电缆及其附件局部放电超声波检测技术研究进展

孙宇微， 吕安强， 谢志远

(1. 华北电力大学电子与通信工程系， 河北 保定 071003； 2. 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室， 河北 保定 071003)

1 引言

电力电缆承担着城乡输配电的重要任务，其安全稳定运行直接影响工业生产和人民生活。然而，受生产、施工工艺和运行环境等多种因素的影响，电缆及附件绝缘缺陷问题时有发生，在长时间高电压运行条件下，其内部会产生局部放电(Partial Discharge，PD)[1]，使绝缘缺陷加重，最终造成绝缘击穿，导致停电。因此，为保证电力系统的安全运行，需要对电缆及其附件的局放进行监测，及时准确地判断电缆及附件的绝缘状态[2]。

许多国内外的研究人员对电力电缆局放检测技术进行了研究。在初期，一般对投运前的电缆分别进行直流和交流耐压实验，该方法测试时间长，精确度不高，而且容易造成电缆局部发生绝缘击穿，属于不可逆的破坏性预防实验[3]。随着智能电网技术的发展，研究人员正摒弃传统的预防性实验，转向电子式测量监测手段实时监测电缆的绝缘状态，先后提出了基于差分法的电缆局部放电监测系统[4]、基于电磁耦合法的交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆局部放电监测系统[5]、基于超高频电容耦合法的XLPE绝缘电缆局部放电监测系统[6]、基于特高频的绝缘电缆局部放电监测系统[7]、基于tanδ法的电缆绝缘监测系统[8]等，但是上述方法需要在监测设备上安装复杂的接地线，只能进行点式测量、受电磁干扰严重，在线监测实施难度大、原始信号难以提取，这些都阻碍了电缆绝缘信息的全面、准确获取。

研究发现，局放发生时会有超声波释放[9,10]，可以通过检测超声波判断电缆中的局放，具有安装简单、不受电磁干扰、精度高等优点，展示了良好的应用前景。目前，未发现针对电缆及其附件局放声检测方法的综述文章发表[11,12]，本文将梳理和分析国内外在此领域的研究成果，比较各类方法的优缺点，并给出学术研究和工程应用建议。

2 局放超声波产生和传播机理

局放是包括电离、光子发射、热辐射、超声振荡等复杂物理现象的过程。针对局放超声波的产生原理，大多研究集中在空隙放电上，缺乏对其他放电类型产生超声波的研究。

2004年，华北电力大学李燕青[13]利用电-力-声类比法(见表1)分析了空隙放电局放超声波的产生机理，将电磁振荡和机械振荡相类比，提出气泡在脉冲电场力的作用下将产生衰减的振荡运动，在气泡的振动作用下周围的介质中将产生超声波。脉冲电场力的幅度为 ：

(1)

其中

式中，q为气泡上真实放电量；E为气泡的击穿电场；lm为气泡的质量；Cm为力顺；Rm为力阻。式(1)为脉冲电场力产生局放超声波提供了理论依据。

表1 电-力-声类比法Tab.1 Electro-mechanical-acoustic analogy

河海大学潘文霞[14]认为气隙内发生局放时，局放点的热量使气隙的气压升高，而局放结束后，热量损失导致气压降低，由此产生了超声波。由于局放脉冲持续时间短，大约1～100 ns，所以局放产生的热量集中在一点，该点气压的变化量为：

(2)

式中，P0为气隙球在0 ℃时的气压；β0为气隙球在0 ℃时的膨胀系数，β0=3.66×10-3K-1；λ为热膨胀能占局放总能量的百分比，其数值范围为0.03～0.08；Δq为视在电荷的幅值；U为电缆的工作电压；Cv为在正常工作温度和压力下，气隙球在恒定体积下的比热；R为气隙球的半径;ρ为空气球的密度。式(2)为温度变化产生超声波提供了理论基础。

而在实际电缆局放中，一般认为是脉冲电场力和温度共同影响的结果[15]。然而目前缺乏将这两种因素相结合的理论研究，难以确定这两种因素对局放超声波产生的影响大小。

从局放超声波传播角度来看，电缆及其附件结构复杂，超声波需要经过多层复合绝缘介质才能传播到电缆及其附件表面，由于传播距离造成的扩散衰减[16]、传播介质引起的声波散射、粘滞性引起内摩擦造成的吸收衰减使声波振动幅值与声场强度衰减严重。因此在检测局放超声波时，要求传感器放置在合适的位置且具有足够高的灵敏度。根据10 kV XLPE电缆中超声波的传播规律，建议将局放超声传感器安装在距离局放易发位置100 mm以内[17]。

