国内外几种电缆局部放电在线检测方法技术分析

国内外几种电缆局部放电在线检测方法技术分析李华春周作春张文新从光北京市电力公司100031[摘要]：本文简要的介绍国内外几种电缆局部放电在线检测方法的原理和特点，并进行了简单的分析比较。结合国内外电缆局部放电在线检测方法研究和应用情况提出当前XLPE电缆局部放电在线监测存在的问题以及在高压XLPE电缆附件局部放电在线检测研究方面今后还需要做的工作。[关键词]：电缆、局部放电、在线检测、分析前言常规XLPE电缆局部放电测量多采用IEC60270法，但是其测量频带较低，通常在几十到几百kHz范围内，易受背景干扰的影响，抗干扰能力差。理论研究表明，XLPE电力电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽，最高可达到GHz数量级。因此，选择在信噪比高的频段测量有可能有效地避免干扰的影响。目前国内外已把电缆局部放电测量的焦点转移到高频和超高频测量上。[2][1]。迄今为止，国内外用于XLPE电缆局部放电检测的方法有很多。但由于XLPE电缆局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没，所以研究开发电缆局部放电在线检测技术的难度在所有绝缘在线检测技术中是最高的。由于电缆中间接头绝缘结构复杂，影响其绝缘性能的原因很多，发生事故的概率大于电缆本体，同时在电缆中间接头处获取信号比从电缆本体获取信号灵敏度要高且容易实现，因此通常电缆局部放电在线检测方法亦多注重于电缆附件局部放电的检测，或者在重点检测电缆中间接头和终端的同时兼顾两侧电缆局部放电的检测。电缆局部放电在线检测方法中主要的检测方法有差分法耦合法[6、7、8、9][3、4]、方向耦合法、电磁[13、14、15、16][5]、电容分压法[10]、REDI局部放电测量法[18][11、12]、超高频电容法、超高频电感法[17]、超声波检测法等。在众多检测方法中，差分法、方向耦合法、电磁耦合法检测技术目前已成功应用到现场测量中。下面简要的介绍这些方法的原理和特点。1.电缆局部放电在线检测方法中主要的检测方法1.1.差分法（thedifferentialmethod）差分法是日本东京电力公司和日立电缆公司共同开发的一种方法。其基本原理见图1。将两块金属箔通过耦合剂分别贴在275kVXLPE电缆中间接头两侧的金属屏蔽筒上（此类中间接头含有将两端金属屏蔽筒连接隔断的绝缘垫圈），金属箔与金属屏蔽之间构成一个约为1500～2000pF的等效电容。两金属箔之间连接50欧姆的检测阻抗。金属箔与电缆屏蔽筒的等效电容、两段电缆绝缘的等效电容（其电容值基本认为相等）与检测阻抗构成检测回路。当电缆接头一侧存在局部放电，另一侧电缆绝缘的等效电[3]容起耦合电容作用，检测阻抗便耦合到局部放电脉冲信号。耦合到的脉冲信号将输入到频谱分析仪中进行窄带放大并显示信号。研究发现，频谱分析仪中心频率设在10～20MHz时，信噪比最高。差分法的检测回路类似于差动平衡电路，来自导线芯的噪声信号，在检测阻抗上的两端不能产生压降，因而可以很好地抑制噪声。图1差分法检测结构示意图和原理图利用这一检测原理，日本电力公司将其应用于后来敷设的275kVXLPE电缆局部放电在线监测中。该监测系统除了采用差分法原理检测局部放电脉冲信号外，还采取了许多抗干扰措施来提高局部放电的识别技术。其基本原理如图2，在IJ接头安装检测装置（IJ接头与NJ接头的区别在于：IJ接头内有绝缘筒将两侧金属屏蔽断开；NJ接头内没有绝缘筒，两侧的金属屏蔽是连在一起的），并在接头附近设置一个天线来获取背景噪声信号。耦合到的信号先经过选频放大（信号H的中心频率设定在适合检测该IJ中间接头局放信号的频率上，信号L的中心频率设定在适合检测相邻的NJ中间接头局放信号的频率上，信号H和L的中心频率各不相同；而h、l则为天线耦合到的信号经过相应选频放大后的信号）。放大后的信号经调制通过光纤传到监控站，在远端经解调还原回电信号。