分布式光纤传感技术在电力电缆局放监测中的应用解决方案探讨

电缆局放监测中的分布式光纤传感方案探讨作者吴海生(上海欧忆智能网络有限公司，上海，200040)摘要：为确保电网的运行安全，对交联聚乙烯（XLPE）电力电缆局部放电的在线监测和定位技术已受到国内外众多专家的研究热点之一。本文在介绍了电力电缆局部放电危害，电力电缆局部放电机理以及现有监测技术后，提出了基于分布式光纤传感技术的电力电缆局部放电监测方案。并探讨了方案实施中的关键技术解决思路与方法。关键字电力电缆局部放电光纤传感在线定位监测一、电力电缆的局部放电危害近年来，随着我国城市智能电网的不断改造建设，具有高温大容量特点的交联聚乙烯（XLPE）电力电缆作为主流产品已经广泛应用于输电线路和配电网中。资料表明：在对全国主要城市126家电力电缆运行维护单位10kV以上的电力电缆(总长度91000km)运行状态进行调查统计和故障原因分析发现，我国的10～220kV电力电缆的平均运行故障率相对经济发达国家仍高出约10倍【1】。交联聚乙烯电力电缆主要故障的早期表现均为故障部位的局部放电现象。电力电缆局部放电程度也与电力电缆绝缘状况密切相关。局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷，是电力电缆绝缘崩溃的前兆。一旦绝缘崩溃，将造成电网的停电损失。因此，对电力电缆的局部放电的监测是获知电力电缆运行状态的重要方法。图1为因过度局放造成的电缆绝缘被击穿损坏结果图：图1局部放电击穿电缆绝缘结果图由于绝大多数的电力电缆从局部放电到电缆绝缘击穿都有一个较长的时间过程，国内外专家学者、IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威组织一致推荐局部放电监测是作为对XLPE绝缘电力电缆运行状况评价的最佳方法。因此，准确在线监测量XLPE绝缘电力电缆的局部放电发生部位，及时消除局部放电隐患，是建设坚强可靠智能电网的最直观、最理想、最有效的方法。同时，亦是研究开发难度最大的方法。目前仍然没有实用的相关技术得以实现。二、电力电缆的局部放电机理与现有监测技术国际电工委员会IEC60270对局部放电（简称：局放、PD）现象的定义是：在高压下固体或液体绝缘系统里一小部分的局部介质破坏。电力电缆局部放电的形成机理是：当电缆在制造中，因材料不纯、加工设备故障等原因，使电缆本体内部产生材料缺陷。当电缆在施工中的不当，或使用中遭到外力破坏，造成电缆外护套等电缆破损缺陷。上述这些缺陷处会在电缆导体的高电压强电场作用下，产生高电压尖端放电等现象。持续的高压放电，产第一作者简介：吴海生（1958-02），男，教授级高级工程师，硕士，Email：[e-mail]征文专题号：专题三生着高温、电晕、电弧，伴随着出现异常的对地电流异常、超声异常、高频电磁波异常现象，并将逐步击穿电缆的绝缘薄弱处，终将造成电缆的燃爆、电网的停电。电力电缆缺陷造成局部放电现象示意如图2：图2电力电缆缺陷与局部放电示意图电力电缆的缺陷类型包括：杂质、气隙、针尖、切痕、水分、电场控制元件位移等；缺陷性质包括：绝缘、半导电和导电；缺陷程度包括：微观、宏观轻微、宏观严重等。因此，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆在制造、施工、设计、外力破坏中产生的绝缘缺陷是电力电缆产生局部放电的根本原因。具有高温大容量特点的交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的结构如图3所示：图3交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的结构图其中，电缆局部放电产生超声波的机理是：通常情况下电缆的局部放电是在绝缘介质中的气隙里产生的。电缆运行时，电缆导体的交流电压加载到气隙上。电压上升过压时气隙被电离产生放电，电压下降低压时气隙电离熄灭放电停止，在交流电场作用下，气隙的体积会膨胀与收缩，这个气隙体积交变过程，会在绝缘层产生疏密波，既是超声波。这样不断周而复始的气隙局部放电，不断电离、侵蚀、老化着气隙周边的电缆绝缘层，不断扩大气隙的体积，直到将电缆的绝缘层击穿。