東南大學(xué)成賢學(xué)院 燕 潔

1 引言

由于電力系統(tǒng)的迅速開發(fā)，高壓電纜的使用范圍也逐步增加。高壓電纜的基本構(gòu)造一般由以下幾部分所構(gòu)成，包括芯線、屏蔽層和保護(hù)層。而在這幾部分中，電纜芯是在高壓電纜上傳遞額定電流的主要載體，同時又是高壓電纜的主體結(jié)構(gòu)。而絕緣保護(hù)層則主要用于芯帶與電線分開。屏蔽層主要分為導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層，主要設(shè)計在15A 以上的高壓線路上。該保護(hù)層主要用于防止高壓導(dǎo)線免受外部破壞和滲入環(huán)境。但假如高壓導(dǎo)線經(jīng)常部分放電，所有高壓電纜附件的空氣絕緣體層在最后都將斷裂。目前，對高壓導(dǎo)線局部放電的實時監(jiān)測，仍是確定高壓電纜安全特性的一種最全面且可行的方法。

2 高壓電力線路局部放電分析

2.1 高壓電纜局部放電檢測

國內(nèi)對高壓電纜中局部放電方法的研究起步相對較晚，進(jìn)展滯慢。到目前為止，由于理論資料尚不完備，這對該方面的科學(xué)研究造成了極大的障礙。自20世紀(jì)六十年代開始，我國企業(yè)對電纜就開始進(jìn)行了局部放電測試。但是，因為沒有一個靈敏的測試工具，因此該項工作暫時中止[1]。

目前，不少發(fā)達(dá)國家的高壓隔離監(jiān)測技術(shù)開始運用于高壓線路的監(jiān)測與故障診斷，系統(tǒng)監(jiān)視能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，能夠顯著改善電力裝置的工作質(zhì)量，減少供電系統(tǒng)的運行危害，增強(qiáng)輸電線路工作的安全與穩(wěn)定性。但是，高壓電纜的電流故障測試在一定意義上還只是一個電阻電壓檢測。因為電流干擾控制等其他問題，局部放電測試結(jié)果并不理想，而且局部放電測試范圍相對也比較小，因此高壓電纜局部放電的測試目前還處在探討與發(fā)展中，現(xiàn)場高壓電纜局部放電檢測如圖1所示。

圖1 高壓電纜局部放電檢測

2.2 局部放電的原理

電纜絕緣體的內(nèi)部極易遭受外界影響因子的干擾，尤其是在生產(chǎn)和加工過程中。這種影響容易形成氣體或者其他污染物，這將降低該部分的擊穿電壓，進(jìn)而更易使其放電。線路的劣化和終極節(jié)點的斷開也不利于電力系統(tǒng)的使用壽命的延長。電纜局部放電監(jiān)測的主要目的是通過獲取和研究局部放電監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而有效地識別和解決存在的早期問題、危害和風(fēng)險，從而有效地推動電力系統(tǒng)的安全運行。如果設(shè)備發(fā)生正電荷和負(fù)電荷通過不同電荷的兩端積聚，內(nèi)部電荷強(qiáng)度增加[2]。

根據(jù)這種放電行為，在對電子電氣的施加電壓擴(kuò)大到規(guī)定程度時，內(nèi)部的放電性就主要是由電離的電子放電引起。由于絕緣上的氣體、孔洞、雜質(zhì)和灰塵等的缺陷而造成的，很有必要經(jīng)?；蛘卟欢ㄆ诘貙﹄姎庠O(shè)備進(jìn)行局部放電測試，全面檢查設(shè)備的絕緣情況，從而判斷絕緣失效的原因和破壞范圍，變壓器局部放電原理如圖2所示。

圖2 變壓器局部放電原理

2.3 高壓電纜局部放電產(chǎn)生的原因

交聯(lián)聚乙烯電力電纜因為具有良好的電氣功能和耐熱性，在工業(yè)輸送領(lǐng)域獲得了廣泛的使用。一般將輸電線路高壓電纜的壓力級別分為10kV、35kV、220kV 等，但因為施工技術(shù)和生產(chǎn)工藝上的問題，電纜絕緣材料中會產(chǎn)生雜物，引起了電纜隔熱材料表層及內(nèi)部區(qū)域的電荷不平衡現(xiàn)象。

