陳立偉

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南，250101）

0 引言

XLPE 交聯(lián)聚乙烯是一種線性的分子結(jié)構(gòu)，在耐熱、機(jī)械性能方面具有良好優(yōu)越性，具有較強(qiáng)的電氣性能和絕緣性能，在電纜線路中應(yīng)用非常廣泛。但是，隨著我國(guó)城市建設(shè)的腳步不斷加快，城市電網(wǎng)有傳統(tǒng)的架空線路逐漸向電纜隧道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就增加了電纜線路日常維護(hù)的工作難度，故障的隱蔽性和隨機(jī)性增加，電纜線路運(yùn)行的安全性和可靠性降低。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的電力電纜故障是由于電纜附件引發(fā)的，其中以電纜接頭故障率最高，因此，及時(shí)準(zhǔn)確的找出電纜故障點(diǎn)，提高電力電纜運(yùn)行的可靠性成為當(dāng)前電網(wǎng)檢修部門(mén)的工作重點(diǎn)工作。

1 XLPE 電纜故障評(píng)價(jià)及分析

電纜線路的絕緣性能是影響其使用壽命的關(guān)鍵因素，XLPE 電纜正常使用壽命為20～30 年，隨著使用年限不斷增加和環(huán)境因素的影響，電纜線路發(fā)生故障的可能性也會(huì)增加，而且電纜接頭絕緣性能是整個(gè)電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，如果發(fā)生絕緣故障，會(huì)影響到電能輸送的穩(wěn)定性和可靠性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大規(guī)模停電。下面就對(duì)XLPE 電纜的常見(jiàn)故障進(jìn)行深入分析：

1.1 絕緣老化

絕緣老化是XLPE 電纜故障常見(jiàn)的一種，XLPE 材料包裹在電纜導(dǎo)體外圍起到絕緣的作用，但是隨著XLPE 電纜使用時(shí)間的增加，導(dǎo)體通電后的熱效應(yīng)以及使用環(huán)境因素的影響會(huì)產(chǎn)生絕緣老化現(xiàn)象。電纜隧道環(huán)境陰暗潮濕容易產(chǎn)生水老化，在電纜線路運(yùn)行過(guò)程中冷熱溫差的變化容易產(chǎn)生微小的水滴，這些水滴存在絕緣層中，隨著電纜損傷逐漸侵入到絕緣內(nèi)部，導(dǎo)致絕緣損壞，甚至造成嚴(yán)重的電氣事故。

1.2 電纜損傷

電纜隧道是城市電網(wǎng)的主要組成部分，隨著城市建設(shè)的腳步加快，建設(shè)用地大規(guī)模的施工有可能會(huì)對(duì)電纜線路造成機(jī)械損傷。另外，電纜線路敷設(shè)過(guò)程中以及土壤下沉?xí)驗(yàn)槔蛘邚澏冗^(guò)大導(dǎo)致電纜線路機(jī)械損傷。

1.3 材料缺陷

電纜線路由于材料缺陷加上在電和熱的作用下，會(huì)造成材料溫度上升軟化變形，導(dǎo)致絕緣性能降低，其它絕緣損壞。線纜線路設(shè)計(jì)過(guò)程中如果存在問(wèn)題，機(jī)械強(qiáng)度不夠、電場(chǎng)分布不合理也會(huì)導(dǎo)致電纜接頭和終端頭絕緣材料受潮、老化，引起絕緣故障。

1.4 過(guò)電壓

過(guò)電壓是負(fù)荷投切的瞬間結(jié)果，主要是指工頻下交流電壓升高，超過(guò)額定值的10%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)1min 造成擊穿。電纜線路過(guò)電壓大都是由大氣過(guò)電壓以及電纜本身缺陷導(dǎo)致的。電纜線路正常使用時(shí)在感性或者容性負(fù)載接通以及斷開(kāi)情況下發(fā)生。