因此，对于局部放电的检测是以伴随局部放电产生的电光声等现象为依据，判断局部放电的状态、位置和放电程度。理论研究表明交联聚乙烯电力电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽，最高达到吉赫兹数量级【2】。其中电力电缆的局放超声波特征为：20kHz～200kHz，其峰值频率为70kHz～150kHz。局部放电的电脉冲中心频率一般在10MHz～20MHz。电缆不同部位和不同缺陷所产生的局放电流脉冲波形特征是各不相同的。通过记录、比对和分析电缆本体和电缆附件的绝缘缺陷引发的局部放电的电、声信号频谱特征，制作缺陷类型指纹，运用数学方法完成局部放电信号识别判断，实现电力电缆线路局部放电信号在线检测，达到预防电力电缆线路突发运行故障的目的。目前国内外对于电力电缆局放在线监测的主要研究方向有【3】：放电脉冲电流信号监测，其原理如图4所示。局放超声波信号监测，其原理如图5所示。电力公司对局部放电检测的灵敏度要求≤20皮库（pc）。对电缆局放点定位要求±10厘米。局放传感器接地线电缆屏蔽层XLPE电缆前置滤波放大电路数据采集系统数据处理系统监控中心图4局放放电脉冲信号监测原理图图5局放超声波信号监测原理图尽管纵观国内外电力电缆在线监测技术发展现状，迄今为止，国内外用于XLPE电力电缆局部放电监测的方法有多种，详细分析其之所以不能推广应用的本质原因在于：电缆运行现场强电磁场干扰源较多，使得电缆本体上的电原理传感器的采集信号的原始波形畸变，容易误导误判，甚至漏判。电缆的局放点可能出现在电缆长度上的任何位置，无法用点式探测器来精确定位。所以研究开发电缆局部放电在线检测技术，特别是对电缆上的局放点位置的精确定位的难度在所有电缆绝缘在线检测技术中是最高的【4】。三、分布式光纤传感技术的应用解决方案探讨光纤传感器是近年来出现的新技术，其具有探测不用电，不受电磁干扰特点，特别适合于高电压强电场环境的传感探测。同时由于分布式光纤传感是线型传感器，与电力电缆具有很好的形状匹配，特别适合嵌入电力电缆中，成为电力电缆的组成部分。只要在分布式传感光纤上加载温度、应力、振动、磁光等调制解调技术，则电力电缆就能具备测温、测力、测电流等功能。光纤复合电缆也就成为智能型电力电缆。随着光纤传感技术的发展，以及智能电网的建设需要，目前已有具备电缆运行温度分布监测、应力分布监测功能的实用化智能电缆产品。光纤复合电力电缆产品如图6所示，分布式光纤温度传感电力电缆工作原理如图7。图6光纤复合电力电缆1m脉冲光T9,999T9,998T9,997T9,996T9,995分布式光纤温度探测电力电缆原理分布式光纤温度探测电力电缆原理图7分布式光纤温度传感电力电缆工作原理但因目前采用的锐利散射OTDR光纤传感技术、拉曼散射的DTS光纤传感技术、布里渊散射的BOTDR光纤传感技术，在信号灵敏度和空间定位精度上，均不能满足电缆局放微弱电信号、上百kHz级频率声信号及厘米级的定位探测要求。因此，本文从探测光纤特别化设计制作，探测光缆的布置方案，及调制解调的技术方案上，初步探讨适合电力电缆局部放电监测的分布式光纤传感应用解决方案。1、基本思路基于电缆局部放电时，放电超声信号为普遍规律。局放产生的超声波信号实质就是电缆局部放电点超声波引起的机械振动。该信号不易受环境电磁信号串扰影响。电力电缆的局放超声波特征为：20kHz～200kHz，其峰值频率为70kHz～150kHz，而噪声频谱分布在＜65kHz的频率范围内【5】。因此，设想发挥分布式光纤传感技术的无电、线型、抗电磁干扰等优势和特点。通过在电缆中嵌入对超声波频段振动敏感的探测光纤，实现与电缆绝缘层接触式传导探测。当电缆某处产生局放点时，该点处的超声波振动源将扰动调制探测光纤中传输的探测光信号。应用能达到厘米级高精度的光散射仪技术来解调发生在探测光纤上的外界超声扰动信号位置与幅度。从而实现探测并定位电力电缆本体上的超声波发射源，达到监测电缆的局部放电状况并精确定位局放点的目的。所以提出了如下分布式光纤传感技术监测电力电缆局部放电的解决方案与设想：超声波敏感探测光纤+高精度的光散射解调技术=电缆局放点位置与幅值大小2、超声波敏感探测光纤设计与布置由于局放产生的超声波持续时间短，信号衰减快，因此需要对超声波敏感探测光纤的结构特别设计。