文献综述

成绩：

西安建筑科技大学

毕业设计 (论文)文献综述

院 （系）： 信息与控制工程学院 专业班级： 通信工程1001

毕 业 设 计论 文 方 向

： 局部放电算法研究

综述题目： 局部放电文献综述 学生姓名： 王维妮 学 号： 100630111 指导教师： 张立材

2014 年 3 月 20 日

信息与控制工程学院毕业设计（论文）文献综述

局部放电文献综述

1. 前言

电力电缆是电力系统中用于传输和分配大功率电能的主要部件。电力电缆一般都埋入地下或敷设与管道、隧道中。随着我国电力事业的飞速发展，在输电线路中电力电缆是对架空输电线路的重要补充，实现架空线路无法完成的任务。同时，在城市配电网中电缆已逐渐取代了架空输电线路，在配电网中己占据了主导地位。

在正常环境中电力电缆的使用寿命一般为20—30年[1]。然而在实际使用中电缆常常直接埋于地下或敷设在电缆沟内，导致电缆的使用寿命受敷设环境的影响极大。电缆长期与水分、土壤接触，绝缘很容易受到腐蚀渗透，再加上电缆生产或安装时的局部缺陷，在电、热、水、油、机械外力、化学物质等的作用下，容易导致电缆加速老化，严重时可能发生短路等故障，导致电力系统无法正常运行。如果故障得不到及时排除，将会造成严重的经济损失和社会影响。因此，对电力电缆绝缘的局部放电进行在线检测是及时发现故障隐患、预测运行寿命及保障电力电缆安全可靠运行的重要手段[2]。国内外运行经验和研究成果表明：电力电缆性能早期劣化或使用寿命很大程度上取决于其绝缘介质的树枝状老化，而局部放电测量是定量分析树枝状劣化程度的有效方法之一。这也是局部放电的检测以及定位成为国内外专家研究的热点的原因。

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2. 局部放电研究

国内外研究现状

电力电缆局部放电量与电力电缆的绝缘状况密切相关，局部放电量的变化也预示着电缆绝缘一定存在这可能危及电缆安全运行的缺陷。因此，国内外许多专家、学者及一些国际电力权威机构一致推荐局部放电作为XLPE绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。

局部放电起始时只跨越绝缘间的一部分，并在不断出现的情况下破坏绝缘材料，最终导致绝缘击穿[3]。电缆在实际运行中不仅承受着交流电压的作用，也不可避免的承受交流电压与雷电过电压、操作过电压的联合作用。根据对在交流叠加冲击电压下XLPE树枝状老化特性的研究表明：

1) 当电压的幅值超过一定值时，其树枝状的冲击电压起始值（起晕电压），随预

加交流电压幅值的增大而增大。

2) 冲击电压的累积效应对XLPE电缆中电树枝的冲击电压起始值有很大影响，

会引起冲击电压起始值的急剧下降。

因此随着超高压输电技术的发展，对局部放电的在线检测已经成为一个不可回避的问题。伴随局部放电会发生很多物理、化学效应，局部放电的检测也就是对这些变化的检测，可大致分为非电测法和电测法两类[4]。目前，国内外应用的局部放电测量系统大都是根据IEC60270标准，工作频带较窄，从几十kHz到几百kHz，有些已经成功应用于发电机局部放电的检测，但应用到XPLE电力电缆局部放电时，效果不理想。在这种情况下，国内外学者又开发出了一些新的XLPE电力电缆局部放电在线检测方法，主要有脉冲电流法、差分法等。

局部放电机理

所谓局部放电，是指在电场作用下，放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，电

力设备绝缘系统中只有部分区域发生即尚未出现击穿的现象[5]。

产生局部放电的主要原因是电介质不均匀，绝缘体各区域承受的电场强度不 均匀，在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘 的特性。在电气产品中，常用的固体或液体绝缘总不可能做得十分纯净致密，通

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常不同程度的包含一些分散性的异物，如各种杂质、水分、小气泡等。有些是在 制造过程中造成的，有些是在运行中绝缘物的老化、分解等过程中产生的。由于 这些异物的电导和介电常数不同于绝缘物，故在外施电压作用下，这些杂质附近 将具有比周围更高的场强。当外施电压升高到一定程度时，这些部位的场强超过 了该处物质的游离场强，该处就会产生局部放电。即使在介质中不含有异物，只 要是介质中的电场分布极不均匀的，也可能发生局部放电。

