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摘要：近些年来，国内外高压电力系统高速发展，高压输电线缆的投入使用也大幅增加，为了确保电力电缆的稳定、持续、可靠运行，针对高压输电线缆的检测技术也备受各国专家学者关注，对于高压电缆局放监测技术研究就是其中的重点之一。鉴于此，文章结合前人的研究经验及本人的实践工作经验分析了高压电缆局放监测技术的相关内容，仅供参考。
关键词：高压电缆；局部放电；监测技术
引言
根据统计数据，电缆线路发生故障的部位主要在其附件上。电缆终端头与中间接头往往是由于制作工艺不良、设计不良、材料选择不当而造成的缺陷。电缆本体局部缺陷主要是因为制造、运输过程及敷设等原因造成，电缆本体及其附件的缺陷对电缆的稳定运行带来极大的隐患，而且电缆大多埋设在地下，运行环境恶劣，维护、故障探查比较困难，因此，新建高压电缆进行交接试验时，同步局部放电监测尤为重要。
一、高压电缆局部放电现象的背景及诱因
局部放电指的是在电场发挥作用的情况下，电力设备中只有部分位置出现放电现象，但导体并没有被电压击穿形成放电通道，也就是击穿的情况还没有发生。局部放电产生的主要的因素是电介质的不均匀分布，导致绝缘材料各个部位的电场强度不一致，电缆部分地方产生的电场强度达到了击穿场强，这样就会导致局部放电的发生，但电缆其他部分仍然具备绝缘性能。电气产品当中的固、液绝缘体在制作的过程中不可能处于非常致密的状态，其中会掺杂一些如碎粉、气泡的杂质，这样会使电缆在制作的过程中就产生绝缘老化的问题，另一些则是在使用的过程导致了老化的情况出现。这些气泡、碎粉的电导和电参数与绝缘材料之间的电导和电参数存在明显的差异，当外部电压作用在电缆上时，杂质和正常线缆就会有不同的分压作用，在这些杂质表面就会有较高的电压产生，并当电量逐步累积后这些杂质表面的场强超过了杂质的耐压值，此时杂质部位就会产生局部放电的现象。研究表明，在电场的作用下电缆绝缘老化的主要原因是局部放电，并且局部放电对电缆的侵蚀作用表现在以下几点：（1）带电粒子的冲击对绝缘层的分子结构产生破坏作用。（2）带电粒子的冲击，使局部绝缘出现升温现象，导致绝缘层碳化或者燃烧。（3）局部放电对绝缘层的破坏释放出臭氧或者氮的氧化物并与空气中的水分等发生化学反应，加速其腐蚀。
电力电缆发生局部放电的主要原因有以下几点：（1）绝缘老化。化学原因会造成绝缘层出现老化的现象，空隙中出现电晕的电气老化，水汽对电缆形成入侵效应，发生水树枝老化，电缆介质损耗角的正切值和直流漏电电流等数据可以对电缆老化的具体情况进行判定，前者可以实现在线监测，后者则需要停电之后才能检查。（2）外力损坏。在外力作用下，比如挖土、运输等行为就会对其形成破坏作用。一些车辆处于超载状态，从道路驶过之后会对电缆造成破坏。（3）过电压。电缆的电流电压超过一定限度之后，电缆承受的负荷就会超过一定界限，进而对绝缘层形成破坏作用，发生击穿现象。雷击也会非常容易造成这种情况。（4）材料问题。电缆在制作过程中，很可能会造成绝缘层出现裂痕、缺口等，附件强度不足，砂眼无法适应使用要求等问题。如果电力电缆中长期存在不间断的局部放电现象，那么它将会对电力电缆造成一个持续性、永久、不可恢复的损伤，这种损伤日积月累并最终导致电缆发生绝缘击穿。这不仅仅是经济发展问题，更是人们的安全问题，因而对局部放电及其强度的检测就成为了判断电力电缆绝缘性的可靠和重要的方法。
二、高压电缆局放监测技术的原理及监测步骤
1、监测技术的基本原理与方案设计
