張義龍，李立學，鄭益慧，王昕，于建友，楊景波

(1.上海交通大學電工與電子技術(shù)中心，上海 200240;2.國網(wǎng)吉林省電力公司白山供電公司，吉林 白山 134300)

110 kV電纜中間接頭局部放電高頻電磁檢測與優(yōu)化

張義龍1，李立學1，鄭益慧1，王昕1，于建友2，楊景波2

(1.上海交通大學電工與電子技術(shù)中心，上海 200240;2.國網(wǎng)吉林省電力公司白山供電公司，吉林 白山 134300)

電纜中間接頭局部放電是導致交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜事故的主要原因，因此必須進行電纜中間接頭局部放電的研究。電纜接頭屏蔽層對高頻電磁波信號有屏蔽作用，高頻電磁波信號在空間傳播過程中還會產(chǎn)生較大衰減，針對用于三相交叉互聯(lián)的電纜中間接頭屏蔽層是斷開的這一特征，進行了電纜接頭局部放電的建模、仿真和現(xiàn)場檢測。首先，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(High Frequency Structure Simulator，簡稱HFSS)建立了電纜接頭的三維仿真模型，分析了在電纜接頭內(nèi)部發(fā)生局部放電時，高頻電磁波信號通過屏蔽層斷開處輻射出來的強度及其分布特點，驗證了采用外置式微帶傳感器進行電纜接頭局部放電檢測的可行性。然后設置了電磁場探測線，生成了此線上不同位置處的電磁場變化曲線，分析了不同曲線的幅值情況，得到了信號最強的傳感器最佳安裝位置。最后，根據(jù)微帶貼片天線理論，制作了外置式微帶傳感器，在某電纜線路投運前的交流耐壓試驗中進行了電磁波檢測，驗證了仿真結(jié)果。

電纜中間接頭;局部放電;檢測位置優(yōu)化;高頻結(jié)構(gòu)仿真器;電磁仿真;電磁檢測

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜具有敷設容易、耐高溫、絕緣性能優(yōu)良和運行維護簡便等特點，在配電網(wǎng)中被廣泛應用［1－3］。但隨著運行年限的增長，由XLPE電纜及接頭絕緣損壞等問題引起的電力故障和事故也在不斷增加［4－5］，因此，電網(wǎng)運行單位對運行中的XLPE電纜絕緣劣化狀況一直重點關(guān)注［6－7］。

目前，中、高壓XLPE電纜接頭主要為硅橡膠絕緣預制型電纜接頭［8］。預制型電纜接頭在生產(chǎn)和安裝的過程中，存在接頭內(nèi)混入雜質(zhì)或半導電層尖端突起等現(xiàn)象，因而引起電場集中或絕緣缺陷［9］，在長期電壓作用下易導致絕緣故障。因此，電纜中間接頭是高壓電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)和典型運行故障部位［10］。而局部放電則是造成XLPE電力電纜絕緣破壞的主要原因［11］;另一方面XLPE電力電纜的絕緣狀況與其局部放電量密切相關(guān)，局部放電量的變化預示著可能存在著影響電纜穩(wěn)定運行的缺陷［12］，因而能夠較為全面、靈敏地反映電氣設備的絕緣狀況［13］。目前國內(nèi)外專家學者以及IEC、IEEE、CIGRE等國際權(quán)威電力組織一致推薦局部放電試驗作為評價XLPE電力電纜絕緣狀況的最佳方法［14－15］。因此，開展電纜中間接頭的局部放電檢測的研究，對于維護電力電纜安全穩(wěn)定運行具有重要的理論意義及實用價值。

對于局部放電檢測，傳感器有外置式和內(nèi)置式兩種。內(nèi)置式傳感器需要把傳感器置入在電纜中間接頭中，這需要在敷設電纜時安裝實現(xiàn)，而對于已經(jīng)投入運行的電纜很難實施。并且，傳感器置入電纜中間接頭內(nèi)，電纜中間接頭的電場分布會受到影響，如果安裝位置不當反而會使電纜中間接頭發(fā)生故障［16］。而對于外置式傳感器，由于電纜及其接頭屏蔽層的作用，信號很難輻射出來。雖然可以通過電纜接頭的接地線向外輻射，但是信號衰減嚴重。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，用于三相交叉互聯(lián)的電纜中間接頭的屏蔽層是斷開的，因此電磁信號可能通過屏蔽層斷開處輻射出來。但高頻電磁波信號在空氣中傳播時衰減迅速，傳感器安裝位置不同接收到信號的大小有很大不同。因此研究接頭外輻射出的電磁場信號的分布特點，確定接頭外信號最強處，有利于更準確的現(xiàn)場測量。

