XLPE 电缆局部放电在线检测系统探讨论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要： 探讨在线监测的优缺点 、深挖其作用 、更新并完善系统， 是研究的重中之重。 阐述在线监测系统的结构和应用方法， 指出目 前在线监测存在的问题及发展趋势。论述了系统各硬件部分工作原理及主要设计指标参数， 说明了其敷设的简便性 、应用性和实践 性。在实践过程中基于电磁波耦合法等， 采用多个检测前端加信号集中单元的分布式结构， 多个检测前端之间可根据需要灵活连接 组合， 用于多种电缆运行的场合， 拓宽了该套系统的监测范围， 使得该系统在可靠性及经济性方面有了进一步的提高， 可满足多种 环境下电缆局放检测的需要。

　　关键词： 高压,XLPE电缆,局部放电,在线检测


　　Abstract：It is the most important to discuss the advantages and disadvantages of online monitoring，dig deeply into its role，update and improvethe system.The structure and application method of online monitoring system were described，and the existing problems and development trend of online monitoring were pointed out.The working principle and main design index parameters of each hardware part of the system were described，and the simplicity，applicability and practicality of its laying were explained.In practice，based on the electromagnetic wave coupling method，the distributed structure of multiple detection front ends plus signal concentration unit was adopted，and multiple detection front ends could be flexibly connected and combined as required.It was used in the occasion of multiple cable operations，which broadened the monitoringrange of the system，further improves the reliability and economy of the system，and could meet the needs of cable partial discharge detection invarious environments.

　　Key words：high voltage;XLPE cable;partial discharge;online detection


　　0 引言

　　随着我国经济的快速发展和城市化水平的不断提高，对于电力供应系统 (尤其是城市供电系统) 提出了各个方面新的要求[1-3] 。相比于传统的架空输电线路， 电力 电缆线路具有显著的优越性， 其在我国的应用将越来越 广泛[4-7] 。对于电缆运行的安全性以及稳定性， 迄今为止电力部门采取的措施是运用尽可能多的方式检测电缆 的绝缘状态。电缆的预防性试验有一定的局限， 但是是 最具代表性和最常用的一种方法， 在线检测电缆的绝缘 性也是常用的选择。预防试验的界限， 不仅会给国家带 来特定的停电风险和损失， 而且还会加速电缆绝缘和老 化的损害。因此， 电缆在线监测系统成为了研究和应用 的中心。现有的在线监测方法主要有直流分量法 、损耗 电流谐波分析法 、局部放电法等， 但最重要的检测技术 是采用局部放电法， 其中电磁耦合检测法最常用。

　　目前用于电缆的局部放电检测系统主要包括在线监 测系统和现场检测系统。在线监测系统有大规模的覆盖 和可持续监控， 安装复杂， 成本高， 现场检测系统移植方便， 覆盖较小。针对以上问题， 基于电磁耦合法和多 通道高速数据收集数据库技术的整合， 本文讨论并开发 了一套完整的电缆局部放电在线监视系统， 该系统具有 更简便 、高速的安装 、更宽的检测范围和测试范围。系 统采用设计的分布式结构， 大大提高了系统的操作可靠 性， 具有重要的实际意义。

　　1 监测系统架构

　　电磁耦合原理是 XLPE 电缆部分放电在线监视系统 的主要原理之一。经由电缆端子的接地线上的传感器检 测电缆部分放电信号。放大后， 通过多通道数据取得系 统收集 、预处理 、抽取， 上传到系统的便携式诊断中心， 通过系统诊断软件对电缆绝缘状态进行分析和评估。所 有局部放电监测系统由信号感测模块 、检测前端 、信号 集中单元 、便携式分析诊断中心构成。在系统设计过程 中， 为了容易安装功能部件而模块化了。 同时， 根据分 布式设计原理， 使用 4 个检测前端来提高系统的可靠性， 每个检测前端彼此独立。这样即使检测到前端故障， 也 能够根据需要进行电缆部分放电的在线监视。在 4 个检测前端中， 可以测试电缆线的多个电缆或多个中间接头， 并且系统架构有 32 个。

　　其中信号感测模块包括高频电流传感器和高频放大 器。检测前端包括 8 个信道的高速数据获取系统和光电 转换模块。4 个检测前端通过光纤以信号浓度为单位进 行网络化， 最终通过信号集中单元上传到便携式分析诊 断中心。

　　2 XLPE 电缆局部放电在线监测技术

　　XLPE 电缆内局部放电发生的过程中， 会伴随着发 生电流脉冲 、电磁波 、超声波 、热 、光等许多现象或某 些物理量的变化， 同时生成一些新的产物。各种局部放 电检测方法的基本原理就是通过这些现象的测量来分析 电缆中局放的情况， 来及时发现 XLPE 电缆中的潜在故 障， 判断电缆绝缘老化程度， 为检修维护提供依据， 保 证 XLPE 电力电缆安全可靠运行。