2 XLPE 電纜接頭缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XLPE 電纜絕緣損是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，一些微小的局部放電如果不能及時(shí)被檢測(cè)出，放電范圍會(huì)逐步擴(kuò)大，最終造成嚴(yán)重?fù)舸?，引發(fā)大面積的停電故障，因此，必須要采取有效措施對(duì)電纜線路尤其是接頭部分進(jìn)行檢測(cè)，最大限度的避免電纜線路絕緣故障。XLPE 電力電纜接頭如果發(fā)生局部放電，可以視為一個(gè)電脈沖信號(hào)源，放電所產(chǎn)生的高頻電磁脈沖信號(hào)會(huì)沿著電纜線內(nèi)部的導(dǎo)體向不同方向進(jìn)行傳播。在XLPE 電力電纜接頭放電部位，放電脈沖電流集中在電纜內(nèi)部金屬屏蔽層上，傳播一段距離后，脈沖電流將會(huì)均勻分布在金屬屏蔽層上，從放電源到均勻分布的脈沖電流，這段距離的長(zhǎng)度主要是由放電脈沖電磁波的波長(zhǎng)決定的，并且這種金屬屏蔽層上的電流將會(huì)在XLPE 電力電纜外部產(chǎn)生一定輕度的磁場(chǎng)，XLPE 電力電纜缺陷檢測(cè)主要就是利用這一原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)XLPE 電力電纜局部放電，電信號(hào)沿電纜線傳播的過(guò)程中造成測(cè)量位置上的磁場(chǎng)變化，傳感器中就可以捕捉到脈沖信號(hào)，進(jìn)而檢測(cè)出XLPE 電力電纜接頭的缺陷部位。

圖1 XLPE 電力電纜系統(tǒng)檢測(cè)流程示意圖

本文重點(diǎn)研究的是電磁耦合法進(jìn)行檢測(cè)，包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、PC 單元四個(gè)部分，主要工作流程包括檢測(cè)信號(hào)、信號(hào)放大、濾波處理、A/D 轉(zhuǎn)換、檢測(cè)結(jié)果處理。將傳感器安裝在XLPE 電力電纜接頭兩端，高壓電線接頭處的屏蔽層是不連續(xù)的，將在縫隙處向外泄露電磁波，傳感器測(cè)量XLPE 電纜接頭的局部放電信號(hào)，既有電纜金屬屏蔽層的脈沖電流感應(yīng)磁場(chǎng)，也有縫隙處的電磁波信號(hào)，因此，需要借助信號(hào)調(diào)理電路部分進(jìn)行濾波處理。XLPE 電力電纜缺陷檢測(cè)流程如圖1 所示。

2.1 傳感器

傳感器是XLPE 電纜絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分，XLPE電纜局部放電時(shí)間短，放電信號(hào)弱，頻譜較寬，傳感器需要具有較強(qiáng)的靈敏度，要求在電纜隧道等特殊工作環(huán)境下能夠有效檢測(cè)出XLPE 電纜局部放電的信號(hào)沒(méi)并且輸出失真小、線性度高。本文主要研究的是羅氏線圈型的寬頻帶電流耦合器，Rogowski 羅氏線圈又稱為電流測(cè)量線圈，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，非鐵磁性材料常用鐵氧體材料制作，通過(guò)一個(gè)對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路，就可以真實(shí)還原輸入電流，尤其是在較低頻帶環(huán)境下，檢測(cè)靈敏度較高，信號(hào)響應(yīng)能力強(qiáng)。羅氏線圈與傳統(tǒng)帶鐵芯的互感器相比，具有測(cè)量范圍寬，檢測(cè)精度高，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)頻帶寬，同時(shí)具有測(cè)量和繼電保護(hù)功能，體積小、重量輕、安全并且符合環(huán)保要求?；诹_氏線圈的具有電流可實(shí)時(shí)測(cè)量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和、幾乎沒(méi)有相位誤差的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于繼電保護(hù)，可控硅整流，變頻調(diào)速以及電阻焊等信號(hào)嚴(yán)重畸變的場(chǎng)合。羅氏線圈結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 羅氏線圈結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，R 是積分電阻，R 值選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)電阻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇，由于鐵芯材質(zhì)不同，環(huán)繞匝數(shù)不同，積分阻值也會(huì)有差異，R 值過(guò)大，工作頻帶會(huì)減??；相反R 值過(guò)小，靈敏度將會(huì)降低。當(dāng)線圈中的導(dǎo)線局部放電時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，積分電阻會(huì)有感應(yīng)電流。羅氏線圈與脈沖電流產(chǎn)生磁通相交鏈，一旦電流通過(guò)整個(gè)線圈中就會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，與導(dǎo)體中的脈沖電流成正比，通過(guò)磁場(chǎng)變化感應(yīng)出電場(chǎng)變化。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