现阶段，对于高压电缆局部放电主要针对的是电缆表面或内部绝缘层的局部高压放电，因而局部放电监测一般多指高压电缆绝缘层的局部放电在线监测。高压电缆局部放电在线监测实现的基本原理是局部放电的原理与特点。当高压电缆发生局部放电时，变压器内部就会产生超声波、电辐射、光、电脉冲等，容易造成变压器内部温度过高，导致变压器烧毁现象发生。如果局部放电是发生在油中，那么放电的同时还会伴随有气体的产生，从而增加能量损耗。为实现对局部放电全方位准确的监测，超声波测量、电辐射测量、声光信号检测、电脉冲测量、红外线测量、超高频测量等许多与局部放电有关的检测方法应运而生。这些方法对高压电缆局部放电的检测有直接检测和间接检测两种形式。根据局部放电特点与原理，以及在线监测系统的设计要求。本文决定采用定位精度高、抗干扰性强的超声波定位法对高压设备强电局部放电进行监测。
2、局部放电监测基本步骤
利用超声波定位法对高压电缆局部放电监测的基本步骤大致如下：首先，利用系统传感器对电缆局部放电位置发出的超声波信号进行采集与滤波处理，利用双转换器将模拟超声波信号转换成数字信号。然后，对转换后的超声波信号进行模式识别，以判断出电缆局部放电量的大小与类型；同时对转换后的超声波信号进行延时计算，对超声波信号到达各传感器之间的时间差及各传感器的空间坐标进行求解。最后，依据求出的传感器空间坐标与超声波信号到达各传感器之间的时间差来对高压电缆局部放电点的具体位置进行准确定位．再借助计算机、图像处理软件将放电点的具体位置以三维立体形式显现在高压电缆相应的模型之中，最终完成对高压电缆局部放电的在线监测。
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三、常见的高压电缆局放监测技术
1、差分法
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检测方法。常用于110kV及以上等级的电力电缆局部放电信号采集，差分法是利用电容耦合传感器能从局部放电信号产生的电场中耦合能量，并能直接得到电信号的原理实现的，属于电测法中的一种。由于其安装十分简单，也不用破坏电缆，所以适用于现场在线检测。在差分法实验中，信号采集、检测的频率范围约为3-12MHz。据日本方面对差分法在局部放电检测中的应用显示：将差分法与神经网络结合起来应用的检测方法可以对电力电缆系统中接头的局部放电进行有效的定位，并且检测其放电量的灵敏度可以达到0.2-4pC。国内外的许多研究人员与研究机构都基于差分法研制了各类不同的传感器。例如重庆大学研制的宽频带电容型内置传感器，该传感器也是基于电容耦合原理对电力电缆的接头部位进行局部放电信号检测，在实验室中利用宽频带电容型内置传感器对高压电缆进行了局放检测，结果表明该传感器可以有500MHz的有效频带。
2、方向耦合法
方向耦合传感器在使用和安装的过程中，需要将其安装在电缆的外半导体层和金属屏蔽层之间，并且在电缆接头两侧都需要安置方向耦合器。如果电缆中存在局部放电情况，局部放电信号就会在电缆中传输，于是在等效电容和线圈之中就可以检测到脉冲信号。国外在超高频检测方法的研究领先于国内，并且已经有成熟的产品投入使用，例如德国柏林的380kV，6.3km的电缆上就利用了方向耦合传感器，其测量频带高达几百兆赫兹。而国内仍然处于起步阶段，还需要更多的研究和现场实验结果的积累。
3、超声传感法
