基于高频电流法的电缆局部放电带电检测的分析

张智超 李盛 邢耀敏 杨海超 杨玉新

摘  要：首先对电力电缆中局部放电现象产生的成因进行了解释与说明;其次根据电缆故障发生的作用机理不同以及缺陷所处位置的不同对电缆局部放电进行了分类，并对不同类型局放的特点进行阐述;然后对局部放电主要的检测方法及原理进行了简要说明;最后基于高频电流法对某110 kV变电站运行期间其35 kV进出线电缆进行了局部放电检测的案例分析，该方法对电缆局部放电带电检测工作具有重要的实际意义。

关键词：电力电缆;局部放电;高频电流法;带电检测

0    引言

随着全国电网的持续发展，尤其是城市电网的改造与升级，交联电力电缆已成为重点地区输电的主流设备[1]。交联电缆具有易铺设、易维护、耐高温和绝缘性能优良等特点，逐步取代了油纸绝缘电缆和架空线路，广泛应用于电网。但与此同时，交联电缆大多以直埋、排管、隧道等形式铺设在地下，因此增加了监测电缆是否处在正常工作状态下的难度。实际作业中，由交联电缆及电缆接头绝缘损坏等问题引起的电力故障事故也不断增加。因此，如何快速有效地通过检测手段判断电缆绝缘是否存在劣化状况有着重要的现实意义[2-3]。

目前，交联电力电缆的检测方法主要包括耐压试验和局部放电检测等。耐压试验分工频交流耐压试验和直流耐压试验，均为破坏性试验。直流耐压试验所需试验设备容量小，携带方便，且可同时测量泄漏电流，根据泄漏电流的数值大小判断电缆绝缘情况。然而，电缆绝缘层材料成分多、电阻率分布不均，会导致直流电压下场强分布不均匀，从而可能导致局部绝缘击穿的问题，且直流耐压还存在电荷积累导致绝缘加速老化的问题。交流耐压试验一定程度上能够有效发现电缆缺陷，但存在两个问题：一是由于电缆电容量大，所需试验设备体积较大，导致操作不够便捷;二是对于细微缺陷交流耐压灵敏度较低。鉴于此，国际上已逐渐摒弃对于电缆的耐压试验检测。随着技术的进步，可以现场在线监测且非破坏性的电缆局部放电检测得到了更广的应用。局部放电检测能够采集到因绝缘劣化导致的电缆的放电信号，经过数字处理，可以很灵敏地得到检测结果。对于电缆局部放电检测，美国电气和电子工程师协会IEEE、国际电工委员会IEC等权威机构均制定了测试导则与规范，从而使电力电缆局部放电检测更加标准化和规范化，也有利于提高检测的准确性。鉴于此，本案例配以相关仪器采用局部放电检测的手段对电力电缆进行局部带电检测。

1    局放原理和产生原因

电力电纜制造过程中产生的气泡、杂质或导体的毛刺等导致场强分布不均匀是造成电力电缆发生局部放电现象比较普遍的原因。这些原因导致电缆局部区域首先发生放电现象，而其他区域仍然保持良好的绝缘特性，整体绝缘系统保持较好的绝缘能力、没有发生击穿现象，这样就形成了电缆的局部放电现象。局部放电有一个累积的效应，单次或少数几次的局放并不会造成整体绝缘系统的损坏导致事故发生。但是局放的多次累积发生会对电缆绝缘层产生破坏，导致电缆绝缘层老化或劣化，对绝缘层的不断破坏、绝缘层老化劣化导致放电范围的不断加大，最终会导致整个电缆绝缘系统的击穿或损坏、绝缘层被击穿导致发生严重事故。

2    局部放电类型和特点

根据电缆故障发生的作用机理不同以及缺陷所处的位置不同，局部放电可以分为电晕放电、沿面放电、悬浮放电以及内部放电四种类型。为了更加清楚地理解、分析和应对不同放电类型的局放，在此对此四种放电类型的特点进行说明。

