中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院 張浩然 楊玉新 金 辰

電纜投入運行后，會受到電、熱、機械和化學的作用逐漸老化。在制造中和施工中存在的微小缺陷，也會隨著運行時間逐漸發(fā)展和惡化?；痣姀S內(nèi)一般主變進線、啟備變進線、聯(lián)絡(luò)變壓器出線以及重要輔機均采用高壓電纜，電纜一旦發(fā)生故障將導致嚴重后果。如重要輔機電纜故障將造成輔機停機，啟備變進線電纜出現(xiàn)故障將會造成機組在失去備用電源下運行的情況，主變進線電纜故障會直接導致機組非計劃停運。同時由于電纜處于電纜溝、甚至是直埋于地下，一旦出現(xiàn)問題查找和處理都會相當困難。同時由于電纜的訂貨和更換都需較長時間，需根據(jù)長度進行訂貨，訂貨和生產(chǎn)周期都很長，很難在短時間內(nèi)進行修復。

通過設(shè)計基于高頻局部放電檢測的高壓電纜帶電監(jiān)測系統(tǒng)，可及時發(fā)現(xiàn)高壓電纜缺陷、判斷類別并進行定位，便于發(fā)電企業(yè)準確掌握高壓電纜健康狀況，并為電纜檢修、運行、技術(shù)改造工作提供相應的意見和支持，提升設(shè)備可靠性水平，降低非計劃停運風險和電量損失。同時也為發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理和科學、精準決策做好技術(shù)數(shù)據(jù)支撐工作，提高企業(yè)設(shè)備管理效率、及時性和有效性。

1 電力電纜局部放電技術(shù)

1.1 局部放電技術(shù)研究現(xiàn)狀

以絕緣電阻、交直流耐壓為代表的傳統(tǒng)試驗手段難以有效發(fā)現(xiàn)高壓電纜絕緣缺陷[1]，國內(nèi)外研究機構(gòu)也在積極研究更加有效的新技術(shù)、新方法，部分方法已取得成功應用案例。但高壓電纜絕緣缺陷的原因多種多樣，既有安裝時外力損傷、也有制造工藝不合格，既有絕緣材質(zhì)內(nèi)殘留雜質(zhì)，也有電效應、熱效應引起絕緣老化，僅用一種檢測方法難以及時、有效發(fā)現(xiàn)潛在缺陷。隨著高速處理芯片、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，在線監(jiān)測和帶電檢測因其具有不需停電、設(shè)備內(nèi)電場分布與運行狀態(tài)一致等優(yōu)點，在電氣設(shè)備健康狀況評估中得到廣泛應用。

根據(jù)IEEE《可靠工業(yè)及商用電力系統(tǒng)設(shè)計推薦規(guī)程》中的研究統(tǒng)計，高壓電纜在運行中出現(xiàn)的最多問題就是絕緣失效，而造成高壓電纜絕緣劣化甚至失效最主要的原因就是局部放電[2]。目前電力電纜局部放電的檢測技術(shù)包括脈沖電流法、高頻電流法（HFCT）、超高頻法（UHF）、超聲波法、內(nèi)置電容耦合法等技術(shù)[3]，其中脈沖電流法只能在電纜退出運行、停電情況下開展應用；超高頻法受到電纜屏蔽層的影響導致信號極為復雜，辨識難度大且不能定量分析局部放電量；超聲波法易受振動干擾，靈敏度低，僅能發(fā)現(xiàn)某些類型特別嚴重的電纜內(nèi)部局部放電；內(nèi)置電容耦合法必須在電纜生產(chǎn)階段將傳感器內(nèi)置在電纜屏蔽層以內(nèi)，因此限制了其應用。

高頻電流法是應用最為廣泛的局部放電檢測方法之一，IEC60270和GB/T7354標準中也推薦使用高頻電流法進行局部放電的檢測，高頻電流法可對變壓器、電力電纜、開關(guān)柜等設(shè)備的局部放電進行檢測。對信號進行校正后可得局部放電信號的視在放電量，也能保證現(xiàn)場測試的靈敏度。該方法便于傳感器的安裝工作、快速安全，適合現(xiàn)場大規(guī)模的局部放電巡檢，同時將傳感器固定在指定測量點后還可實現(xiàn)在線監(jiān)測；測量局部放電信號的帶寬較寬，可對實測信號進行時域及頻域的聯(lián)合分析，因此該方法被普遍認為是電力電纜最有前景的局部放電檢測方法。

