一种XLPE 电缆局部放电在线监测技术

杨 琪

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南 250101）

0 引言

随着电力电缆技术的不断发展，供电的可靠性也受到越来越多用户的关注。在城市、工业电网建设方面，XPLE 电缆凭借其良好的电气性能、热性能、机械性能，工作温度较高，载流量较大以及敷设安装方便等优势，在电网建设中得到了普及应用。由于电缆线路敷设在地面下，通过人力定期进行检修和维护，不仅增加了故障停电时间，而且耗费大量人力物力，降低了XPLE 电缆线路的检修效率。为能够科学、有效降低XPLE 电缆线路局部放电造成的停电故障，需要设计一种在线监测技术，准确掌握XPLE 电缆线路运行状况，及时发现并判断XPLE 电缆线路的异常情况和安全隐患，使其保持良好运行状态。下面介绍XPLE 电缆局部放电的在线监测技术。

1 XPLE 电缆技术特点

1.1 结构特点

XPLE 电缆主要是指用常温下电性能优越的聚乙烯树脂绝缘材料，通过辐照或者化学方法进行交联处理形成的新型绝缘电缆材料。XPLE 电缆结构内部分子由原来的先行变成网状立体结构，有效改善了传统聚乙烯材料电缆在高温下的电气性能和机械性能。XPLE 电缆具有击穿电场强度高，绝缘电阻高等优势，热性能以及机械性能良好，工作温度高、载流量大、敷设安装方便，并且不受高落差和垂直敷设的限制。此外，XPLE 电缆在高压等级使用方面与充油电缆相比，具有结构简单，制造周期短，输电损耗小等多种优势，不仅可以广泛应用于中低压输电工程，还可以应用于高压和超高压输电系统中。

1.2 绝缘特点

XPLE 电缆采用圆形单线绞合紧压导线截面，XPLE 电缆线的绝缘结构包括导体内绝缘层和导体外绝缘层。导体内绝缘层也称内屏蔽层，起到屏蔽电和热的作用。导体外绝缘层又称外屏蔽层，介于绝缘层与金属屏蔽层之间，主要作用是消除与绝缘外表面间的气隙并保护绝缘层，对外屏蔽材料的要求与内屏蔽基本相同。XPLE 电缆经过一定年限的使用后，XPLE 电缆线路的绝缘性能会随着时间发生不可逆下降的现象，产生绝缘老化、击穿强度下降以及机械强度下降等问题，导致XPLE 电缆线路绝缘击穿，引发严重的电力电网事故。

2 XPLE 电缆局部放电在线监测技术

XPLE 电缆是电网的重要组成部分，作为连接供电系统和输电设备之间的桥梁，为确保电缆运行的安全性和可靠性，需要对电缆运行状态进行状态监测和故障诊断。随着我国经济快速发展，工业化进程的不断加快，电网建设也由传统的架空线路转化成地下电缆，不仅起到节约土地资源的作用，而且能有效美化环境。但是电缆线路的迅速增加，长期高负荷运行，电缆线路故障发生的概率也呈上升趋势，不仅给人们日常生活带来不便，而且严重制约了经济发展。针对此类问题，供电部门会针对XPLE电缆绝缘材料进行在线监测，现阶段常用的在线监测方法有直流分量法、交流叠加法、在线介质损耗法和局部放电法等。

2.1 直流分量法

XPLE 电缆局部放电产生的短路电流，在暂态过程中包含交流分量和直流分量。直流分量的产生原因是电路电感中的电流在短路瞬间不能突变。电缆线路发生局部放电时，电缆线导体、绝缘层、绝缘接地以及电源线组成回路，通过低通滤波器和接地保护装置可以对XPLE 电缆线路直流分量进行监测。XPLE电缆局部放电所产生的短路电流直流分量的幅值会随时间衰减。XPLE 电缆直流分量的起始值大小与电源电压的初始角α、短路前回路中电流值及角φ 有关。

2.2 交流叠加法

交流叠加法主要是通过监测XPLE 电缆上叠加低频交流电压信号的方式来判断电缆绝缘性能。XPLE 电缆绝缘层是电容和电阻并联等效电路，电压通过电容产生小部分电流，并且经过电阻的电流大小不变。交流叠加法工作原理就是在电缆线路上叠加直流电压，测量通过电缆绝缘层直流电流，根据电流大小可以判断电缆绝缘性能。需要注意的是，在XPLE 电缆线路中叠加的直流电压信号的有效值必须足够小，以免对电网系统造成巨大的干扰或者对用电设备负载造成严重危害，同时叠加直流电压又需要有足够大的峰值，以便在XPLE 电缆线路局部放电部位形成足够大的电流，能够使局部放电传感器准确捕捉到电流脉冲信号。