因此，本文首先利用電磁仿真軟件HFSS對上述電纜接頭建立了仿真計算的三維模型，分析了在電纜接頭內(nèi)部發(fā)生局部放電時，激發(fā)的電磁波信號的強度及其分布特點。不但檢驗了電磁信號可以通過屏蔽層斷開處輻射出來，而且確定了接頭外信號最強處，為外置式高頻微帶傳感器安裝位置提供了指導。然后制作了外置式微帶傳感器，利用其在某電纜線路投運前的交流耐壓試驗中進行了電磁波檢測?，F(xiàn)場檢測驗證了仿真結(jié)果:電纜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的電磁波可以通過電纜接頭屏蔽層斷開處輻射出來;在電纜屏蔽層斷開處、靠近接地線的一側(cè)，輻射出來的局部放電信號最強。

1 高頻微帶傳感器

為接收局部放電產(chǎn)生的高頻電磁信號，需研制合適的傳感器。合理設計傳感器，保證高的靈敏度和寬的接收頻帶是實現(xiàn)電纜局部放電檢測的關(guān)鍵。本文采用的傳感器基于微帶貼片天線理論。微帶天線應用于100MHz至100GHz的寬廣頻域范圍內(nèi)，具有體積小、重量輕和剖面薄等特點。微帶天線在衛(wèi)星通信、遙感等領域已得到廣泛應用。近年來，在GIS及電力電纜局部放電檢測中也得到越來越多的應用。

微帶天線是將導體薄片貼加在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上而形成的天線。在接地板與導體貼片之間能夠激勵起電磁場，并通過二者間的縫隙向外輻射。當導體貼片為圓形、圓環(huán)形或矩形薄片等規(guī)則形狀的面積單元時，該種微帶天線被稱作微帶貼片天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

下面以圖1中的矩形微帶天線為例，講述微帶貼片天線的基本工作原理［17］。貼片的尺寸為a*b，介質(zhì)基片的厚度為h，h?λ0，λ0為自由空間波長。微帶貼片可看作為寬為a長為b的一段微帶傳輸線，因其終端a邊處呈現(xiàn)開路，將形成電壓腹波。一般取b≈0.5λm，λm為微帶線上波長，于是在另一端也呈電壓腹波。此時貼片與接地板間的電場分布如圖2所示。

圖1 微帶貼片天線結(jié)構(gòu)

圖2 電場分布圖

由圖2可知，電場可以分解為水平于接地板方向及垂直于接地板方向。兩開路端的垂直分量的方向相反，水平分量的方向相同。因此，電場的水平分量產(chǎn)生的場相疊加，垂直分量所產(chǎn)生的場相抵消。所以，矩形微帶天線的主要輻射產(chǎn)生于沿兩條a邊的縫隙，這兩條邊稱作輻射邊。研制的基于微帶貼片天線的傳感器如圖3所示。

圖3 基于微帶貼片天線的傳感器

2 仿真分析

2.1 電纜接頭三維仿真模型構(gòu)建

為了有效分析局部放電電磁脈沖的傳播特性，需要構(gòu)造電纜中間接頭三維仿真模型。通過收集國內(nèi)電纜附件公司的資料及相關(guān)標準，對其中典型的電纜中間接頭構(gòu)建了三維仿真模型，如圖4所示。

圖4 電纜中間接頭的三維仿真模型

其中，電纜由銅導體、內(nèi)外半導電層、絕緣、金屬護套組成。電纜中間接頭主要包括金屬連接套管、半導電屏蔽、橡膠應力錐、硅橡膠主絕緣等。其中防水層為非阻磁絕緣材料，將其簡化為空氣層。

2.2 激勵源的設置

本文采用脈沖高斯函數(shù)型激勵來模擬電纜接頭中的局部放電的激勵電流源［18］，高斯函數(shù)的公式為:

式中 I0為脈沖電流幅值，σ為衰減時間常數(shù)。設電流脈沖幅值為10 mA，t0取 0.5 ns，σ取 0.15 ns。此時的電流脈沖波形如圖5所示。

圖5 電流脈沖波形圖

2.3 電磁仿真分析

復合介質(zhì)沿面放電是電纜中間接頭中最常見的放電類型，因此本文把激勵源設置在XLPE絕緣與中間接頭內(nèi)部硅橡膠交界面上［19］，設置的激勵源脈沖寬度為1 ns，脈沖的峰值為10mA，位置如圖6所示。設置好求解方式、網(wǎng)格設置等后，便可利用HFSS提供的時域仿真器進行時域內(nèi)的仿真。

圖6 激勵源位置圖

在時域內(nèi)，當t=1 000 Ps時，電纜接頭內(nèi)及周圍的電場分布圖如圖7所示。

圖7 t=1 000 Ps時的電場分布圖

磁場分布圖如圖8所示。

圖8 t=1 000 Ps時的磁場分布圖

可見此時激勵源激發(fā)的電磁場剛剛開始傳播，并未傳播到電纜接頭外。接頭內(nèi)激勵源附近的電磁場較大。

當t=2 000 Ps時，電纜接頭內(nèi)及周圍的電場分布圖如圖9所示。磁場分別圖如圖10所示。

圖9 t=2 000 Ps時的電場分布圖

圖10 t=2 000 Ps時的磁場分布圖

由圖可知，此時電磁場已經(jīng)通過屏蔽層斷開處輻射到電纜接頭外。為了確定傳感器的具體安裝位置，需設置一探測線來觀察此線上不同點的電磁場強度。因高頻電磁波信號在空間傳播過程中會產(chǎn)生較大衰減，信號最強處應靠近電纜接頭，因此探測線緊貼電纜接頭外壁。結(jié)合電纜接頭的圓軸形對稱結(jié)構(gòu)特點，最后確定的探測線如圖6中所示，信號最強處在線上的某一位置。通過此線可得到線上不同位置處的電磁場變化曲線。在設置時取此線上的均勻的5個點，得到的電場、磁場變化曲線如圖11、圖12所示。

圖11 電場變化曲線

圖12 磁場變化曲線

由圖可知，顯示的歸一化距離=0的線比其它的線代表的電場分布、磁場分布更強，是傳感器的理想安裝位置。此線代表點的位置為靠近接地線的一側(cè)、電纜屏蔽層斷開處，即探測線的最左處。

通過以上結(jié)果可知:電纜接頭內(nèi)部發(fā)生局部放電時激發(fā)的電磁波能通過電纜中間接頭屏蔽層斷開處輻射出來，因此可以采用外置式高頻微帶傳感器進行電磁波信號的檢測;電纜屏蔽層斷開處、靠近接地線的一側(cè)，為傳感器的最佳安裝位置。

3 現(xiàn)場實測

根據(jù)國標GB/T12706.3－2008規(guī)定，電纜在投運前需進行交流耐壓試驗，交流耐壓試驗成為電力電纜交接和預防性試驗的主要手段。而脈沖電流法作為目前較為靈敏的局部放電檢測法，早已經(jīng)成為一種成熟的檢測方法，隨著交流耐壓試驗的普及，脈沖電流法也更加廣泛地應用到電力電纜局部放電檢測中去。而進行交流耐壓試驗時，試驗電壓為運行電壓的兩倍，由于超過了正常運行電壓，所以合格的電纜接頭也可能發(fā)生局部放電，但根據(jù)國標規(guī)定被試電纜接頭產(chǎn)生的局部放電量不應超過10 PC。

為了驗證本文的仿真結(jié)果，在某電纜線路投運前的交流耐壓試驗中進行了檢測，檢測系統(tǒng)分為傳統(tǒng)的脈沖電流法檢測及基于高頻微帶傳感器的電磁波檢測。檢測系統(tǒng)原理框圖如圖13所示。

