（广东电网有限责任公司惠州供电局 广东惠州 516000）
摘要：XLPE电缆由于绝缘性能优越、线芯允许运行温度更高、环保、易于制造和安装方便等优点，相关的技术研发和应用备受关注。XLPE电缆在制作过程中混入杂质而出现气泡、水分入侵使绝缘受潮、场强不均匀、绝缘层中出现水树枝等复杂因素的长期作用下可能出现局部放电，运行可靠性显著降低，严重威胁电力系统的运行安全。文中分析了XLPE电缆局部放电的机理，综述了目前XLPE电缆局部放电的试验方法并对不同方法的特点做了分析，进而对目前XLPE电缆运行状况的检测方法进行总结，包括在线和离线两类检测方法及一些新的检测方法，分析了不同方法的适用性。
关键词：XLPE电缆；局部放电；交流耐压试验；检测技术
1 引言
随着城市电网与农村电网的快速发展，电气设备容量日益扩大，社会对电力需求持续增长，对输电线路的可靠性要求也不断提高，电力系统中电力电缆的敷设已经成为电网改造或新线路设计的主要方式。特别是由于城市化进程的加速，城市建设与电力建设的矛盾日益加剧，电网的运行会受到城市建设的影响，而城市的外貌又会受到电网建设的影响。为了解决这个矛盾，现代电力电缆的敷设方式大多采用地下电缆的形式，因此，城市电网中电力电缆所占的比重越来越大。20世纪60年代初，交联聚乙烯绝缘型电缆（cross-linked polyethylene insulated cable，XLPE电缆）由于绝缘性能优越、线芯允许运行温度更高、环保、易于制造和安装方便等特点，在高压和超高压中得到了广泛应用，相关的技术研发和应用备受关注。
英国莱斯特大学Dissado教授课题组[1]指出，电缆在正常运行时各参数应该是正常的，如图1所示。而当XLPE电缆在制作过程中混入杂质而出现气泡、水分入侵使绝缘受潮、场强不均匀、绝缘层中出现水树枝等，这些部位在电场长期作用下就有可能出现局部放电[2]。局部放电是发生在设备绝缘内部，但并未贯通高低压电极的放电现象，会造成绝缘局部温升、绝缘分子结构碳化破坏等，最终导致电缆寿命缩短。局部放电对传统的油浸纸绝缘电缆的绝缘性能影响较小，而对于固体绝缘电缆，如XLPE电缆，会造成其绝缘的永久性损伤，导致绝缘材料不断老化甚至击穿，威胁电网的安全稳定运行[3]。
图1 电缆正常运行时各参数的指标
随着试验和检测技术的发展，国内外运行经验和研究成果表明：电力电缆的性能或使用寿命与绝缘层中的水树枝有密切的关系，而局部放电测量可以有效地定量分析树枝状劣化程度，因而局部放电与电缆绝缘老化是分不开的[4]。电缆的局部放电（partial discharge，PD）的频率范围分布在100 MHz~1 GHz之间，放电量可达到1 000 pC[5]。在树枝引发初期，XLPE电缆的局部放电量只有约0.1 pC；当树枝发展到介质击穿临界状态时，其局部放电量可达到1 000 pC。所以检测XLPE电缆的局部放电量是合理处置故障隐患、保障电缆安全稳定运行的最直观、理想、有效地方法。
长期以来，XLPE电缆的局部放电机理、局部放电试验方法、检测技术及评估方法等一直是人们关注的重要研究方向。本文分析了XLPE电缆局部放电的机理，介绍了目前XLPE电缆局部放电的试验方法并对不同方法的特点做了分析，进而对目前XLPE电缆运行状况的检测方法进行总结，包括在线和离线两类检测方法及一些新的检测方法，分析了不同方法的适用性。
2 XLPE电缆局部放电机理
XLPE电缆从绝缘老化到击穿的演变历程如图2所示，XLPE电缆绝缘故障的起点为气隙、杂质、凸起毛刺等缺陷，这些缺陷再加上电场、热、机械力、环境（水的存在）等老化因素，就会以局部放电、水树枝、电树枝等老化形态表现出来[6]。从图2中可知，局部放电是XLPE电缆性能降低的主要原因之一。
图2 XLPE电缆从绝缘老化到击穿的演变历程
IEC 60270-2000《高电压试验技术：局部放电测量》标准中给出了局部放电的定义：一种导体间绝缘仅被部分桥接的可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生的电气放电。这种放电一般是由于绝缘体内或绝缘表面的电场特别集中而引起的，通常表现为持续时间小于1ms的脉冲，但也可以出现连续的形式，比如气体介质中的所谓无脉冲放电[7]。将液体绝缘的气泡、固体绝缘的空隙等效为电容C1，空隙的上层以及下层的绝缘材质等效为C2，临近部分的完好绝缘等效为C3，得到局部放电模型与等效电路如图3所示。