局部放电对绝缘结构起着一种侵蚀作用，它对绝缘的破坏机理有以下几个方面：①带电粒子(电子、离子等)冲击绝缘，破坏其分子结构，如纤维碎裂，因而绝缘受到损伤；②由于带电离子的撞击作用，使该绝缘出现局部温度升高，从而易引起绝缘的过热，严重时就会出现碳化；③局部放电产生的臭氧(O3)及氮的氧化物(NO、NO2)会侵蚀绝缘，当遇有水分则产生硝酸，对绝缘的侵蚀更为剧烈；④在局部放电时，油因电解及电极的肖特基辐射效应使油分解，加上油中原来存在些杂质，故易使纸层处凝集着因聚合作用生成的油泥(多在匝绝缘或其他绝缘的油楔处)，油泥生成将使绝缘的介质损伤角t96激增，散热能力降低，甚至导致热击穿的可能性。局部放电的持续发展会使绝缘的劣化损伤逐步扩大，最终使绝缘正常寿命缩短、短时绝缘强度降低，甚至可能使整个绝缘击穿。

局部放电检测方法

目前用于电缆局部放电检测的方法主要有：脉冲电流法、差分法、电磁耦合法、

超高频检测法等等。下面会对几种常用的方法进行详细的介绍。

脉冲电流法

脉冲电流法作为目前较为灵敏的局部放电检测法，早已经成为一种成熟的检测方法，在电力设备局部放电检测领域得到较为广泛的应用。

脉冲电流法的基本原理是：试品在加压情况下发生局部放电时，两端会产生一个瞬时的电压变化，此时如果经过一个耦合电容耦合到一个检测阻抗上，回路中就会产生一个脉冲电流。将该脉冲电流流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示处理，就可测定局部放电基本量[6]。这种方法灵敏度高,是目前国际电工委员会推荐进行局部放电测试的一种通用方法。脉冲电电流法作为一种可行的检测方法已广泛的应用于电力电缆局部放电检测中。测试回路原理图如图1所示。

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图1 脉冲电流法测试回路

该测试回路主要包括：高压电源、滤波器、耦合电容、检测阻抗以及检测装置。实际应用中，除为了期望检测到理想的局部放电脉冲信号以外，还期望能利用检测到的局部放电脉冲信号进行局部放电定位。

差分法

差分法是日本东京电力公司和日立电缆公司共同开发的一种检测方法[7]，常用于110kV及以上等级的电力电缆局部放电信号采集。差分法是在绝缘连线盒两边的护套上各贴一对金属箔电极，通过这些电极进行局部放电信号的采集和校验脉冲的输入。图2为差分法局部放电在线检测示意图，图3为从电缆中间接头位置采集信号的检测等效电路图。图中C0为回路杂散电容；C1为外护套线芯与金属箔电极间的电容；C2为

图2 差分法局部放电在线捡测

金属护套处线芯与金属箔电极间的电容；C3、C4为外接电容，C3?C4，Zd为外接阻抗，Zd??ZC2?ZC2。从图3可以看出，差分法类似于IEC．60270法中的桥式连接法，当绝缘连接盒一侧的电缆发生局部放电时，另一侧的电缆可以充当耦合电容，将局部

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放电脉冲耦合至高阻抗Zd上，形成的电压波经放大后输入示波器，频谱分析仪等仪器进行分析处理。

图3 差分法等效电路图

电磁耦合法

电磁耦合法是一种测量电气设备局部放电的有效方法。这种方法较早应用于发电

机、变压器的绝缘监测，而将电磁耦合法应用于电力电缆的局部放电检测是近几年才开始的。其原理是，将罗戈夫斯基线圈放在电缆终端或连接头上，穿过电缆屏蔽层的接地线，通过感应流过电缆屏蔽层的局部放电脉冲电流来检测局部放电[8]。由于宽频带电磁耦合法具有小巧灵活，操作安全，抗干扰性较强，能更加真实地反映脉冲波形等特点，正在被广泛的研究和应用。为实现对电力电缆局部放电进行检测，首先必须用电流耦合器有效地提取放电信号，所以电流耦合器的设计是关键环节，其中电流耦合器的原理见图4。

