高压电缆中间接头局部放电测量系统

技术领域

本发明属于高频局部放电测量领域，尤其涉及一种高压电缆中间接头局部放电测量系统。

背景技术

低压交联XLPE电力电缆由于其合理的工艺和结构，具有优良的电气性能、安全可靠的运行、较强的耐腐蚀能力、简单的安装敷设、运行维护工等特点，已经被广泛的应用到输电线路和配电网中，且使用率日益提高。预制式中间接头大多为多层固体复合介质绝缘结构，近十年来全国XLPE电力电缆运行故障类型和数量的统计分析表明，电缆中间接头击穿故障的比例约占电缆运行故障总数的30％左右。因此，中间接头是电力电缆绝缘的薄弱环节和运行故障的典型部位。

在投运电缆线路中，由于各种原因导致的中间接头故障屡见不鲜，如何通过有效的监测手段准确、实时掌握电缆线路关键部位的运行状态，避免因击穿导致的大面积停电事故，是保障电力安全输送的关键性课题。

现有的电缆中间接头局部放电测量方法大多需要局部改造电缆接头或本体的固有结构，由于电缆的运行工况复杂，长期在高电压、大电流环境下运行且绝缘设计非常紧凑，其固有结构的改变可能会对电缆长期运行过程中的电气及机械特性产生不良影响，引入故障隐患。目前，尚未有成熟的电缆中间接头局部放电隐患测量系统。

发明内容

为解决上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高压电缆中间接头局部放电测量系统。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：高压电缆中间接头局部放电测量系统，其包括电缆试品、加压装置、测量装置和上位机；加压装置给电缆试品加压进行局部放电，测量装置对电缆试品的局部放电信号进行采样和保存，上位机读取测量装置的数据并显示波形；

所述的电缆试品包括电缆本体和实验终端，两段电缆本体之间连接中间接头，两段电缆本体的外端剥切外屏蔽层和外半导电层后的电缆线芯连接实验终端；

所述的加压装置包括控制台、自耦调压器、试验变压器、保护电阻以及耦合电容器，电缆线芯通过实验终端接入试验变压器，自耦调压器和试验变压器串联，通过控制台控制自耦调压器及试验变压器给电缆试品加压，保护电阻串联在试验变压器的输出端与电缆试品之间，耦合电容器与电缆试品并联；

所述的测量装置包括局部放电测量传感器、同轴信号电缆、信号调理器和数据采集器，所述的局部放电测量传感器为同轴柱面传感器，通过电容耦合方式测量中间接头内部的局部放电原始信号，同轴柱面传感器通过同轴信号电缆连接信号调理器，信号调理器对同轴柱面传感器测量到的局部放电原始信号进行滤波和放大，数据采集器与信号调理器输出相连，对调理后的局部放电信号进行采样和保存。

进一步地，所述的中间接头为直通接头，实验终端为充有纯净变压器油且可重复拆卸使用的斜置式油杯型实验终端。

更进一步地，所述的电缆试品整体放置在人字形绝缘支架上，实验终端自然下垂并斜靠在支柱绝缘子上，确保足够的离地高度，并控制好倾斜角度避免绝缘油外泄。

更进一步地，所述直通接头为中空的圆柱体，圆柱体由外到内依次为屏蔽层、半导电层和绝缘层，圆柱体的两端呈锥形，屏蔽层与电缆本体的外屏蔽层接触，半导电层与电缆本体的外半导电层接触。

再进一步地，所述绝缘层的材料为硅橡胶。

更进一步地，所述的斜置式油杯型实验终端，在电缆本体的外半导电层断口处安装均压金属环，并在裸露的线芯导体上旋紧固定连接电极，最后套入油杯，安装在线芯导体上的连接电极通过均压金属环与外部高压引线相连，油杯中注入纯净的变压器油作为绝缘介质，油面高于外半导电层断口位置。

进一步地，所述的同轴柱面传感器，其以同轴方式套装在中间接头表面上；所述的同轴柱面传感器包括一个周向闭合的空心圆柱金属管，空心圆柱金属管内径大于中间接头外径15-25mm，空心圆柱金属管长度为中间接头轴向长度的一半，将中间接头一端轴向套入空心圆柱金属管内，在空心圆柱金属管与中间接头外表面之间的缝隙中灌封环氧树脂，同轴柱面传感器与中间接头的屏蔽层构成空间电容，通过电容耦合方式测量中间接头内部的局部放电信号。

更进一步地，所述的数据采集器具有2个模拟输入通道和1个模拟触发通道；

测量时，同轴柱面传感器的检测信号经信号调理器后接入数据采集器的一个模拟输入通道，同时，将局部放电测试仪测量信号接入数据采集器的另一个模拟输入通道，作为参考；然后，将试验变压器测量绕组上的工频电压信号接入数据采集器的模拟触发通道。

