高压电缆接头在线绝缘实时监测系统的应用研究

高压电缆接头在线绝缘实时监测系统的应用研究

孙万里 1 孙赫 1 王卫东 1 张晋飞 1 刘光宇 2 张斌 3

1.霍林河坑口发电有限公司 蒙古通辽 028000

2.江苏峰工电气科技有限公司 江苏常州 210000

3.昕净洁（江苏）能源科技有限公司 江苏南京 210000

摘要：电力系统供应是关系国家的发展和人民生活生产的重要因数，当今时代对电力的依赖比过去的任何一个时期都为之严重，这种依赖程度只会愈加强烈。人类对新能源的探索都是建立在转化为电能的基础上进行探索，足以说明电能在社会中的重要地位。从裸露的高压电缆，到绝缘的高压电缆，从架空线到地下、水底的敷设，不仅是电缆技术的进步更是生活和生产的需要。本文先讲叙了电缆接头局部放电的原因、产生的危害；随后根据国内外的研究探讨的检测方法的可行性和测量的实现难易程度，最终选定了基于电测法和非电测法。非电测法是指检测局部放电的温度，电测法是指脉冲电流法、特高频电流法进行监测。

关键词：局部放电检测 温度 脉冲电流检测技术 特高频电流法

1绪论

1.1 研究背景

高压电缆是当今甚至以后电网的主要结构，高压电缆在电力系统的不同地区不同等级的配电和输电电网中由于高压电缆具有良好的电气性能、导热性能和机械性能所以得到了十分广泛的运用。与传统的高架空线路相比高压电缆在使用运行、安装和安全等方面有着无可比拟的优势。安装范围广，不管是在水底还是地下甚至是地表它安全可靠，受外界的干扰小，使用周期长等等。但是在诸多的有点中也有很多自身不可避免的短处，在电缆制造时无法100%的保证其绝缘端的完好，在实际安装时无法保证其不受外界机械作用造成损伤，在长期的地下使用来自土壤、水汽和外界环境对绝缘层的腐蚀，在长期的输电中可能因为绝缘层的老化而出现高压电缆击穿的事故。由于高压电缆一般是铺设在地下水中等不可视的环境中，出现问题的高压电缆很难排查，所以能快速准确的排查有问题的高压电缆是电力系统网络监测的重点。

高压电缆出现故障中，据不完全的统计，大约有40%的故障是由于电缆之间的接头和电缆和其他部件连接点造成。高压电缆接头在实际中的安装是不可避免的，同时它也是电缆运行中重要的组成部分，因为施工和环境的局限高压电缆接头也成为了电缆绝缘的薄弱环节，随着电压等级的升高，电缆接头故障率也会随着上升，只有不断的提高电缆接头制作工艺和加强电缆接头的检测，才能避免事故的发生。因此高压电缆的运行监测也逐渐的被各种配电部门重视起来。

传统的高压电缆监测大量是采用预防实验法，往往对高压电缆进行检修时需要断电后才能进行，检修时间长，需要大量的人力物力，只能发现较大局部放电，因此对居民生活和生产造成很大不便。由此在带电的情况下进行检测是现在的研究热点。能够快速准确的找出高压电缆的故障点的在线检测技术是高压绝缘诊断的必然趋势^[1]。通过找出表征高压电缆绝缘良好程度的特征信号。能够快速、准确和有效的发现电缆接头的绝缘层是否完好，高压电缆绝缘检测的技术最为关键的部分，是高压电缆检测从预防到预知的重大改变，从而减少高压电缆的故障确保供电安全。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高压电缆接头局部放电现象简介

