高电压技术HIGH VOLTAGE ENGINEERING1999年第25卷 第4期Vol.25 No.41999XLPE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 CablesAbstract 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 detection0 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/pCIEC 270常规法/pC电晕放电154～63气隙缺陷609070外半导电缺陷90158 100201511022352.2 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24.40MHz3 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 无论是在信号采集过程，还是在信号处理过程，均应尽可能避开较强的背景干扰，同时采取有效抑制干扰的措施。
a.在中间接头绝缘连接盒处以差分法在线检测110 kV及以上电压等级的高压电缆局部放电的方法安全简便，在较低频率时能较好地排除干扰。
低于几MHz时，灵敏度可达1 pC。
b.在现有类型的10 kV及以上电压等级电缆中间接头位置加装电磁耦合传感器在线检测电缆及附件局部放电，不改变中间接头的绝缘结构，安装简便，不影响电缆附件现场安装的质量。
在几十MHz的VHF频段现场检测电缆或附件低于数pC的局部放电量。
c.与几种目前普遍采用的信号处理方法相比较，频谱分析法可以避开较强的背景干扰。
它提供了一种能够区分局部放电信号与外部噪声干扰信号的方法，但仍需作更进一步研究工作。
作者简介：罗俊华 1961年生，高级工程师，博士生，从事电力电缆研究工作。
作者单位：西安交通大学(西安710049) 参考文献1 Ginzo Katsuta, Atsushi Toya, Keiichi Muraoka et al. Development of a method of partial discharge detection in extra-high voltage cross-linked polyethylene insulated cable lines. IEEE PWRD, 1992, 7 (3):10682 Heizmann T, Aschwanden T, Hahn H et al. On-site partial discharge measurements on premoulded cross-bonding jionts of 170kV XLPE and EPR cables. IEEE PWRD, 1998, 13(2):3303 Ahmed N H, Srinivas N N. On-line partial discharge detection in cables. IEEE DEIS, 1998, 5(2):181(收稿日期 1999-06-25)XLPE电力电缆局部放电的在线检测作者：罗俊华， 马翠姣， 邱毓昌作者单位：西安交通大学,西安,710049刊名：高电压技术英文刊名：HIGH VOLTAGE ENGINEERING年，卷(期)：1999，25(4)被引用次数：26次1.Ginzo Katsuta.Atsushi Toya.Keiichi Muraoka Development of a method of partial discharge detection in extra-high voltage cross-linked polyethylene insulated cable lines 1992(03)2.Heizmann T.Aschwanden T.Hahn H On-site partial discharge measurements on premoulded cross-bonding jionts of 170kV XLPE and EPR cables 1998(02)3.Ahmed N H.Srinivas N N On-line partial discharge detection in cables 1998(02)1.期刊论文郭灿新.张丽.钱勇.黄成军.姚林朋.江秀臣.GUO Can-xin.ZHANG Li.QIAN Yong.HUANG Cheng-jun.YAO Lin-peng.JIANG Xiu-chen XLPE电力电缆中局部放电检测及定位技术的研究现状-高压电器2009,45(3)综述了XLPE电力电缆局部放电检测技术的研究现状,重点介绍了用于电缆的各种局部放电检测技术和定位方法.根据检测原理及选用传感器的不同,目前电缆局部放电的检测方法大致有声发射法、电容耦合法、电感耦合法、超高频法和方向耦合法等.对于电缆而言,局部放电源定位具有重要的实际意义,笔者在讨论电缆信号传输模型的基础上,给出了目前主要的定位方法,包括时域反射法及多种改进技术.根据各种方法优缺点的综合比较,对各种方法的适用性分别进行了论述,同时结合电缆局部放电检测的实际需求,对未来的研究方向进行了展望.2.