趙生傳，時(shí)翔，文艷，崔瀟，張立剛，曲健

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.威海供電公司，山東 威海 263200；3.青島華電高壓電氣有限公司，山東 青島 266102）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展以及舊城改造工程的進(jìn)行，電力電纜在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。電力電纜的基本結(jié)構(gòu)包括線芯、絕緣層、屏蔽層和保護(hù)層四個(gè)部分。其中線芯即導(dǎo)體，是電力電纜中傳輸電能的部分，是電纜的主要結(jié)構(gòu)。絕緣層將線芯與外界電氣上隔離。屏蔽層包括導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層，一般存在于15kV及以上電纜中。保護(hù)層是用來防止外界的雜質(zhì)和水分的滲入和外力的破壞。

電力電纜按照電壓等級(jí)分類有低壓電纜（35kV及以下輸配電線路）、中低壓電纜（35kV及以下）、高壓電纜（110kV及以上）、超高壓電纜（275～800kV）、特高壓電纜（1000kV及以上）。

按照絕緣材料電力電纜可以分為油紙絕緣電纜、塑料絕緣電纜和橡皮絕緣電纜。其中油紙絕緣電纜應(yīng)用歷史最長。它安全可靠，使用壽命長，價(jià)格低廉。主要缺點(diǎn)是敷設(shè)受落差限制。塑料絕緣電纜主要用于低壓電纜，常用的絕緣材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯。橡皮絕緣電纜彈性好，適合用于移動(dòng)頻繁彎曲半徑小的敷設(shè)地點(diǎn)。

我國早期使用的多是油紙絕緣電纜，但自1970年以來，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜得以廣泛應(yīng)用，并逐漸取代了油紙絕緣電纜的地位。XLPE電纜電氣性能優(yōu)越，具有擊穿電場強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗小、載流量大等優(yōu)點(diǎn)因而得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，在電纜投入運(yùn)行后，由于絕緣老化變質(zhì)、過熱、機(jī)械損傷等，會(huì)使得電纜在運(yùn)行中絕緣劣化。為了防止由于絕緣劣化造成電纜運(yùn)行事故，需要對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)控制著電纜及其附件的質(zhì)量。主要的監(jiān)測項(xiàng)目包括負(fù)載的變化和溫度的變化等，然而局部放電是其中最為突出的缺陷指標(biāo)［1］。當(dāng)電纜內(nèi)部絕緣出現(xiàn)缺陷的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致電纜內(nèi)部局部放電的發(fā)生。通過檢測電纜局部放電水平，可以反映出電纜的絕緣情況。而電纜附件又是電纜線路絕緣品質(zhì)最薄弱的環(huán)節(jié)，多數(shù)電纜故障是由于電纜接頭所引起的。因此，對(duì)電力電纜線路尤其是附件的絕緣進(jìn)行局部放電檢測有著重要意義。

2 電纜在線PD檢測手段

由于電纜故障主要發(fā)生在電纜附件位置，而本體較少發(fā)生故障。因此，電纜在線檢測主要檢測電纜接頭位置。

在線PD檢測的主要問題有三:一是傳感器很難接觸到帶電導(dǎo)體甚至不易接觸到金屬護(hù)套；二是傳感點(diǎn)分布在長電纜上，因此它們檢測的信號(hào)在傳輸過程中容易變形扭曲；三是干擾信號(hào)的存在。

測量局放的輻射場常用敏感的場傳感器。這些傳感器通常放在靠近電纜接頭的外半導(dǎo)電層上，常用銅或鋁導(dǎo)體作為內(nèi)置傳感器，半導(dǎo)電層在導(dǎo)體和絕緣之間起一個(gè)連接和均勻電場的作用，防止電場的加強(qiáng)，防止造成局放或早期故障。

內(nèi)置傳感器的缺點(diǎn)在于不夠便攜，而便攜式的傳感器必須安裝在電纜的外部，并通過電感耦合或電容耦合的方法與電介質(zhì)耦合。這樣的傳感器安裝最大問題在于它不僅僅捕捉內(nèi)部信號(hào)，也捕捉外部干擾。