再进一步地，所述的数据采集器采用高速数据采集器，单通道实时采样率为200-300MS/s，带宽为120-130MHz。

再进一步地，进行缺陷局部放电信号的实测时，加压过程中使用局部放电测试仪和同轴柱面传感器同步测量中间接头预设缺陷的局部放电信号；实验过程中逐级升高电压，直至部放电测试仪检测到稳定的局部放电信号停止加压并保持电压恒定25-35分钟，测量装置同步记录同轴柱面传感器测量的局部放电信号，实验结束后对测量装置的实测数据进行统计分析。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：本发明使用电缆和预制式中间接头搭建电缆中间接头局部放电实验平台，采用能够实时测量中间接头局部放电的同轴柱面传感器，其次，以局部放电测试仪为标准，对同轴柱面传感器的测量灵敏度进行标定，标定结果表明，同轴柱面传感器的测量灵敏度不低于10pC。

本发明采用预制式直通接头，直通接头为中空的圆柱体，圆柱体的两端呈锥形，可采用几何结构法即应力锥来处理应力集中问题，应力锥通过将外屏蔽层的切断处进行延伸，使零电位形成喇叭状，改善了外屏蔽层的电场分布，这种处理方式降低了电晕产生的可能性，减少了对绝缘材料的破坏，保证了电缆的运行寿命。

本发明采用同轴柱面传感器，传感器与中间接头的屏蔽层构成空间电容，通过电容耦合方式测量接头内部的局部放电信号；同轴柱面传感器的设计形式，避免了对中间接头主体结构的破坏，同时与中间接头融为一体，能够实现中间接头局部放电的实时测量，且传感器位于中间接头屏蔽层外，测量回路与电缆线芯之间具有良好的电气隔离，确保测量安全。

附图说明

图1是本发明高压电缆中间接头局部放电测量系统的示意图；

图2是本发明同轴柱面传感器测量示意图；

图3是本发明中间接头屏蔽层的接地方式示意图；

图4是本发明高频下局部放电测量电路模型图；

图5是本发明10pC校正信号局部放电测试仪的测量波形图；

图6是本发明10pC校正信号同轴柱面传感器的测量波形图；

图7是本发明100pC校正信号局部放电测试仪的测量波形图；

图8是本发明100pC校正信号同轴柱面传感器的测量波形图；

图9是本发明沿面尖刺缺陷局部放电实测波形图；

图10是本发明线芯压接管外未缠绕半导电胶带缺陷局部放电实测波形图；

图中，1-电缆本体，2-实验终端，3-中间接头，4-自耦调压器，5-试验变压器，6-保护电阻，7-耦合电容器，8-同轴柱面传感器，9-同轴信号电缆，10-数据采集器，11-外屏蔽层，12-外半导电层，13-XLPE绝缘层，14-电缆线芯，31-屏蔽层，32-半导电层，33-绝缘层，51-试验变压器测量绕组，81-空心圆柱金属管，82-环氧树脂，101-局部放电测试仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明所述的高压电缆中间接头局部放电测量系统，包括电缆试品、加压装置、测量装置和上位机。

所述的加压装置由控制台、自耦调压器4、试验变压器5、保护电阻6以及耦合电容器7组成；测量装置由局部放电测量传感器、同轴信号电缆9、信号调理器和数据采集器10组成。通过加压装置给电缆试品加压进行局部放电，测量装置对局部放电信号进行采样和保存，上位机读取数据并显示波形。

所述的电缆试品包括两段电缆本体1和两个实验终端2，两段电缆本体1之间通过一个中间接头3相连，两段电缆本体1的外端剥切外屏蔽层11和外半导电层12后的电缆线芯14(包含XLPE绝缘层13)，分别通过对应的实验终端2接入试验变压器5；电缆试品的屏蔽层良好接地。

电缆本体1选择YJV-26/35kV-1×50型电缆，中间接头3选择JSL35 50×1型直通接头，实验终端2选择充有纯净变压器油且可重复拆卸使用的斜置式油杯型实验终端。电缆试品整体放置在人字形绝缘支架上，实验终端自然下垂并斜靠在支柱绝缘子上，确保足够的离地高度，并控制好倾斜角度避免绝缘油外泄而污染场地。