图4 电流耦合器的示意图

图4中，R是自积分电阻，Cs是电路的等效杂散电容，为了使电流耦合器工作频带足够宽，在线圈尺寸一定的情况下，应选用磁导率L高的磁性材料并增大线圈匝数N，但增加匝数来提高带宽将会降低测量灵敏度。积分电阻R对频带宽度，传感器灵敏度均有影响，R增大，会增加传感器的灵敏度，同时会减小频带宽度。因此，选定磁性

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材料后，有一个最佳的积分电阻R及线圈匝数N的匹配，使电流传感器达到较宽的工作频带，且保持一定的响应灵敏度。

超高频检测法

目前超高频法是很受关注的一种局部放电检测方法，主要集中在两个方面：一是对GIS进行局部放电的在线检测，一个是对大型电机的在线检测。近年来超高频技术开始应用于在线测量电缆中的局部放电。所谓超高频检测技术，即在超高频段(VHF，数百兆赫)下进行局部放电信号测量[9]。超高频法分超高频电容耦合法和超高频电感耦合法，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)。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。

常用方法比较 1) 脉冲电流法的优势

采用线性耦合器采集电缆中的电流行波信号，通过磁耦合来检测故障击穿时在接地线中产生的局部放电脉冲，实现了仪器与高压回路的耦合，省去了与电缆之间的串联电阻和电缆，简化了接线，被广泛应用于现场局部放电测试中。但是由于现场存在严

重的电磁干扰，将大大降低监测灵敏度和信噪比，影响了对局部放电信号的检测和故障诊断[10]。

2) 差分法的优势

在差分法实验中，信号采集、检测的频率范围约为3～12MHz。若频率高于12MHz，则能量损耗将导致高频信号大幅衰减，从而明显降低检测的灵敏度。该方法的优点是不必加入专门的高压电源和耦合电容，也无需改变电缆连接线，且由于可等效为桥式电路，故能很好地抑制外界噪声，差分法既简单又安全，适于现场试验及在线检测。据日本运行经验表明：差分法配合神经网络识别装置可使整个测量系统对电缆中间接头的检测灵敏度达0.2-4pC。其缺点是, 如果PD 是在接头的中间, 和耦合电容处于对称位置, 则传感器给不出局部放电信号[11]。

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3) 电磁耦合法的优势

电磁耦合法的测量回路与被测电缆间没有直接的电气联系，结构简单, 安装方便,不产生饱和现象,能很好地抑制噪声,在XLPE电缆局部放电的在线检测中得到了广泛应用。

4) 超高频的优势

检测频段较高，可以有效地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；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高，而且可识别故障类型和进行定位。同时超高频方法采取天线空间耦合射频信号的方式使监测系统与被检测对象之间没有电气连接，对操作人员及监测设备而言都具有更高的安全性[12]。目前，超高频方法的研究也面临着一些问题，由于测量机理与脉冲电流法不同，因此无法进行视在放电量的标定，而且一般外置式传感器灵敏度明显低于内置式，所以现场一般需要对现场变压器的结构上进行一些改动，一般是变压器预埋传感器开孔或利用放油阀将超高频传感器伸进变压器箱体，从而对这种检测方法的推广还存在一定的障碍。

综上所述，电磁耦合法相对于脉冲检测法、差分法、超高频法更适合XLPE电缆局部放电的在线检测。用于局部放电检测的电磁耦合传感器带宽应和局部放电信号的频率范围相匹配，最佳带宽为500MHz，同时还要有尽可能高的灵敏度以提取强背景噪声环境中的微弱局部放电信号[13]。

3. 结论

综合考虑各个参数对罗戈夫斯基线圈型电流耦合器幅频特性的影响，设计了具有最优幅频特性的宽频带罗戈夫斯基线圈型电流耦合器，其3dB带宽为12 kHz～28 MHz。实验证明该耦合器在实际应用中有较好的效果。对同一类型缺陷的局部放电，同时用电磁耦合法和IEC一270标准推荐的电容耦合法检测其局部放电特性时，电磁耦合法和电容耦合法测得的结果一致。通过对存在缺陷的XLPE电力电缆局部放电的测量，发现电磁耦合法能较好的反映局部放电的特性。

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参考文献

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