　　传感器是局部放电检测系统最重要环节， 电缆中的 局放信号只有经过传感器才能被测试系统获取。 由于 XLPE 电缆局部放电过程中会有多种现象或物理化学变 化发生， 传感器就是对这些信号进行测量， 因而其设计 方式也呈现多种多样。这也是近年来局部放电领域研究 的比较多的问题， 而在 XLPE 电缆局部放电在线监测领 域被广泛应用的传感器， 包括有： 电容耦合传感器 、方向耦合传感器 、宽频带电磁耦合传感器 、超声波传感器。

　　2.1 电容耦合传感器法

　　电容耦合传感器法是耦合局部放电引起的电场变化， 从而可以直接得到放电的电信号， 是电检测法的 一 种。 在操作过程中， 将 2 个金属薄片安装在电缆外缘， 形成 容性电极， 也可以利用电缆附件中已存在的金属结构的 电容和电缆本身直接耦合放电， 因此产生脉冲电流信号。 电容电极的位置使得这种监测法又划分为内置监测和外 置监测[9] 。

　　内置式一般安装在半导电屏蔽层上， 具体安装方法 是在电缆金属护套上切一个 100 mm 长的环形开 口， 不 会影响到电缆的 XLPE 主绝缘， 在电缆外露出的半导电 屏蔽层上缠绕一些锡箔带， 宽约 40 mm， 将其作为耦合 传感器。内置式电容耦合传感器法由于直接安装在电缆 主绝缘上， 具有灵敏度高且受外界干扰小的特点。 内置 式要对电缆的金属护套进行切割， 安装工作量较大且容 易损伤电缆主绝缘， 因此人们研究出了安装简单， 适合 于现场及在线检测外置式电容耦合传感器。它直接将金 属电极贴附于附件的护套外表面， 不破坏电缆附件的固 有结构， 因此不会对电缆的绝缘性能造成影响。

　　国内多家科研单位已经基于此原理研制出了对应的 传感器。西安交通大学徐阳等[12] 设计一款用于 XLPE 电 力电缆局部放电测量的频率响应可以达到 500 MHz 电容耦合传感器。重庆大学唐炬等[13] 基于电容耦合原理研制 出用于 XLPE 电缆附件局部放电信号检测的宽频带电容 型内置式传感器， 该传感器能够感应到纳秒级的放电脉 冲信号， 有效频带达到了 500 MHz 。 国外对于电容耦合 传感器研究也已经有较长时间。 日本有企业利用这种传 感器研制的一种便携式局放测试仪已投入电力系统运行， 检测灵敏度达到了 1 pC， 噪声水平小于 1 pC， 有效频带为 100 kHz~ 100 MHz。英国南安普顿大学研制出了内置式的 VHF 电容耦合传感器， 其频带低于 300 MHz， 灵敏度低于 3pC 。

　　2.2 方向耦合传感器法

　　方向耦合传感器由一对具有相同结构和性能并且能 够识别局部放电脉冲信号传播方向的方向传感器构成。 方向传感器的两个输出信号的端口分别耦合不同方向的 脉冲信号。在电缆附件两侧的外半导电层上安装的方向 耦合传感器具有 A 、B 、C 、D 4 个输出端口。因为不同 的放电源发出脉冲的传播方向不一样， 当传感器的方向性为 1 ∶2 时， 这 4 个输出端电压 将会具有不同的关系。

　　2.3 电磁耦合传感器法

　　根据麦克斯韦的电磁学理论， 局放产生的电流脉冲 在导线传播过程中， 会在周围产生变化的电场， 变化的 电场产生变化磁场， 电磁耦合传感器就是利用放电脉冲 电流产生的磁场来测量放电信号的。这种传感器最常见 的类型1 为罗氏线圈传感器。按照罗氏线圈大小以及安 装的位置的不同， 也区分为内置式和外置式。 内置式电 感耦合传感器安装在电缆附件内部的金属护层连接线上， 具有尺寸小 、受干扰小 、灵敏度高等优点， 但是安装过程比较复杂[10] 。

　　2.4 超声波传感器法

　　超声波传感器是利用超声波特性开发的传感器。超 声波是声波振动频率高的一种振动波。在电压的激发下 由能量转换芯片的振动产生。高频 、短波长 、小衍射现 象 、特别是定向性好可以传播是它的主要特点。