將傳感器安裝在仿真所確定的電纜接頭的最佳位置，現(xiàn)場安裝圖如圖14所示。

圖13 檢測系統(tǒng)框圖

圖14 傳感器現(xiàn)場安裝圖

系統(tǒng)安裝完畢后，脈沖電流局部放電檢測儀(下文簡稱局放儀)顯示的背景局放量約為1.8 PC，高頻電磁檢測系統(tǒng)未顯示任何明顯的脈沖信號。之后進行加壓試驗，當加到2倍運行電壓時，局放儀檢測到脈沖信號，顯示的放電量約為6.4 PC，高頻電磁檢測系統(tǒng)檢測到局部放電脈沖信號。在最佳安裝位置，高頻微帶傳感器測得的波形圖如圖15所示。

其峰峰值為53.8 mV。傳感器在周圍其它同樣靠近電纜接頭外壁但非最佳安裝位置處，測得的波形圖如圖16所示。

其峰峰值為26.9mV。

對比所測結(jié)果可知，二者的背景噪聲信號基本相同，但傳感器在仿真得到的最佳安裝位置處測得的局部放電脈沖信號比其它位置更強。

圖15 傳感器在最佳安裝位置所測波形圖

圖16 傳感器在非最佳安裝位置所測波形圖

4 結(jié)束語

本文利用電磁仿真軟件HFSS對典型的電纜中間接頭構(gòu)建了三維仿真模型，據(jù)此進行了電纜中間接頭局部放電的電磁仿真，研究了接頭外輻射出的電磁場信號的分布特點。為驗證仿真結(jié)論，在某電纜線路投運前的交流耐壓試驗中進行了電磁波檢測。結(jié)論如下:

1)電纜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的電磁波可以通過電纜接頭屏蔽層斷開處輻射出來。

2)在電纜屏蔽層斷開處、靠近接地線的一側(cè)，輻射出來的局部放電信號最強，是傳感器安裝的最佳位置。

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High-frequency Electromagnetic Detection and Optim ization of Partial Discharge of 110 kV Cable Intermediate Heads

ZHANG Yi-long1，LILi-xue1，ZHENG Yi-hui1，WANG Xin1，YU Jian-you2，YANG Jing-bo2
(1.Center of Electrical＆Electronic Technology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2.Baishan Power Supply Co.，State Grid Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Baishan Jilin134300，China)

Partial discharge of cable intermediate heads is the main cause of XLPE power cable accidents.Therefore，it is necessary to carry research on partial discharge of cable intermediate heads.The shielding layer of cable heads produces shielding effect on highfrequency electromagnetic signal，which attenuates considerably in the process of propagation in the air.Considering the broken shielding layer of the intermediate heads of the three-phase cross-interconnected cable，modeling，simulation and site inspection are conducted for the partial discharge of cable heads.First，a high-frequency structure simulator(HFSS)is used to establish a threedimensional simulation model of cable heads，and an analysis ismade of the strength and distribution characteristics of the highfrequency electromagnetic signals radiated from the disconnected place of the shielding layer of cable heads during partial discharge inside the cable heads.The feasibility of using an externalmicro-strip sensor for detection of partial discharge is verified.Then，a detection line is set up for the electromagnetic field to generate curves showing variations of the electromagnetic field at different positions of the line，amplitudes of different curves are analyzed，and the optimalmounting place of the sensor with the strongest signal is found.Finally，according to the theory ofmicro-strip patch antenna，an externalmicro-strip sensor ismade，electromagnetic wave detection ismade in an AC voltage withstand test of a cable line before its commencement of operation，and the simulation results are verified.

cable intermediate head;partial discharge;detection position optimization;high-frequency structure simulator(HFSS);electromagnetic simulation;electromagnetic detection

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.033

TM247 TM21

A

1000－3886(2015)06－0102－04

定稿日期:2014－12－14

國家自然科學基金(60504010)，國家高新技術(shù)863發(fā)展計劃(2008AA04Z129)，上海市自然科學基金(14ZR1421800)，流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室開放課題基金(PALN201404)資助

張義龍(1988－)，男，河北衡水人，碩士生，主要研究方向為電力設備在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)。 李立學(1978－)，男，湖北武漢人，博士，講師，主要研究方向為電力設備在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)。

鄭益慧(1971－)，男，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，主要研究方向為電能質(zhì)量、智能控制技術(shù)在電網(wǎng)中的應用等。 王昕(1972－)，男，遼寧沈陽人，博士，副教授，主要研究方向為智能電網(wǎng);可再生能源的分布式生產(chǎn)、傳輸、存儲和接入技術(shù)。［D］.北京:華北電力大學，2005.