XLPE电力电缆局部放电的在线检测

高电压技术

HIGH VOLTAGE ENGINEERING

1999年第25卷 第4期Vol.25 No.41999

XLPE电力电缆局部放电的在线检测

罗俊华　马翠姣　邱毓昌

摘　要　通过实验进行了XLPE绝缘中间接头差分法和电磁耦合法进行局放检测研究，结果表明它们能有效地避免环境干扰。

关键词　XLPE电力电缆　局部放电　在线检测

On-line Partial Discharge Detection in XLPE Cables

Abstract　This paper describes several methods of on-line partial discharge detection used to XLPE power cables based on techniques of signal sampling and processing.

Key words　XLPE power cable　partial discharge　on-line detection

0　引言

近十年来我国城市电网大量采用XLPE电力电缆，迄今在35 kV及以下和110 kV及以上电压等级中应用分别达50 km和数百km，最高电压等级为500 kV。

XLPE电力电缆性能早期劣化或使用寿命很大程度上取决于XLPE绝缘介质的树枝状老化，而局部放电测量是定量分析的有效方法之一，即树枝引发初期局部放电量约0.1 pC左右。因此局部放电在线检测是及时发现故障隐患，预测运行寿命，保障电力电缆安全可靠运行的重要手段。 局部放电在线检测方法有电磁波法、超声波法、脉冲相位分析法等多种，本文主要论及利用电缆中间绝缘连接盒的差分法和预制中间连接接头电磁耦合法，以及信号频谱分析方法。

1　局部放电在线检测

投运的XLPE电力电缆绝缘缺陷产生的局部放电高频信号在电缆本体的传输过程中大幅衰减，电缆终端处采集信号非常困难。实验表明，在电缆中间接头位置采集较对电缆本体直接采集信号灵敏度高，且电缆终端及中间接头连接盒都在现场人工制作安装，其绝缘品质往往低于工厂制作的电缆本体，在电缆附件部位在线检测局部放电更为合理。

1.1　差分法在线检测局部放电

差分法［1］常用于110 kV及以上电压等级XLPE电力电缆局部放电信号采集。图1为差分法在线局部放电检测回路，即在中间绝缘接头连接盒外护套表面上，金属护套绝缘分段处的接头左右两部分别固定两个金属箔电极，外接一选用适当的高阻抗Z d，利用差分法来检测电缆的局部放电信号，图2为等效电路。设C0为测量回路杂散电容，图中C1＝C2C0，C3＝C4，Z c1＝Z c2《Z d，高阻抗Z d上采集的信号输入频谱分析仪。图2a为抑制外界干扰的对称平衡电路，若中间接头左(右)边有局放，则右(左)边电缆电容充当耦合电容的作用如图2b所示。该法的优点是不必加入专门的高压源和耦合电容，也无须改变电缆的连接即能很好地抑制外界噪声干扰，适于现场在线检测。

图1　差分法检测回路图

左：抑制干扰等效电路　右：局放检测等效电路

图2　差分法等效电路图

图3为差分法检测9.5 km 275 kV XLPE电缆局部放电回路图。图中PG，SA，CRO分别为脉冲发

生器，信号放大器，示波器。试验结果表明，在中间接头处接注入校验脉冲时，8～10 MHz 信号检测灵敏度可达1 pC；在离中间接头167 m处间接注入校验脉冲时，3 MHz信号检测的灵敏度为1～15 pC，均满足绝缘品质评估<10 pC的灵敏度要求。

图3　差分法局部放电在线检测回路

1.2　电磁耦合法在线检测局部放电

电磁耦合法［2］可用于10 kV及以上XLPE电缆局部放电的在线检测，由电缆中间接头处安装穿芯式高频电磁耦合传感器，采集信号并传输到局放信号分析仪。它要求制作中间接头时将中间接头金属屏蔽连接用的铜带直接穿过高频电磁耦合传感器，再与接头两端金属屏蔽层电气连接。高压电缆和测量回路间没有直接的电气联系，故能很好地抑制噪声。同时，由于外界干扰噪声信号与局部放电信号幅频特性不同，因此，采集的信号经前置放大器处理后，可用频谱分析法判断和识别。该局放传感器的带宽设计为12～40 MHz，这对于在线检测电缆本体或接头处产生的<10 pC的局部放电是足够灵敏的。

现场实际测试170 kV XLPE电力电缆中间接头局部放电前的背景噪声干扰信号幅值见图4。外施工频电压升至130 kV时，测得信号幅值见图5。比较两次检测结果，频率在15 MHz以下的信号

差异较为明显。

图4　外界噪声干扰信号

图5　电缆局部放电信号

2　试验研究

上述两种方法采集的信号都包含局放信号和外部噪声信号。目前，信号处理有频谱分析、脉冲相位分析、小波分析和分形分析等多种方法。本文主要介绍频谱分析法［2，3］。

2.1　高压电缆

在屏蔽试验室中用经上述方法改造的预制中间接头连接两根长5 m的170 kV XLPE电缆，且电缆本体在130 kV时基本无局部放电。然后，分别引入下面3种人为缺陷来试验和标定局部放电传感器：一是在电缆终端的高压线芯上缠细导线。二是在中间接头端部与电缆主绝缘间制作一小气隙；三是将电缆的外半导电层去掉一小块(1 cm2)后松散包敷铝箔。同时采用高频电磁耦合传感器与频谱分析仪的方法和IEC 270规定的常规方法对比，试验结果相当接近(见表1)。

表1　两种方法局部放电对比试验结果

缺　陷试验电压/kv 电磁耦合

法/pC

IEC 270常

规法/pC

电晕放电154～63气隙缺陷609070

外半导电缺陷90158 1002015

1102235

2.2　中压电缆

在一段基本无局放的额定电压13 kv乙丙橡胶(EPR)绝缘电缆上人为导入缺陷，同时采用脉冲相位分析法、高速数字示波器分析法和频谱分析法检测，检测回路见图6。图中前置放大器增益为28 dB。脉冲相位分析和多通道数字示器记录检测阻抗上信号两种传统方法与频谱分析法进行比较，3种方法检测带宽相应为：40～200 MHz、1 kHz～1 GHz、10 kHz～200 MHz。考虑到可比性，试验在40～200 MHz的频带内进行，测得正、负脉冲电压幅值U pm、U nm等参数见表2。

图6　EPR绝缘电缆的局放检测回路

表2　3种方法对比试验结果

试验方法U pm／mV U nm／mV 脉冲重复

率/Hz

脉冲宽或

中心频率

脉冲相位5～155～15正100～2000　

数字示波器50～22050～180正负12ns

频谱分析5～95～9正负24.40MHz

3　问题讨论

(1) 高频信号在电缆中传输时衰减相当严重，上述方法只在几MHz范围内适用，同时需要加强抑制干扰的措施。例如，差分法试验中，信号采集、检测的频率约3～12 MHz，检测灵敏度 1～15 pC。若频率高于12 MHz，则能量损耗将导致高频信号大幅衰减，从而明显降低检测的灵敏度。

(2) 局部放电源离检测点较近如电缆附件附近时，电缆终端或中间接头处的噪声信号会在很短距离内衰减数，局放检测系统可在数十MHz频率范围内进行灵敏度较高。因此采用这样的甚高频在线检预制中间接头局部放电较为理想。

(3) 利用噪声信号与局放信号的不同频谱特性处理局部放电信号的频谱分析法不尽完善，由于实际中噪声信号是随机的、复杂的，试验前不可能完全记录电缆工作环境中的噪声信号，从而在一定程度上会影响检测结果的准确性，应加强信号数据处理新方法的研究工作。

4　结论