常用的在線PD檢測手段有:高頻電流法，電容耦合傳感器，聲發(fā)射法，超高頻UHF法，甚高頻VHF法等。此外還有一些不太常用的手段，例如定向偶合法［2］、偏振光測量法［3，4］等。

2.1 高頻電流法

當(dāng)電纜內(nèi)部發(fā)生放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻的脈沖電流，并從線芯與金屬護(hù)套之間的電容流入金屬護(hù)套中，然后通過電纜中間或終端接頭流入大地。高頻電流互感器就是安置在中間接頭或終端的接地線上，通過電流耦合的方式來采集局放信號(hào)。高頻電流互感器的頻帶范圍為100kHz～200MHz。

這種檢測方法是一種外置式互感器，因此它受到的外部干擾較為明顯。在12個(gè)高壓室外變電站進(jìn)行了試驗(yàn)，最高達(dá)到132kV。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噪聲和干擾顯著存在。XLPE電纜的PD可接受等級(jí)為10pC而一般戶外變電站的干擾超過1000pC。干擾主要來源于空氣中的電暈放電、污染的表面泄漏電流和高壓設(shè)備的接觸不良。

由于高頻電流互感器是外置式互感器，單純利用HF－CT法檢測到的PD信號(hào)精確度可能不足以滿足系統(tǒng)的要求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)局放信號(hào)的精確測量，可以將HC－CT法與其他方法相結(jié)合來使用。例如將HF－CT法與TEV法相結(jié)合，同時(shí)檢測局部放電時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)接地信號(hào)。

2.2 VHF 法

VHF檢測方法的監(jiān)測頻段集中于VHF頻段（1～300MHz）。這種檢測方法的核心部件是羅氏線圈。與傳統(tǒng)電流測量方法相比，羅氏線圈的優(yōu)點(diǎn)在于避免的電的直接連接。在所有的在線PD檢測中，電容式傳感器和羅氏線圈最為敏感。而電容式傳感器需要置于合適的位置，不能便攜。羅氏線圈（Rogowski coil）避免了這個(gè)缺陷，因?yàn)樗麄冎粶y量全封閉電流。因此羅氏線圈不依賴設(shè)備的幾何形狀。與鐵磁核心的傳感器相比，羅氏線圈不會(huì)受到磁飽和的影響。

羅氏線圈是一種空心環(huán)形的線圈，有柔性和硬性兩種，可以直接套在被測量的導(dǎo)體上來測量交流電流，一次側(cè)的電流會(huì)在二次回路中感生電壓。其二次回路是個(gè)空心線圈。

羅氏線圈是一種較為成熟的技術(shù)，適用于電纜本體或接地線上的信號(hào)檢測。其測得信號(hào)包括PD信號(hào)和干擾信號(hào)。PD信號(hào)的放電電流脈沖具有非常陡峭的波前和短的持續(xù)時(shí)間。通常情況下，在放電脈沖的上升時(shí)間只有若干ns而它的持續(xù)時(shí)間為10 ns的順序。PD脈沖是一個(gè)寬帶信號(hào)，它具有寬的頻率，頻譜高達(dá)幾百兆赫。而噪聲主要存在于低頻段，為了濾除低頻，其一般截止頻率設(shè)為500kHz～1MHz之間。

對(duì)于采集PD信號(hào)的傳感器，需要同時(shí)兼顧靈敏度和帶寬，以及具有良好的屏蔽。如果傳感器的靈敏度低，PD信號(hào)不能被檢測到；如果帶寬很窄，PD信號(hào)可以被扭曲。如果屏蔽是不是合理，PD信號(hào)可以被污染，甚至可能檢測不到。羅氏線圈具有高靈敏度，良好的屏蔽的優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的羅氏線圈的帶寬較窄。如果要擴(kuò)大羅氏線圈的測量帶寬，必須以犧牲靈敏度為代價(jià)。