2.1    电晕放电

电晕放电是指电缆导体部分出现毛刺、尖端等凸起的局部部位，随着电场强度增大，超过空气的电离场强，从而使此凸起部分附近空气发生电离，出现电晕放电现象而发生电缆的局部放电。这是因为导体尖端或者毛刺等曲率半径较小的区域电荷更易聚集和积累，随着电荷的积累此处场强会很大，从而使气体电离发生电晕。电晕放电发生时导体与绝缘层的间隙并没有被击穿，其只是发生在导体尖端或者毛刺等曲率半径较小的附近的气体区域，且伴随着光和声音等现象同时还可能会产生一些化学气体。一般情况下，导体尖端发生放电产生的放电脉冲主要聚集在负半周，但若电压很高，正半周也可能会出现放电脉冲。如果放电端是接地端，放电脉冲则主要聚集在正半周。随着电压增大，电晕放电次数会逐渐增多，单次放电量基本不变。

2.2    沿面放电

沿面放电一般发生在电缆外表面、套管法兰等电气绝缘设备的某一端部。当外护套和环氧分界面之间接触不紧密时，表面电场强度达到击穿电压，此时发生的沿着绝缘介质表面放电的现象称为沿面放电。沿面放电脉冲一般发生在0°～90°和180°～270°相位上，且对称性一般取决于施加电场是否均匀。在均匀电场中，沿面放电图形基本对称;在不均匀电场中，沿面放电图形一般不对称。

2.3    悬浮放电

悬浮放电一般发生在设备中的金属部件上。由于设备运行时的振动等原因，金属部件与地的连接发生松动，从而导致接地不良或者没有接地，进而在金属部件上积累了大量电荷，这些电荷与地之间形成了电位差，当电位差较大时则会发生悬浮放电。悬浮放电也是电缆局部放电的一种类型，一般来说，其放电脉冲在正负半周对称出现。

2.4    内部放电

内部放电一般指绝缘介质内部的气隙、气缝或杂质等发生的放电现象。此类气隙、气缝或杂质可能形成于电缆生产过程中，也可能形成于电缆使用过程中。大多数情况下，其形成的电场强度会比绝缘介质大很多，从而发生局部放电。内部放电大多发生于绝缘层中绝缘强度较低的区域，与绝缘介质材料特性、气隙位置、气隙形状和气隙大小等有很大关系。

3    局部放电检测方法和检测原理

局部放电检测方法主要包括超高频法、差分法、超声波法以及高频电流法。

3.1    超高频法

超高频法是利用一种特殊的特高频传感器对电缆局部放电产生的电磁信号进行采集。近年来，该方法较为广泛地运用在GIS组合电器等一些电气设备的绝缘检测中，因而也有一部分科研人员采用这种手段进行局部放电的检测。但是超高频电磁波信号频率高、波长短，传输距离较为有限，在电缆长度较长时衰减比较明显，因而测量的范围也会受限。因超高频设备装配不易，现在其在电力电缆检测中运用还比较少，但是其由于灵敏度高，抗干扰强，发展前景较为良好。

3.2    差分法

差分法是将两个电容耦合器分别置于电缆两端的屏蔽层上，再将两个电容耦合器利用一个检测阻抗连接构成回路。这样若被测电缆发生局部放电，电缆两端会产生一个瞬时电压差，并在回路中产生一脉冲电流，脉冲电流经过检测阻抗会产生一脉冲电压信号，采集、放大并把此信号显示出来，从而用以观察、检测局部放电是否发生。该方法简单易行，但是在高频信号中衰减程度较大，灵敏度不足。

3.3    超声波法

电力电缆发生局部放电时，会伴生超声波信号，而超声波具有频率高、波长短的特点[4]。利用这一特点，可以利用超声波法检测局部放电。目前对电气设备的状态检测和故障监测通常会选择检测设备电气量变化，但是电气量所包含的故障信息可能存在信号不明显或信号滞后的情况。超声波法则是以压电晶片作为试验传感器，利用压电效应将局放发生导致的超声波信号转换成电信号，从而利用非电气量检测电气设备的状态，当然也可以运用在电力电缆的检测上[5]。超声波检测法是一种非侵入式的方法，检测设备不需要和电缆有电气连接即可检测电缆的局部放电信号，检查时超声波检测设备只需在电缆外壁移动检测即可。但是由于声音由固体传输到空气中时能量损耗严重，从而导致该测量方法准确度受到影响。3.4    高频电流法