高压电缆局部放电是由于绝缘层中间产生电流对绝缘层进行电击产生光、热。产生电流的原因是因为电缆接头在制作的时候由于环境的原因很多微小颗粒被包裹接头中间，在进行接头密封时没有把绝缘层之间完全贴合，中间留着一些气泡，或者电缆运行一段时间后产生气泡，也可能是因为绝缘层的老化从，产生微小的颗粒，水汽进入绝缘层内部加速微小颗粒的产生。产生的杂质和异物的导电、介电常数和原本的绝缘体有很大的不同。当外加电压在这些微小物体上时，微小物体所在的场强就会明显高于它所在位置的场强。随着外电压的不断升高，微小物体所在位置的场强超过了微小物体的电离强度时，微小物体由于电场场强的差比较大，就会产生电离放电，该放电方式就是电缆接头局部放电。

高压电缆接头局部放电发生在绝缘层的有气泡或者有老化缺陷处。在刚开始放电的时候，由于电场差比较小，微小粒子放电的电量微弱，对绝缘层造成的影响小，很难引起传统检测人员的注意，但是长久的放电是一个量的积累，时间一长就会有质的改变——破坏绝缘层的绝缘性，加速事故的发生率，因而缩短绝缘层正常的使用寿命。对运行的高压电缆的局部放电的检测也是对电缆绝缘损害程度的一种监控，确保高压电缆的正常安全的运行。

1.2.2 高压电缆接头局部放电检测方法

局部放电检测方法在现在看来有很多种。不同的电气设备局部放电采用不同的检测方法，经常使用的方法有：电桥法、无线电干扰电压法和脉冲电流法，还有一些非电检测的方法（通过采集局部放电产生的光、声、热和放电周围产生的衍生物等）。使用最为广泛的是电测法和差分法。

1）差分法是按照等效电容的方法，在高压电缆接头金属屏蔽层外的绝缘层上通过耦合剂把两块金属箔分别贴在接头的两侧，中间用绝缘垫圈阻隔，由此金属箔和金属屏蔽层形成一个1.5μF~2μF的等效电容。如图还需要在金属箔的中间接一个检测电阻，使金属箔之间形成回路，检测电阻的大小要根据电缆所通电压而定，一般在50Ω左右。高压电缆接头一侧有放电产生时，电容就会由于耦合作用产生电流，自由电子被电容储存。而电缆接头的另一端没有局部放电的产生，附近的电容不能耦合产生电流，由此两个电容之间就会产生电势差，检测电阻上的电压就为脉冲电流的感应电动势，差分法的检测回路类似于差动平衡电路，来自导线芯的噪声信号在检测阻抗的两端不能产生压降，因而可以很好地抑制噪声。在高于275KV电压时的电缆接头局部放电时，差分法的信号噪音很大，在低于275KV很多时检测的效果不是很灵敏，因此差分法只适合用在275KV左右的电缆，具有很大的电压局限性。

2）超声波检测法。电缆接头局部放电的同时也会产生很多的衍生物质和伴生现象，产生声波就是其中的一种，超声波检测法就是根据这种现象来检测局部放电的有无。在放电区域的小分子之间发生激烈的撞击产生声波，由于放电的频率高，伴随产生的声波也有宽频的性质。局部放电产生的超声波是有里及外的传播，不同的放电量的局部放电伴随产生不同大小的声波，检测声波的大小就能测量放电程度。超声波检测法对检测的位置要求高，对环境的要求也高，不能有杂物阻隔，超声波检测范围有限，一个接头需要一个甚至多个超声波传感器，不能对整条电缆进行监测，超声波检测法适和检修使用和做便携检测仪。

3）脉冲电流法。通过线性耦合器穿过低压侧地线，电缆绝缘层里如果有微小粒子在强电场的作用下产生放电，地线中有脉冲电流产生，流过耦合器产生感应电流，因而判断电缆局部有没有放电。脉冲电流法测量回路与高压电缆回路进行了隔离，对操作人员和设备都是十分安全，检测的局部放电的准确度也十分可靠。传感器产生的脉冲电流容易分辨，局部放电程度可以通过脉冲的大小辨别。