每個(gè)線圈具有自諧振頻率引起的自感和及其對(duì)環(huán)境中的電容，此外還有匝間電容的存在。這些因素會(huì)造成諧波的產(chǎn)生。諧波使得它的輸出信號(hào)在離散的凹口出現(xiàn)減少和扭曲。為了同時(shí)在提高羅氏線圈測量帶寬的同時(shí)也保證其靈敏度，可以采用對(duì)稱放置二次側(cè)的磁芯電流互感器，減少諧振。

因此，通過選擇合適的測量阻抗和平衡阻抗，羅氏線圈傳感器可以設(shè)計(jì)成用于電力電纜的PD測量。圖1為改進(jìn)的羅氏線圈結(jié)構(gòu)圖。

2.3 UHF 測量法

UHF信號(hào)即頻率為300～3000MHz的特高頻無線電波。傳感器指的是通過接受局部放電時(shí)的特高頻信號(hào)，主要集中于500～1500MHz，其放大器一般設(shè)計(jì)為50dB的增益。超高頻法可以抑制絕大部分來自外部的干擾信號(hào)，這是因?yàn)楦蓴_信號(hào)大多數(shù)低于400MHz。

由于特高頻的信號(hào)在傳輸過程中衰減的特別厲害，所以有時(shí)會(huì)導(dǎo)致早期的局放信號(hào)不能被檢測到。UHF測量方法需要經(jīng)過特高頻放大器的放大。

UHF檢測法具體通過超高頻監(jiān)測設(shè)備用一根電纜連接到兩個(gè)采樣通道的環(huán)上幾件復(fù)用的方法來發(fā)展。這樣的檢測方法可以應(yīng)用于多場所。包括中壓金屬封閉開關(guān)設(shè)備、電力變壓器、配電變電所內(nèi)的局部放電監(jiān)測。以往，使用超高頻的高電壓系統(tǒng)的監(jiān)測安裝在每個(gè)單元中，以方便PD內(nèi)的單元的位置的傳感器的陣列。

2.4 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)（acoustic emission，AE）通過安置在電纜接頭上的AE傳感器，檢測局放產(chǎn)生的信號(hào)。AE檢測到的信號(hào)包括聲音和超聲波，它們都是彈性波。Ae傳感器很容易檢測到由于PD在介電材料中產(chǎn)生的彈性波，但是它很難直接估計(jì)到PD的電荷量，不能判斷出絕緣的惡化程度。

AE傳感器可以估計(jì)XLPE電纜的使用壽命。AE傳感器可以檢測由于局部放電在電介質(zhì)材料中的聲音和超聲波。AE方法具有的優(yōu)點(diǎn)是不受電氣干擾。然而，調(diào)查表明，在電纜接頭內(nèi)，AE信號(hào)明顯衰減。

然而，由于聲波和超聲波在傳播過程中會(huì)有衰減，故檢測其減少量較為困難。當(dāng)局部放電信號(hào)離AE傳感器較遠(yuǎn)時(shí)，由于彈性波的衰減，檢測結(jié)果可能會(huì)有誤。要評(píng)定局放變化量和絕緣劣化度，必須得知局放位置。XLPE電纜的外絕緣層材料為乙烯－丙烯橡膠（ethylene propylene rubber，EPR），為了測得局放位置，首先要研究彈性波在EPR中傳播過程的衰減，通過衰減系數(shù)來確定局放位置的AE強(qiáng)度。

AE技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它能有效的抵抗電磁干擾，方便裝卸且能識(shí)別缺陷的位置，而它的主要缺陷在于它的靈敏度低，這一點(diǎn)限制了它在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，在一般情況下，它都是作為一種輔助的手段。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以將VHF技術(shù)和AE技術(shù)結(jié)合起來測量電纜的局放信號(hào)。

