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电力电缆局部放电在线检测技术
摘要：本文简要介绍了电力电缆局部放电在线检测技术，根据放电脉冲的波形特征有效识别电缆局放信号，利用放电电流计算放电量。阐述了电缆局部放电点的双端定位方法，使用同步收发仪检测微小的局放脉冲信号，进行放大处理，再注入到被测电缆中，解决电缆局放点难于定位的问题。引入英国电缆局放在线检测及定位的实例及经验，供使用单位参考。
关键词：局部放电 在线检测 定位 同步收发仪
0 引言
电气设备检修技术的发展大致可以分为三个阶段，即故障检修、定期检修、状态检修。状态检修是以可靠性为中心的检修，并逐步取代以往的定期预防性检修，它是根据设备的状态而执行的预防性作业。状态检修通过对设备关键参数的测量来识别其已有的或潜在的劣化迹象，可在设备不停运的情况下对其进行状态评估。这种策略不必对设备进行定期大修，提高了检修的针对性和有效性，能发现问题于萌芽状态，有效延长设备的使用寿命，合理降低设备运行维护费用。目前，避雷器全电流和阻性电流的检测技术、容性设备介损和电容量的检测技术、变压器本体油中溶解气体、局部放电的监测技术以及输 电线路的红外检测技术使用相对较为广泛。随着电力电缆在城市电网建设中的普遍应用，对提高电力电缆检测手段的需求日益迫切，尤其是在线检测。
1 电力电缆局部放电量的在线测量
局部放电检测越来越被看作是一种最有效的绝缘诊断方法，在线检测应用中更是如此，目的是观察和研究局部放电引起的绝缘老化问题。电缆发生局部放电时，引起局部放电的空穴形成实阻抗，这是电缆的浪涌阻抗，在开始时是纯阻性的。其产生的脉冲基本上是单极性脉冲，上升时间很短，并且脉冲宽度也很窄。脉冲从产生的位置向外传播，由于在电缆中传播时的衰减和散射，当到达测量点时，脉宽增加，幅值减小。一般情况下，在测量时能检测到比较好的脉冲波形，其保留了很多与源波形相同的特性。图１显示了一段典型的电缆局放脉冲波形，其上升时间以及脉冲特性可以通过计算机生成的光标测量。
图1 电缆中的局部放电脉冲波形（显示了计算机生成的光标）
如果上升时间和脉冲宽度在电缆局部放电脉冲的通常范围内，那么就可以把该脉冲看成是电缆局部放电。一般来说，电缆局部放电的上升时间在50ns到1s之间，而脉宽小于2s。实际上，对于交联聚乙烯（XLPE）电缆来说，其对应值会比这小些。这是由于XLPE电缆的损耗和散射比较小的缘故。脉冲的上升时间和脉宽取决于电缆端部的脉冲波形，也取决于检测电路。然而，这种使用上升时间和脉冲宽度来检测脉冲位置的简单方法并不非常适用。由于检测电路的不确定性，同样使得上升时间和脉冲宽度随之变化，例如当其包含一个大电感时，脉冲的上升时间就会迟缓，并且脉冲宽度也会变大。然而，在脉冲的起始位置，上升时间却是一个很有价值的特征量。对于利用高频电流传感器（HFCT）的在线局部放电检测，其检测电路通常有较大的带宽（>20MHz），这种简单的定位方法还是能得到较为满意的测量结果的。
图2高频电流传感器检测33kV电缆局部放电（箭头所指为高频电流传感器）
图2所示为用于33kV XLPE电缆检测的电流传感器，传感器可以夹绕在接地线之上的每个线芯上，也可以将电流传感器夹绕在接地线上。局部放电脉冲沿电缆传至终端，在导体上它们的极性相同，在屏蔽上相反，关键的问题是能在接地线或导体电流两者之间截取其中一个。实际上，这两个信号很相似，但它们在两个测量点之间的噪音成分却有所不同。
图3 电缆脉冲上升时间分布
图3所示为33kV纸绝缘电缆的在线检测结果，从图中我们可以看到，电缆的主要上升时间集中在200ns附近。被测电缆长度为2km左右，所有脉冲全部取自于1600m处的一个中间接头。从图中显示的电缆上升时间的分布情况看，各上升时间之间还存在着宽度不等的空白区。理论上，可根据图3画出上升时间的曲线图，纵坐标以米为单位，假定局部放电脉冲上升时间和脉冲在电缆中的传播距离之间存在函数关系。实际上，这种关系也是比较容易建立的，它取决于电缆的类型，而问题的关键就在于电缆终端的测量电路的阻抗是不确定的。如前面所述，当检测电路的阻抗中含有大的感抗时，脉冲的上升时间主要取决于检测电路的阻抗而不是局部放电脉冲的传播距离。在这种情况下，脉冲上升时间和传播距离之间的关系就无法建立。