3 基于压电晶体的局放超声波检测技术

压电晶体传感器[18-20]被称作PZT(PieZoelecTric)传感器，也被称作AE(Acoustic Emission)传感器，其由陶瓷晶片构成。当有超声波作用在陶瓷晶片两端时，晶片两端会由于正压电效应而产生电荷，随着超声波的机械振动而形成交流电动势，把超声波的变化转换成电压的变化，通过分析电信号可以得到电缆及其附件的状态信息。压电晶体的固有频率f与晶体的厚度有关，关系式如下：

(3)

式中，nx为谐波的级数；cx为超声波在压电材料中传播的纵波速度；Dx为晶体厚度；Ex为晶体的杨氏模量；ρx为晶体的密度。由式(3)可知，当压电晶体的材料确定后，Ex和ρx是常量，压电晶体的厚度Dx越小，固有频率f越大。因此选择合适的晶体厚度，就可以满足局放超声波检测频率的要求，实现超声波的检测。

AE传感器的输出信号极其微弱，需要通过前置放大器进行放大，前置放大器一般由图1所示的三部分构成[21]。第一部分是具有阻塞恢复力和电击保护能力的输入级放大器，要求输出动态范围宽，满足局放超声波检测频带宽度的要求；第二级是带通滤波器，滤除与信号无关的噪声，防止信号埋没在噪声中，提高系统信噪比；第三级是缓冲放大器，该部分的主要作用是对信号进行放大，减小输出电阻，提高带负载能力；此外，由于前置放大器含有很多有源器件，需要稳定、低功耗的直流电源供电。

图1 前置放大器结构示意图[21]Fig.1 Schematic diagram of preamplifier structure

AE传感器一般结合脉冲电流法或高频电流法使用[21]，可以实现局放故障点的定位，进而实现故障识别[22,23]。2010年，文献[24]在22 kV XLPE电缆T型分支接头制造了直径为1.5 mm的空隙，采用高频电流法，使用三个AE传感器进行测量，根据传感器的三维坐标和传感器接收到局放信号的时间实现了缺陷的定位；2012年，文献[25]利用单个AE传感器和高频电流传感器实现了电缆本体上局放信号的检测，并通过电测量和超声测量的时间差实现了缺陷的定位；2015年，文献[26]利用高频电流传感器和AE传感器，通过脉冲电流法测量10 kV电缆中间接头在不同故障类型下的局放，得到了不同交流电压下、不同缺陷类型局放的超声信号，分析了脉冲电流信号的时域特征和相位谱图特征。

以上研究证明了AE传感器检测电缆本体及附件局放超声信号的可行性，具有结构简单、易于安装、能够在线监测等优点，但由于局放超声波衰减严重，AE传感器只能在靠近局放源的位置使用，最高灵敏度为65 dB，灵敏度相对较低；只能进行单点测量，复用性差；所以，AE传感器一般是电测量法的辅助测量方法，难以满足未来电力行业对电力电缆状态监测的需求。

4 基于光纤Sagnac干涉结构的局放超声波检测技术

传统环形萨格纳克(Sagnac)干涉系统[27]采用并行铺设结构，会导致同一定位结果对应光路上两个对称位置，无法准确定位，为此提出改进直线型Sagnac振动检测系统检测电缆及其附件局放超声信号，检测系统如图2所示[28-30]，该系统由Sagnac光纤传感单元、信号采集与分析单元和局放产生单元三部分构成。

图2 直线型Sagnac振动检测系统[28-30]Fig.2 Linear Sagnac vibration detection system

在直线型Sagnac振动检测系统中，激光器A发出的激光，经过耦合器B的6端口、延迟光纤、耦合器C、传感光纤1、光纤传感探头M、传感光纤2、耦合器D、传感光纤2、光纤传感探头M、传感光纤1、耦合器C、耦合器B的4端口与经过耦合器B的4端口、耦合器C、传感光纤1、光纤传感探头M、传感光纤2、耦合器D、传感光纤2、光纤传感探头M、传感光纤1、耦合器C、延时光纤、耦合器B的6端口的光发生干涉，形成干涉条纹，光电探测器E将携带局放超声信息的光信号转换为电信号，数据采集模块F对电信号进行采集，最后上位机分析并显示输出结果。

Sagnac光纤传感系统可以实现故障定位，当振动施加在光纤上的某一点时，光纤中传输光的相位会随着振动信号的变化而被调制，引起光强度的变化。当发生局放时，局放超声波引起的振动信号经过傅里叶展开可以表示为多个具有不同幅值、相位、频率的正弦波信号，其表达式为[31]：

