摘要：研究一种能够实时识别运行中高压电缆缺陷隐患的方法，通过提前识别可能存在的缺陷隐患，主动快速消除隐患，避免故障延伸，保证钢铁企业电力系统可靠运行。研究利用高压电缆局部放电的形成机理及其信号特点，并通过对电缆局部放电常用监测方法进行分析与比较，选择脉冲电流法（HFCT）获取电缆局部放电信号，并利用宽频带测量、信号预处理、放大电路、数字分频处理及高频采样模块，提高测量的灵敏度、准确度及自适应自调节能力，由此设计建立一套基于高频脉冲电流传感器的局放无线实时监测系统，实时采集并展现高压电缆运行过程中的局部放电图谱。同时将该系统进行了现场化的应用，利用该系统发现某钢铁企业110 kV高压电缆中间接头的局部放电幅值异常，成功排查出高压电缆接地线护套破裂，线芯暴露且与交叉互联箱金属部位存在搭接的隐患，避免该回线路后续因环流异常及局部过热导致的生产安全事故，保障了该钢铁企业的生产运行安全。

　　关键词：局部放电；在线监测；高频脉冲电流；高频信号采集

　　0引言

　　钢铁行业是电能密集型行业，随着企业规模不断扩大，钢铁企业内部电网结构不断复杂化，电力电缆在钢铁企业中使用比例越来越高，电力线缆长度越来越长。此外，由于钢铁生产工艺的特殊要求，如高温、湿度、腐蚀等恶劣环境条件，使得电力电缆在运行过程中受到电热、机械、环境等各种因素作用如机械损伤、电缆受潮、绝缘老化、过负荷等影响的概率相比于正常电网运行高压电缆更大[1-4]，若不及时排除隐患，将导致电力电缆绝缘能力下降，进而引发电力电缆故障，影响企业生产安全。为了保证钢铁企业生产的安全、稳定，实时监测高压电缆运行信息、评估电缆在运行各阶段的性能变化尤为重要。为此，建立一套准确反馈高压电缆运行状态、及时提供隐患预警信息的系统，提升我国钢铁企业生产运行安全可靠性，势在必行。据统计，电力电缆故障率与运行时间的关系符合浴盆曲线特征[5]，如图1所示，即在运行的初期和末期，电力电缆容易发生故障，初期的电力电缆故障主要是电缆和电缆接头生产、安装工艺不到位等人为原因造成的绝缘损伤或者破坏，末期的电力电缆故障主要是因为电缆在长期运行中绝缘老化问题。因此，对电力电缆运行状态监测的关键之一是对其绝缘状态的监测，能够及时发现缺陷和绝缘劣化程度。而电力电缆在机械损伤、电缆受潮、绝缘老化、过负荷等故障工况下，其在故障初期均会产生局部放电现象，会以热、电磁波、声、光等特征形式展现出来，因此，局部放电可以作为一种评价电缆运行状态的有效手段，能够有效地反映出电缆当前的运行状况，及早发现问题缺陷，从而避免电缆事故的发生。

　　目前，基于高频局放的高压电缆绝缘检测办法主要可以分为离线检测和在线监测两大类。钢铁企业的电力电缆分布广、距离长，且电力电缆绝缘缺陷成因较为隐蔽、复杂，离线检测手段较为单一，无法实时、有效地反映出电力电缆的运行状态。得益于现代先进的传感技术、数字处理技术的快速发展，在线监测因其无需断电的显著优势，成为国内外研究热点[6,7]，但大部分研究对象局限于电力电网架构下的高压电缆，未对钢铁企业等特殊用电场景做针对性研究。

　　因此，本文针对钢铁企业高压电缆的特殊运行场景，设计一套基于高频脉冲电流传感器的局部放电实时监测系统，利用局部放电信号特征趋势，实时准确评估高压电缆运行状态，提供隐患预警信息，遏制缺陷蔓延，避免故障发生，全面推动钢铁企业生产运行可靠性的进一步提升。

