一种XLPE电力电缆接头缺陷检测技术

陈立伟

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南，250101）

0 引言

XLPE 交联聚乙烯是一种线性的分子结构，在耐热、机械性能方面具有良好优越性，具有较强的电气性能和绝缘性能，在电缆线路中应用非常广泛。但是，随着我国城市建设的脚步不断加快，城市电网有传统的架空线路逐渐向电缆隧道进行转换，这就增加了电缆线路日常维护的工作难度，故障的隐蔽性和随机性增加，电缆线路运行的安全性和可靠性降低。据数据统计，70%以上的电力电缆故障是由于电缆附件引发的，其中以电缆接头故障率最高，因此，及时准确的找出电缆故障点，提高电力电缆运行的可靠性成为当前电网检修部门的工作重点工作。

1 XLPE 电缆故障评价及分析

电缆线路的绝缘性能是影响其使用寿命的关键因素，XLPE 电缆正常使用寿命为20～30 年，随着使用年限不断增加和环境因素的影响，电缆线路发生故障的可能性也会增加，而且电缆接头绝缘性能是整个电缆绝缘的薄弱环节，如果发生绝缘故障，会影响到电能输送的稳定性和可靠性，严重时会造成大规模停电。下面就对XLPE 电缆的常见故障进行深入分析：

1.1 绝缘老化

绝缘老化是XLPE 电缆故障常见的一种，XLPE 材料包裹在电缆导体外围起到绝缘的作用，但是随着XLPE 电缆使用时间的增加，导体通电后的热效应以及使用环境因素的影响会产生绝缘老化现象。电缆隧道环境阴暗潮湿容易产生水老化，在电缆线路运行过程中冷热温差的变化容易产生微小的水滴，这些水滴存在绝缘层中，随着电缆损伤逐渐侵入到绝缘内部，导致绝缘损坏，甚至造成严重的电气事故。

1.2 电缆损伤

电缆隧道是城市电网的主要组成部分，随着城市建设的脚步加快，建设用地大规模的施工有可能会对电缆线路造成机械损伤。另外，电缆线路敷设过程中以及土壤下沉会因为拉力或者弯度过大导致电缆线路机械损伤。

1.3 材料缺陷

电缆线路由于材料缺陷加上在电和热的作用下，会造成材料温度上升软化变形，导致绝缘性能降低，其它绝缘损坏。线缆线路设计过程中如果存在问题，机械强度不够、电场分布不合理也会导致电缆接头和终端头绝缘材料受潮、老化，引起绝缘故障。

1.4 过电压

过电压是负荷投切的瞬间结果，主要是指工频下交流电压升高，超过额定值的10%，持续时间超过1min 造成击穿。电缆线路过电压大都是由大气过电压以及电缆本身缺陷导致的。电缆线路正常使用时在感性或者容性负载接通以及断开情况下发生。

2 XLPE 电缆接头缺陷检测系统设计

XLPE 电缆绝缘损是一个长期积累的过程，一些微小的局部放电如果不能及时被检测出，放电范围会逐步扩大，最终造成严重击穿，引发大面积的停电故障，因此，必须要采取有效措施对电缆线路尤其是接头部分进行检测，最大限度的避免电缆线路绝缘故障。XLPE 电力电缆接头如果发生局部放电，可以视为一个电脉冲信号源，放电所产生的高频电磁脉冲信号会沿着电缆线内部的导体向不同方向进行传播。在XLPE 电力电缆接头放电部位，放电脉冲电流集中在电缆内部金属屏蔽层上，传播一段距离后，脉冲电流将会均匀分布在金属屏蔽层上，从放电源到均匀分布的脉冲电流，这段距离的长度主要是由放电脉冲电磁波的波长决定的，并且这种金属屏蔽层上的电流将会在XLPE 电力电缆外部产生一定轻度的磁场，XLPE 电力电缆缺陷检测主要就是利用这一原理进行设计，当XLPE 电力电缆局部放电，电信号沿电缆线传播的过程中造成测量位置上的磁场变化，传感器中就可以捕捉到脉冲信号，进而检测出XLPE 电力电缆接头的缺陷部位。

图1 XLPE 电力电缆系统检测流程示意图

本文重点研究的是电磁耦合法进行检测，包括传感器、信号调理电路、数据采集卡、PC 单元四个部分，主要工作流程包括检测信号、信号放大、滤波处理、A/D 转换、检测结果处理。将传感器安装在XLPE 电力电缆接头两端，高压电线接头处的屏蔽层是不连续的，将在缝隙处向外泄露电磁波，传感器测量XLPE 电缆接头的局部放电信号，既有电缆金属屏蔽层的脉冲电流感应磁场，也有缝隙处的电磁波信号，因此，需要借助信号调理电路部分进行滤波处理。XLPE 电力电缆缺陷检测流程如图1 所示。

