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福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272高压电缆局放在线监测系统设计方案福州亿森电力设备设备有限公司2016年9月福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272摘要：在XLPE电缆投入运行后，由于绝缘的老化变质、过热、机械损伤等，使得电缆在运行中绝缘裂化，为了防止由于绝缘劣化造成电缆运行事故，需要对电缆的运行状态进行即时监测，监测系统控制着电缆及其附件的质量。局部放电是目前比较有效的在线监测方法，局部放电检测目前相应有电磁耦合法、超高频法和超声波法、光学测量法等，本文将着重论述这些方法各自的优势与不足，同时对目前发展起来的PD混沌监测方法进行讨论。关键词：XLPE电缆；在线监测；局部放电；混沌法0引言随着电力系统的飞速发展以及旧城改造工程的进行，电力电缆在电力网络中的应用愈发广泛。电力电缆的基本结构包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四个部分。其中线芯即导体，是电力电缆中传输电能的部分，是电缆的主要结构。绝缘层将线芯与外界电气上隔离。屏蔽层包括导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，一般存在于15kV及以上电缆中。保护层是用来防止外界的杂质和水分的渗入和外力的破坏[1]。电力电缆按照电压等级分类有低压电缆(35kV及以下输配电线路)、中低压电缆(35kV及以下)、高压电缆(110kV及以上)、超高压电缆(275～800kV)、特高压电缆(1000kV及以上)。按照绝缘材料电力电缆可以分为塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆。其中油纸绝缘电缆应用历史最长。它安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。塑料绝缘电缆主要用于低压电缆，常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。橡皮绝缘电缆弹性好，适合用于移动频繁弯曲半径小的敷设地点。我国早期使用的多是油纸绝缘电缆，但自1970年以来，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆得以广泛应用，并逐渐取代了油纸绝缘电缆的地位。XLPE电缆电气性能优越，具有击穿电场强度高、介质损耗小、载流量大等优点因而得到了广泛的应用。在线检测电缆故障的方法有很多，如直流分量法、损耗电流谐波分量法、局部放电法等，其中，局部放电法是目前用于现场比较有效的在线检测方法。XLPE电缆发生局部放电时一般会产生电流脉冲、电磁辐射、超声波等现象，根据检测物理量的不同，局部放电检测相应有电磁耦合法、超高频法和超声波法等，其中，电磁耦合法由于传感器灵敏度高、安装方便，且与电缆无电气连接，是目前应用最为广泛的一种方法。本文主要论述了XLPE电缆局部放电在线监测的一些基本方法的优势与缺陷，并对电缆局部放电的混沌监测方法进行了讨论[2]。1PD在线监测的意义以及技术难点局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电,这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。但每种方法都有自身的优势与局限性。抑制噪声、提高传感器的灵敏度是推广XLPE电力电缆局部放电在线监测技术的关键，如何分析局放测试数据、识别局放源类型乃至精确定位局放源，需要更多的现场检测经验和理论研究。2传统PD在线监测方法由于电缆故障主要发生在电缆附件位置，而本体较少发生故障。因此，电缆在线检测主要检测电缆接头位置。