交联聚乙烯电缆局放检测技术综述

庞圣养

(广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524000)

0 引言

随着城市化发展进程的快速推进，人们对供电可靠性提出更高的要求，而架空导线又受到城市建设空间、市容市貌和供电安全的限制，因此地下敷设高压电缆成为城市供电网架建设的主角。与同样作为输电主要干线的架空线路相比，电力电缆占地面积小，受外部环境因素干扰小，检修维护简单，供电可靠性高。但在相同输电容量的条件下，电缆线路的建设成本更高，缺陷隐患更加隐蔽，故障抢修工作压力大。如何做好电缆的日常运维，准确检测电缆在生产和运行过程中的隐患，对提高电力系统的运行稳定性和可靠性有重要意义。

以下主要从交联聚乙烯(cross linked polyethylene，XLPE)电缆发展状况、运行的故障类型和特征、局放检测的技术发展等方面进行综述，指出目前研究的主要成果和不足，提出一些工程研究应用的建议。

1 研究背景及意义

近年来，随着我国经济的快速发展，城市化水平进程不断推进，城市用电需求迅猛增长。据某供电局内部统计，电力电缆作为城市电网重要的输电方式，其建设规模正在以每年约35 %的速度增长。电力电缆类型很多，按照绝缘能够划分为：油浸纸绝缘电缆、充油绝缘电力电缆、充气绝缘电力电缆、橡胶绝缘电缆和塑料绝缘电缆。塑料绝缘电力电缆的绝缘材料主要有：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和交联聚乙烯(XLPE)。目前交联聚乙烯(XLPE)电缆由于绝缘性能优良、无漏油隐患、耐高温、耐腐蚀及耐酸碱等特点，成为城市电网中电力电缆的主流成品[1]。

据不完全统计，我国主要城市的电网线路组成中，电缆线路占比达80 %，XLPE电缆占比 95.3 %，在35 kV及以上电缆线路中占比更是近乎100 %，因此XLPE电缆运行稳定性对于电力系统的安全稳定至关重要。

有研究资料显示，随着电力电缆线路的日益增加，XLPE电缆运行故障呈现出逐年递增的趋势。主要电缆故障有：外力破坏、电缆附件制作缺陷、电缆附件安装工艺不合格以及本体制造缺陷等，其中与电缆附件有关的故障占比约60 %[2]。电缆带缺陷运行的前期，由于局部放电量不大，绝缘并不会被击穿，但随着时间的推移，局部放电的长期作用导致绝缘层损伤，最终发生电缆击穿。电缆故障抢修需要较长时间，会严重影响居民的生产和生活，甚至造成企业的重大经济损失和人员的伤亡。为了减少电缆故障，提高电网运行的安全可靠性，需要对电缆进行有效的绝缘检测。

绝缘预防性试验是检测电缆绝缘的重要手段，通常采用离线检测的方法，如电缆的出厂例行检测、投产前的耐压试验和运行电缆的周期性绝缘检测试验等。电缆停电预防性试验虽然能在一定程度上确保电缆主绝缘的质量，但不能很好地发现电缆局部放电的一些微小缺陷，同时由于供电可靠性指标考核的压力，停电检修的可行性受到限制。因而，电缆局放在线检测技术得到了快速发展，提高在线局放检测的准确性是大势所趋。南方电网公司在2018年发行的《电力设备交接验收规程》中明确指出：对于66 kV及以上电缆线路，进行主绝缘交流耐压试验时应同步开展局部放电检测工作[3]。XLPE电缆的在线局放检测技术越来越成为绝缘缺陷检测技术的发展趋势。

2 电缆局放产生机理

通常在高场强的作用下存在缺陷的绝缘会在绝缘强度较低的局部先发生电离放电，这种放电只是绝缘介质部分存在缺陷而非绝缘整体贯穿性的现象，称之为局部放电。为了更好地解析局部放电的现象，在高电压技术基础教材中采用如图1的等效电路。

图1 介质发生局部放电等效电路

3 电缆局部放电的特征

XLPE电缆绝缘层中可能出现局部放电，根据其放电位置，可以分为电晕放电、沿面放电和内部放电等[5]。

(1) 电晕放电：电缆导体表面不光滑，存在尖端或者毛刺，随着作用场强增大导致尖端、毛刺附近场强畸变，从而引起周围空气介质发生局部放电的现象。电晕一般发生在曲率半径较小的金属区域，比如电缆终端出线柱附近。