(4)

式中，t为振动的持续时间；Ai第i个正弦波的幅值；ωi为第i个正弦波的频率；φi为第i个正弦波的初始相位；N为正整数，表示构成振动所需要正弦波的数目。

设Ld为延迟光纤的长度，L3为传感光纤的总长度，振动位置B与耦合器A的距离为L1，同时与耦合器C的距离为L2，真空中传播的光速为c，光纤的折射率为n，可以得到两束干涉光相位差的表达式为：

(5)

(6)

式中，k取正整数。通过对原始时域信号进行傅里叶变换得到信号的频谱，确定相应零频点的频率，就可以解调出振动的位置，对振动信号实现定位[32]。

基于Sagnac干涉原理的局放研究集中在信号探测、定位和系统改进三个方面。2018年，文献[33]利用Sagnac光纤传感系统实现电缆中间接头局放超声检测，检测出典型故障下局放超声信号，实验装置如图3所示。将横截面为300 mm2、电压等级为8.7/15 kV的XLPE电缆制成JRS300热缩接头，人为制造应力锥错位缺陷，将Sagnac传感器放置在接头接地铜网的外边沿，并选用LDS-6局放测量仪作为参考，测量得到了图4所示的曲线。当施加电压为5 kV时，电测法能检测到局放信号，但Sagnac传感系统无法检测到明显的信号；直到施加电压为10 kV时，Sagnac系统才能检测到明显的局放信号，实验证明了Sagnac光纤传感系统检测电缆附件局放超声信号的可行性，但Sagnac光纤传感系统灵敏度低于LDS-6局放测量仪的灵敏度。

图3 Sagnac光纤传感系统测量电缆中间接头局放实验装置图[33]Fig.3 Test device diagram of Sagnac fiber optic sensing system for measuring cable intermediate joint PD

图4 LDS-6和Sagnac传感系统检测结果对比图[33]Fig.4 Comparison of results between LDS-6 and Sagnac sensor system

2020年，河北大学刘志恒团队研究了局放超声信号的定位问题，利用Sagnac干涉系统实现了长距离电缆局放状态的监测。为了减少扰动对故障点定位的影响，实验采用双环Sagnac光纤传感系统，如图5所示，系统采用了两个直线型Sagnac干涉仪，监测长度为15.7 km、横截面为1 800 mm2的±320 kV直流陆地电缆中的局放[34,35]，现场实验装置如图6所示，得到了图7所示的测量曲线。从频域来看，局放超声信号频谱主要集中在0～30 kHz范围内；从时域来看，信号幅值在±0.1 V附近浮动，采用时延估计算法，利用两个相位差构造两个高度相似的时延信号，并对其进行互相关运算，实现了对故障点的定位，经过多次重复实验，该系统的定位精度最高为60 m，平均在±80 m以内。

图5 双环Sagnac干涉系统[34，35]Fig.5 Double loop Sagnac interference system

图6 现场实验系统[35]Fig.6 Field test system

图7 Sagnac双回路检测系统测得的频域和时域信号[35]Fig.7 Measured frequency and time domain signals by Sagnac dual-loop detection system

为了降低成本，便于操作，提高定位精度，2021年刘志恒团队[36]进一步研究了局放最优检测位置和光纤传感探头长度对检测灵敏度的影响，简化了双环Sagnac光纤传感系统，把双环Sagnac光纤传感系统改进为单个直线型Sagnac光纤传感系统，监测15 km高压直流电缆(High Voltage Direct Current，HVDC)局放超声信号，采用零频点定位算法实现故障点的定位，经过多次重复实验，该系统的定位偏差最小为25 m，平均定位偏差小于80 m。

Sagnac光纤传感技术不需要破坏电缆结构，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、抑制低频噪声、安装方便、解调容易、在线长距离实时监测等优点；而且对配套的硬件系统要求不高，例如不需要带宽很宽的光电探测器、不需要采集率很高的数据采集卡；能够准确实现故障点的定位，在实际应用中具有很高的潜力。但Sagnac光纤传感技术难以实现多扰动点的同时探测和定位，不具备分布式监测局放的能力，需要在以后的研究中进行攻克。

5 基于光纤COTDR的局放超声检测技术

相干光时域反射(Coherent Optical Time Domain Reflection，COTDR)系统弥补了Sagnac光纤传感系统难以实现多扰动点同时测量的不足[37]，COTDR传感系统如图8所示[38]，系统采用强相干光源，相干光从光纤的一端注入，后向瑞利散射信号由光电检测器检测，检测到信号是脉冲宽度内各个散射点相互干涉叠加的总和。当温度或应变作用在传感光纤的某一区域时，由于光纤具有弹光效应和热光效应，该区域的折射率、散射点之间的距离和密度会随着温度或应变的变化而变化，从而使得该区域散射点的相位发生变化，各散射点间的相位差也发生了变化，从而使得光电检测器检测到的后向瑞利散射光的强度也发生相应变化。