1.2 測試系統(tǒng)基本概況

本次測試的高壓電纜局部放電在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)可廣泛用于10～500kV電纜的局部放電在線監(jiān)測與定位。在線監(jiān)測系統(tǒng)采用高頻電流傳感器方式從接地線上采樣局部放電信號，通過光纖對所有數(shù)據(jù)采集裝置進行納秒級授時，可實現(xiàn)對電纜局部放電在線監(jiān)測和故障點雙端精確定位。

本次測試的高壓電纜局部放電在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)采用脈沖電流法方式，可在電纜終端接頭、中間接頭接地線上或電纜本體上安裝高頻電流傳感器（單相電纜接地點每相各安裝1只，三相共體電纜接地點可安裝1只）。高頻電流傳感器通過雙屏蔽的同軸電纜連接至就地采集單元，信號經(jīng)降噪、濾波、識別和存儲，就地采集單元間通過光纖進行數(shù)據(jù)傳輸和精確對時，將局部放電的幅值、脈沖數(shù)、相位、原始脈沖和到達時刻等信息送至后臺診斷平臺。后臺診斷平臺系統(tǒng)完成對局部放電信號的診斷和定位，生成相關(guān)放電圖譜和報警信息，通過61850規(guī)約或I2規(guī)約將監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信息、放電圖譜和定位信息發(fā)送至用戶數(shù)據(jù)中心。

2 高頻電流傳感器設(shè)計

高頻局部放電檢測的頻率范圍一般為3～30MHz，所用傳感器主要分為電容型傳感器和電感型傳感器兩種。選用電容型傳感器需在被檢測設(shè)備高壓端并聯(lián)耦合電容。電感型傳感器采用高頻電流傳感器（high frequency current transformer,HFCT），在結(jié)構(gòu)上類似電流互感器，具有便攜性強、安裝方便的優(yōu)點，在電氣設(shè)備高頻局部放電檢測領(lǐng)域廣泛應用。它的一次繞組多為一匝，檢測時將圓形或方形磁心套在待測設(shè)備的接地線、中性點接線以及電纜本體上，對待測設(shè)備高頻放電脈沖信號進行檢測。

圖1 寬帶型高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 寬帶型高頻電流傳感器等效電路圖

高頻電流傳感器在原理上類似于羅戈夫斯基線圈，只是羅戈夫斯基線圈用于測試數(shù)十至數(shù)百千安的沖擊大電流，對靈敏度要求較低，一般用空心線圈，不安裝磁心[4]。而電氣設(shè)備局部放電時的高頻電流為毫安和微安級的小電流，對靈敏度和抗干擾能力要求較高。按照積分方式，高頻電流傳感器分為寬帶和窄帶型兩種[5]。高壓電纜局部放電時產(chǎn)生的放電脈沖在頻率上分布廣泛，為對各種頻率放電信號進行有效檢測，一般使用寬帶型高頻電流傳感器（又稱自積分式），其在測量線圈兩端并聯(lián)一個積分電阻R（圖1）。

高頻電流傳感器主要組成部為軟磁鐵氧體磁芯、線圈、積分電阻。圖2為高頻電流傳感器的等效電路圖，可用i1、i2來分別表示原邊電流與感應電流，同時用M表示線圈與線圈間導體的互感，用Rs、Ls、Cs分別表示線圈的內(nèi)阻、自感以及雜散電容，對于積分電阻則使用RL表示。根據(jù)等效電路圖的電壓和電流方程推導其諧振頻率，并按照3dB帶寬原則可得其上限頻率（1）與下限頻率（2），上限頻率復邊匝數(shù)則用N，傳感器靈敏度為（3）：

根據(jù)以上公式可知，寬帶型高頻電流傳感器的靈敏度受副邊線圈匝數(shù)N以及電阻RL的影響。為使傳感器的帶寬變大，要在盡量增大fH的條件下同時減小fL。而為使頻帶變寬，一般采用減小電阻、同時增加線圈匝數(shù)N以及磁導率。但其響應靈敏度與電阻成正比，而與匝數(shù)N成反比，因此無法同時得到最高的靈敏度與最寬的工作頻帶，只能尋找合適的線圈匝數(shù)與電阻的組合，使得在保證靈敏度符合要求的同時高頻電流傳感器有較寬的工作頻帶。

