高压电力电缆局部放电检测方法要点研究

东南大学成贤学院 燕 洁

1 引言

由于电力系统的迅速开发，高压电缆的使用范围也逐步增加。高压电缆的基本构造一般由以下几部分所构成，包括芯线、屏蔽层和保护层。而在这几部分中，电缆芯是在高压电缆上传递额定电流的主要载体，同时又是高压电缆的主体结构。而绝缘保护层则主要用于芯带与电线分开。屏蔽层主要分为导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，主要设计在15A 以上的高压线路上。该保护层主要用于防止高压导线免受外部破坏和渗入环境。但假如高压导线经常部分放电，所有高压电缆附件的空气绝缘体层在最后都将断裂。目前，对高压导线局部放电的实时监测，仍是确定高压电缆安全特性的一种最全面且可行的方法。

2 高压电力线路局部放电分析

2.1 高压电缆局部放电检测

国内对高压电缆中局部放电方法的研究起步相对较晚，进展滞慢。到目前为止，由于理论资料尚不完备，这对该方面的科学研究造成了极大的障碍。自20世纪六十年代开始，我国企业对电缆就开始进行了局部放电测试。但是，因为没有一个灵敏的测试工具，因此该项工作暂时中止[1]。

目前，不少发达国家的高压隔离监测技术开始运用于高压线路的监测与故障诊断，系统监视能够及时发现潜在问题，能够显著改善电力装置的工作质量，减少供电系统的运行危害，增强输电线路工作的安全与稳定性。但是，高压电缆的电流故障测试在一定意义上还只是一个电阻电压检测。因为电流干扰控制等其他问题，局部放电测试结果并不理想，而且局部放电测试范围相对也比较小，因此高压电缆局部放电的测试目前还处在探讨与发展中，现场高压电缆局部放电检测如图1所示。

图1 高压电缆局部放电检测

2.2 局部放电的原理

电缆绝缘体的内部极易遭受外界影响因子的干扰，尤其是在生产和加工过程中。这种影响容易形成气体或者其他污染物，这将降低该部分的击穿电压，进而更易使其放电。线路的劣化和终极节点的断开也不利于电力系统的使用寿命的延长。电缆局部放电监测的主要目的是通过获取和研究局部放电监测数据，从而有效地识别和解决存在的早期问题、危害和风险，从而有效地推动电力系统的安全运行。如果设备发生正电荷和负电荷通过不同电荷的两端积聚，内部电荷强度增加[2]。

根据这种放电行为，在对电子电气的施加电压扩大到规定程度时，内部的放电性就主要是由电离的电子放电引起。由于绝缘上的气体、孔洞、杂质和灰尘等的缺陷而造成的，很有必要经常或者不定期地对电气设备进行局部放电测试，全面检查设备的绝缘情况，从而判断绝缘失效的原因和破坏范围，变压器局部放电原理如图2所示。

图2 变压器局部放电原理

2.3 高压电缆局部放电产生的原因

交联聚乙烯电力电缆因为具有良好的电气功能和耐热性，在工业输送领域获得了广泛的使用。一般将输电线路高压电缆的压力级别分为10kV、35kV、220kV 等，但因为施工技术和生产工艺上的问题，电缆绝缘材料中会产生杂物，引起了电缆隔热材料表层及内部区域的电荷不平衡现象。

在导线工作系统中，在平均电场的影响下，非导体内部及表层的部分区域的电场技术强超过了平均电场强，而部分区域的电流场强则小于了平均电场强。所以，放电过程首先产生于这些部位，而其余部位则处于良好的绝缘，形成局部放电。当绝缘层内的气隙大小放电后，物质分解于气隙大小中，中性物质析出为带电微粒，如正负离子[3]。再加上电荷后，正电子或负离子沿与电荷相反的方向运动，而正离子则沿电荷的方向运动。于是，这些空间电荷会在与外部强加的电荷相反的方向上，形成新的空间电荷。

高压电缆局部放电是一个相对复杂的物理过程，需要几个特征参数来充分描述其状态。关键参数包括放电重复率、放电能量、平均放电电流和放电性能。长期局部放电严重危害电缆绝缘材料的绝缘，主要是由于局部加热、活性化学物质、带电粒子的影响以及放电绝缘材料造成的损坏。

2.4 局部放电检测的必要性

高压电缆作为一种重要的电力传输介质，具有电气性能好、耐热性好、机械性能强等优点。目前，高压电缆在输电和配电中得到了广泛的应用，但高压电缆很难避免自身的问题，特别是在高压电缆的生产过程中，很难确保绝缘的绝对完整性。在电缆安装和敷设过程中，由于机械力很容易被挤压而破裂。最关键的是，绝缘材料因为长时间使用和水分等因素而被侵蚀，甚至破坏，局部放电的危害如图3所示。

