高压交流电缆附件的局放测试技术

高压电缆及其附件是输电系统的重要组成部分，其质量问题关系到电网的安全运行。

一旦电缆设备出现故障，将会造成巨大损失。

因此，对电缆进行状态监测意义重大。

局放量检测是目前最为常用的状态监测手段。

本文讨论了局放的基本原理以及各种典型局放缺陷，对比了不同电缆局放检测方法的优劣。

什么是局部放电？
局部放电是发生在设备绝缘内部，未贯通高低压电极的放电现象，会造成绝缘劣化，最终导致电缆寿命缩短。

传统的油浸纸绝缘电缆，局放对其绝缘性能影响较小，而对于固体绝缘电缆，如XLPE（交联聚乙烯）或者硅橡胶电缆，局放会对其绝缘造成永久性损伤，导致绝缘性能下降。

图1展示了局放模型与等效电路。

在生产或安装过程中，电缆绝缘内部存在缺陷，如固体绝缘的空隙（void），液体绝缘的气泡，或电场不均匀处。

将空隙等效为电容c1，空隙的上层以及下层的绝缘材质等效为c2，临近部分的完好绝缘等效为c3。

我们可以获得局放电路的等效模型。

局放通常发生在绝缘内部，而且等效电容c1、c2以及c3无法被测量，因此，局放检测属于非直接测量手段。

等效电路的电压与电流波形如图2所示。

电压UP（t）为施加在主绝缘上的系统电压，U10（t）为空隙上的电压。

当U10电压升高到空隙的击穿电压UZ时，空隙击穿，C1两端电压下降，空隙绝缘恢复，同时C2被充电，当U10高于击穿电压Uz时，以上过程重复发生。

而每次局放时，都将会在绝缘泄漏电流上叠加一个小的脉冲放电，如图2所示。

通过检测放电脉冲发生的位置、时间以及幅值，我们可以对设备的绝缘运行状况进行评价。

不同频率下的局放
不同频率以及电压波形下局放的测量方法基本一致，因此，除了在工频电压下测量电缆局部放电外，还可以采用现场试验的方法，在电缆上施加不同波形频率的电压，对电缆进行局放试验。

由于直流电压对于电缆绝缘的破坏作用较大，因此不建议在直流电压下测量电缆局放，本文也不对其进行讨论。

工频电压下的测量技术
目前普遍认为，50Hz电压下的局放试验是应用最为广泛的局放测量方法，最为主要的原因是运行电压频率为50Hz，局放测量结果与实际最为接近。

然而，输电电缆线路长度较长，对实验设备的容量要求较高。

图3为工频电压下局放测试试验布置图。

分为变压器、分压器以及被试电缆三部分。

20至300Hz下的谐振测量方法
图4为谐振频率下的局放试验布置示意图，与工频电压下的布置基本一致。

根据IEC62067（≥245kV）与IEC60840（＜245kV）标准，电缆的试验频率范围为20至300Hz。

试验布置采用串联谐振的方法，试验频率如下所示。

上式中，c为电缆的等效电容量，L为串联电缆。

由于串联谐振的特性，其对变压器的容量
要求远小于工频电压。

此外，通过调整电感数值的大小，可以匹配不同长度、型号的电缆。

0.1Hz超低频试验技术
IEC60060规定，0.1Hz的电缆局放试验波形，可以采用正弦波或方波。

由于电压频率较低，电缆的充电效应大大减弱，试验电源的容量也随之减小（工频下的1/500）。

相同时间下超低频试验电压过零次数远小于50Hz工频试验，因此其局放重复次数要小于工频试验，通常不能采用局放重复次数来评价电缆或附件的运行状况。

对于含有非线性电阻的电缆附件，不宜采用超低频试验，因为可能会对绝缘产生损伤。

振荡波测量方法
振荡波试验布置如图6所示，可以看做快速开关与谐振电路的结合。

其试验原理为，通过直流电源对电缆进行充电，在达到一定电压后开关突然合上，此时电缆与电感形成串联回路，电缆（大电容）中储存的能量在电容与电感之间来回振荡，在振荡过程中电缆的局放量被获取。

