交联聚乙烯电缆局部放电在线检测

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主要介绍内容

第一部分：交联聚乙烯电缆及其附件

第二部分：电缆中的局放现象

第三部分：在线检测方法介绍

交联聚乙烯电缆及其附件

几种电力电缆 交联电力电缆参数对比列表 电力电缆附件

几种电力电缆油浸纸绝缘电力电缆 由木纤维纸和浸渍剂组成的复合绝缘。 生产和运行中均不可避免产生气隙。耐电强度降低。

橡皮绝缘电力电缆 合成橡胶：丁苯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯 耐臭氧差，在电晕作用下会发生开裂，击穿场强较低。

聚氯乙烯绝缘电力电缆 聚氯乙稀树脂为基础，配以增塑剂、稳定剂、防老剂等 极性材料，介损大，耐热性低，耐电强度低，燃烧时产生有毒气体。 加工简单、生产率高、成本低、耐油、耐腐蚀、化学稳定性好。

交联电力电缆

交联聚乙烯绝缘电力电缆（简称 XLPE 电缆） 通过物理或化学方法将聚乙烯进行交联而成 性能优良、工艺简单、安装方便、载流量大、耐热性好； 不仅应用于配电网，也应用于输电线中。 交联聚乙烯电缆结构图 交联聚乙烯电缆生产流程图

参数对比列表XLPE 油纸 橡皮 聚氯乙烯

温度（正常 / 短路）

90 / 250 75-80 / 220 65-70 / 160

绝缘电阻（欧 ×米）

1014-1015 1013-1015 1011-1013 1011-1012

介电常数 2.3 4.0 3.0-4.5 8.0

介损正切 0.0006 0.01 0.04-0.05 0.1

电力电缆附件相关概念： 电缆作为传输线输送电能，总归要有终端。电缆通过终

端接头与变压器、架空线等相连。 电缆的使用长度受制造工艺限制。对长线路须将两段或

多段电缆连接起来，需要中间接头。 通常将终端接头和中间接头统称为电缆附件。

终端接头图 户外终端、 GIS 终端、油浸终端

中间接头图 绕包型、模塑型、预制型、组装型

电缆中的局部放电现象

电缆局部放电意义及现状

电缆局部放电 电树图：

电树是由于绝缘内部局部放电产生的细微开裂、形成的微小的通道，其分枝呈冬天树枝状，故称为电树。

电缆局放类型： 纵向放电：

具体类型图：线芯或金属屏蔽的毛刺、绝缘中气隙或杂质 产生机理：缺陷论 /机械应力破坏 /微观气隙 /场致效应

横向放电： 具体类型：电晕放电 / 辉光放电 / 滑闪放电 产生机理：终端处，沿电缆方向的场强分布极不均匀。

意义及现状 运行和研究表明，交联聚乙烯绝缘在运行中易产生树枝状放电，

造成绝缘老化破坏，严重影响电缆使用寿命。

在线监测 XLPE电缆的局部放电量是判断该电缆绝缘品质的最直观、最理想、最有效的方法。国内外专家学者、 IEC、 IEEE以及 CIGRE 等国际电力权威机构一致推荐局放试验是作为 XLPE 绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。

局放检测现状：在国内外仍处于开发阶段。局放检测被认为是理论上存在可能，事实上比较困难实现。其原因在于由于背景干扰过大，以至于局放信号被噪声“淹没” 。从 80年代到现在，一直有专家学者致力于局放检测的研究，并取得了一定成效。具体内容在随后的内容中详细介绍。

在线检测方法介绍

传统检测方法局放在线监测

传统检测方法脉冲电流法（ IEC60270 标准）频段： 宽带： 30kHz<f1<100kHz ； f2<500kHz； 100kHz<df<400kHz 窄带： 50kHz<fm<1MHz； 9kHz<df<30kHz缺点： 电缆为大电容试品，需要很高的耦合电容进行测量。因

此不适用于长电缆测量。且只用于离线测量。

局放在线监测差分法电容分压法超高频电容耦合法电磁耦合法超高频电磁耦合法方向耦合法谐振高频法调谐平衡法超声波法接地脉冲电流法

差分法日本东京电力公司和日立电缆公司于 1992 年提出来的检测方法。测量原理 / 实验中的参数 / 校准方法 / 试验设备

日本东京电力公司在一段的全长 9.5km， 275kV的 XLPE电缆进行现场局放测试。试验分 3部分。 在较低频段下（ 10-200kHz）测量，三相的灵敏度为 3

