高压电缆局部放电监测研究

文章编号：1004－289X（2013）02－0063－04

高压电缆局部放电监测研究

赵生传1，时翔1，文艳2，崔潇1，张立刚3，曲健3

（1．青岛供电公司，山东青岛266002；2．威海供电公司，山东威海263200；3．青岛华电高压电气有限公司，山东青岛266102）

摘要：由于绝缘老化变质、过热、机械损伤等，会使得电缆在运行中绝缘劣化，对电缆进行局部放电检测是防止电缆运行事故的有效方法。对常见的电缆局部放电监测方法高频电流法、电容耦合传感器、声发射法、超高频UHF法，甚高频VHF法进行了介绍，分析了不同方法的优缺点，指出了未来的研究方向。

关键词：高压电缆；故障；监测；振荡波

中图分类号：TM85文献标识码：B

Research on Partial Discharge Detection of High Voltage Cables ZHAO Sheng－chuan1，SHI Xiang1，WEN Yan2，CUI Xiao1，ZHANG Li－gang3，QU Jian3（1．Qingdao Power Supply Company，Qingdao266002，China；2．Weihai Power Supply Company，Weihai263200，China；3．Qingdao Huadiang High Voltage Electrical Apparatus Co．，Ltd，Qingdao 266102，China）

Abstract：Because of insulation aging，overheat，mecranical damage and so on，make cables insulation degradation in operation．It is an effective method for partical discharge detection to cable to avoid the cable operating accident．The pa-per presents common partical cable discharge detection methods，such as high frequency method，capacitive coupled sen-sor，acoustic method，ultra－high frequency method and very high frequency method，then analyze the strong and weak points of the different methods．Finally，point out the coming research direction．

Key words：high voltage cable；fault；monitoring，wave of oscillation

1引言

随着电力系统的飞速发展以及旧城改造工程的进行，电力电缆在电力网络中的应用愈发广泛。电力电缆的基本结构包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四个部分。其中线芯即导体，是电力电缆中传输电能的部分，是电缆的主要结构。绝缘层将线芯与外界电气上隔离。屏蔽层包括导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，一般存在于15kV及以上电缆中。保护层是用来防止外界的杂质和水分的渗入和外力的破坏。

电力电缆按照电压等级分类有低压电缆（35kV及以下输配电线路）、中低压电缆（35kV及以下）、高压电缆（110kV及以上）、超高压电缆（275 800kV）、特高压电缆（1000kV及以上）。

按照绝缘材料电力电缆可以分为油纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆。其中油纸绝缘电缆应用历史最长。它安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。塑料绝缘电缆主要用于低压电缆，常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。橡皮绝缘电缆弹性好，适合用于移动频繁弯曲半径小的敷设地点。

我国早期使用的多是油纸绝缘电缆，但自1970年以来，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆得以广泛应用，并逐渐取代了油纸绝缘电缆的地位。XLPE电缆电气性能优越，具有击穿电场强度高、介质损耗小、载流量大等优点因而得到了广泛的应用。

然而，在电缆投入运行后，由于绝缘老化变质、过热、机械损伤等，会使得电缆在运行中绝缘劣化。为了防止由于绝缘劣化造成电缆运行事故，需要对电缆的运行状态进行即时监测。监测系统控制着电缆及其附

件的质量。主要的监测项目包括负载的变化和温度的变化等，然而局部放电是其中最为突出的缺陷指标［1］。当电缆内部绝缘出现缺陷的时候，会导致电缆内部局部放电的发生。通过检测电缆局部放电水平，可以反映出电缆的绝缘情况。而电缆附件又是电缆线路绝缘品质最薄弱的环节，多数电缆故障是由于电缆接头所引起的。因此，对电力电缆线路尤其是附件的绝缘进行局部放电检测有着重要意义。

2电缆在线PD检测手段

由于电缆故障主要发生在电缆附件位置，而本体较少发生故障。因此，电缆在线检测主要检测电缆接头位置。

在线PD检测的主要问题有三：一是传感器很难接触到带电导体甚至不易接触到金属护套；二是传感点分布在长电缆上，因此它们检测的信号在传输过程中容易变形扭曲；三是干扰信号的存在。