2.1 传感器

传感器是XLPE 电缆绝缘检测系统的重要部分，XLPE电缆局部放电时间短，放电信号弱，频谱较宽，传感器需要具有较强的灵敏度，要求在电缆隧道等特殊工作环境下能够有效检测出XLPE 电缆局部放电的信号没并且输出失真小、线性度高。本文主要研究的是罗氏线圈型的宽频带电流耦合器，Rogowski 罗氏线圈又称为电流测量线圈，其结构是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，非铁磁性材料常用铁氧体材料制作，通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流，尤其是在较低频带环境下，检测灵敏度较高，信号响应能力强。罗氏线圈与传统带铁芯的互感器相比，具有测量范围宽，检测精度高，稳定可靠，响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全并且符合环保要求。基于罗氏线圈的具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，被广泛应用于继电保护，可控硅整流，变频调速以及电阻焊等信号严重畸变的场合。罗氏线圈结构如图2 所示。

图2 罗氏线圈结构图

图2 中，R 是积分电阻，R 值选择时应该根据电阻实验进行选择，由于铁芯材质不同，环绕匝数不同，积分阻值也会有差异，R 值过大，工作频带会减小；相反R 值过小，灵敏度将会降低。当线圈中的导线局部放电时，线圈会产生感应电动势，积分电阻会有感应电流。罗氏线圈与脉冲电流产生磁通相交链，一旦电流通过整个线圈中就会产生磁动势，与导体中的脉冲电流成正比，通过磁场变化感应出电场变化。

2.2 信号调理电路

通过传感器的耦合作用，可以获取XLPE 电缆局部放电的高频电压信号，但是该信号通常较弱，在线路中传输会产生不同程度的衰减，此时就需要借助信号调理电路进行补偿，完成信号放大输出。本文采用的是PXPA Ⅱ型放大器，该放大器工作温度为-30～70℃，带宽15kHz～2MHz，配备BNC Q9 接口，增益40dB，经过放大器处理后，XLPE 电缆局部放电信号得到有效加强，同时噪声信号可以有效过滤，输出的信号满足数据采集卡的要求。

2.3 数据采集卡设计

数据采集卡主要是将XLPE 电缆局部放电的高频电压模拟信号转换成数字信号。考虑XLPE 电缆局部放电的特性，本设计遵循奈奎斯特采样定理（sampling theory），从而满足局部放电检测的要求。该采样定理为连续时间信号（“模拟信号”）和离散时间信号（“数字信号”）之间的传输桥梁。依据该定理需保证采样率大于被采集对象频率的2 倍，才可避免频率混迭问题，表达式如下。数据采集卡采用USB-9215A 高精度同步数据采集卡，采样率高达100kS/s，采样分辨率为16 位，最大输出范围-10V～10V，可同步采集4通道模拟输入数据。实验得知，采样率越高，数字信息波形便越真实，检测数据谱图更为准确。

2.4 PC 单元

PC 单元负责分析处理数据采集卡传输的数字信号，显示传感器耦合信号的波形变化，标记出XLPE 电缆局部放电的信号的特点，便于电力工作人员识别，通过PC 程序可以读取局部放电量的大小以及集中放电的区域，这些数据信息能够实时保存在数据库中，工作人员可以随时进行调取分析。

3 电力电缆接头缺陷检测技术的应用

由于XLPE 电力电缆产生局部放电的原因较多，包括材料本身以及电缆敷设过程中外力影响都会造成绝缘损伤，通过针板放电、内部放电、悬浮放电和沿面放电来验证罗氏线圈电缆接头缺陷检测技术的有效性。

实验使用的圆形铜板电极直径均为50mm，厚度10mm，电极表面和边缘光滑，电极采用球形螺帽。针板放电在圆形铜板电极上放置直径100mm、厚度1mm 环氧树脂绝缘板，使用的高压针尖半径0.5mm、尖长15mm；内部放电在放电模型上放置两层厚度为3mm 的环氧树脂板，在板中间开有直径为10mm 圆孔，绝缘板之间用环氧树脂胶粘结；悬浮放电在直径100mm、厚度5mm 的环氧树脂板边缘放置直径10mm、高10mm 铜柱；沿面放电在两个圆形铜板电极间纵向放置一个直径10mm、长10mm 的环氧树脂棒。实验过程中逐步升高调压器电压，分别使针板放电、内部放电、悬浮放电和沿面放电四种模型产生局部放电脉冲，通过罗氏线圈检测技术进行检测并储存信号，做相关发分析处理。通过四种放电模型进行局部放电检测，结果证明了罗氏线圈电缆接头缺陷检测技术对于XLPE 电力电缆产生局部放电检测灵敏度高、性能良好。

4 结论

综上所述，电能是工业生产和居民生活中不可或缺的基础能源之一，随着城市建设脚步加快，电缆隧道应用已经逐渐取代了架空线路，对于电缆线路检测提出了更高的要求，因此，对电缆线路的日常维护，就成为确保电力系统稳定性的核心工作。XLPE 材料在电缆线路中的应用日趋广泛，电缆接头绝缘性能又是整个电缆绝缘的薄弱环节，如何及时、准确地寻找XLPE 电缆接头缺陷故障成为了进行检修维护的关键任务。介于此，本文主要分析了罗氏线圈法进行XLPE电缆接头缺陷故障检测，为电力电缆在线检测局部放电谱图提供样本数据，并且为日后开展电力电缆故障检测和定位工作积累了丰富的经验和坚实的基础。