(2) 沿面放电：在不同介质的表面之间，由于某一介质表面的电场击穿电压降低，导致出现沿面放电的现象。沿面放电一般出现在绝缘介质和金属层表面之间，比如表面脏污的电缆终端头。

(3) 内部放电：电力电缆内部放电是指电缆绝缘中含有一些分散性的异物，如各种杂质、空气间隙等，在外施电压升高到一定程度时，这些杂散异物场强超过了电离场强发生局部放电的过程。一般来说，电缆在制造过程中会由于如脱气处理不良等原因存在微孔与气隙，中间接头与终端头附件安装中由于工艺缺陷出现毛刺、突起等同样会产生气隙，气隙会先于绝缘介质发生击穿放电。

电缆局放一般只发生在绝缘强度较低的部分区域，它几乎不影响当时整体绝缘的击穿电压。但是，局部放电时产生的电子、离子反复冲击绝缘物，会使绝缘物质逐步分解，其分解出具有导电性和化学活性的物质进一步氧化、侵蚀绝缘。同时，绝缘物质的劣化导致局部场强畸变更加剧烈，进一步加剧局部放电的强度，电子和离子产生的过程可能伴随着X射线或者γ射线的产生而产生局部的高温，使绝缘物老化、破坏。在局部放电持续已久的情况下，绝缘物的老化和破坏到一定程度时，会导致绝缘物最终被击穿[6]。

4 电缆局放检测的关键技术

德国最早提出局部放电试验的建议和相应的试验方法，并设定了最早的局放试验标准。离线局放检测的振荡波局部放电检测技术由荷兰 E.Gulski 等人最早提出，通过施加振荡电压的方式，检测电缆局部放电情况，从而评估电缆绝缘状况[7]。随着社会发展，供电可靠性的要求越来越高，局放在线检测也得到了相应的发展，对电缆绝缘状态进行在线状态检测，可以根据电缆故障的早期征兆，提前发现电缆的故障隐患，对于运行电缆绝缘控制尤为重要[8]。目前电缆局放的检测手段主要有离线检测和在线检测两种。

4.1 局放的离线检测

离线局放检测的方法一般是振荡波局部检测。振荡波局部检测是对退出运行的电缆进行局放检测，评估被测电缆在工频额定电压下的绝缘状态，多运用在35 kV及以下电缆，检测用的仪器是振荡波测试系统(oscillating wave test system，OWTS)。振荡波测试系统采用的是阻尼振荡波电压(DAC)进行局放测试。DAC试验法的工作原理是主要利用被测电缆等值电容C与电感线圈的 RLC串联谐振，产生衰减的振荡电压。振荡波局放测试系统的高压发生和测试原理电路，具体如图2所示。

图2 振荡波局放测试系统测试原理电路

(1) 高压发生过程。高压开关处于断开的状态，通过恒流电源持续升压，对被测电缆进行充电蓄能，加压到预设的电压值。

(2) 检测阶段。闭合高压开关并同时切断电流源，系统工作在RLC振荡回路，能量在被测电缆电容和振荡电感线圈之间交换，经过等效电阻逐渐损耗，从而在被测电缆上产生频率合适的衰减振荡交流电压。经过若干个有效的振荡周期之后，高压开关断开，一次振荡检测工作结束，等待进行下一次试验。

振荡波局放检测的技术一直被行业研究人员比较看好，振荡波电压与工频交流电压有较好的等效性[9]。随着技术的发展，有比较多的研究表明振荡波局放检测系统一定程度上可以代替传统的耐压试验；并且震荡波耐压试验持续时间短，不会对电缆造成损伤，可以通过谐振产生的衰减振荡交流电压，激励被试电缆潜在的绝缘隐患发生局部放电现象，从而对电缆的绝缘状况作出评估。

4.2 局放的在线检测

电缆局放的在线检测方式根据检测设备的安装类型也可以分为两种，一种是检测设备固定安装在一个检测位置的常态式在线检测，另一种则是携带检测设备对需要检测的位置进行检测的移动式在线检测。