图8 COTDR传感检测系统[38]Fig.8 COTDR sensor detection system

在COTDR传感系统中，假设温度或应变变化前的后向瑞利散射光功率为P(T0,ε0)，温度或应变变化后的后向瑞利散射光功率为P(T,ε)，利用后向瑞利散射曲线的可恢复性和可重复性，调节光源频率，设当光源频率变化量为Δv时，满足温度或应变作用前后后向瑞利散射光功率相等，可得：

Δv=v0(1+cε)Δε-v0(ρT+cT)ΔT

(7)

式中，v0为激光器输出光的中心频率；cε为光纤折射率的应变系数；Δε为光纤应变的变化量；ρT为光纤材料的热膨胀系数；cT为光纤的温度系数；ΔT为光纤温度的变化量。当环境温度为25 ℃，光纤选用普通单模光纤，式(7)可以简化为：

Δv=-0.78v0Δε-6.92×10-6v0ΔT

(8)

由式(8)可知，光源频率量变化Δv与温度或应变的变化近似呈线性关系，当固定温度不变时，就可以利用COTDR光纤传感系统进行应变的分布式测量。

利用COTDR系统监测电缆中间接头局放的研究已取得了初步成效[39]，实验装置如图9所示，在40 kV电缆中间接头上制造缺陷，将两个光纤声学传感器放置在接头上，并通过光纤连接到COTDR传感系统上，采用电测法校准放电量。电测法测量得到的局放视在电荷-相位关系图和A-FOS1测量得到的声脉冲幅值-相位图如图10所示，可知COTDR装置可以检测到纳米库伦的局放超声信号，但局放声信号的传播路径比较复杂，信号衰减严重，导致声学图像的清晰度低于电测法图像的清晰度。

图9 COTDR测量电缆接头装置图[39]Fig.9 Device for COTDR measurement of cable joint

图10 电测法得到的局放视在电荷-相位关系和A-FOS1测量得到的声脉冲幅值-相位图[39]Fig.10 Charge-phase relation obtained by electric measurement method and amplitude-phase diagram of acoustic pulse obtained by A-FOS1 measurement

以上研究证明了COTDR传感系统监测电缆接头局放超声信号的可行性。COTDR传感系统灵敏度高，能把多个点式传感器通过光纤串接起来，多点同时测量，实现准分布式电缆线路局放检测。但该系统仍然缠绕了点式传感器，不属于严格意义上的全光纤感知系统；系统复杂；空间分辨率不高，无法实现分布式局放检测，COTDR传感系统如何在不影响灵敏度的情况下实现分布式测量值得以后的学者深入研究。

6 基于光纤φ-OTDR的局放超声检测技术

为了弥补COTDR传感系统的不足，构建了基于相位敏感光时域反射(phase sensitive Optical Time Domain Reflection，φ-OTDR)的局放超声检测系统[40]。φ-OTDR传感系统与COTDR系统相似，都采用强相干光源，但解调原理和COTDR系统不同。以声场作用区域为对象进行研究，设作用前的参考区域为R1，作用后的参考区域为R2，如图11所示，当探测光脉冲注入到传感光纤中，在R1和R2上产生后向散射瑞利信号的电场为[41]：

(9)

图11 声场作用引起应变大小与相位变化[41]Fig.11 Strain size and phase change induced by acoustic field

可以得到R1和R2两个区域的相位差为：

(10)

两个区域相位差Δφ和声场引起光纤长度的变化成线性关系，通过信号检测和处理方法就可以得到该区域的相位变化信息，从而解调出声场引起的光纤长度变化，重构声场振动信号。

基于φ-OTDR传感系统的研究主要集中在敷设方式、灵敏度和定位三个方面。2019年，河海大学潘文霞等人[12]在8.7/10 kV电缆上分别制造了划痕、微孔和浮动电极缺陷，利用φ-OTDR检测技术，将60 m的光纤平铺在电缆上，如图12所示，得到仿真和实验后向瑞利散射光强度的对比图如图13所示。图中箭头部分是后向瑞利散射光强度变化最大的位置，可以确定该位置发生了局放，实现了故障点的定位，也可以同时检测并定位多个扰动点，实现了分布式电缆局放在线监测。