图3 局部放电的等效电路图
根据绝缘层中存在微孔的模型，最大允许微孔尺寸经验式如式（1）所示[8]：
（1）
式中：2a为微孔直径，mm；U为施加电压，kV；r0为绝缘层内半径，mm；R0为绝缘层外半径，mm。
XLPE电缆的结构构造如果不满足式（1）的要求就会发生局部放电现象。XLPE电缆局部放电过程中会伴随着产生各种物理、化学现象：电脉冲、电磁波、超声波、发光以及一些新的分解物，并引起局部过热。
3 XLPE电缆交流耐压试验及局放技术
按照阶段划分，电力电缆试验主要分为出厂前的出厂试验、施工阶段的交接试验和运行后的例行试验和诊断性试验。2015年国家电网公司颁布的Q/GDW 11316-2014《电力电缆线路试验规程》企业标准中，明确橡塑绝缘电缆的交接试验必须进行主绝缘交流耐压试验，而且66 kV及以上的电缆还应同时开展局部放电试验。
目前常见的电缆耐压试验方法主要有0.1Hz超低频耐压、直流耐压、工频耐压、变频耐压、等，它们的优缺点总结如表1所示。对于XLPE电缆而言，超低频法与直流耐压法由于等效性不是很好，工频谐振法又无法在现场进行大容量、长距离电缆的耐压试验，所以变频串联谐振耐压是现场试验最可行，也是CIGRE B1.28主推的方法。
浙江万马集团电气有限公司的陈林军[9]提出了一种分布式局部放电检测技术，使用了选频式高频电流法的检测手段，并以某省敷设的长11 km、220kV的电缆为例，使用光纤及无线混连方法的同步分布式局部放电检测方法进行现场交接试验，结果显示此线路的ABC三相成功通过了历时一小时的1.7U0耐压试验。该方法能够对电缆及其相关附件的局部放电缺陷进行检测，也可以使局部放电监测耐压试验准确进行。
表1 电缆耐压试验方法比较
南京供电公司的韩宇泽等人[10]设计了一套高压电缆交流耐压同步局放测量的试验引线系统，可用于封闭式变电站中，并在南京地区某220kV实际电缆线路工程的交接试验中进行了验证，如图4所示。
图4 现场试验设备接线示意图
4 XLPE电缆局部放电检测
4.1 离线监测方法
4.1.1 脉冲电流法
脉冲电流法被认为是最灵敏的检测方法，在XLPE电缆离线局部放电检测中广泛应用脉冲电流法的基本原理如图5所示：当试品CX产生一次局部放电时，脉冲电流经过耦合电容Ck在检测阻抗两端产生一个瞬时的脉冲电压ΔU，脉冲电压经传输、放大和显示等处理，可以测量局部放电的基本参量[10]。
图5 脉冲电流法基本原理示意图
4.2 在线监测方法
由于大多数电缆埋于地下，在线测量比较困难，一般对局放信号进行采集和分析，从而完成测量。XLPE电缆在线监测方法需要使用传感器，各种传感器的放置位置如图6所示[11]。
图6 电缆局部放电监测传感器放置图
4.2.1 方向耦合传感器法
方向传感器是将电感耦合和电容耦合结合起来，传感器安装在电缆中间接头两侧，以达到辨别局部放电电流脉冲流动方向的目的。方向耦合器的电缆安装图如图7所示。上海交通大学电子信息与电气工程学院的宫黛等人[12]在工频下对方向偶合器工作原理进行了试验验证，并设计制作了方向耦合器，然后模拟产生局部放电高频电流脉冲，在110 kV XLPE电缆上进行试验，验证了方向偶合器测量局部放电脉冲方向的可行性。
图7 方向耦合器的电缆安装图
4.2.2 电磁耦合传感器法
电磁耦合法是基于罗戈夫斯基的检测原理，将罗戈夫斯基线圈安装在电缆终端屏蔽层的接地线上，通过电磁感应提取出局部放电脉冲。其结构图和传感器等效电路图如图8所示。XLPE 电缆接地线垂直地从线圈中央穿过，通过罗戈夫斯基线圈可感应出高频脉冲电流信号，经过图9传感器等效电路图积分电阻即可对信号进行提取。广东电网佛山供电局麦洪等人[13] 基于电磁耦合法，研制了用于XLPE 电缆的局部放电传感器，通过数学模型分析及试验对比，确定了最优的积分电阻及线圈匝数等传感器关键参数，该传感器可以较好地提取出XLPE电缆中的局部放电信号。
图8 罗戈夫斯基线圈型电流传感器结构图
图9 传感器等效电路图
4.2.3 电容耦合传感器法
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出来的成果。其传感器示意图如图10所示。