常态式在线检测装置一般安装在电缆终端头或者电缆中间接头处的直接接地引线处，利用光纤或者无线传输将电缆的局放量实时地传回后台服务器处理。移动式在线检测，是检修作业人员根据电缆的预试周期及检测工作的需要，现场安装检测装置逐点检测的一种方式。两种在线检测的方式差异主要是在设备安装和设备取能等方面，局放检测的机理和技术手段基本是一样的，都能在电缆不退出运行的状态下对电缆局放进行有效的检测。

目前主流的XLPE电缆局部放电在线检测方法有高频电流法、特高频法、差分法、电容耦合法、方向耦合法和超声波检测法[10]。

4.2.1 高频电流法

在高频电流法推广以前，国内外的局部放电检测系统大多以IEC 60270标准中的脉冲电流法为依据，检测频带从几十kHz到几百kHz，检测效果并不理想。随着高频CT传感器的技术发展，电缆局部放电检测向高频率和宽频带的检测方向发展，频率从kHz级别提升到了MHz级别，高频电流法成为应用最为广泛的XLPE电缆局部放电在线检测方法，并且已经被国家电网公司列为高压电缆状态检测的必做项目[11]。

高频电流法的基本原理是通过钳在电缆接地线上的高频电流传感器(high frequency current transformer， HFCT)耦合电缆局放信号，检测电路见图3。当电缆绝缘内部出现局部放电时，产生高频局放脉冲电流穿过外屏蔽层传入大地。因此，将高频电流传感器套于屏蔽层的接地上，来感应其局部放电电流，并以此判断是否发生局放现象。

图3 高频电流法局部放电信号检测电路

高频电流法可以在不影响电缆正常运行的前提下耦合高频脉冲电流，从而获取局部放电信号，仪器便携，接线简单，适用性好，被广泛推广使用。目前，高频电流法中的局部信号采集技术已经逐渐成熟，多家公司也开发了基于高频电流法的在线检测设备。

4.2.2 特高频法

特高频法是一种多用于电缆GIS终端头局放信号检测的方法，通过在被测设备外部放置传感器，感应电缆局放的无线电信号完成检测工作。研究表明，这种方法对于检测电缆附件，尤其是GIS终端头的局放信号效果显著。因为电缆头在GIS设备内部发生局放时，能发出频率很高的电磁信号，达到GHz级别，天线耦合器能有效地捕捉到信号。但对于户外的电缆附件以及电缆本体的局放信号的检测，由于环境的电磁波干扰、电缆金属护套的屏蔽作用以及局放信号高频电磁波的衰减特性，这种方法的灵敏度相对较低，现场应用效果不理想。

4.2.3 差分法

差分法(也称金属膜电极法)采用电缆的屏蔽层与金属箔形成电容来耦合电容信号，而用测试电阻即可耦合到局放信号。这种检测法是日本公司研发的一种电缆局部放电测试方法，只能检测XLPE电缆的绝缘中间接头产生的局放。此方法的局放测试电路与差动平衡回路相似，因此能够有效抑制噪声干扰，有较好的灵敏度，但对于电缆这种大电容载体，高频信号衰减严重，因而其电缆局放检测灵敏度也受到限制。

4.2.4 电容耦合法

电容型传感器一般内置在电力电缆的接头内。在电缆接头安装时，利用接头内部的预制橡胶应力锥尾端和电缆本体金属铝护套断口以外的半导电层，将传感器的金属箔绕包在这两个部位的半导电层上作为电容的一个电极，而电缆本体的导体线芯作为电容的另一个电极，利用形成的电容来耦合电缆接头的局部放电信号。高频局放信号可穿透半导电层向外泄漏，被内置的电容型传感器检测到，能有效检测出电缆附件内的缺陷所引起的局部放电，且不影响电缆的绝缘能力。此传感器距离检测部件较近，电容表面越大则越敏锐，但受到其安装的环境限制，现场使用较少。