2.3 在线介质损耗法

介质损耗法主要是指XPLE 电缆绝缘材料在电场作用下，介质导电性和极化滞后效应，是衡量XPLE 电缆绝缘性能的重要指标。在线介质损耗法包括电桥法、数字测量法等，在线介质损耗法的原理是通过监测电缆绝缘体的泄漏电流信号，计算泄漏电流与电压差值得到介质损耗角正切值tgδ 的数值。现阶段，XPLE 电缆局部放电在线监测产品基本都是用快速傅立叶变换计算介质损耗。取XPLE 电缆线路标准电压信号与局部放电泄漏电流信号直接经高速A/D 采样值，通过计算机对XPLE 电缆线路局部放电产生的脉冲信号进行频谱分析，并计算出绝缘介质损耗。

2.4 局部放电法

XPLE 电缆局部放电属于非贯穿性放电现象，主要是由电缆线绝缘本体以及附属件缺陷造成。存在缺陷的部位施加电压会产生放电现象，局部放电幅值与外部电压有关，如果XPLE 电缆线路发生局部放电，该部分电荷会移动中和介质极性，同时电荷的移动会导致周围介质产生脉冲信号，该脉冲信号会延XPLE 电缆线路向两边分散传递，通过传感器捕捉脉冲信号就可以判断XPLE 电缆的绝缘状态。随着传感器监测精度的不断提升，局部放电法的应用将会有良好的发展前景。

3 XPLE 电缆局部放电在线监测系统设计

XPLE 电缆在线监测系统结构由局部放电传感器、现场监测单元、数据中心组成，如图1 所示。XPLE 电缆在线监测系统长期在电网中运行，需要能够抵抗现场电磁干扰的影响，在复杂的外部环境中准确提取XPLE 电缆局部放电的电信号，判断电网设备运行状况。通过网络通信把XPLE 电缆局部放电的电量数值、报警信息等监测数据上传至数据中心，然后数据中心可以利用专业的分析软件对现场监测数据进行分析处理，借助互联网实现对现场监测单元的远程控制操作，对XPLE 电缆绝缘状态进行有效评估。

图1 在线监测系统结构

3.1 硬件模块设计

XPLE 电缆局部放电在线监测系统整体采用模块化设计，多路局部传感器可以采集XPLE 电缆接头以及局部放时电脉冲电流信号，通过信号放大、滤波、模数转换后变成数字信号，再通过光纤传送至控制室。控制室利用计算机对所有传感器的信号分别进行分类识别分析、计算，并将这些通过计算机获得的局部放电信息数据写入到数据库中并显示监测结果。局部传感器可以通过接触式超声波，通过同轴电缆将信号传递给在线监测单元。现场监测单元接收前端传感器的各种局部放电模拟信号，对多路局部传感器采集到的信号进行信号调理、噪声去除、A/D 转换、干扰处理、放电量显示、超标报警，并将实时数据通过互联网上传至后台计算机控制室进行分析处理。数据中心通过互联网连接服务器，实现对XPLE 电缆的在线监测。根据现场各监测系统传输来的信号建立故障监测数据库，显示各现场监测系统监测到的局部放电变化。数据中心服务器可以同时监测多个设备，并且能够实时显示每一个登入设备的放电信号，能够根据参数设定，定期保存已登入的监测设备从现场传来的数据。

3.2 软件系统设计

XPLE 电缆局部放电在线监测系统软件主要功能是将在线监测单元收集到的数据信息进行分析处理，得到电缆线路局部放电的特征参数，并且存入数据库中进行资源共享，后台计算机控制室可以通过软件界面显示XPLE 电缆线路的诊断结果。并且通过互联网将XPLE 电缆的特征参数上传至远程监测中心，实现远程监控操作。此外，本地监测服务器和远程监测中心可以共享数据库信息，对XPLE 电缆历史数据进行对比分析，判断XPLE 电缆局部放电的严重程度，从而提供科学、合理地预警信息。

4 总结

交联聚乙烯XPLE 电缆凭借其优越的电气、热力学性能、易辐射和维护简单等优势，在输电线路和配电网中的应用非常普遍。为能够有效提升电缆线路运行的可靠性和稳定性，本文引入电缆线路局部放电监测系统，通过远程监控的方式替代传统人工巡检，能够有效增强电网运行的安全性和稳定性。XPLE 电缆局部放电在线监测技术能对XPLE 电缆线路的绝缘状况进行科学有效管理，准确掌握XPLE 电缆线路运行状态，提高整个电网系统运行的安全性以及可靠性。