在導(dǎo)線工作系統(tǒng)中，在平均電場的影響下，非導(dǎo)體內(nèi)部及表層的部分區(qū)域的電場技術(shù)強(qiáng)超過了平均電場強(qiáng)，而部分區(qū)域的電流場強(qiáng)則小于了平均電場強(qiáng)。所以，放電過程首先產(chǎn)生于這些部位，而其余部位則處于良好的絕緣，形成局部放電。當(dāng)絕緣層內(nèi)的氣隙大小放電后，物質(zhì)分解于氣隙大小中，中性物質(zhì)析出為帶電微粒，如正負(fù)離子[3]。再加上電荷后，正電子或負(fù)離子沿與電荷相反的方向運動，而正離子則沿電荷的方向運動。于是，這些空間電荷會在與外部強(qiáng)加的電荷相反的方向上，形成新的空間電荷。

高壓電纜局部放電是一個相對復(fù)雜的物理過程，需要幾個特征參數(shù)來充分描述其狀態(tài)。關(guān)鍵參數(shù)包括放電重復(fù)率、放電能量、平均放電電流和放電性能。長期局部放電嚴(yán)重危害電纜絕緣材料的絕緣，主要是由于局部加熱、活性化學(xué)物質(zhì)、帶電粒子的影響以及放電絕緣材料造成的損壞。

2.4 局部放電檢測的必要性

高壓電纜作為一種重要的電力傳輸介質(zhì)，具有電氣性能好、耐熱性好、機(jī)械性能強(qiáng)等優(yōu)點。目前，高壓電纜在輸電和配電中得到了廣泛的應(yīng)用，但高壓電纜很難避免自身的問題，特別是在高壓電纜的生產(chǎn)過程中，很難確保絕緣的絕對完整性。在電纜安裝和敷設(shè)過程中，由于機(jī)械力很容易被擠壓而破裂。最關(guān)鍵的是，絕緣材料因為長時間使用和水分等因素而被侵蝕，甚至破壞，局部放電的危害如圖3所示。

圖3 局部放電的危害

這種危害也將破壞高壓電纜的正常絕緣，又因為高壓電纜敷設(shè)的特點，故障診斷和維修都十分困難。而隨著我國高壓和特高壓系統(tǒng)的逐步開發(fā)，電力標(biāo)準(zhǔn)日益提高，對高壓電纜連接器的絕緣要求也愈來愈高，電纜附件的設(shè)計將顯得越來越繁雜，而錯誤可能性也將大大增加。而為了保證高壓電纜的順利工作，就有必要經(jīng)常和不定期地對高壓電纜進(jìn)行絕緣檢查。

近年來，通過我國的預(yù)防性測試，更廣泛的保障電力保障項目，但也很容易造成停電和生活極大的不便。為在不干擾正常功耗的前提下保護(hù)好高壓線纜，近年來高壓電纜連接器的絕緣測試技術(shù)已成為一項全新的研發(fā)重點。通過在線測試技術(shù)的不斷探索，已經(jīng)可以通過比較良好線纜絕緣質(zhì)量的信號特征等指標(biāo)，成功合理地判斷出在工作過程線纜絕緣受到破壞的情況[4]。

3 高壓電纜接頭局部放電檢測方法

3.1 電纜局部放電定位法

當(dāng)測量電纜放電后，一旦發(fā)生局部放電的情況，放電測量的質(zhì)量與準(zhǔn)確度就明顯降低。為達(dá)到這一效果，一般采用時域反射技術(shù)來判斷放電情況。這種技術(shù)的應(yīng)用原理是在導(dǎo)線的一側(cè)安裝脈沖檢測裝置，通過內(nèi)部的電脈沖在導(dǎo)線上產(chǎn)生并引起的反射，得到電纜中同一脈沖的往復(fù)傳播和時差數(shù)據(jù)，然后利用脈沖位置，以確定局部放電源的位置。如果局部放電信號耦合裝置安裝在電纜的近端也可通過脈沖電流法來測量電流。