图中噪声门的作用是：对比差分法装置检测到的信号与天线耦合到的噪声信号，将两者中对应的信号视为噪声信号并给予剔除。持续门的作用是：根据放电脉冲信号出现的频繁程度判断是否为局部放电信号并输出该信号。NJ门的作用是：将两侧噪声门输出的结果中相对应的信号视为局部放电脉冲并输出该信号。若IJ1接头发生局部放电，则信号H将检测到放电脉冲，信号被传输到监控站，并经过噪声门、持续门识别后，输出的信号视为来自IJ1接头的局部放电脉冲，并将数据经A/D转换送到计算机进行记录、监控和模式识别等；若NJ接头发生局部放电，则在相邻的两个检测装置均有脉冲信号输出，两侧信号L经噪声门、NJ门、持续门识别后，输出的信号同样视为来自NJ接头的局部放电信号。因此，无论局部放电发生在IJ1、IJ2接头，还是在NJ接头，该检测系统均可检测并判断出放电位置来。据报道，整套检测系统具有很好的识别效果，准确率高达99.91％。据日本运行经验表明：差分法配合神经网络识别装置可使整个测量系统对电缆中间接头的灵敏度达0.2～4pC。[4]这种方法在现场得到应用，可是应用起来相对比较麻烦，测量需要的时间长，而且对于直埋电缆线路由于无法在接头上安装电极而难以实现，对于直通接头（接头中间没有绝缘节）因为信号无法取出而无法应用。图2基于差分法检测技术的电缆局部放电在线监测系统1.2.方向耦合法（thedirectionalcouplingmethod）另一个成功将XLPE电缆局部放电在线监测技术应用到现场测量的例子是德国柏林的400kVXLPE电缆局部放电在线监测系统。该检测系统通过方向耦合器耦合局部放电信号，方向耦合器结构见图3。方向耦合器由一个插在电缆绝缘上的电极板、一个罗戈夫斯基线圈和两个终端阻抗（分别与端口A、B相连）构成。电极板与金属屏蔽层之间形成一个等效电容，罗戈夫斯基线圈分为性能相同的两部分，连线方式见图4。当局部放电信号沿电缆从一侧（如右侧）传来，在电容和线圈上均可感应出脉冲信号，B端输出的电压信号为电容的电压信号和线圈2的电压信号的叠加；而A端输出的电压信号则为电容与线圈1的电压信号相减。如果电容耦合的信号与线圈耦合的信号大小相等，则B端输出信号则增大，而A端信号则被抵消了。由此可判断局部放电脉冲的传播方向。通常，只需两个端口的电压比值大于8：1即可认为该脉冲信号为局部放电信号且方向可判断。检测系统在电缆中间接头两侧分别安装一个方向耦合器，这样可以根据两个方向耦合器耦合到的局部放电信号的方向判断出该放电脉冲信号是来自中间接头内部还是来自外部。这种方法具有很好的抗干扰能力。现场测试表明，方向耦合器的检测灵敏度可小于5pC。检测系统测量频带最高为600MHz。[5]这种方法最大的问题就是要将传感器植入电缆绝缘上，破坏外面的金属密封防水。应用比较少。图3方向耦合器结构图图4方向耦合器的接线图1.3.电磁耦合法（theelectromagneticcouplingmethod）电磁耦合检测法是一种测量电气设备局部放电的有效手段。这种方法较早应用于发电机、变压器的绝缘监测上。将电磁耦合法应用于XLPE电缆的局部放电检测还是近十几年才开始的,最近几年使用比较普遍。基于电磁耦合法原理的XLPE电缆局部放电的检测装置有很多，这些装置使用的传感器材料、传感器结构、检测位置、抗干扰措施等各有不同。电磁耦合法通常采用带铁氧体磁芯的宽频带罗戈夫斯基线圈型电流传感器，而主要测量位置为电缆终端金属屏蔽层接地引线处。此外测量位置还可为中间接头金属屏蔽连接线、电缆本体上或三芯电缆的单相电缆上等位置。图5为几种可能的测量位置。电磁耦合法用于XLPE电缆局部放电在线监测比较成功的例子是1998年瑞士研制的170kVXLPE电缆局部放电在线监测系统。检测系统由罗氏线圈、前置放大器和频谱分析仪等组成。检测系统以铁氧体磁芯线圈为传感器，磁芯大小为直径36mm，线圈匝数为1匝，积分电阻为50欧姆；测量位置选在170kVXLPE电缆中间接头金属屏蔽的连接引线上，见图6。现场中使用34dB的前置放大器，频谱分析仪频带范围为15～50MHz。