000、 3200、 2400pC。 采用调频的方式，发现在 5 － 50MHz时信噪比较高。然

后采用窄带分析，将频谱分析仪设置各个不同的频率下，检测它们的灵敏度，发现在 10MHz附近灵敏度最大，达到 1pC。

和上一个实验相似，不同之处就是脉冲注入点不同，这次注入脉冲来自于 617米外的一个人孔中的中间接头注入。通过测量各个频率下的灵敏度，发现在 3MHz的灵敏度最高，为 15pC。

该法在后来应用于日本 275KV等级电缆的局放检测。据称配合神经网络灵敏度提高到 0.2-4pC。

电容分压法由德国汉诺威大学提出的一种利用电容分压器测量的方法。测量原理 /对比试验 /图试验装置： 9.6M低通滤波器 /放大器 /AD 转换器 / 计算机实验： 460m20kV的 XLPE电缆进行检测，电缆内人为制造缺陷（距测量点 120m）。测量结果表明：灵敏度小于 10pC。据分析，该法优于传统局放方法和电磁耦合法。此外还提出一种鉴别算法。尚无实际应用的报道。

超高频电容耦合法由英国南安普敦大学、英国国家电网公司、西交大共同研究，并于 2001 年提出的一种方法。测量原理 / 移除部分电缆皮不影响测量的原理 /对比试验英国方面的试验：一根 3m66kV的电缆。检测装置为：带宽为 0.01 － 500MHz的放大器，采样率为 5Gs/s的数字示波器，灵敏度小于 3pC。西安方面的试验： 66kv 6m交联电缆 。检测装置：最高频率为 500MHz的双同道的放大器，采样率 5Gs/s数字示波器，。灵敏度小于 2pC。

电磁耦合法电磁耦合法是由瑞士电力工事业高压研究委员会、瑞士 CC电缆公司、瑞士电力委员会于 1998 年提出的一种检测方法 。检测原理 /图检测装置：频响在 12 － 40M的传感器，带宽 0.01-200MHz 的放大器、 20m长的同轴电缆，频谱分析仪。实验：在屏蔽室中用中间接头连接两根长 5m的 170KV电缆。分别引入下面人为缺陷进行试验。从表中可看出两种方法测量出的结果有很好的一致性。此外现场实际测试表明：在不用抗干扰技术 (数字滤波 )的条件下，该局放检测仪灵敏度可低于 15pC。

此外西交大、武高所、对该法进行研究。

线圈的幅频特性由线圈的磁芯材料、线圈匝数、积分电阻等参数决定。要得到较高灵敏度希望积分电阻大，线圈匝数小。而提到带宽希望积分电阻小线圈匝数大些。因此存在一个最佳匹配问题。

实验通过比较磁芯材料，匝数，导线直径、积分电阻，制作出一个 -3dB 带宽在 0.014-28MHz的传感器。灵敏度在 20MHz下标定为 1pC。 研究人员在实验室对不同人为缺陷的 35KV的 XLPE电缆试品同时采用电磁耦合法和 IEC 60270 法进行对比。对比试验结果基本一致。

该法后来应用于瑞士 170KV电缆线路的局放检测。此外新西兰克兰斯特彻奇工业研究公司将此系统能够做成钳式局放传感器和手提式数字贮存示波器。可由手提箱带到现场检测。

超高频电感耦合法由荷兰艾恩德霍芬科技大学、荷兰 KEMA 公司于 1993 年提出的的方法。检测原理检测装置：传感器、 600MHz单通道记录仪 Tektronix 7912AD。 实验：在一 300m 10kV XLPE电缆上测量，可得到检测灵敏度为 10～20pC。比传统方法高一个数量级（ 100pC）。对电缆传输性能无影响，传感器对低频分量不灵敏，灵敏度较高。它只能用于有螺旋形屏蔽的电缆，有效测量距离在 10m左右 .