图3 局部放电的危害

这种危害也将破坏高压电缆的正常绝缘，又因为高压电缆敷设的特点，故障诊断和维修都十分困难。而随着我国高压和特高压系统的逐步开发，电力标准日益提高，对高压电缆连接器的绝缘要求也愈来愈高，电缆附件的设计将显得越来越繁杂，而错误可能性也将大大增加。而为了保证高压电缆的顺利工作，就有必要经常和不定期地对高压电缆进行绝缘检查。

近年来，通过我国的预防性测试，更广泛的保障电力保障项目，但也很容易造成停电和生活极大的不便。为在不干扰正常功耗的前提下保护好高压线缆，近年来高压电缆连接器的绝缘测试技术已成为一项全新的研发重点。通过在线测试技术的不断探索，已经可以通过比较良好线缆绝缘质量的信号特征等指标，成功合理地判断出在工作过程线缆绝缘受到破坏的情况[4]。

3 高压电缆接头局部放电检测方法

3.1 电缆局部放电定位法

当测量电缆放电后，一旦发生局部放电的情况，放电测量的质量与准确度就明显降低。为达到这一效果，一般采用时域反射技术来判断放电情况。这种技术的应用原理是在导线的一侧安装脉冲检测装置，通过内部的电脉冲在导线上产生并引起的反射，得到电缆中同一脉冲的往复传播和时差数据，然后利用脉冲位置，以确定局部放电源的位置。如果局部放电信号耦合装置安装在电缆的近端也可通过脉冲电流法来测量电流。

当然，放电时脉冲信号的传播方向还可使用高频电流传感器来判断。在电缆连接器的局部放电时，所产生的电流脉冲构成了两个相同振幅的频率。不同的频率存在不同的传输距离，局部的电脉冲的面积可通过电缆中脉冲的传播速度，以及两种频率间的延迟差来大致判断。同样的，如果在现场检测电缆中，传感器也能够探测到同样的脉冲组数据，这种方式可能有助于早期判断供电系统的情况，可在带电部位探测到故障，然后进行其他检测来保证电缆的工作。

3.2 四种检测法分析

超高频电容耦合器件，是由金属屏蔽层、电容耦合器、导线芯、导电薄膜、XLPE 绝缘构成。光电耦合器的检测方法的主要特征是采用了电容耦合器，极限带宽是500MHz，可用作为线缆、附件局部放电时的超高频感应器，按照较以往的局部放电检测方法来说，其灵敏度要更高。由于同时还存在着超高频电子的衰减现象，所以必须在该导线接头、端部，利用感应器的设置，所进行的热放电测量作用，才能对该导线表面，造成不同程度的破坏。

Rogowski 线圈电流传感器检测法，由于高压导线的局部放电信号幅度极小，并且传播时间也较小，约在纳秒数量级，但也具有范围较广的频谱。所以要实现对高压导线的放电测量，就需要具有较宽频带、电流敏感度较高、线性度高、电压畸变小且平稳稳定的电流耦合器件。RogowskI 线圈电流传感器，是一种I/V转换器的电流传感器应用非常普遍[5]。通常将Rogowski 卷材制作成椭圆或长方形，并使用中空的产生磁性的金属骨架，在骨架周围均匀地绕着螺电流互感器。

在Rogowski 线圈的原边是一匝线圈，副边则是多匝线圈，被测脉冲电流会产生磁通，磁通会与副边线圈相交链。当Rogowski 线圈有脉冲电流通过时，螺线管的每一匝中就会产生磁通，Rogowski 线圈中产生电动势大小与导体中脉冲电流大小的磁链成正比，电动势会因磁链的变化而变化，且电动势与电流成正比。这种传感器检测方法能够较好地找出局部放电源之所在，为快速排除故障奠定基础，应用较为便捷。

电磁耦合法，应用由罗氏线圈、前置放大器、频谱分析仪等组成的电缆局部放电监测系统;探测的基本原理是在金属内部放电信号出现后，金属的屏蔽层就会对其脉冲电流作出反应，而当其脉冲电流反馈给感应器后，就会通过金属二次绕组内部，从而探测其产生的异样放电信号，并由此探测到金属内部的电信号。超声波检测法，该测量技术，采用压电晶体作为感应器，压电晶体具有频率、电荷量转换的特性，并采用了前置放大器，可以进行光电器件变换，从而完成了光、电信号的变换;最后在示波器上，则表现为放大了局的电信号。这种检测法虽然具有简便可靠的优点，但具有精度低下的缺陷。

4 结语

目前，对电缆线路的测试技术主要有四种检测法，导线的实际结构复杂，部分释能脉冲电流在导线结构中的扩散途径不明确，部分视觉信号在导线中的扩散与时间密切相关，同时受衰减与反射等各种因素的干扰，测量精度较差，并且电缆局部放电测量受窄带干扰的巨大作用。一般的检测方法不能保证灵敏度，高压电力电缆局部放电的检测仍存在许多尚未解决的问题，需要更多的现场检测经验和理论研究。