常信号来源，在保证3只高频电流传感器安装方向一致的前提下，对每处检测点检测到的信号波形进行分析。以点③为例，其三相信号单个脉冲波形如图6所示。

(a) A相

(b) B相

(c) C相

分析图6可知，B相信号(单个脉冲)起始方向与A、C相反，且略微超前于A、C相，表明信号源来自B相电缆。对其他几个检测点检测到的信号波形进行特征分析，也能得到相同结论。表明当信号幅值分析存在局限时可通过波形特征分析进行二次修正。

为验证波形分析对幅值分析的修正作用，将信号发生器安装于右侧B相，分别检测信号幅值和波形(单个脉冲)起始方向，结果如表3所示。

表3 高频局放检测信号幅值及起始方向

分析表3数据，按照幅值大小(从⑥到①)可判断信号传播方向为B→C→A→A→C→A，按照波形特征可判断信号传播方向为B→B→A→A→C→C，后者与信号预想传播路径一致。

上述结果表明，对检测到的电缆屏蔽层局放信号进行波形特征分析也是一种能判断信号源方向和相别的有效手段，可与信号幅值分析互为补充及佐证。

3 现场检测应用

对实际在运的采用交叉互联接地形式的某110 kV高压电缆线路(以下称“NX线”)进行高频局放检测时发现，在其中间接头及一侧直接接地箱处均检测到了异常信号。为判断该异常信号来源，根据前述第2节积累的检测经验和规律对其进行分析，主要过程如下。

3.1 检测对象

110 kV NX线全长约2.6 m，共分2个终端和3个中间接头。其中1号、2号中间接头为绝缘接头，采用交叉互联接线，3号中间接头为直通头，屏蔽层直接接地，因此，该段电缆线路实际为一交叉互联接地系统加一两端直接接地系统组成。

3.2 检测分析

在110 kV NX线某次局放带电检测工作中，在其1号、2号、3号中间接头处均测得1个周期内存在两簇脉冲的疑似局放信号，但通过与3号中间接头处直接接地线上测得的信号进行对比，判断该信号为外界干扰。为进一步确定在1号、2号、3号中间接头处所测高频信号来源，后又对上述三组中间接头相同检测位置进行复测。

3.2.1 3号中间接头(直通头)检测

将3只高频局放传感器安装在3号中间接头直接接地箱接地线处，测得三相高频局放检测图谱，如图7所示。

图7 3号中间接头高频局放检测图谱

图7中，检测到的信号幅值A相>B相>C相。为分析该疑似局放信号来源，对其波形进行分析，如图8所示。

(a) A相

(b) B相

(c) C相

图8中，三相检测信号波形起始方向一致，且时差较小。因检测位置为直接接地线，同时考虑高频信号在同轴电缆中的传播特性，判断检测到的三相异常信号均来自于同一方向(电缆系统外部)。为验证上述结论，将B相传感器安装于接地扁铁处，C相传感器安装于电缆支架处，如图9所示。检测图谱如图10所示。

图9 高频电流传感器安装位置

图10 传感器变更位置后高频局放检测图谱

分析图9、图10可知：在接地扁铁处测得一幅值较大的异常高频信号，且信号特征与接地线处的A相相似；在不构成通路的电缆支架(接地)处也能测得异常高频信号，且信号特征与另两处相似。由此判断在该电缆系统外部有一明显的异常高频信号，该信号通过地线进入电缆系统，并在其他接地设施中耦合出相应信号(电缆支架)。

3.2.2 2号中间接头(绝缘头)检测

2号中间接头为绝缘接头，接地箱为交叉互联箱，互联段为A→C，B→A，C→B。将3只高频局放传感分别安装于2号中间接头交叉互联箱处，检测结果如图11所示。对检测波形进行分析，结果如图12所示。

图11 2号中间接头高频局放检测图谱

(a) A相

(b) B相

(c) C相

图11中，信号幅值C相>A相>B相，且总体小于3号中间接头，信号传递与交叉互联系统一致。图12中，三相信号波形起始方向一致，表明信号来源自同一方向。

3.2.3 1号中间接头(绝缘头)检测

1号中间接头为绝缘接头，接地箱为交叉互联箱，互联段为A→C，B→A，C→B。将3只高频局放传感分别安装于1号中间接头交叉互联箱处，检测到的异常信号时间相位图谱特征与2号、3号类似，信号幅值B相>C相>A相，且总体小于2号中间接头，信号传递与交叉互联系统一致。

3.3 检测结论

综合上述检测分析过程，判断110 kV NX线1号、2号、3号中间接头处测得的疑似局放信号为外部干扰信号，其通过3号中间接头处的直接接地箱传递进入电缆系统，并按照交叉互联顺序依次传向2号、1号中间接头，并逐渐衰减。

4 结 论

通过搭建高压电压线路高频局放检测试验平台对预先设置于屏蔽层接地线处的局放信号进行检测，分析其幅值和波形特征，从而为实际电缆线路的局放检测提供指导。得到的主要结论如下。

(1)对电缆线路屏蔽层检测到的三相局放信号进行幅值对比，最大者所在相即可能为局放源所在相。

(2)对电缆线路屏蔽层检测到的三相局放信号(单个脉冲)波形特征进行对比分析，当信号波形起始方向一致时，表明信号源自同一方向；当其中一相信号波形起始方向与另外两相相反时，该相即可能为局放源所在相；当在电缆线路不同位置检测到的信号波形起始方向始终一致时，局放源为外部干扰信号的可能性大。

(3)电缆屏蔽层局放信号在交叉互联系统中传播形式复杂，实际检测过程中将幅值分析和波形特征分析相结合能有效判断局放源位置。