高频电流法是在频段为100 kHz到20 MHz之间进行检测，目前较广泛应用于电力电缆局部放电试验。其工作原理是检测电容或者电感耦合器在脉冲电流下产生的电磁信号。这种方法是对流经电缆接地线或电缆本体的放电脉冲电流信号进行检测，故此种方法在电缆屏蔽层有接地线的情况下广泛使用。此种方法常采用高频电流传感器（HFCT），此类型传感器具有安装简便、容易携带、抗干扰能力强等优点[6]。

HFCT即罗氏线圈，如图1所示，其是一种不含铁芯的均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。使用时，使待检测的导体穿过环形线圈，将电流对时间的积分进行输出。当线圈套在导体上时，经过导体的交流电信号会在其周围产生一个变换的磁场，从而从线圈中感应出与电流成正比的电压信号。其实际上是1：N的电流互感器，原边为单匝线圈，副边是N匝环形绕组。

4    案例分析

本文对上海某110 kV变电站运行期间其35 kV进出线电缆进行局部放电检测，检测方法示意图如图2所示。数据采集传感器安装在接地变压器套管下方电缆外护套接地处，环境传感器安装在接地铜排处。等效测量回路如图3所示。

开展局部放电检测后发现，接地变压器进线电缆存在局部放电现象，放电量约1 000 pC，位于电缆靠近接地变压器套管处。数据采集传感器测量到的信号PRPD图谱如图4所示，环境传感器测量到的信号PRPD图谱如图5所示。

从图谱中可以明显看出，数据采集传感器检测到两簇局部放电信号，放电量最大为1 000 pC。环境传感器未检测到局部放电信号，因此排除了数据采集传感器中信号为外部干扰的可能。数据采集传感器检测到的脉冲放电信号如图6所示。

随后使用脉冲反射法进行电缆局部放电单端定位，根据电缆长度、脉冲波速及脉冲式时间差计算得故障位置为距离传感器1 m处，如图7所示。

由PRPD图谱及缺陷位置综合分析，该处电缆存在沿面放电现象。经对该段电缆停电解体，发现该位置电缆本体存在明显的沿面放电痕迹，如图8所示。

通过检测准确定位了电缆的放电位置，避免了进一步的事故和损失，因此，该检测方法有效且较为准确，具有实际的意义。

5    结论

本文围绕电缆局部放电检测展开了分析，详细介绍了局放的原理并分析了其产生原因，在此基础上介绍了不同局放类型及特点。其次，分析了局部放电检测方法及检测原理，通过比较分析，采用高频电流法进行电缆局放带电检测。最后，通过实际案例和检测结果验证了检测方法的有效性和合理性，得到的结论如下：

（1）高频电流法的电缆局部放电带电检测技术适用于电缆终端的局部放电带电检测;

（2）根据现场试验结果，基于高频电流法的电缆局部放电带电检测技术得到的脉冲信号PRPD相位图可以作为辅助手段判断电缆缺陷的类型，有一定参考性，并且定位技术可有效地预定位电缆故障位置，有效提高电缆局放检测结果的准确性[7]。

[参考文献]

[1] 孙永辉，王馥珏，邓鹏.高压电缆局部放电带电检测技术的应用研究[J].南京理工大学学报（自然科学版），2019，43（4）：505-510.

[2] 艾福超.一起通过局放检测发现110 kV电缆接头缺陷的案例分析[J].工程建设与设计，2017（22）：83-85.

[3] 郗晓光，王浩鸣，李旭，等.一种交联聚乙烯电缆局部放电检测装置的研制[J].供用电，2015（6）：66-69.

[4] 侯慧娟，盛戈纻，苗培青，等.基于超高频电磁波的变电站局部放电空间定位[J].高电压技术，2012，38（6）：1334-1340.

[5] 赵爱华，李伟，叶剑涛，等.超声波局部放电检测法在电缆终端中的应用[J].重庆大学学报，2014，37（6）：112-118.

[6] 曹俊平，蒋愉宽，王少华，等.XLPE电力电缆接头缺陷检测关键技术分析与展望[J].高压电器，2018，54（7）：87-97.

[7] 吴勇，袁军芳，严波，等.一起基于特高频法的电缆局部放电带电检测与定位案例分析[J].电线电缆，2017（6）：28-31.

收稿日期：2020-06-30

作者簡介：张智超（1992—），男，陕西人，工程师，主要从事火力发电技术研究与电气设备维护检修工作。