测量局放的辐射场常用敏感的场传感器。这些传感器通常放在靠近电缆接头的外半导电层上，常用铜或铝导体作为内置传感器，半导电层在导体和绝缘之间起一个连接和均匀电场的作用，防止电场的加强，防止造成局放或早期故障。

内置传感器的缺点在于不够便携，而便携式的传感器必须安装在电缆的外部，并通过电感耦合或电容耦合的方法与电介质耦合。这样的传感器安装最大问题在于它不仅仅捕捉内部信号，也捕捉外部干扰。

常用的在线PD检测手段有：高频电流法，电容耦合传感器，声发射法，超高频UHF法，甚高频VHF法等。此外还有一些不太常用的手段，例如定向偶合法［2］、偏振光测量法［3，4］等。

2．1高频电流法

当电缆内部发生放电时，会产生一个高频的脉冲电流，并从线芯与金属护套之间的电容流入金属护套中，然后通过电缆中间或终端接头流入大地。高频电流互感器就是安置在中间接头或终端的接地线上，通过电流耦合的方式来采集局放信号。高频电流互感器的频带范围为100kHz 200MHz。

这种检测方法是一种外置式互感器，因此它受到的外部干扰较为明显。在12个高压室外变电站进行了试验，最高达到132kV。试验发现噪声和干扰显著存在。XLPE电缆的PD可接受等级为10pC而一般户外变电站的干扰超过1000pC。干扰主要来源于空气中的电晕放电、污染的表面泄漏电流和高压设备的接触不良。

由于高频电流互感器是外置式互感器，单纯利用HF－CT法检测到的PD信号精确度可能不足以满足系统的要求。为了实现对局放信号的精确测量，可以将HC－CT法与其他方法相结合来使用。例如将HF －CT法与TEV法相结合，同时检测局部放电时产生的瞬时接地信号。

2．2VHF法

VHF检测方法的监测频段集中于VHF频段（1 300MHz）。这种检测方法的核心部件是罗氏线圈。与传统电流测量方法相比，罗氏线圈的优点在于避免的电的直接连接。在所有的在线PD检测中，电容式传感器和罗氏线圈最为敏感。而电容式传感器需要置于合适的位置，不能便携。罗氏线圈（Rogowski coil）避免了这个缺陷，因为他们只测量全封闭电流。因此罗氏线圈不依赖设备的几何形状。与铁磁核心的传感器相比，罗氏线圈不会受到磁饱和的影响。

罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流，一次侧的电流会在二次回路中感生电压。其二次回路是个空心线圈。

罗氏线圈是一种较为成熟的技术，适用于电缆本体或接地线上的信号检测。其测得信号包括PD信号和干扰信号。PD信号的放电电流脉冲具有非常陡峭的波前和短的持续时间。通常情况下，在放电脉冲的上升时间只有若干ns而它的持续时间为10ns的顺序。PD脉冲是一个宽带信号，它具有宽的频率，频谱高达几百兆赫。而噪声主要存在于低频段，为了滤除低频，其一般截止频率设为500kHz 1MHz之间。

对于采集PD信号的传感器，需要同时兼顾灵敏度和带宽，以及具有良好的屏蔽。如果传感器的灵敏度低，PD信号不能被检测到；如果带宽很窄，PD信号可以被扭曲。如果屏蔽是不是合理，PD信号可以被污染，甚至可能检测不到。罗氏线圈具有高灵敏度，良好的屏蔽的优点，但传统的罗氏线圈的带宽较窄。如果要扩大罗氏线圈的测量带宽，必须以牺牲灵敏度为代价。

每个线圈具有自谐振频率引起的自感和及其对环境中的电容，此外还有匝间电容的存在。这些因素会造成谐波的产生。谐波使得它的输出信号在离散的凹口出现减少和扭曲。为了同时在提高罗氏线圈测量带宽的同时也保证其灵敏度，可以采用对称放置二次侧的磁芯电流互感器，减少谐振。

因此，通过选择合适的测量阻抗和平衡阻抗，罗氏