罗氏线圈通过与地线的耦合在线圈的检测电阻上检测感应电流的大小，可根据感应电压的大小判断局部放电的强度，因为线圈是放在地线上，所以是对整条电缆的检测，放在电缆接头是因为电缆接头是产生局部放电的重灾区，还可以根据感应电压的大小判断检测位置距离放电位置的距离.氏线圈原理是没有带铁芯的绕组对原边的环流磁场的导磁率弱，只适合大电流或者连续电流的测量，增加铁芯的罗氏线圈，线圈的导磁率大大增加，线圈耦合产生的感应电压可以检测微小的电流pC级。因此基于罗氏线圈原理设计传感器是目前来看最合适的方法。

4）电磁波法（特/超高频法）。电磁波法是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的电磁波，实现局部放电的检测。当电磁波法的频率达到超高频范围，即300M~3GHz时，可简称UHF法。UHF法在GIS、变压器、电缆和发电设备的局部放电检测中获得了应用。例如：研制用于电缆接头局部放电测量的传感器为一带宽500～1500MHz的阿基米德螺旋天线，天线前置放大器带宽根据天线的频带宽度设计，增益为50dB，放大器具有超高频和检波两个输出通道，检测时主要用检波（即检测到的信号的幅值包络线）通道进行测量，如此可降低对采样率的要求。UHF传感器检测频带较高远离噪声干扰频谱中含量丰富的低频段，故抗干扰能力较强，而窄带干扰如无线电干扰、手机信号等可通过频谱和检波波形分析等手段加以识别，故UHF法适于局放测量。甚高频(VHF)PD信号可以在电缆中大约可传输400～600m，而超高频(UHF)信号只能传输米的距离，故适合对运行中的电缆绝缘接头进行局部放电在线监测。

1.2.3 高压电缆接头在线绝缘实时监测技术应用现状

国内开展高压电缆接头在线监测研究虽然起步较晚，但发展迅速，该技术对提高高压电缆的运行维护管理水平，及时发现事故隐患，减少停电事故的发生起到了积极作用。与预防性试验相比，在线监测系统使用高灵敏度的传感器采集高压电缆接头的多种运行状态的信息，通过引入特定的电缆运行状态特征量，实现对电缆运行状态的全面监测、综合诊断，促进了电力设备由定期试验向状态检修方式的转变。

高压电缆接头在线监测的研究对象集中在电缆本体、附件及电缆接地保护系统上，国内外厂商研发生产了一些针对性的设备，如局部放电在线监测系统，分布式光纤测温系统等。但是由于上述在线监测系统没有统一的标准，各种现场数据采集装置及其传感器配件形状、规格尺寸、性能各异，安装方式繁杂，工作电源要求和数据通讯方式也五花八门，导致集成这些系统，建设统一高压电缆运行状态智能综合管理平台的工作量相当繁琐。

综上所述，高压电缆接头在线绝缘实时在线监测工作目前缺乏统一的管理，研发和生产高压电缆在线监测系统的厂商较多，投放市场的产品种类繁杂，高压电缆运行维护单位有时也无法提出全面、明确的功能需求，造成目前有些系统存在重复建设、功能重叠，无法真正满足实际工作需要的问题，这样即阻碍了在线监测技术的应用和推广，又造成系统管理混乱。为了解决上述问题，有必要研发一种全新的、实用性强、便于安装维护的在线监测预警系统，实现对高压电缆接头运行状态的全面综合监测。

1.3 本文研究的内容

本文综述高压电缆接头产生局部放电的原因，检测电缆接头局部放电的方法，根据国内外的研究成熟度结合厂家实际情况选择现阶段最合适的电缆接头局部放电检测方法——脉冲电流法、特（超）高频法、测温法，按照三法合一的方法研制高压电缆接头在线绝缘实时监测系统。