當(dāng)然，放電時脈沖信號的傳播方向還可使用高頻電流傳感器來判斷。在電纜連接器的局部放電時，所產(chǎn)生的電流脈沖構(gòu)成了兩個相同振幅的頻率。不同的頻率存在不同的傳輸距離，局部的電脈沖的面積可通過電纜中脈沖的傳播速度，以及兩種頻率間的延遲差來大致判斷。同樣的，如果在現(xiàn)場檢測電纜中，傳感器也能夠探測到同樣的脈沖組數(shù)據(jù)，這種方式可能有助于早期判斷供電系統(tǒng)的情況，可在帶電部位探測到故障，然后進(jìn)行其他檢測來保證電纜的工作。

3.2 四種檢測法分析

超高頻電容耦合器件，是由金屬屏蔽層、電容耦合器、導(dǎo)線芯、導(dǎo)電薄膜、XLPE 絕緣構(gòu)成。光電耦合器的檢測方法的主要特征是采用了電容耦合器，極限帶寬是500MHz，可用作為線纜、附件局部放電時的超高頻感應(yīng)器，按照較以往的局部放電檢測方法來說，其靈敏度要更高。由于同時還存在著超高頻電子的衰減現(xiàn)象，所以必須在該導(dǎo)線接頭、端部，利用感應(yīng)器的設(shè)置，所進(jìn)行的熱放電測量作用，才能對該導(dǎo)線表面，造成不同程度的破壞。

Rogowski 線圈電流傳感器檢測法，由于高壓導(dǎo)線的局部放電信號幅度極小，并且傳播時間也較小，約在納秒數(shù)量級，但也具有范圍較廣的頻譜。所以要實現(xiàn)對高壓導(dǎo)線的放電測量，就需要具有較寬頻帶、電流敏感度較高、線性度高、電壓畸變小且平穩(wěn)穩(wěn)定的電流耦合器件。RogowskI 線圈電流傳感器，是一種I/V轉(zhuǎn)換器的電流傳感器應(yīng)用非常普遍[5]。通常將Rogowski 卷材制作成橢圓或長方形，并使用中空的產(chǎn)生磁性的金屬骨架，在骨架周圍均勻地繞著螺電流互感器。

在Rogowski 線圈的原邊是一匝線圈，副邊則是多匝線圈，被測脈沖電流會產(chǎn)生磁通，磁通會與副邊線圈相交鏈。當(dāng)Rogowski 線圈有脈沖電流通過時，螺線管的每一匝中就會產(chǎn)生磁通，Rogowski 線圈中產(chǎn)生電動勢大小與導(dǎo)體中脈沖電流大小的磁鏈成正比，電動勢會因磁鏈的變化而變化，且電動勢與電流成正比。這種傳感器檢測方法能夠較好地找出局部放電源之所在，為快速排除故障奠定基礎(chǔ)，應(yīng)用較為便捷。

電磁耦合法，應(yīng)用由羅氏線圈、前置放大器、頻譜分析儀等組成的電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng);探測的基本原理是在金屬內(nèi)部放電信號出現(xiàn)后，金屬的屏蔽層就會對其脈沖電流作出反應(yīng)，而當(dāng)其脈沖電流反饋給感應(yīng)器后，就會通過金屬二次繞組內(nèi)部，從而探測其產(chǎn)生的異樣放電信號，并由此探測到金屬內(nèi)部的電信號。超聲波檢測法，該測量技術(shù)，采用壓電晶體作為感應(yīng)器，壓電晶體具有頻率、電荷量轉(zhuǎn)換的特性，并采用了前置放大器，可以進(jìn)行光電器件變換，從而完成了光、電信號的變換;最后在示波器上，則表現(xiàn)為放大了局的電信號。這種檢測法雖然具有簡便可靠的優(yōu)點，但具有精度低下的缺陷。

4 結(jié)語

目前，對電纜線路的測試技術(shù)主要有四種檢測法，導(dǎo)線的實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分釋能脈沖電流在導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散途徑不明確，部分視覺信號在導(dǎo)線中的擴(kuò)散與時間密切相關(guān)，同時受衰減與反射等各種因素的干擾，測量精度較差，并且電纜局部放電測量受窄帶干擾的巨大作用。一般的檢測方法不能保證靈敏度，高壓電力電纜局部放電的檢測仍存在許多尚未解決的問題，需要更多的現(xiàn)場檢測經(jīng)驗和理論研究。