通過(guò)傳感器的耦合作用，可以獲取XLPE 電纜局部放電的高頻電壓信號(hào)，但是該信號(hào)通常較弱，在線路中傳輸會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減，此時(shí)就需要借助信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行補(bǔ)償，完成信號(hào)放大輸出。本文采用的是PXPA Ⅱ型放大器，該放大器工作溫度為-30～70℃，帶寬15kHz～2MHz，配備BNC Q9 接口，增益40dB，經(jīng)過(guò)放大器處理后，XLPE 電纜局部放電信號(hào)得到有效加強(qiáng)，同時(shí)噪聲信號(hào)可以有效過(guò)濾，輸出的信號(hào)滿足數(shù)據(jù)采集卡的要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡主要是將XLPE 電纜局部放電的高頻電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)?？紤]XLPE 電纜局部放電的特性，本設(shè)計(jì)遵循奈奎斯特采樣定理（sampling theory），從而滿足局部放電檢測(cè)的要求。該采樣定理為連續(xù)時(shí)間信號(hào)（“模擬信號(hào)”）和離散時(shí)間信號(hào)（“數(shù)字信號(hào)”）之間的傳輸橋梁。依據(jù)該定理需保證采樣率大于被采集對(duì)象頻率的2 倍，才可避免頻率混迭問(wèn)題，表達(dá)式如下。數(shù)據(jù)采集卡采用USB-9215A 高精度同步數(shù)據(jù)采集卡，采樣率高達(dá)100kS/s，采樣分辨率為16 位，最大輸出范圍-10V～10V，可同步采集4通道模擬輸入數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)得知，采樣率越高，數(shù)字信息波形便越真實(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)譜圖更為準(zhǔn)確。

2.4 PC 單元

PC 單元負(fù)責(zé)分析處理數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，顯示傳感器耦合信號(hào)的波形變化，標(biāo)記出XLPE 電纜局部放電的信號(hào)的特點(diǎn)，便于電力工作人員識(shí)別，通過(guò)PC 程序可以讀取局部放電量的大小以及集中放電的區(qū)域，這些數(shù)據(jù)信息能夠?qū)崟r(shí)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，工作人員可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)取分析。

3 電力電纜接頭缺陷檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

由于XLPE 電力電纜產(chǎn)生局部放電的原因較多，包括材料本身以及電纜敷設(shè)過(guò)程中外力影響都會(huì)造成絕緣損傷，通過(guò)針板放電、內(nèi)部放電、懸浮放電和沿面放電來(lái)驗(yàn)證羅氏線圈電纜接頭缺陷檢測(cè)技術(shù)的有效性。

實(shí)驗(yàn)使用的圓形銅板電極直徑均為50mm，厚度10mm，電極表面和邊緣光滑，電極采用球形螺帽。針板放電在圓形銅板電極上放置直徑100mm、厚度1mm 環(huán)氧樹(shù)脂絕緣板，使用的高壓針尖半徑0.5mm、尖長(zhǎng)15mm；內(nèi)部放電在放電模型上放置兩層厚度為3mm 的環(huán)氧樹(shù)脂板，在板中間開(kāi)有直徑為10mm 圓孔，絕緣板之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)；懸浮放電在直徑100mm、厚度5mm 的環(huán)氧樹(shù)脂板邊緣放置直徑10mm、高10mm 銅柱；沿面放電在兩個(gè)圓形銅板電極間縱向放置一個(gè)直徑10mm、長(zhǎng)10mm 的環(huán)氧樹(shù)脂棒。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐步升高調(diào)壓器電壓，分別使針板放電、內(nèi)部放電、懸浮放電和沿面放電四種模型產(chǎn)生局部放電脈沖，通過(guò)羅氏線圈檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)并儲(chǔ)存信號(hào)，做相關(guān)發(fā)分析處理。通過(guò)四種放電模型進(jìn)行局部放電檢測(cè)，結(jié)果證明了羅氏線圈電纜接頭缺陷檢測(cè)技術(shù)對(duì)于XLPE 電力電纜產(chǎn)生局部放電檢測(cè)靈敏度高、性能良好。

4 結(jié)論

綜上所述，電能是工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中不可或缺的基礎(chǔ)能源之一，隨著城市建設(shè)腳步加快，電纜隧道應(yīng)用已經(jīng)逐漸取代了架空線路，對(duì)于電纜線路檢測(cè)提出了更高的要求，因此，對(duì)電纜線路的日常維護(hù)，就成為確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心工作。XLPE 材料在電纜線路中的應(yīng)用日趨廣泛，電纜接頭絕緣性能又是整個(gè)電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，如何及時(shí)、準(zhǔn)確地尋找XLPE 電纜接頭缺陷故障成為了進(jìn)行檢修維護(hù)的關(guān)鍵任務(wù)。介于此，本文主要分析了羅氏線圈法進(jìn)行XLPE電纜接頭缺陷故障檢測(cè)，為電力電纜在線檢測(cè)局部放電譜圖提供樣本數(shù)據(jù)，并且為日后開(kāi)展電力電纜故障檢測(cè)和定位工作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。