利用局部放电脉冲波形检测局放的最大优势就在于：可以几乎不用考虑因脉冲在电缆中传播的衰减而造成的测量误差，尤其是对于衰减很大的纸绝缘电缆。局部放电脉冲在电缆上传播一段距离以后幅值很快就会衰减10到20倍。如果脉冲峰值衰减到原来的1/20，那么离测量点比较远的局部放电事件就会显得很微弱，难以发现。利用放电脉冲波形，测量局部放电电流下的面积，就可以对幅值进行测量，并且它受信号衰减的影响小得多，放电量则可通过放电电流的积分求得，如下式：
式中的“const”是电流转换为电压的系数。此式已考虑了电流互感器的传输阻抗，电缆阻抗以及放大器增益等因素。通过这种方法测量放电量以后，乘以一个修正因数并假设检测阻抗为电缆的浪涌阻抗，就可以以皮库（pC）为单位测量局部放电的幅值。实际应用中，在电缆中部接头处的地线上测量时，浪涌阻抗和实际的浪涌阻抗很接近，而端部浪涌阻抗的波动一般在20％以下。例如对整体浸渍不滴流（MIND）11kV纸绝缘电缆，在3km处测量，用上面的公式测量时幅值仅衰减了3倍，而直接测量时幅值衰减了15倍。这就说明，这种方法对任何电缆的在线局部放电测量，都可以以皮库为单位表示，而不需要标定。
2 电缆局部放电单端定位法
在检测到电缆局放时，如果能对局部放电源进行定位，那么局部放电活动测量的实效性就会大大提高。当局部放电发生时，局放脉冲从放电点向电缆两侧传播（平均速度约150-160m/μs）。首先到达测量端的脉冲是直接向该方向传播的脉冲（直达脉冲），而完成局部放电定位，还要测量向反方向传播后被反射回来的脉冲（反射脉冲），如图4所示：
图4：“单端”电缆局部放电定位方法
理想状态下，如果直达脉冲和反射脉冲都能被识别，就可很容易地确定局部放电位置。即计算两个脉冲的时间差（ΔT），就可确定局部放电位置。但在实际应用中，使用这种简单的单端测量方法，很难实现局放点的定位。这是由于反射的脉冲太弱，或存在其它反射脉冲、噪音以及波形失真带来的干扰。因此，如果第二个脉冲（反射脉冲）能够明显强于噪音信号，定位就会容易得多。
3 利用同步收发仪进行电缆局部放电双端定位
在电缆局放定位过程中使用同步收发仪，为高压电缆局部放电的定位提供了一种更准确和可靠的方法，可以克服单端定位的许多问题，如：
• 长电缆的信号衰减过大，会降低反射脉冲的大小，从而导致反射脉冲淹没在“背景噪音”中。
• 存在诸如来自馈线电动机噪音的干扰，局放波形难以读取。
• T形连接的电缆或带接头的电缆会导致衰减和反射。
• 环网柜中的其它电缆会导致信号衰减和（部分）脉冲反射。
• 电缆远端阻抗没有明显变化。
在测量时，为了增强反射脉冲，使之能够从背景噪音中突显出来，可以使用同步收发仪。如图4所示，该仪器包括一套放电触发单元和一个脉冲发生器，其基本工作原理是利用放电触发单元探测到一个小的脉冲后，再利用脉冲发生器注入一个很大的脉冲，这样便可确保在电缆的测量端能够检测到一个“反射”的脉冲。
图4 同步收发仪的触发单元和脉冲发生器
图 5 利用同步收发仪定位电缆局放示意图
图5所示为使用同步收发仪进行电缆局放定位的示意图，这里利用高频电流传感器作为探测和发射传感器，此系统可用于5km长的电缆。当触发器在上升边沿触发时，设备的精密度决定了局部放电脉冲上升时间的精度。
图6有无同步收发仪定位局放脉冲的效果
图6所示分别为使用和不使用同步收发仪两种情况下进行电缆局部放电定位的结果。图中，使用同步收发仪时，定位的结果是：局部放电发生的地方比较靠近测量端，可以明显地看到很大的同步脉冲。这里电缆的长度为750米左右。
用于局部放电定位的同步收发仪由电池供电，从而使得在电缆远端没有主电源的情况下，仍可以定位局放，在现场非常适用。这种定位方法非常简单，只要局部放电脉冲清晰，且使用同步收发仪时方法规范，定位结果就会清晰明确。