本实施例中，电缆本体可采用YJV-26/35kV-1×50型单芯电缆，电缆线芯对地额定电压为26kV，线芯截面积为50mm

本实施例中，中间接头可采用JSL35 50×1型预制式直通接头，直通接头为中空的圆柱体，圆柱体的横截面由外到内依次为屏蔽层31、半导电层32和绝缘层33，绝缘层33的材料为硅橡胶，圆柱体的两端呈锥形，屏蔽层31与电缆本体的外屏蔽层11接触，半导电层32与电缆本体的外半导电层12接触，如图2所示。可采用几何结构法即应力锥(由圆柱体两端锥形内的半导电层和绝缘层形成)来处理应力集中问题，应力锥通过将外屏蔽层的切断处进行延伸，使零电位形成喇叭状，改善了外屏蔽层的电场分布，这种处理方式降低了电晕产生的可能性，减少了绝缘的破坏，保证了电缆的运行寿命。直通接头安装完成后，需要在半导电层32表面包绕屏蔽层31，并和两端电缆的外屏蔽层11相连，半导电层32与电缆本体的外半导电层12接触。

本实施例中，采用可重复拆卸使用的斜置式油杯型实验终端，安装过程，首先将电缆本体的外屏蔽层11和外半导电层12剥切一定长度，然后在外半导电层12断口处安装均压金属环，并在裸露的线芯导体上旋紧固定连接电极，最后套入油杯，安装在线芯上的连接电极通过均压金属环与外部高压引线相连，油杯中注入纯净的变压器油作为绝缘介质，油面高于外半导电层断口位置。

纯净油的耐压强度约为空气的10倍，实验终端对不同电压等级电缆的局放起始电压也差不多为在空气中的10倍。同时在外屏蔽层切口处加装金属环，与油形成应力锥，可明显提高起始放电电压和击穿电压。实测结果表明35kV电缆油杯型实验终端的最高无晕电压可达60kV。

通过控制台控制自耦调压器给试验变压器给电缆试品加压。试验变压器为YDTW-5/50型工频无晕试验变压器，额定电压50/0.22kV，额定功率5kVA。保护电阻串联在试验变压器的输出端与电缆试品之间，阻值为10kΩ，用以限制电缆试品绝缘击穿时试验变压器高压侧的输出电流，以免电流过大损坏试验变压器。耦合电容器为50kV、800pF高压电容器，与电缆试品并联，以耦合放电模型发生局部放电时产生的脉冲电流信号。输出电压<50kV时，本发明可连续运行，以便进行长期实验。

为防止加压过程中产生电晕干扰，所有高压裸露部分均安装有均压罩或屏蔽环，试验变压器与电缆试品之间采用Φ20mm的空心波纹管连接，确保接触良好及无毛刺。为防止手机及其它空间电磁信号的干扰，选用屏蔽良好的专业高压实验室作为实验场地。为避免用电设备在地线上产生环流引入干扰，所有弱电设备的电源侧均加入隔离变压器与滤波器，以提高整套实验系统的抗干扰能力。

根据相关标准，26/35kV电缆本体及中间接头的局部放电实验电压为45kV，根据电缆及接头厂家提供的产品检测报告，电缆及接头在45kV(室温)电压作用下的局部放电量均≤2pC，据此，本发明实验项目的长期最高实验电压设定为45kV，短时最高实验电压不高于50kV。

局部放电测量传感器采用同轴柱面传感器8，通过电容耦合方式测量中间接头内部的局部放电信号，同轴柱面传感器通过同轴信号电缆连接信号调理器，对同轴柱面传感器测量到的局部放电原始信号进行滤波、放大，数据采集器与信号调理器输出相连，对调理后的局部放电信号进行采样和保存。上位机读取数据并显示波形。

具体地，使用0.8mm厚度的紫铜皮焊接一个周向闭合的空心圆柱金属管，空心圆柱金属管内径大于中间接头外径20mm，空心圆柱金属管的长度约为中间接头轴向长度的一半，将中间接头一端轴向套入空心圆柱金属管内，在空心圆柱金属管与中间接头外表面之间的缝隙中灌封环氧树脂，以同轴方式套装在中间接头表面的周向闭合空心圆柱金属管作为局部放电测量传感器，本发明将其定义为同轴柱面传感器，传感器与中间接头屏蔽层构成空间电容，通过电容耦合方式测量接头内部的局部放电信号。

同轴柱面传感器的设计形式，避免了对中间接头主体结构的破坏，同时与中间接头融为一体，能够实现中间接头局部放电的实时测量，且传感器位于中间接头的屏蔽层外，测量回路与电缆线芯之间具有良好的电气隔离，确保测量安全。

同轴柱面传感器安装完成后，将同轴信号电缆的线芯与传感器连接，同轴信号电缆的外屏蔽层直接接地，将同轴信号电缆的另一端作为局部放电测试端与后续的信号调理器相连，如图2所示。

如图3所示，中间接头的屏蔽层与电缆本体的外屏蔽层连接后通过接地线接地，屏蔽层长度约650mm，外屏蔽层和接地线长度因工程实际而不同，在本实施例中，统一将外屏蔽层长度设定为1500mm，将接地线长度设定为1000mm。将中间接头屏蔽层31、电缆本体外屏蔽层11以及接地线C组成的串联网络定义为电缆试品屏蔽层。