学位论文罗俊华XLPE电力电缆绝缘特性试验方法的研究2003目前,XLPE电力电缆竣工交接试验或预防性试验方法的可操作性、发现电缆绝缘早期缺陷的有效性以及与工频电压试验的等效性尚处于积累运行经验过程之中,仍需进行大量研究.该文系统地研究XLPE介质树枝状老化机理和微观结构,着重对XLPE绝缘电力电缆绝缘特性试验方法进行了理论和试验研究,并提出有效性和等效性综合评价.同时,提出基于分形理论的电力电缆局部放电高频宽带电磁耦合在线测量方法,并在运行现场进行了实际在线测量试验,填补了电力电缆局部放电高频宽带电磁耦合在线测量技术的空白.树枝早期老化的研究表明:水树枝转变成为电树枝是XLPE绝缘电力电缆发生介质电击穿或电热击穿的根本原因,而直流电场的空间电荷效应是加速水树枝向电树枝质变的重要因素.论文采用分形理论模拟仿真了介质树枝状老化的分形特征,即不论树枝的长度和形态存在多少差异,不论显微镜放大倍数如何变化,水树枝形态的分形维数约1.66±0.03,电树枝形态的分形维数约1.36±0.02.针对XLPE电力电缆的人工模拟绝缘缺陷和实际运行中出现的绝缘缺陷,同时进行了直流、工频、振荡波和超低频电压下平行比对击穿试验、介质损耗试验以及局部放电试验,首次确定了直流电压试验、0.1 Hz超低频电压试验和kHz振荡波电压试验与工频电压试验的等效系数,分别为K<,DC/AC>=2.6~4.3、K<,VLF/AC>=1.2~2.6和K<,OW/AC>=1.1~1.8.并推荐0.1Hz超低频电压试验作为配电系统XLPE电力电缆绝缘预防性试验方法;kHz振荡波电压试验作为XLPE绝缘电力电缆竣工试验方法.研究还表明,由于超低频电压的幅值和极性变化缓慢,不利于准确检测介质缺陷的局部放电.振荡波电压下介质缺陷容易发生局部放电,有利于发现介质中的绝缘缺陷,且与工频电压下的试验结果等效性较好.该文基于分维尺度变化量的分形理论,率先建立了高频宽带电磁耦合在线检测电力电缆局部放电信号数字分析系统,在接近VHF频段范围内检测XLPE电力电缆的局部放电脉冲信号,应用分形特征计算方法,能够很好地抑制噪声信号,有效提取局部放电信号波形和关键特征量,灵敏度为1pC.该方法与IEC60270标准的比对试验结果基本一致,基本满足XLPE绝缘电力电缆局部放电在线检测要求,具有较强的抗干扰能力.3.期刊论文罗俊华.邱毓昌.马翠姣急于局部放电频谱分析的XLPE电力电缆在线检测技术-电工电能新技术2002,21(1)基于局部放电频谱特性分析,本文提出在甚高频(VHF)检测XLPE电力电缆的局部放电量,并研制出可应用于XLPE电力电缆运行状态现场在线检测新技术.试验结果表明:该技术在10kHz-28MHz频率范围内可检测XLPE电力电缆本体或附件中小于1pC的局部放电信号.4.学位论文段乃欣用于XLPE电力电缆局部放电检测的宽频带电磁耦合法的研究2003该文研究了一种利用宽频带电磁耦合来检测局部放电的方法,以期主要应用于交联聚乙烯(XLPE)电力电缆的局部放电检测中.XLPE电力电缆近年来已逐渐取代油纸绝缘的电缆,在配电网中得到广泛应用.它保持良好的绝缘状况,是降低事故率,减少损失的重要前提,而局部放电检测是评价XLPE电力电缆绝缘状况的重要方法之一.目前国内对电力电缆局放进行测量所用的频率较低,该文所研究的方法则具有相对较宽的频带.5.期刊论文朱良.李文斐.Zhu Liang.Li Wenfei高频电流耦合法测量XLPE电力电缆局部放电-云南电力技术2009,37(4)分析了影响XLPE电力电缆正常运行的主要缺陷,在实验室情况下对110kVXLPE电力电缆不同缺陷时运行状况进行了模拟,并利用高频电流耦合法实时测量电缆局部放电大小及特征.6.期刊论文朱晓辉.杜伯学.周风争.高宇.李志坚.马宗乐.唐庆华.干耀生高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状-绝缘材料2009,42(5)综述了我国高压交联聚乙烯(XLPE)电力电缆的在线监测及检测技术的研究进展及现场应用状况,对局部放电,温度,接地电流、介质损耗(tanδ)等监测方法的优缺点进行了讨论,认为tanδ监测方法存在工程上难以实现及无法获取电缆局部劣化信息的缺点,不宜在高压电缆系统的在线监测或检测系统中采用.提出了适合我国高压XLPE电力电缆的在线监测技术及检测方法.7.期刊论文朱海钢.冯江.罗俊华XLPE电力电缆局部放电高频检测技术的研究-高电压技术2004,30(z1)一种由带宽为10 kHz～28 MHz的新型局部放电传感器(电流传感器)和基于数学分形理论的局部放电信号识别和数据处理系统的构成的局部放电试验装置,用以在较高的频率范围内便捷地检测电力电缆本体或附件中＜1 pC的局部放电信号,并能够有效地抑制外界噪声干扰.8.会议论文夏荣.赵健康基于0WTS振荡波局放检测和定位技术的超高压XLPE电力电缆测试系统及其应用2009交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆线路局部放电量与电力电缆及附件绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆及附件绝缘存在着可能危及线路安全运行的缺陷，因此，准确测量XLPE电力电缆线路的局部放电量并进行定位是判断其健康水平的最直观、最理想、最有效方法。