　　把超声波作为检测手段。完成这个功能的装置是被 称为超声波传感器和超声波探触器的超声波传感器。人 们可以通过物体的振动来听声音。频率在 20 Hz~ 20 kHz 的范围内。20 kHz 以上称为超声波， 20 Hz 以下称为超 低频音。所使用的超声波频率是数万赫兹到几千万赫兹。 超声波比是弹性介质中的机械振动的一种， 具有横向振 动 (横波) 和纵向振动 (纵波) 两种形式。在产业界主 要使用垂直振动。超声波比在气体 、液体和固体中传播， 传播速度不同。另外， 传播过程中也存在反射折射现象 和衰减。在空气中传播的超声波频率较低， 通常为几万 赫兹， 频率在固体和液体中较高。衰减在空气中是高速 的， 但是在液体和固体中是小的， 离得很远。利用超声波特性， 可以制造各种超声波传感器， 配备不同的电路， 可以制造和通信各种超声波探测器， 从而在线监测局部 放电。

　　3 实践分析与建议

　　当局部放电发生在电缆内部， 就会存在一些电流触 达地面， 外屏蔽层接地线是其途径。对电缆现场监测主 要通过电磁耦合法 、超声法和超高频法。电磁耦合法是 通过连接线圈和电缆进而感应局部脉冲电流来检测的方 法。超声波法通过监测局部产生的电流信号来确定水平， 而电流信号是由电缆外部的传感器， 将产生的超声波信 号转化而成的。高频法在 GIS 生产 、运行以及电力设备 中的广泛应用， 很大程度因为能从超高频的电磁波直接 获得局部放电监测的相关信息。 由于信号传播时效短， 后两种监测方式的局限性也体现了出来， 应用于小范围检测的电缆附件领域[13] 。

　　3.1 运行中电缆的局放巡检

　　以前多运用如目测法 、红外测温法等传统方法对电 缆运行进行定期巡检。近些年来超高频法和超声波法得 到了更多的关注和应用。是因为巡检中快速 、准确 、高 效对于迅速排除被检测设备的故障隐患， 保障电力系统 的安全运行具有极为重要的意义。上海在这方面积极推 进， 电力公司和大学专业科研的通力合作， 将宽频电磁 耦合 、超声波检测技术和超高频检测技术等多种手段一 起应用， 同步检测， 研发出一套更新 、更便捷的局部放 电监测系统。 目前应用于监测领域， 从现场干扰排除以 及保障检测结果方面考虑， 更多采用了声电联合法。利 用多种信号对比分析， 发现和处理了很多局放缺陷， 很 大程度消除了事故隐患。保障了电力系统的安全运行，提高了设备检修效率和降低了维护设备的成本。

　　3.2 电缆局放在线监测

　　发展并推进对电缆内的局部放电在线监测， 对于发 现并尽早消除潜在的绝缘缺陷隐患有重大意义。单一 的 依靠某一种方法在线监测的方法去进行监测不能全面的 反馈其用电的设备的真实情况， 只有把各种设备 、问题、 环境勘察相结合才能够正确捕捉用电设备的运行情况。 在现场安装过程中也存在设备应安装不牢靠 、传感器与 电缆密合度不高而引发的监测信息 、数据不准确的现象。 故现场安装调试在线监测设备尤为重要， 在一定程度上， 安装和监测密不可分。上海电力公司率先在上海市 35 kV 变电站黎安站和疏影站， 引进安装了 2 套电缆局部放电 在线监测系统， 这种积极探索以及和专业大学科研积极 合作的态度精神对于国内局放监测系统的发展具有很大 的推动意义。双站多线路 、电缆层的传感器和信号线缆 双辅助 、专家系统的监测服务器 、机柜安装随手可操作， 实现了在线对电缆内的局部放电信号进行实时诊断分析。


　　4 结束语

　　本文介绍了国内及国外现有的电缆局放实时在线检 测的方法， 并指出了现有的各个方法的优缺点。传统的 局放检测只用放电量的大小报警， 不管什么信号只要超 出预设值的阈值就会报警， 出现很多错报 、漏报 、误报 的现象。而在线监测系统是先判断是否有放电， 使用放 电特征诊断与放电量等多个参数相结合报警机制报警， 解决了错报 、漏报和误报问题， 同时增加了区内区外放 电定位功能， 在实际测试工作中， 灵活运用各种测试方 法主要目的就是尽可能的提升设备的灵敏度， 降低现场 干扰对测试工作的影响， 从而提升测试质量， 使得在线 监测可用性提高， 准确性提升。在线检测法在今后的实 际生产中必将得到更广泛的推广和提高， 这也更加有利 于整个电网系统的稳定运行以及社会经济的发展。

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