国网河南省电力公司电力科学研究院的王天等人采用内置电容耦合法，提出基于等效电路仿真的电缆带电校准方法，并在实验室35 kV 电缆上与IEC 60270-2000标准中规定的端部校准方法进行对比分析。实验结果显示，该方法获得的校准系数准确度与标准端部校准有较好的吻合度。
图10 电容耦合传感器示意图
图11 超声波检测法原理框图
4.2.4 超声波检测法
超声波检测系统通常采用压电晶体作传感器。当XLPE电缆发生局部放电时，放电处会产生超声波并向周围传播，压电传感器的两个端面上产生的交变束缚电荷会引起端部金属电极上电荷的变化或在外回路引起交变电流，据此可以判断高压电缆是否发生了局部放电，其原理框图如图11所示。
4.2.5 光学检测法
文献[20]指出：近年来国内外学着研究的甚高频（VHF）和超高频（UHF）脉冲电流传感器由于高频率段的局部放电信号极其微弱，测量时表现不稳定。因此光学方法测XLPE电缆局部放电具有广阔的前景。
文献[14]中重点介绍了基于迈克尔逊、马赫-泽德尔和法布里-帕罗 3种干涉原理的光纤传感器在局部放电检测中的应用。由于法布里-帕罗干涉法具有如下的优点：
1）光纤沿线的扰动不会影响到测量结果；
2）能抑制超声振动多路径传播带来的影响；
3）能够达到最大的干涉对比度；
4）F-P干涉检测系统可以作为一种点式传感器；
因此该方法具有显著的应用价值，其检测系统如图12所示。
图12 法布里-帕罗干涉光-振动检测系统
5 结论
文中系统综述了XLPE电缆的局部放电机理、局部放电试验方法、离线及在线的检测技术。这些传感器的使用备有优点和缺陷，需要针对使用现场及要求进行选择。
参考文献：References
[1]Fothergill J C.Ageing，Space Charge and Nanodielectrics：Ten Things We Don't Know About Dielectrics[C]// IEEE International Conference on Solid Dielectrics.IEEE，2007：1-10.
[2]黄肖为.110KV交联聚乙烯电缆绝缘品质评价的研究[D].华北电力大学（北京），华北电力大学，2016.
[3]赵婧，刘博志.电力电缆局部放电定位方法的研究[J].工程技术：引文版，2016（10）：00236-00236.
[4]陆志雄，沈谅平.XLPE电力电缆局部放电检测技术综述[J].湖北电力，2004，28（4）：26-28.
[5]朱晓辉，杜伯学，周风争，等.高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状[J].绝缘材料，2009，42（5）：58-63.
[6]刘飞，江平开，雷清泉，等．基于统计分析和模糊推理的运行交联聚乙烯电力电缆绝缘老化诊断（英文）[J]．高电压技术，2013（8）．
[7]IEC 60270-2000，High voltage techniques-partial discharge measurements[S].
[8]汪培月.XLPE高压电缆绝缘监测与试验研究[D].华中科技大学，2011.
[9]韩宇泽，储强，周平，等.封闭式变电站中高压电缆交流耐压同步局放测量的试验引线系统研究[J].电线电缆，2017（2）：41-46.
[10]邱太洪，王俊波，李国伟，等.高频脉冲电流法在XLPE电缆终端带电测试中的应用[J].高压电器，2015（5）：99-103.
[11]程元震，程璐.传感器在XLPE电缆检测中的应用[C]// 全国石油和化学工业电气技术年会.2009.
[12]宫黛，孙静，孔德武，等.110kV XLPE电缆局部放电在线监测的方向耦合器技术实验研究[J].高压电器，2014（11）：51-56.
[13]麦洪，张伟忠，张一鸣，等.基于电磁耦合法XLPE电缆局部放电传感器的研制[J].电气自动化，2015，37（4）：115-117.
[14]吴延坤，喻岩珑，武炬臻，等.光学方法在电力电缆局部放电测量中的研究现状[J].电网与清洁能源，2011，27（8）：7-12.
论文作者:巫小彬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/2
标签：电缆论文; 局部论文; 耐压论文; 传感器论文; 脉冲论文; 所示论文; 在线论文; 《电力设备》2017年第34期论文;