3 信號分離相位圖譜設(shè)計

高頻電流傳感器對3～30MHz內(nèi)放電信號進行檢測；因為傳感器耦合的信號有各類噪聲和干擾信號，需在信號處理單元通過硬件、軟件進行濾波，對放電信號進行放大；信號采集單元將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理終端用于顯示測量結(jié)果和分析判斷單脈沖時域波形、單周期（20ms）時域波形。加入相位信號后可以顯示幅度、相位和頻率分析。

用寬帶高速采樣系統(tǒng)來采集局放及現(xiàn)場噪聲信號（如一次采集數(shù)萬個放電電流脈沖波形，其中存在各種現(xiàn)場干擾與放電），再根據(jù)其放電脈沖波形的特征來將其分離為不同的組（從分離譜圖中可很容易地看出，無須任何專家知識），然后將每一組很“純”的信號的特征輸入專家識別系統(tǒng)軟件，就可實現(xiàn)現(xiàn)場對設(shè)備缺陷的測量與診斷（圖3）。

圖3 信號分離及圖譜分析結(jié)構(gòu)示意圖

高壓電纜局部放電帶電檢測系統(tǒng)通過硬件進行局部放電信號的傳感和采集，通過軟件的數(shù)據(jù)處理模塊生成幅值相位PRPD譜圖、脈沖頻譜分析TF時頻圖等各類譜圖，進而結(jié)合特征指紋庫來確定被檢測電纜中所存在的缺陷類型。

4 試驗驗證

試驗方法：在110kV高壓電纜狀態(tài)檢修平臺中的電纜中間接頭處制作2個放電缺陷，來模擬最真實的電纜運行情況下的局部放電測試。然后施加一定等級的電壓至有明顯局部放電信號后，進行局部放電檢測和定位（圖4）。

試驗步驟及分析過程：升壓至40kV，系統(tǒng)共進行了3次局部放電檢測，兩臺就地采集均采集到明顯局部放電信號，其趨勢圖如圖5，兩臺就地采集單元檢測到的PRPD圖譜見圖6，PRPS圖譜見圖7。同時選擇兩個主機中的A通道數(shù)據(jù)進行定位（圖8），根據(jù)定位結(jié)果顯示，局部放電源位于90.9米處（行波速度安裝170m/μs計算，兩個傳感器間距為240m）。

圖4 測試系統(tǒng)連接示意圖

圖5 局部放電趨勢圖

圖6 PRPD局部放電圖譜

圖7 PRPS局部放電圖譜

圖8 兩端定位圖譜

試驗結(jié)果：本次測試在預先設(shè)置了局部放電點的110kV電纜中進行，試驗電壓升壓至40kV，所設(shè)計的電纜在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)檢測到的兩處局部放電源與實際圖譜一致，可實現(xiàn)對高壓電纜的局部放電在線監(jiān)測。本次測試局部放電源定位準確（誤差小于1米）。采用兩臺就地采集單元，采用光纖對時的雙端定位方式，通過時差法能夠精確定位電纜中的局部放電故障。該系統(tǒng)抗干擾能力強，能有效區(qū)分和排除現(xiàn)場的干擾信號，適合輸電電纜在線監(jiān)測。后臺診斷系統(tǒng)人機交換界面較好，能清晰反映局部放電原始脈沖、局部放電幅值和局部放電特征圖譜，能有效區(qū)分多處局部放電源，能夠準確判斷局部放電類型、局部放電大小和局部放電位置。綜上，通過運用本次設(shè)計的高壓電纜局部放電在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)對高壓電纜在基建和生產(chǎn)運行中的故障類型進行統(tǒng)計、分類和梳理，對故障機理及成因進行理論分析和仿真計算，將帶電檢測技術(shù)與局部放電試驗的有機結(jié)合，提升檢測準確性和效率，跟蹤掌握高壓電纜的健康狀況，開展全壽命周期管理，及時發(fā)現(xiàn)潛在的早期絕緣缺陷，為發(fā)電企業(yè)檢修、技術(shù)改造等工作提出相應意見和支持，提升設(shè)備可靠性和經(jīng)濟性。