　　1理论分析

　　1.1局部放电原理

　　局部放电是指在电场作用下，一种发生在导体中，部分绝缘被连接的电气放电现象，即电力电缆的局部区域绝缘开始发生放电时，绝缘层未出现击穿，而是局部产生电桥，仍可以正常运行，这就形成了电缆的局部放电现象[8]。造成局部放电现象的原因有很多，其中制作工艺问题和安装不规范问题最为普遍。生产电缆时，如工艺不合格，很容易混入气泡或者杂质，这就导致绝缘的局部缺陷，在交流电压下会产生重复击穿和熄灭的放电现象。在运输安装时，由于操作安装接头时不规范或者外力的作用，使电缆绝缘产生裂痕，周围的水分或微生物混入，这些部分可能会由于具有比周围更高的场强，造成局部绝缘不均匀，从而产生局部放电现象。并且，在实际应用中电缆的绝缘往往不会使用单一材料，而是会选择复合材料，由于这些材质在形态和耐压水平上均有不同，也会使得某些部分会首先发生放电现象。在局部放电的最开始发生时，仅仅有轻微的放电现象，基本可以忽略其对电缆绝缘性能的影响。但是局部放电的过程就像滴水穿石，绝缘层将逐步受到分解和破坏，最终会在内部形成放电通道，导致电缆击穿，产生严重的电力故障。局部放电的产生会加快电力电缆绝缘老化，如在故障前不及时发现这些问题可能会造成较大的经济损失，因此加强对电力电缆的局部放电在线监测，及时发现电缆绝缘隐患，可以尽最大可能地避免故障发生，进而保证钢铁企业电力系统可靠运行。电缆绝缘介质受到破坏的原理以及位置不同，其局部放电种类也有所不同，局部放电可以分为：内部放电、沿面放电以及电晕放电[9]。

　　在电场作用下，电力电缆绝缘内部如果存在缺陷就会产生局部放电现象，其机理如图2所示。如图2所示，g为缺陷（根据工程经验，多为气隙），Cg为缺陷电容，Cb为和缺陷串联的电容，Cm为其余串联的电介质电容，u为工作电压，ug为施加在缺陷电容Cg上的电压，ub为施加在串联电容Cm上面的电压。当缺陷尺寸与绝缘材料的尺寸不可比时，绝缘中的缺陷所承受的电压ug达到所能承受的最大电压，缺陷中就会发生局部放电[10-12]。通过材料的电容耦合作用，在工作电压u作用下将在绝缘外部产生脉冲电流i，通过监测这些脉冲电流可以用来在线监测绝缘内部缺陷情况，局放电压及脉冲电流波形如图3所示。

　　1.2局放信号特点分析

　　（1）局放放电量小

　　电力电缆中的局放放电量一般为几十pC，属于微小放电级别，现场多采用中心频率移动变化的方式，选择背景信噪比最佳的信号中心频率进行测量，从而有效排除噪声干扰。

　　（2）局放信号衰减迅速

　　电力电缆绝缘缺陷产生的局放信号为高频信号，而超高压电力电缆的内外半导电层对局放信号具有很强的衰减作用，据统计，每传播l km距离，局放信号的衰减大于93％。局放信号的衰减还受电力电缆中阻抗不均匀位置的反射影响。比如在电力电缆线路中，每一个中间接头均为信号反射点，实际所测的局放信号比计算值要小得多。

　　1.3局放监测方法选取

　　目前，常用的局部放电监测方法主要有以下6种方法。

　　（1）化学检测

　　电弧放电使SF6，产生的SOF2和SO2 F 2是主要的中间物质，可基于SOF2和SO2 F2的浓度分析来判断局部放电程度，其优点在于监测不受外界电磁信号干扰；缺点则较多：对自由微粒引起的局放检测效果差，吸附剂和干燥器会严重影响化学方法测量准确性，短脉冲放电不一定能产生足够的分解物，一次试验需要做多种分解物的气相色谱试验和红外图谱分析。

　　（2）超声波法

　　局放会产生声波，纵波和横波可以在腔体外壁中传播，可以用超声波传感器接收局放产生的振动信号。其优点是传感器和局放设备电气回路无任何联系，不受电气干扰；缺点是现场中除了局放外还存在不少可能引起外壳振动的因素，有的干扰还很强。

　　（3）外部电极法（TEV和检测阻抗）

　　在金属外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极，局放信号通过外壳和金属电极组成的小电容耦合过来（类似于耦合电容器），经放大后检测出来，TEV就是其中一种。