VHF和AE處于不同的頻段，兩者采集到的信號(hào)比較結(jié)果可以看出，對(duì)于不同的PD信號(hào)來說，他們的頻譜是不同的，而同一種PD信號(hào)在AE信號(hào)和VHF信號(hào)上的頻譜是非常相似的。通過兩者相結(jié)合的方式（如圖2所示），同時(shí)兼顧了抗電磁干擾和靈敏度的要求。通過手動(dòng)移動(dòng)的AE傳感器可以找到缺陷的位置。

2.5 電容耦合法

電容耦合法是采用耦合電容器的方式來進(jìn)行檢測的。電容耦合傳感器有內(nèi)置式和外置式兩種。將金屬箔安裝在電纜接頭或終端，采用高頻電容耦合機(jī)制。在各種測量方式中，電容式傳感器具有較高的靈敏度。根據(jù)實(shí)測信號(hào)，電容式傳感器，靈敏度可以達(dá)到10pC。電容耦合式傳感器的測量范圍較寬，可以測得100kHz～300MHz范圍內(nèi)的信號(hào)，但這個(gè)頻域范圍內(nèi)的噪聲也較為嚴(yán)重，容易受到外界信號(hào)的干擾。

外置式電容耦合傳感器比高頻電流傳感器具有更好的靈敏度，能提供更典型的局放模型。此外，外置式電容耦合傳感器可以安裝在任何位置，拆卸方便。外置式傳感器一般用于電纜本體或直通型電纜接頭中。

內(nèi)置式電容耦合傳感器一般置于外半導(dǎo)電層上。金屬箔包裹住電纜本體或應(yīng)力錐的半導(dǎo)體層，然后金屬箔與同軸信號(hào)電纜的內(nèi)半導(dǎo)體層，而信號(hào)電纜的屏蔽連接到高壓電纜的的中性點(diǎn)。這樣金屬箔在高壓導(dǎo)體和接地屏蔽之間形成一個(gè)電容分壓器。內(nèi)置式電容傳感器的敏感度取決于它的安裝條件，影響敏感性的主要因素是金屬箔和地護(hù)套之間形成的電阻。

內(nèi)置式電容耦合傳感器的好處在于對(duì)外界干擾信號(hào)起了一起屏蔽的作用。PD檢測的頻率范圍取決于從源到原始局放脈沖的傳播路徑和傳感器的電容量。電纜的單位阻抗約為30Ω，主要取決于電纜的結(jié)構(gòu)和材料的特性。如果局放發(fā)生位置離傳感器有一段相對(duì)較長的距離，那么由于電纜的阻抗作用，局放脈沖到達(dá)時(shí)衰減和分散會(huì)相對(duì)嚴(yán)重。

內(nèi)置式電容式傳感器可以用來EHV電纜（extra high voltage cable）和測預(yù)制式電纜接頭（pre－fabricated type joints）中，特別是三相互聯(lián)的高壓電纜接頭中。與羅氏線圈相比，電容式傳感器更容易安裝在電纜交叉互聯(lián)箱。

3 結(jié)論

電纜中間接頭內(nèi)置式局部放電UHF傳感器相比其他測量方法具有測量靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合在現(xiàn)場電纜故障檢測中應(yīng)用。

［1］C.G.Henningsen，K.Polster，B.A.Fruth，and D.W.Gross，"Experience with an on － line monitoring system for 400 kV XLPE cables，"in Transmission and Distribution Conference，1996.Proceedings.，1996 IEEE，1996:515－520.

［2］D.Pommerenke，T.Strehl，R.Heinrich，W.Kalkner，F(xiàn).Schmidt，and W.Weissenberg，“Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems，”Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，vol.1999.6:814 －824.

［3］Y.Tian，P.L.Lewin，J.S.Wilkinson，G.Schroeder，S.J.Sutton，and S.G.Swingler，“An improved optically based PD detection system for continuous on－ line monitoring of HV cables，”Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，vol，2005，12:1222 －1234.

［4］Y.Tian，P.L.Lewin，D.Pommerenke，J.S.Wilkinson，and S.J.Sutton，"Partial discharge on－line monitoring for HV cable systems using electro － optic modulators，"Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，vol，2004，11:861 －869.