其主要内容有：

（1）按照原理设计检测局部放电的传感器

（2）根据检测的要求设计后台软件

（3）现场安装调试，优化，总结。

2高压电缆接头局部放电传感器的设计

2.1 高压电缆接头局部放电传感器类型的选择

高压电缆接头的局部放电会伴随着很多的物理和化学的效应，譬如产生光、热、电磁辐射和超声波等现象，伴随着这些现象的产生为局部放电的检测提供了各种检测的方法。在这些检测的方法中分为两大类即：电测法和非电测法。非电测法是指检测局部放电的光、温度等直接的现象，电测法是指脉冲电流法、特高频法、电容传感器法和差分法等检测方法。在第1章有介绍几种现在使用比较多的方法，根据检测的范围、灵敏度和安装难易程度等综合因素，在这里选用电测法中的脉冲电流法和特高频法及非电测法的测温法检测高压电缆接头局部放电问题。

2.2 高频电流传感器工作原理分析

早在20世纪初罗氏线圈就应用在电流的检测领域，在后来的学者对罗氏线圈应用越来越广泛，不断的探索，最终找到了一种可以同时兼并精度和可靠性的检测系统。不断完善的检测方法，罗氏线圈检测电流的方法成为当今应用最广的方法。

2.3 特高频传感器工作原理分析

电力电缆绝缘系统内部的局部放电源可以看成是一个点脉冲信号源，即由放电产生电磁扰动，并随时间变化而在空间产生的电磁波。该电磁波是时间和位置的函数，是一种横向电磁波(TEM波)。由于电缆的同轴结构可以看作电磁波的波导，这种电磁脉冲可以沿着电缆传播。在现场测量时，超高频下距离传感器较远处的干扰衰减较快，且可以利用适当的方法进行识别，所以理论上超高频技术适用于电缆及其接头附件的在线检测。值得注意的是，超高频下信号的衰减要比低频信号严重的多，一般只能在电缆中传输几百米，所以在线监测时要安装多个传感器而且尽量安装在靠近电缆的接头或端部处。

2.4 温度传感器工作原理分析

DSl8820温度传感器的主要由64位ROM单线端口、存储控制逻辑、高速暂存寄存器、8位CRC发生器、温度传感器、上限TH触发和下限TL触发这7个部分组成。一个控制功能指令DSl8B20执行温度测量命令后，将测量结果存入DSl8820的中间结果暂存器。当读取暂存器存储的内容时，该结果就会通过发出的存储功能命令而被读取，每个感温报警触发器TH和TL由一字节EEPROM组成。如果报警搜索命令没有发给DSl8820，这些指示就会当作是普通用途的记忆。记录TH和TL值是由一个存储功能命令实现的。所有的数据首先被读取并写入不太重要的存储设备中。每个DSl8820都有一个独特的64位长的ROM密码，其功能是总线主控探测到一个DSl8820在总线上后，它会发出五个ROM功能指令(读取ROM、匹配ROM、略读ROM、搜索ROM、报警ROM)中的某一个，当选中的功能成功执行后，DSl8820的功能就可以实现，总线控制也可以提供存储器功能和控制功能。

DS18B20是美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器，采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。该温度传感器支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为-55℃～+125℃，精度为±0.1℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。

3.2 展望

XLPE高压电缆运用十分广泛，但是电缆接头才被逐渐的重视起来，XLPE高压电缆故障率有近一半是电缆接头的问题。我国是人口大国，电力输送电压最高标准，领先世界，供电和用电安全是关系国家稳定发展的重要因素。带电检测方法在未来发展的趋势为：

（1）电缆接头局部放电检测系统整合了以往检测方式进行改良，在应用上能快速安装，带电极速检测，为应用提供了一定的数据。

（2）需要寻找新材料代替铁氧体，提高传感器的灵敏度，和传感器采集的稳定性。

（3）设计便携检测仪和在线监测仪，实现对电缆接头实时监测。

（4）电缆接头监测系统仅仅是测试阶段需要进一步研究，希望通过大量的研究设计实现产品化。

参考文献：

[1]李鹤南.高压电缆接头局部放电检测方法[D].华北电力大学，2011.

[2]张定萍，张勇.基于DS18B20的电缆温度在线监测的设计.《信号通信》2015年第2期

[3]成永红.超宽频带局部放电检测技术的研究[D].西安交通大学博士学位论文，1999.

[4]邱昌容，王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术[M].北京:机械工业出版社，1994.