　　（4）内部电极法

　　内部加装金属电极和外壳形成电容，以此电容来提取局放信号。此方法结构简单，较为实用，但是易受外界干扰，加装不方便。

　　（5）脉冲电流法（HFCT）

　　铁氧等磁芯材料的罗氏线圈测量地线上通过的高频电流。其优点是在很宽频率范围内传输特性较好，灵敏度高；缺点是地线需穿过线圈，现场安装不方便。

　　（6）特高频法（UHF）

　　通过天线传感器接收局部放电辐射的UHF电磁波。其优点是频段高可以回避常规局放电检测中的电气干扰，检测频带宽，检测灵敏度高；缺点是在外壳屏蔽比较好的使用环境下，UHF信号比较弱。

　　通过对电缆局放的常用监测方法进行分析与比较，可以看出几种测试方法各有优缺点，需要根据工程实际合理选择，才能更好地发挥其监测效果。脉冲电流法（HFCT）相对于电缆更加安全，也便于安装，在部分电力公司已在线试运行，技术比较成熟，也有很广泛的应用市场。因此本文选定此方法来实现局放信号的接收，并将以此监测方法为基础进行监测系统的设计，传感器为基于Rogowski线圈设计的HFCT，如图4所示，通过在环形磁芯材料上缠绕导电线圈，使流经磁芯中心的高频交变电场在线圈中产生感应电流，经积分电阻转为电压信号后，再经放大电路输出给后级信号调理部分。其频率带宽为300 kHz～20 MHz，这样既能有效地检测流经接地线的局放信号又能抑制由于外界环境的窄带信号干扰。

　　1.4局放信号的采集

　　由于电缆局部放电脉冲频率较高、电流幅值较小，传统低频率电流传感器难以捕捉电力电缆高频局放的波形并进行还原，本文所设计系统通过提高监测设备的采样频率，利用能够有效抑制外界噪声干扰的高精度、高性能罗氏线圈传感器，选择最高采样频率为100 MHz的罗氏线圈，充分考虑不同频率段微弱的局部放电高频脉冲信号的采集与识别，输入与输出比为：
      

　　式中：e(t)为罗氏线圈传感器的采集输出量；i 1(t)为原始局部放电电流输入信号；M为罗氏线圈传感器的电感；L0、R0和r分别为线圈自感、内阻和积分电阻；i2(t)为自积分电阻电流分量。

　　由于自积分电阻R0+r很小，则有：
     

　　通过式（1）~（2）可得出罗氏线圈传感器的输出信号与原边信号构成线性关系，因此通过罗氏线圈可实现原边局放信号的采集。由于罗氏线圈输出的e(t)值为电压信号，为转化恢复为原边的电流信号，只需利用欧姆定律，通过固定电阻进行转换，从而实现高压电缆局放原边高频脉冲电流信号的采集。

　　2系统结构

　　基于高频脉冲电流传感器的局放实时监测系统由高频脉冲罗氏线圈电流传感器、取样电路、信号预处理电路、通信模块、电源模块、远程分析与诊断平台等构成，如图5所示。该系统具有安全可靠、灵敏准确、快速分析、安装部署灵活等特征，并能够实现远端分析与多路监测结果的综合对比，同时也能够对历史数据进行回溯分析。

　　（1）超高频检测方式，采用卡口式高频脉冲电流传感器，套接在高压电缆中间接头引出的金属屏蔽层的接地线上，采用典型的非接触测量方式，与被测高压电缆无任何电气连接，不改变被测高压电缆原有的结构与连接，因而完全不影响被测高压电缆的原有的运行可靠性。高频脉冲电流传感器监测频最高可以达到100 MHz，能完全满足局放高频脉冲电流信号监测需要[13-14]。

　　（2）取样电路采用有线连接方式与局部放电监测装置核心模块连接，降低外部干扰确保信号精确还原，同时具备有源滤波功能，采用下限截止频率为50 kHz的滤波器，可对高频脉冲电流传感器输出的信号进行高通滤波。取样电路设置有防浪涌、防冲击等电路元器件，提供核心电路保护功能，当高频脉冲电流传感器耦合到具有高能量的原边冲击波时，可有效隔离取样电路与信号处理电路之间的连接，避免核心电路板被烧毁[15]。