检测的基本原理是：当电缆中存在局部放电时，金属屏蔽层中将感应出脉冲电流，脉冲电流流经传感器时，传感器的二次绕组将感应出信号，由此可以获取局部放[7][6]电信息。据报道，该检测系统检测灵敏度可低于15pC。该检测系统目前已经应用于瑞士后来敷设的170kV电缆中间接头上，并取得较好的检测效果。图5局放传感器几种可能安放的位置图6电磁耦合法的电流传感器安放位置图此外，德国汉诺威大学提出的一种的检测方法可提高电磁耦合法的抗干扰能力，可以较好地判断电缆中间接头是否存在局部放电现象。其基本原理是将两个性能相同、绕线方向相反的罗戈夫斯基线圈型传感器安放在电缆中间接头的两侧，两个传感器的感应信号经过一个加法器将信号叠加。这样，当发生在电缆中间接头内的局部放电沿电缆两侧传播经过传感器时，在两个传感器中感应出极性相同的信号，经信号叠加后，得到一个更高幅值的输出信号；相反，当来自电缆接头外侧的局部放电信号或干扰将在两个传感器中感应出极性相反的信号，经叠加后被削弱，见图7。根据这个原理，可以判断电缆中间接头处是否存在局部放电现象。图7电缆中间接头局部放电检测图上述环状结构的传感器只能在电缆施工时预先安装在检测位置上或者在停止设备正常运行的情况下安装，因而具有很大的局限性，因此应用很少。而钳型结构的传感器具有更多的优点，因此得到了更好的应用。新西兰开发了用于XLPE电缆局部放电检测的在线局放检测系统[6]，该检测系统主要由钳型局放传感器和手提式数字贮存示波器组成，可由手提箱带到现场。传感器可暂时或永久性安放在XLPE电缆附件的合适位置上（见图5）。类似的研究近年来比较多，主要是将传感器安放在接地线和交叉互联线上，通过接地线提取局部放电信号，这种方法现在被意大利、日本等多个国家的厂家开发出新出品，并得到比较好的应用。这种方法测量比较方便，适用于直埋、管井和隧道等多种敷设环境，特别适合于长期在线监测，如果采用宽频的传感器可以同时测量电缆附件和电缆本体，有很好的应用前景。具体检测情况见图8和图9。图8电缆终端和中间接头局部放电检测图图9电缆终端和中间接头局部放电检测图1.4.超高频电容耦合法超高频电容耦合法是由英国南安普敦大学、英国电网公司和西安交通大学共同研究的一种XLPE电缆局部放电在线检测的方法[13、14、15]。其传感器示意图见图10。取一段靠近接头的电缆，剥去部分外护套，将金属箔片贴在外半导电层作为电极。信号从耦合器上的BNC头输出，中断的金属屏蔽层经导线连接。在工频电压下，由于外半导电层的阻抗远小于绝缘层的阻抗，则外半导电层可视为工频地电位，故电容耦合器并不影响电缆绝缘效果。在超高频下，外半导电层阻抗与绝缘层阻抗可比，而地电位为金属屏蔽层，故有利于高频信号的测量。该检测方法采用的超高频放大器频带为10MHz～500MHz，数字示波器的采样率为5GS/s。在实验室里测量，灵敏度为3pC。图10超高频电容耦合器示意图1.5.超高频电感耦合法超高频电感耦合法为荷兰提出的一种利用线圈作为传感器对螺旋状金属屏蔽电缆进行局部放电在线检测的方法[17]。超高频电感耦合器的示意图见图11。这种检测方法要求被测电缆金属屏蔽为螺旋带状绕制而成的。当电缆中存在局部放电，局部放电脉冲沿电缆屏蔽传播，该电流信号可分解为沿电缆长度的径向分量和围绕电缆的切向分量。切向分量的电流产生一个轴向的磁场，变化的磁场穿过传感器时，传感器上因磁通变化而感应一个双极性的电压信号。因此检测系统便可检测到局部放电信号。检测系统测量频率最高为600MHz，检测灵敏度为10～20pC，较传统方法高出一个数量级。此外，其受高频信号衰减特性的限制，有效测量距离为10m左右，只能用于电缆附件的测量。近几年，超高频检测技术成为XLPE电缆局部放电在线检测的焦点问题之一。值得注意的是，超高频下信号衰减要比低频信号严重得多，因此超高频检测位置或对象多为电缆中间接头或终端。图11超高频电感耦合器的示意图1.6.超声波检测法除了上述提到的电气测量方法以外，还有很多非电气量的测量方