方向耦合法由德国柏林大学、德国西门子公司、 美国惠普公司于 1999年提出的一种利用方向耦合器检测电缆局放的方法。检测原理实验室：用一根 12m110kV的电缆进行测试，示波器最高检测频率为 600MHz。发现可测量出小于 0.1pC的信号。而采用局放仪检测灵敏度为 50 － 100pC。现场：测试一根 100m400kV的电缆，示波器最高检测频率 400MHz。可测得小于 5pC的信号。此外，美国惠普公司利用光纤传感器解决长距离传输。

谐振高频局放测量法日本东京 Fujikura公司 1992 年提出的一种用谐振型高频局放（ REDI）传感器进行检测的方法。测量原理 /检测频段检测装置：传感器、 20dB放大器、示波器实验室：一根 5m275kV交联电缆上测试，在注入 10pC电量，传感器中心频率为 25MHz时，可测到信号。此外，传感器从原来的离故障点 1m移到 5m，信号减弱 1/3。

调谐平衡法调谐平衡法（选频平衡法）是由西安交通大学 1998 年提出的一种利用调谐平衡原理用于检测电缆局部放电的方法。测量原理经过理论推导以及实验验证得到下面几个结论： 该法可通过调节电路的 2 个参数以选择适当的频率而获

得极大的抑制干扰的效果。 参数的值并不唯一，只要满足一定条件即可。 测试系统的最小放电量随试品电容值增大而线性增大。当试品电容为 255pF时，最小可测量放电量为 0.06pC。

超声波法超声波法检测电缆局放是基于局放信号不仅产生电信号，同时也产生声信号、光信号等。通常认为声信号频率在 60-300kHz。实验：图 英国南安普敦大学和英国电网公司曾利用两个超声波测量

仪固定在一个电缆中间接头处进行试验。 检测装置：检测中心频率在 150kHz的超声波探头、频带在

20-1200kHz的前置放大器、带宽为 1G的数字滤波器。 发现其中离局部放电点较近的仪器，灵敏度为 15pC，而离

局部放电点较远处的仪器，灵敏度为 150pC。常使用两个测量仪分别在电缆中间接头表层移动，找到灵敏度最高的位置，通过两个测量仪器所确定的位置局部放电点发生的位置。

接地线脉冲电流法接地线脉冲电流法是指：通过使用电流互感器检测电缆接地线的电流的增量，从而获得局放信号的方法。

实验：图 英国南安普敦大学曾利用该法在实验室里进行过试验。 检测装置：电流传感器的频带在 2.5kHz～ 150MHz 之间、

放大器频带在 0.01-500kHz、带宽为 1G的数字滤波器。 灵敏度为 90pC。此外，在对所得结果在利用计算机处

理，采用小波变换后，灵敏度提高为 30pC。

该法方法简单易行，即只需将电流传感器套在接地线上即可实现。但这时另一端电缆终端处的接地线在测量时需要断开。

信号衰减问题美国爱迪生公司研究发现： 在带状屏蔽电缆中，局放信号中的甚高频分量可被测到的距离为 400 － 600m 之内，超高频分量可被测到的距离为 2m 之内。

此外，上述提到的方法中具体实例： 差分法：在离测量点 617m 处，在 3MHz 处灵敏度为 15pC

电容分压法：在离测量点 120m 处，灵敏度为 10pC。

在线定位方法反射法2001 年美国 Mattew 等人利用该系统测试，可以实现 1km的电缆长度精确度为±1m。此外，荷兰代夫特技术大学和瑞士的 Paul N.Seitz 等人也对该法的在线测量进行研究，国内郑州电缆股份有限公司也进行过这方面的研究。

AC=(t1/t2)×AB

到达时间法X=0.5[V(t1 － t2） +L]

波形法1993 年荷兰 Wouters等人在 2.66m10kvXLPE电缆进行检测，定位准确度可达 5cm。

END

交联聚乙烯电缆结构图线芯 / 内半导电层 / 交联聚乙烯 / 外半导电层 / 金属屏蔽层 / 外护套

电缆图

生产流程图

电缆终端图

GIS终端电缆图

中间接头类型

电树

故障示意图

故障图绝缘击穿

滑闪放电

电磁法

电容分压法

超声波法和接地脉冲电流法