在线PD检测的主要问题有三:一是传感器很难接触到带电导体甚至不易接触到金属护套;二是传感点分布在长电缆上，因此它们检测的信号在传输过程中容易变形扭曲;三是干扰信号的存在。测量局放的辐射场常用敏感的场传感器。这些传感器通常放在靠近电缆接头的外半导电层上，常用铜或铝导体作为内置传感器，半导电层在导体和绝缘之间起一个连接和均匀电场的作用，防止电场的加强，防止造成局放或早期故障。内置传感器的缺点在于不够便携，而便携式的传感器必须安装在电缆的外部，并通过电感耦合或电容耦合的方法与电介质耦合。这样的传感器安装最大问题在于它不仅仅捕捉内部信号，也捕捉外部干扰。常用的在线PD检测手段有:高频电流法，电容耦合传感器，声发射法，超高频UHF法，甚高频VHF法等。此外还有一些不太常用的手段，例如定向偶合法、偏振光测量法等。2.1电容耦合法电容耦合法也是电测法的一种，其具体的方法是从距离接头比较近取一段电缆，把电缆的外护套绝缘层去电，电极是在外半导电层的表面裹上一导电体，这样就构成了容性电机，在发生放电时，就可以通过耦合，然后测量脉冲电流信号。就可以如图2.1所示。我们可以看到，两个阻抗（同轴电缆和绝缘层）是并联在一起，这种测量方法的最大优点就是不会损坏外半导电层和电缆绝缘层，而且对电缆信号传输几乎没有干扰。传感器的信号噪声比与剥去护套的长度、金属箔和护套之间的长度以及金属箔长度这三者之间是有关联的，通过调整可以得到理想的信噪比值[3]。福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272护套绝缘层中心导体耦合器图2-1电容偶合法示意图常用的电容耦合传感器有内置式和外置式。内置式和外置式的相比较外置式的更有优势，外置式的电极可以做在护套表面，对电缆的绝缘没有影响，这样也会使安装比较方便，这样外置式的既可以用在在线局放检测也可以用在现场局放监测。在国内有些科研单位已经研发出了电容耦合传感器，根据电容耦合的原理，西安交通大学开发了可以通过监测电缆附件的传感器，该传感器为位置式，并通过实验对220千伏交联聚乙烯电缆进行了局部放电测量。这一传感器的生产过程是:一、用刀具剥开屏蔽层和电缆外护套，把一导体环放到屏蔽层和外护套之间，并用绝缘材料固定住导体环，使之紧贴外半导体层，然后用法兰连接导体断层。其带宽也不错，可以到500MHZ。有一些研究院、电力设备生产企业和高校也进行了这方面的研究，例如华中科技大学，国家电网科学研究院、兴迪公司等，有的产品通过实验也取得了不错的结果[4]。国外对电容耦合传感器技术比国内成熟很多。美国麻省理工大学开发出了内置VHF传感器。其加工过程是：剥开100mm宽的金属屏蔽层，然后用40mm宽的薄金属裹在电缆的外半导电层，这样薄金属与半导电层构成耦合电容，当发生放电时，信号通过薄金属和屏蔽层传输出，它在正常运行时带宽为300MHz，抗干扰效果也比较好。还有就是韩国也是根据这一理论开发出一种检测仪，它携带方便抗干扰效果好，灵敏度高，已到达1pC,带宽为200kHz-300MHz，现场使用效果较好。2.2电感耦合法根据电感耦合理论，现在已开发出多种传感器，罗斯（Rogowski）线圈是在其中最具有代表性。在电缆发生放电时，会产生频率较高的电流信号，信号通过导线传输，一边以电流信号传输也转化为电磁波，不断的向各个方向辐射能量，正是根据电磁耦合这一原理，研究出了罗斯线圈传感器。罗斯线圈传感器结构图2-2与罗斯线圈传感器等效电路图2-3。X1X2信号处理单元C0R0hD1D2图2-2罗斯线圈结构图在图2-3中，M是原边与副边之间的互感，由罗斯线圈等效电路图可以清晰的看到，左边即为电流传感器，在线路之间也会形成相互干扰，用Cs表示，罗斯线圈自感用Ls表福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272示，线圈的等效电阻Rs表示，C0,R0为线圈的取样阻抗。