4.2.5 方向耦合法

方向耦合法采用方向传感器耦合到局放信号，其装置一般装设在电缆绝缘屏蔽和外半导电之间，其结构如图4所示。传感器由安装在绝缘层上的金属箔片、罗哥夫斯基线圈及电缆的阻抗组成，其中金属箔片与外屏蔽构成一个等效电容，同时将线圈分割成两个性质相同的模块。当局部放电从电缆的一端传播过来时，A端和B端的感应电压将会出现一个增加另一个减少的情况，当其差值达到一定阈值，则可判断存在局放信号并且可判断方向。这种检测方法的最大限制便是传感器的安装问题，不仅现场安装存在困难，同时会破坏电缆本来的防水结构，因此使用不多[11]。

图4 方向传感器结构

4.2.6 超声波检测法

超声波检测法是一种非电的检测方法，采用压电晶体作传感器，通过信号信息的声电转换和匹配的放大器作用，最后在示波器上显示测量结果。超声波测量局放的仪器能测到的频带原本就比较窄，加上传播衰减作用和电缆运行环境本身就存在各种各样的超声波的原因，采集的声信号很弱，检测的灵敏度较低，因此未被得到推广使用。

5 电缆局放检测的不足和展望

近几年，国内很多电力部门、高校科研单位以及设备厂家均致力于电缆局放检测技术的研究，在一定程度上丰富了电缆局放检测的理论研究和检测设备的开发应用，取得了不错的成绩。尤其是相关技术研究人员针对不同检测方法所需的传感器以及局放系统的开发研究，带动电缆局放检测技术不断走向实用化阶段。

随着电缆局放技术的不断发展，我国电缆运维也正在由传统的定期检修不断往状态检修过渡，国家电网和南方电网都相继将电缆局放检测工作作为电缆绝缘状况的一项重要判断依据。尽管电缆局放技术已经取得一定的发展，但在实际生产应用方面还是存在不足，主要体现在以下几点。

(1) 现场实际检测过程中的降噪技术有待提高。虽然高频电流法在技术理论研究和现场实际应用方面都有很大的突破，但现场检测过程中的降噪处理还是需要重点研究。电缆局放检测经验显示，高频电流传感器的检测结果往往包含大量的噪声干扰，因此，需做数据处理方能分辨出电缆中的局放脉冲信号。相信随着检测成功案例的累积、“专家系统”数据库的完善，高频电流法将会在应用方面有更大的优势。在现阶段，建议可以考虑推动高频电流法和特高频法相结合等多种检测技术互补的检测系统，特高频法的频段比较高，可避开噪声干扰，但易受空间随机脉冲的干扰，高频法容易受到噪声的影响，但受随机脉冲的影响很小。通过不同检测技术手段的互补，可提高现场检测判断的准确性。

(2) 部分电缆局放检测技术没有很好地考虑现场运维实际，缺乏行之有效的技术应用手段。如电容耦合法，其需要剥去部分电缆外护套和金属护套，把金属箔片贴在半导电层上，或者是提前内置在电缆中间接头。这种需要破坏电缆原有结构的做法在实际运行电缆检测中很难实行。如方向耦合法，其最大限制便是传感器的安装问题，不仅现场安装存在困难，同时会破坏电缆本来的防水结构，这些检测的技术手段因为不能切合电缆运维实际需要，基本都只是实验室的检测手段，在电缆现场检测过程中极少用到。建议由电缆建设单位在电缆建设初期做好设计科研，做好设备厂家和传感器厂家之间的沟通协调，才能使得这些检测技术手段更好地为电缆局放检测服务。

(3) 相关技术规范标准的不齐全或者不普及，导致有的检测技术手段方法被边缘化。如一些技术研究人员通过仿真模拟和试验验证研发的传感器和局放检测系统，在进行首次成果转化时经常会遇到系统内部要求“挂网运行成功案例”等，容易被保守做法排斥。如震荡波局放检测技术采用的直流加压，虽然是微秒级别的，但这么短时间的直流加压对交联聚乙烯是否存在电荷积聚作用，这也是电网内部人员争议较多的问题之一。建议有关厂家和技术科研人员加强技术推广交流，统一相关技术标准并推广普及，这样才能更好地推进电缆局放检测实用化进程。

随着电缆局放检测技术的不断发展，电缆局放检测手段的不断实用化推进，电缆在线检测技术将会是电缆在线状态检修的一种最具有代表性的检测方法，对电网的整个运行都具有深远的意义。