这项技术主要应用在60kV及以下的电缆设备中，随着技术的进步，在更高电压设备上应用逐渐增多。

这项技术虽然采用直流电源，但充电时间较短，很快切换为振荡波，对电缆设备损伤较小。

且电源容量要求较小。

缺点是振荡时间较短，100微秒，电缆耐压时间不够。

因此，这项技术主要用用于电缆绝缘状况诊断，而不适合投运试验。

高压电缆附件上的典型试验结果
本节展示了户外电缆终端的缺陷局放试验结果，某些特性同样适用于中间接头等其他形式的电缆附件。

试验采用50Hz电压，在一定条件下也适用于其他频率电压。

电晕
属外部产生的局放，如电场集中区域，与其他类型局放有较大的差别，可以精确地测量。

由于放电发生在空气中，电极两端不会发生电荷累积，因此，放电主要发生在电压的最大点，并且放电起始电压与结束电压是一致的。

此外，当外加电压增大时，局放时间也会增加。

当电晕起始点为高压侧时，在负半周可以检测到局放发生，如图7所示；当电晕发生在零电位区域时，局放发生在正半周。

图8展示了户外终端的电晕易发生区域。

导致电晕发生的主要原因有：不规范安装、毛边、尺寸不恰当等。

一般来说，这些缺陷都是可以消除的，而且对于电缆设备的安全运行不会产生较大影响。

电晕类局放主要发生在户外终端，一般不会在中间接头等设备上出现。

空隙
当局放在电压的正负半周都能检测到时，说明缺陷为空隙缺陷。

正半周的放电量要大于负半周，如图9所示。

由于临近电容充放电的影响，空隙局放的起始电压与熄灭电压并不一致，局放起始电压要大于熄灭电压。

随着外加电压的升高，局放幅值保持不变，但放电频率增加。

长时间局放下，空隙绝缘性能会产生变化，比如内表面绝缘电阻改变或结构发生变化，导致局放次数发生变化。

空隙局放的典型缺陷有绝缘气隙、混入杂质以及工艺不良等原因，其局放易发点如图10所示。

沿面放电
沿面放电主要发生在电场切线上，放电量较其他局放形式更大。

沿面放电的局放量在100pC 至1000pC，并且总是在过零点之后出现。

由于沿面放电闪络距离更大，对设备的绝缘性能影响至关重要。

根据局放放电相位图（图11），第三象限下的放电量要大于第一象限。

沿面放电主要发生在电缆终端，如图12所示。

原因主要有：安装过程中终端内表面脏污，此时放电主要发生在电缆电场集中的应力锥处。

当电缆终端进潮气以后，在低温下凝露会造
成内表面放电。

电缆的外半导过渡处开剥不平滑也会造成电缆内部发生放电。

在制作电缆接头时应做好半导层与应力锥之间的搭接过渡。

接触不良
金具连接不良时也会导致局放的发生。

金具连接点的空隙会产生电压差，当外加电压足够高时会导致空隙击穿。

该种类型的局放相位图相对于过零点是对称的。

如图13所示。

金具连接不良造成的局放幅值远高于其他类型局放，达到1000pC。

随着外施电压的升高，局放幅值不会增加，但是放电频率会随之升高。

由于该类型的放电机理不受自由电荷的影响，在正半周与负半周，局放的起始电压与熄灭电压是一致的。

对于电缆附件，该类型的局放高发故障点集中在金具连接处，如图14所示。

典型故障有：压接管与导线的截面积尺寸不合，导致接触面过小，形成局放。

持续的局放会造成金具发热，最终导致电缆接头故障。

另一个典型故障为：安装过程中涂抹硅脂过多，导致线芯与内半导之间有一层绝缘，形成电位差。

悬浮颗粒
以SF6以及N2作为绝缘介质的设备，安装或运行中混入颗粒。

改变电场分布，产生局放。

该类型局放分布如图15所示。

局放幅值基本一致，集中在某几个相位。

随着外加电压的增高，放电幅值保持一致，但频率增加。

悬浮颗粒局放主要发生在气体绝缘的电缆中间接头或终端头中，如图16所示。

局放分析
目前局放分析主要采用相位图谱（phaseresolvedpartialdisge，PRPD），一些辅助、新式的方法也在逐渐应用。

比如局放监测系统，对设备进行持续性的监测。

由于电缆局放测试通常在运行现场，而非实验室，外界噪声干扰较大，需要采用辅助屏蔽措施。

当试验现场位于变电站或附近有发电机时，外界电磁干扰信号会叠加到电晕或者沿面放电局放相位图谱上。

造成局放识别困难。

为了过滤噪音干扰，硬件上采用中心频率和检测带宽可调的组合带通滤波器，滤除外部干扰。

软件上采用脉冲波形-时间序列检测，即记录单个局放脉冲波形机器获取时间点（相位），基于脉冲波形特定参数，对脉冲群进行无监督的聚类分析，将脉冲群进行快速分类，将具有相似特征的局放脉冲在映射特征空间中紧聚或抱团，形成簇。

从而区分局放或噪声干扰。

总结
局放监测是目前电缆附件状况诊断最为有力的工具。

可以直接对运行中的电缆进行检测诊断，评估其绝缘状况，但缺点是易受外界干扰，滤波、提取波形较为困难，综合来看，局放检测技术仍是目前检测电缆最优秀的非破坏性检测技术。