图12 光纤测电缆局放的布置图[12]Fig.12 Optical fiber cable layout diagram

许多学者把φ-OTDR监测电缆局放系统的重点放在提高系统灵敏度上[42-44]，系统如图14所示，在10 kV电缆外表面缠绕传感光纤，通过在单模光纤中嵌入弱光栅阵列(weak Fiber Bragg Grating，wFBG)，以相邻光栅之间的光纤作为传感单元来增加系统信噪比，通过铝带封装传感光纤来提高系统灵敏度，使用φ-OTDR传感系统探测局放超声信号。图15～图17分别是在电缆主绝缘故障、中间接头尖端故障和应力锥错位故障下测得的超声信号，φ-OTDR传感系统可以检测到不同故障类型的局放超声信号，为后面缺陷识别提供了理论基础，但文献中缺少用φ-OTDR传感系统对局放点进行定位的研究。

图13 后向瑞利散射光强度变化[12]Fig.13 Intensity variation of Rayleigh backscattering light

图14 wFBG和结合φ-OTDR测量电缆局放实物图[42-44]Fig.14 Picture of wFBG and φ-OTDR measurement of cable PD

图15 电缆主绝缘故障下测得的声信号[43]Fig.15 Acoustic signal measured from cable main insulation failure

图16 中间接头尖端故障下测得的声信号[43]Fig.16 Acoustic signal measured from failure of intermediate joint tip

图17 应力锥错位故障下测得的声信号[43]Fig.17 Acoustic signal measured form stress cone dislocation fault

2021年，西安交通大学陈浩[45]针对φ-OTDR传感系统定位局放点进行了研究。实验装置如图18所示，在8.7 kV XLPE电缆中间接头上制造屏蔽悬浮缺陷，并在接头上从右向左设置5个标记点，在每个标记点上缠绕一段3.12 m长的弯曲不敏感光纤作为传感光纤；在每个相邻标记点之间用一段10 m长的光纤分隔并连接到φ-OTDR传感系统上，并将其做隔音处理，同时采用电测量法作为参考。当施加电压为20 kV时，电测量法能测量到局放信号能达到3 542 pC，φ-OTDR传感系统能检测到明显的局放超声信号；当施加电压为30 kV时，φ-OTDR传感系统得到瑞利散射信号标准差(δr)与距离(Zc)的定位检测曲线，如图19所示，通过定位曲线，φ-OTDR传感系统可以实现故障点的定位，定位误差不超过2.6 m。

图18 φ-OTDR传感系统检测中间接头局放故障实验装置图[45]Fig.18 Experimental device diagram of φ-OTDR sensing system to detect PD fault of intermediate joint

图19 φ-OTDR传感系统进行分布式定位得到的δr-Zc检测曲线[45]Fig.19 δr-Zc detection curve obtained by φ-OTDR sensor system

以上研究证明了φ-OTDR传感系统具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、铺设方便、结构简单等优点；可多局放点同时监测并定位，定位误差小于2.6 m，适合长距离、分布式监测电缆及其附件绝缘状态，是未来电力电缆领域的主流监测方法，具有良好的应用前景。

7 结论

本文对电缆及其附件局放超声检测方法进行了梳理、分析和评价，重点介绍了基于AE传感器的局放超声波检测技术、基于Sagnac干涉结构的局放超声波检测技术、基于COTDR的局放超声检测技术和基于φ-OTDR的局放超声检测技术，得出以下结论：

(1)AE传感器结构简单、安装方便、可配合电测量法实现信号定位，但AE传感器灵敏度低、复用性差、只能单点测量，一般作为电测量法的辅助手段，不能独立使用，已难以满足电力电缆局放超声检测的需求。

(2)单模光纤Sagnac传感系统灵敏度高，可检测出电缆及其附件的局放信号，可实现长距离电缆局放状态监测和故障定位，在实际的电缆局放监测中具有良好的应用潜力。

(3)COTDR传感系统灵敏度高，可检测到纳米级的放电量，具有准分布式监测电缆绝缘状态的能力，在电力电缆局放监测领域受到了广泛的关注。

(4)φ-OTDR传感系统具有长距离分布式监测电缆绝缘状态能力，定位算法简单且误差小，具有实时性高、结构简单、铺设方便等优点，是攻克未来电力设备状态监测领域技术瓶颈的关键方法，是未来电力电缆状态监测领域的主流方法。

超声波检测有望成为未来电力电缆及其附件局放监测领域的主流方法。光纤传感技术以其抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点将受到更多青睐，但仍存在需要解决的问题，包括传感器放置及灵敏度问题、局放故障识别和多局放点定位问题、故障预警报警问题等。