在实际应用中，磁芯的选择也很重要，不同的磁芯对生产出的传感器影响很大，我们通常使用的是镍锌铁氧体，用其做出的电感耦合器灵敏度高，可达3PC，工作带宽大，其频率带可从20KHZ到100MHZ[4]。MLsRsC0U0(t)i(t)CsUi(t)图2-3罗斯线圈等效电路根据罗果夫斯基（Rogowski）线圈原理生产的电磁耦合传感器也分为内置式传感器和外置式传感器。外置式和内置式也是有一定不同，主要体现在两个方面：一是两传感器的大小有所差异；二是在安装时放置的位置不同；外置式的传感器在尺寸方面比内置式大，灵敏度方面内置式比外置式要好，外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便。由于外置式传感器安装比较复杂，所以在设计时大多设计成开口，这样的设计也方便我们携带，如图2-4所示，同时开口式的设计在一定程度上改善了安装难度，直接打开口，套在电缆本体外部，这样通过电缆的电流就可以通过传感器检测到信号[5]。由图中我们可以看到，外置式传感器一般做的不够精巧，测量的精度不高，而且对外界的电磁环境比较敏感，会因为周围环境的干扰而信号失真。如果在以后能够解决这些问题，还是比较有很大的工程实际应用前景的。图2-4外置式罗斯线圈传感器目前，我国对罗果夫斯基（Rogowski）线圈传感器的产品研发以及在工程实际上的应用很广泛。以下科研单位和高校都开展过相关的研究，并设计出一些实验性产品，如国家电网电力科学研究院，华中科技大学和西安交通大学，武汉大学，重庆大学等[6]。在部分区域电力公司也对这类局放传感器进行了实际工程运用，收集了一些现场运行数据，像国家电网北京电力公司和南方电网云南分公司都有试运行，实际运行的效果还是有参考价值的。2.3超声法和超声传感器在非电量局部放电测量的方法中超声法是研究的比较早的一种，目前已经成功应用在局部放电监测的工程实际中。超声法的核心器件就是超声传感器，大多采用的是压电晶体传感器，它的工作原理是把接收到的超声信号转换成电量，在传感器的外端连接分离放大器，把声音信号放大，再经过光电转换模块，再通过光纤将转换后的信号传输到数据采集卡里，然后在与采集相连接的工控机上显示波形数据。因为局部放电产生的超声信号特别小，这样在福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272传输的环节上衰减会对原始信号影响较大，这样导致该方法并没有得到推广，最近几年，由于技术的进步，传感器的性能和信号分离放大器的性能也大幅进步，例如长沙鹏翔科技生产的PXPA/PXPB系列声发射前置放大器，其体积较小，抗撞击，噪音低，高带宽，还有光纤技术的发展这些技术的共同发展也使超声法的测量灵敏度有了大幅提升，也使超声法测局部放电重新得到关注。在电缆中，发生局部放电时产生的声音信号频带很宽，超声传感器和相连接的分离放大器就放置在需要监测的电缆附近，当有局放发生就会检测到信号[7]。而且，超声传感器它有设定好的接收信号的带宽带，这也使外界的环境或者电缆和其他设备运行产生的干扰影响降到最低，保证了检测精度，所以超声监测法在电缆运行现场有很好的应用。而且由于超声信号的波速很小，这样我们还可以进行故障点定位。超声法也有它的不足，电缆外表的绝缘层对高频波声波的吸收能力较强，这样就导致了原始超声信号里高频波大幅衰减，这一原因限制了超声法的推广，大多还是用来监测电缆接头。近年来，国内有些单位已使用超声传感器开展了对电缆在线监测[8]。例如长沙鹏翔科院有限公司，华北电力科学研究院，南方电网广东公司等。2.4光学测量法在前面我们介绍到，在局部放电测量分为电测法和非电测法，而我们以上介绍的电容耦合法即为电测法，电测法和超声法对测试的环境比较敏感，另外也是因为流过被测设备的信号很小，环境中的电磁波或者噪声随着被测一起通过放大器放大后，有可能会对收集的信号产生很大影响，超声法还有信号在传输过程中衰减的问题，这些都会影响局放的监测准确度；以上的这些问题也使人们把视角转移到光学传感器上，这也是在线监测研究的新方向[9]。光学测量法的测量原理是利