如图4所示，同轴柱面传感器的测量原理，电力电缆绝缘内部的局部放电源可以看作是一个点脉冲信号源，当电缆绝缘内部产生局部放电时，会在金属屏蔽层上产生局部放电脉冲电流信号并向不同方向传播，局部放电信号向屏蔽层上的耦合过程已经十分明确，因此分析中不考虑接头线芯、绝缘部分，只考虑屏蔽层部分。考虑到屏蔽层电气连接特性良好，因此其沿线电阻可以忽略，将屏蔽层及接地线上的沿线电感用集总电感进行表示，将同轴信号电缆等效为集总电容，图中，Ls为屏蔽层接地沿线的集总电感，C

信号调理器输入与传感器测量端相连，对传感器测量到的局部放电原始信号进行滤波、放大。信号调理器由带通滤波器和程控放大器组成，带通滤波器带宽设计为150kHz～50MHz；程控放大器的增益分为25dB、30dB、40dB、45dB共计4个档位，确保能够不失真检测到能量不同的局部放电信号，测量能量较小的局部放电信号，可将放大器设定为高增益，提高其测量灵敏度；测量能量较大的局部放电信号，可将放大器设定为低增益以提高其动态范围，避免由于信号强度剧烈变化而造成测量误差。

数据采集器10与信号调理器输出相连，对调理后的局部放电信号进行采样和保存。数据采集器采用PXI-5114高速数据采集器，单通道实时采样率为250MS/s，带宽为125MHz，采样精度为8位，单通道存储深度为64MB，输入电压范围为40mV～40V，输入阻抗为50Ω和1MΩ可选，入口电容为26pF。具有2个模拟输入通道和1个模拟触发通道。

测量时，同轴柱面传感器8的检测信号经信号调理器后接入数据采集器的一个模拟输入通道，同时，将DST-4型局部放电测试仪101测量信号接入数据采集器的另一个模拟输入通道，作为参考；然后，将试验变压器测量绕组51上的工频电压信号接入数据采集器的模拟触发通道。

为标定同轴柱面传感器的灵敏度及有效性，实验平台接入DST-4型局部放电测试仪作为标准测量系统。DST-4型局部放电测试仪由检测阻抗、校正信号发生器以及主机构成，主机中的3dB放大器低频端频率10kHz、20kHz、40kHz可选，高频端频率80kHz、200kHz、300kHz可选，检测灵敏度不低于5pC。实验时采用并联测试回路，以确保测试过程中测量设备的安全，检测频带设定为40kHz～80kH。

将同轴柱面传感器的带宽设定为150kHz～50MHz，增益设定为40dB。使用校正信号发生器分别向电缆线芯注入10pC、100pC放电量的校正信号，DST-4型局部放电测试仪和同轴柱面传感器同步测量各放电量对应的电压波形，并各保存100组数据，给出实测的典型波形如图5-8所示。同轴柱面传感器对于10pC、100pC的局部放电校正信号均有明显的幅值响应，说明其能够测量不小于10pC的局部放电信号。

进行缺陷局部放电信号的实测，加压过程中使用DST-4型局部放电测试仪、同轴柱面传感器同步测量中间接头预设缺陷的局部放电信号。实验过程中逐级升高电压，直至局部放电测试仪检测到稳定的局部放电信号停止加压并保持电压恒定30分钟，测量装置同步记录同轴柱面传感器测量的局部放电信号，实验结束后对测量装置的实测数据进行统计分析。

沿面尖刺缺陷和线芯压接管未缠绕半导电胶带缺陷分别加压至20kV和10kV时，测量装置检测到稳定的局部放电信号，降低电压1kV后放电消失，以20kV和10kV分别作为两种缺陷的起始放电电压。两种缺陷在各自的起始放电电压下耐压30分钟，期间测量装置连续记录局部放电信号，测量装置检测到的两种缺陷在单工频周期内的典型局部放电信号如图9-10所示。针对沿面尖刺缺陷，测量装置检测到的局部放电信号最小幅值约10pC，最大幅值约165pC，对于线芯压接管外未缠半导电胶带的缺陷，测量装置检测到的局部放电信号最小幅值均约15pC，最大幅值均约80pC。

本发明使用电缆和预制式中间接头搭建电缆中间接头局部放电实验平台，研制能够实时测量中间接头局部放电的同轴柱面传感器，其次，以DST-4型局部放电测试仪为标准，对同轴柱面传感器的测量灵敏度进行标定，标定结果表明，同轴柱面传感器的测量灵敏度不低于10pC。

本发明结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。