如，通过改进探测光纤的芯包尺寸比，通过材料特别掺杂，改变探测光纤的芯包折射率，或应用特别结构的光子晶体光纤等特别设计，使探测光纤对电缆局部放电点处20kHz～200kHz频段的超声微振频率信号特别敏感。还如，通过对探测光纤表面的镀金属膜，利用基于表面等离子体波（SPW，SurfacePlasmaWave）共振敏感的检测技术（其探测灵敏度可达10-5）【6】。制成对具有声发射（AcousticEmission,AE）特征的局部放电超声波信号敏感的特种线型光纤AE传感器，实现对超声波源的定位监测【7】等方案。同时，基于超声波传导衰减原因，要发挥线型分布式光纤传感技术优势，将探测光纤嵌入电力电缆的结构中，充分贴近接触电缆本体绝缘层，最大地感受电缆绝缘层局放点的超声发射源信号强度。该探测光纤还可具有拉曼温度探测效应，同时还可在线监测电缆上的温度分布，以异常热点作为局部放电点位置的辅助判断依据。3、高精度的光散射解调技术选用目前比较成熟的具有分布式光纤定位探测功能的光散射解调技术，主要有光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）。其中，光时域反射技术（OTDR）具有长距离、低成本的优势。但其对探测光纤上的事件探测定位精度只达到米级，且具有数百米的探测盲区。而电力公司目前使用的XLPE电力电缆长度一般为数十米至数公里的中短距离。但对局部放电时间的定位精度要求达到厘米级。所以光时域反射技术（OTDR）不适合用于XLPE电力电缆的局部放电在线监测。光频域反射技术（OFDR）是20世纪90年代以来的一个新技术．因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。OFDR系统需要的光源为线性扫频窄线宽单纵模激光器，所以对光源的要求很高，这也导致了国内对OFDR研究的较少。但随着国内光源调频技术的日益成熟，其发展和应用前景相当广阔。光频域反射计是以调频连续波技术（FMCW）和迈克尔逊干涉技术为基础，结构包括线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和频谱仪(或信号处理单元)等，基于光外差的探测技术。其结构原理如下图8所示【8】：图8OFDR系统结构图随着线性扫频窄线宽单纵模激光器技术的发展，目前的光频域反射技术（OFDR）已可以通过相干检测技术对光纤的后向散射信号进行频域分析，并达到毫米级的空间分辨率，数公里的探测范围，以及-100dB的灵敏度，并没有探测盲区。十分适合用于电力电缆的局部放电的探测与定位。4、方案的关键技术综上所述，基于分布式光纤传感技术的电力电缆局部放电监测方案，将由超声波振动敏感的探测光纤、符合高压电缆电场分布规则的光纤复合电缆、高定位精度的光频域反射技术等三大关键技术组成。方案的结构原理示意如下图9：图9分布式光纤传感电缆局部放电监测方案示意图四、小结交联聚乙烯电力电缆主要故障的早期表现均为故障部位的局部放电现象。其预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷，是电力电缆绝缘崩溃的前兆。为确保电网的运行安全，需对交联聚乙烯电力电缆局部放电实施在线监测和定位。本文提出了基于分布式光纤传感技术的电力电缆局部放电监测方案。并对构成探测方案的三大关键技术提出了解决思路和方法。为交联聚乙烯电力电缆局部放电实施在线监测和定位的解决方案，提出了一条技术路径。参考文献1、李华春等110kV及以上高压交联电缆系统故障分析2、吴延坤等光学方法在电力电缆局部放电测量中的研究现状《电网与清洁能源》2011-083、王桂林等变电站电力电缆局放在线监测系统方案（上海交大）4、张文新等电力电缆运行状态的监测研究（北京电力公司）5、何鹏威电力电缆局部放电的超声检测《商品与质量·学术观察》2012-096、曹振新等光纤表面等离子体波传感器的理论研究《东南大学学报》2004-097、刘娟等光纤声发射传感器的研究现状与展望《传感与微系统》2010-098、谢玮霖等光频域