较早的在现场测量局部放电的检测方法中，超声波技术是比较成功的方法之一。由于电力电缆在发生局部放电的时候会产生声音信号，并且其信号的频带较宽，在离电缆一定距离内可以用超声传感器检测到，压电晶体常常被用于超声传感检测系统中，其工作频带为60-300kHz。因为超声波法是不需要破坏电缆绝缘层的非侵入式检测方法，且所需检测的声信号受外界的电磁波干扰较小，只受噪声信号干扰，而一般噪声信号的频率范围与局部放电的声信号不处于一个频率范围，所以超声传感法是一种适用于现场检测的理想方法。在电力电缆中声音信号的传播速度不是很快，所以还可用利用声波反射法进行局部放电的定位。由于声音信号在长距离电缆中衰减严重，信号采集与识别比较困难，所以超声波检测法受信号采集的精度限制，没有广泛应用于实际的局部放电在线检测中。目前，超声波检测技术主要应用在电缆接头及其附近的局部放电信号点的检测，其检测的时候可以按照实际情况，分固定安装传感器和便携式传感器来进行局部放电的现场检测。
四、高压电缆局放监测技术的具体应用
1、试验电缆概况
2014年12月，某供电公司在220kV电缆线路上开展了带局放检测的交流耐压试验。220kV电缆线路采用双回路，线路长度800m。电缆全程采用单芯1600mm2铜芯交联聚乙烯绝缘电缆，电缆额定电压为220kV，电容量为0.214μF/km。电缆全线采用隧道敷设，每回电缆线路有１组绝缘中间接头。GIS终端采用电压保护器接地，户外终端采用直接接地；中间接头金属屏蔽一侧直接接地(GIS侧)，一侧保护接地(户外终端侧)。
2、试验设备的布置方案
在开展带局放检测的交流耐压试验时，在电缆线路的全范围内的户外终端、中间接头、GIS终端上安装局部放电采集单元(高频CT)，与各自检测单元相连，并用光纤将所有检测单元手拉手与位于户外终端(加压侧)的检测主机相连接。所有检测单元的操作和控制通过检测主机电脑实现。在耐压试验的同时对中间接头和终端进行局放检测。同时，拆除中间接头的保护箱屏蔽罩，并用短接线将两侧电缆金属屏蔽直接短接。拆除GIS终端接地保护箱的保护罩，断开护层保护器，并用接地线在加压过程中暂时直接接地。
3、信号采集方式
第一，局部放电信号采集方式。高频传感器(HFCT)用于局部放电信号的采集。中间接头接地箱的高频CT安装在短接线上；户外终端接地保护箱的高频CT安装在接地线上，GIS终端保护接地箱的高频CT安装在接地保护器临时短接线上。第二，同步电压信号采集方式。同步电压信号采集器安装在电缆的本体上。采集器实际采集的是电流信号，其相位与电压相位相差固定为90°，通过局部放电检测仪器对此相位差进行校正。3台局放检测单元的信号采集使用同一个同步信号进行电压同步。
4、试验方法及数据分析
在对电缆施加电压前，首先对线路的背景干扰进行测试。根据背景干扰信号的测试数据，对其进行频谱特性分析发现，干扰信号的频率成分基本在2.5MHz以下。因此，电源信号在3MHz左右干扰最小，故主要以3MHz±250kHz的信号谱图进行分析。通过带局放检测的交流耐压试验，试验检测到来自于电抗器的放电信号及其沿电缆各个接头传播信号。从频谱图上可以看出，试验没有检测到其他来源的局部放电信号，未检测到电缆接头及本体的局部放电。
结束语
综上所述，局部放电监测技术在电力企业高压电缆运行过程中发挥着非常重要的作用，它可以对设备的局部高压放电类型与大小进行及时准确的监测、定位与识别，从而保障整个电力系统安全可靠运行。但随着相关技术的不断更新，高压电缆局部放电监测技术也应该与时俱进，在放电点位置定位、类型识别、干扰型号识别与抑制方面进行不断加强，以此促使其发挥更大的作用。
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论文作者:郭涛,杨博超,成洪刚,李宏峰,章啸
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/18
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