4 电缆局放定位英国应用案例分析
本例中，局部放电定位采用OSM Longshot系统，使用同步收发仪进行局放点的定位，并通过PDMap©软件做数据分析。
英国配电公司，一次（132kV/33kV）变电站拥有一套IPEC公司OSM-F64固定式局放检测仪，安装于2002年7月。鉴于其中的14个开关柜及其馈线电缆在系统中所处的重要位置，并且需要向曼彻斯特联邦运动会提供电力，因此使用上述仪器对其进行了连续的监测。在2003年4月29日，OSM监视器向客户和IPEC公司发出了一个预警：在皇后公园/东地球场电路中存在过量的局放活动。IPEC公司的工程技术人员使用OSM Longshot©局放现场测试仪如图7所示，对现场进行了检查，通过测试证实了被怀疑的电路中存在高等级的放电现象，并使用PDMap©软件和便携式同步收发仪进行了检测，从而查出放电的源头。
图7：OSM-Longshot 电缆局部放电在线检测系统
从检测到放电的线路图8上看，一条T形电缆分别与皇后公园变电站和东地球场变电站的两个变压器相连。为了定位放电源的位置，需要使用PD Map©在线定位系统软件。连接有HFCT传感器的便携式收发仪被放置在斯图亚特大街（Stuart St）变电站皇后公园的电缆上。检测系统被设置为检测到放电信号时，便向接地线发射一个大的（100V）高频脉冲。通过测量收发仪信号和其来自电缆远端反射信号之间的时间差，电缆的长度得以确定，并可根据客户提供的电缆路径图对电缆的长度进行核对。然后分别在远处皇后公园和东地球场端，使用HFCT传感器再次进行测试，测量放电信号和接地线中收发仪信号之间的时间间隔。随之，在与皇后公园连接的那条电缆上检测到了2个放电点，且两个点都在电缆的红相上。
图 8 皇后公园电缆上的放电点
利用PD Map©软件对测试结果进行分析，如图9所示。所测的局放量峰值分别约为6,000 pC和9,000 pC。这里需要注意的是，由于电缆的浪涌阻抗，在沿电缆传播的过程中，放电量会有所衰减。
图 9 在Stuart St变电站的局放测量
这两个点的局放测试波形如图10和图11所示。
图中显示的两个放电点的位置如下：
第一个点位于距Stuart St变电站58.4%处（约 1564米）。
第二个点位于距Stuart St变电站 62.8% 处（约 1681米）。
图 10 在线局放测试波形（位于距Stuart St变电站端58.4%处）
图 11在线局放测试波形（位于距Stuart St变电站端62.8%处）
将测试结果与电缆路径图进行核对，放电位置分别与距Stuart St变电站1575米的三叉接头（SJ8699/27）和1695米的三叉接头（SJ8699/18）相对应。
使用这项技术进行局放定位的测试精度约为电缆长度的1%。在该案例中进行的测试，数据是从电路的两端获取的，所以测试精度优于1%，定位的精确度分别大约是电缆长度的0.4%和0.7%。
虽然测试是在Stuart St变电站电缆的接地线上进行的，但是在电缆的红相上得到了最大的信号。
在2003年6月26日，对上述两个放电点之间的接头和电缆进行了更换。7月4日，又在Stuart St变电站进行了进一步的局放试验，结果显示局放活动已经消除。
5 结束语
状态检修是设备检修的发展方向，而在线检测又是其中的主要手段。本文介绍了电缆局部放电在线检测方法，该方法使用的算法简单，在实际应用中可靠性高。保留了传统的对局部放电活动进行的峰值测量、计数和分布等方法。新的脉冲识别能力极大提高了局部放电数据的记录质量，特别是在线检测时尤其明显。本文重点介绍了一种利用安置于电缆远端的同步收发仪进行的局放定位方法，它能够有效地定位电缆上的局部放电点。这种方法对通过波形分析难以得到定位数据的在线局部放电检测，非常适用。
参考文献
1 杨凌辉 黄华 高凯 李龙《输变电设备在线监测系统的评价和选用》 2007年全国输变电设备状态检修技术交流研讨会论文集。
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