　　（3）信号处理电路采用信号放大倍数可编程变化的信号放大电路，提高了测量系统的灵敏度并具备自适应自调节能力，特殊应用场景下，可通过软件编程直接修改设置放大电路倍数，系统内置了1倍、5倍、10倍、20倍共4个放大倍数，并采用2条控制信号线实现放大倍数的调节。

　　（4）通信模块采用兼容4G与有线通信的设计，既考虑电缆沟内没有4G信号时可靠的有线网络信号链接，又兼顾改造工程不具备有线通信连接条件下的场景应用。高度适配钢铁企业电缆桥架、电缆隧道等应用场景。

　　（5）电源模块采用“三合一”供电设计，可满足市电供电、太阳能取电、CT感应取电三种供电方式，在安装部署时，可根据现场实际条件，选择对应的电源供电，提高安装部署效率。

　　（6）远程分析与诊断平台则实现放电指标计算、放电谱图的计算、数据存储、数据展示、实时告警、曲线分析等功能，提供高压电缆运行状态分析结果，提供隐患类型参考，并保存电缆历史运行数据模型。

　　3应用效果分析

　　本文所设计的基于高频脉冲电流传感器的局放在线监测系统在某钢铁企业能源动力中心进行落地实施部署，选取110 kV高压电缆I回中间接头、110 kV高压电缆II回中间接头、110 kV某A线3#杆塔、110 kV某B线10#杆塔等4处，安装了基于高频脉冲电流传感器的局放在线监测装置，并在后台部署了局放无线实时监测系统，实现了对上述4个点位的实施监测。基于高频脉冲电流传感器的局放在线监测装置投入现场使用以来，对4个监测点进行全天候实时监测。

　　某日，局放无线实时监测系统监测到110 kV高压电缆I回中间接头出现放电总量异常，A、B、C相放电量明显高于日平均值且B相最大，如图6所示，初步判断电缆接头B相及附近存在隐患点。

　　局部放电实时系统对图谱和趋势图进行分析识别时，参照的依据主要有两点：一是测量信号的频域特征，即对采集器3个不同频段测得信号的幅值进行比较。对于放电信号，各个频带测得的信号幅值相差较小，通常在10倍以内。而噪声信号通常集中在比较窄的频带内，所以高频和低频信号测得的幅值差异较大。二是是否符合工频相位特征，符合工频特征的信号按周期叠加后在相位上呈现规律性，放电脉冲集中在第一和第三象限[16]。

　　由于放电脉冲信号通常在工频周期内的第一和第三象限产生，因此在图谱上会呈现明显的相位特征，而外界环境产生的噪声信号则通常不具备该特征。

　　依据上述判断逻辑，进一步对该会线路B相实时数据及历史数据进行频域分析及时域分析，发现B相局放所测得的幅值较大为350 pC同时频次大于200，且具备周期性放电规律，按相位叠加后，通过分析图谱可见其具有50/100 Hz相关性，可以判断出测到的信号是绝缘问题产生的放电信号，而不是噪声干扰。

　　经现场排查发现接地线护套破裂，线芯暴露且与交叉互联箱金属部位存在搭接现象，此情况属于接地缺陷，长期运行会引起接地环流异常，局部过热，严重时将导致电缆接地故障跳闸。经过对接地箱处接地线芯暴露部分与交叉互联箱金属部位存在搭接处加装胶皮质护套进行消缺后，系统显示该回电缆线路局部放电图谱不具有明显的放电相位特征，所测信号为背景噪声信号，如图8所示，隐患成功消除，确保了该回线路电缆的运行安全，保证了该钢铁企业的安全生产。

　　4结束语

　　本文设计了一套完整的基于高频脉冲电流传感器的局放实时监测系统，系统适用于局部放电诊断要求，确保了系统对电力电缆终端进行局部放电监测的有效性。运用该系统对运行中的电力电缆进行在线局放监测，检查电力电缆中可能存在的缺陷隐患，保证了电力电缆运行的可靠性和安全性。同时将其进行了现场化的应用，并成功发现110 kV高压电缆I回中间接头的绝缘隐患，从而避免了潜在的电力电缆故障威胁，对事故起到了预防作用。因此，利用本文设计的基于高频脉冲电流传感器的局放实时监测系统，对钢铁企业内部实际运行的电力电缆进行实时局部放电图谱监控，可做到电缆运行问题提早发现、提早处理，对事故起到有效的预防作用，保障了钢铁企业电力系统的长期稳定运行。

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