应用多种传感器，联合检测电力电缆局部放电的方法
应用多种传感器，联合检测电力电缆局部放电的方法
作者通过基于罗氏线圈的电磁耦合法，结合VHF钳型传感器与特高频传感器的联合应用，利用两者各自的优缺点，讨论了多传感器联合检测电力电缆局部放电的方法，设计出满足电缆局部放电检测的系统。
挤包绝缘电力电缆的绝缘材料一般为交联聚乙烯或乙丙橡胶，因此具有结构轻便、介电强度高、介质损耗低、耐老化、安装简单、敷设不受落差限制等一系列的优点，适用于550kV及以下高压输配电电路，特别是城市地下变电输电网中对该类电缆的使用日益增加。
局部放电检测则是发现电缆绝缘中缺陷，保障电缆安全正常运行的重要手段。当电缆绝缘内部存在缺陷时，会导致电缆内部局部放电的发生。通过检测电缆绝缘内部发生局部放电时所产生的声、光、电信号及化学物质，可以实现对电缆局部放电的检测和定位。
而测量局部放电最大的问题就是抗干扰问题，由电缆特性决定的局部放电测试频率会被空间中许多的无线电干扰，导致不能够最终确定是干扰信号还是局部放电信号，只有确保抗干扰能力，才能提高试验水平。
本文通过基于罗氏线圈的电磁藕合法，结合多种传感器的应用，设计出满足电缆局部放电检测的系统。
1 基本原理
1.1 电磁藕合法
电磁藕合法是将罗氏线圈安装在电缆屏蔽层的接地线上，通过感应电流通过电缆屏蔽层的局部放电脉冲电流来检测局放。其结构简单、使用方便，并且能很好的抑制噪声，可以更加真实反映脉冲波形。
罗氏线圈传感器结构原理如图1所示，罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流I沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，当线圈一定时，互感系数为定值，输出电压U0与被测电流I的微分成正比，只要在线圈引出线处增加积分器，即可得到反映局放脉冲电流信号。
图1 罗氏线圈传感器结构原理图
1.2 特高频（UHF）法原理
由于局部放电都伴随正负极性电荷的相互中和，会产生一个很陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。
当放电间隙较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；由于绝缘材料的绝缘强度比较高（交联聚乙烯的最小工频平均击穿场强不小于30kV/mm，最小冲击平均击穿场强不小于60kV/mm），击穿过程比较快，电流脉冲的陡度较大，辐射高频电磁波的能力也较强。
特高频（UHF）法局部放电检测方法就是使用超高频传感器接收局部放电产生的超高频电磁波，实现局部放电的检测。由于检测频段较高且频带宽，能够避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰，检测灵敏度也很高。
2 联合检测系统的组成
局部放电多传感器联合检测系统主要由加压控制台、调压变压器、保护电阻、耦合电容器、局部放电检测仪、加压舱、钳型传感器、特高频传感器、信号采集器、计算机等部件组成。
1.1 VHF钳型传感器
VHF钳型传感器基于电磁藕合法原理，主要由磁芯、线圈、金属屏蔽盒、同轴电缆、放大器等组成，工作频率在1～100MHz，放大器增益为40dB。其等效电路如图2所示。
图2 VHF钳型传感器等效电路图
磁心采用耐磨耐蚀、高频高导磁率、损耗小、稳定性好的磁性材料,由两个半环经金属屏蔽盒的闭合结构而形成一圆环。
金属屏蔽盒的作用是屏蔽现场的干扰信号，确保现场测量局放时不受干扰。屏蔽盒设计为两半环结构，尺寸稍大于 磁心，用于安放并固定好 磁心。金属盒内环侧边开有一缝隙，使穿过传感器的电流脉冲信号被线圈耦合，并在垂直于金属屏蔽盒轴线的方向开一缝隙，避免剩磁出现，提高线圈稳定性。
线圈中R上的电压信号经金属屏蔽盒上的接头引出。当电缆绝缘发生局部放电时，电缆的金属屏蔽层可感应到脉冲电流信号并将其穿过电流传感器，传感器就可检测到局放信号。
1.2 UHF传感器
UHF传感器基于特高频（UHF）法检测内部局部放电的原理，主要由平面等角螺旋天线（见图3）、宽带放大器、高频电缆等组成，工作频率在400～3000MHz，放大器增益为50dB。
图3 平面等角螺旋天线结构图
平面等角螺旋天线用于接收电缆绝缘发生局部放电时辐射出的特高频电磁波。局部放电时产生的电脉冲在会因较高的绝缘电气强度具有10-9秒的脉冲宽度和很陡的上升沿（见图4）。由于现场的干扰信号的频率多在400MHz以下，而激励器的特高频电磁信号频率在1GHz以上，因此能极大地提高局部放电检测的灵敏度和可靠性，利于局部放电信号的检测。
图4 局部放电时产生的电脉冲波形
3 联合检测系统的应用论证
在试验室选取110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆样品，将钳型传感器安装在电缆本体上，VHF传感器耦合到的局部放电产生的电脉冲信号带有背景噪声等干扰信号（见图5a），同时放大、采集UHF传感器接收的信号（见图5b），在计算机上用LabVIEW编写的程序。
首先判断传感器是否超过设置的初始噪声阈值，然后寻找特高频信号中超过阈值，且与VHF信号相应相位对应的相位点，判断该点幅值是否超过初始噪声阈值。最后根据局部放电信号的特征，查看所提取的信号相位分布，确定局部放电信号。（见图5c）。
图5 获取和处理后的局部放电信号
通过以上试验，设计的多传感器联合检测系统能够很好的检测出电缆的局部放电。
4 结语
本文利用VHF钳型传感器和UHF传感器各自的优缺点，讨论了多传感器联合检测电力电缆局部放电的方法，具有抗干扰能力强、使用安全、操作灵活方便的特点，应用前景广阔。
本文编自《电气技术》，论文标题为“电力电缆局部放电的多传感器联合检测”，作者为黄海、邓探宇。
