高压电缆耐压试验过程中局放测试方法及典型缺陷分析

一、高压电缆局放测试的背景

1.高压电缆的应用情况

交联聚乙烯电缆因其具有电性能高、输送容量大、重量轻、运行维护方便等优点，我国大部分地区的高压电缆线路全部使用了该类型的高压电缆。

2.高压电缆的故障

高压电缆故障的主要原因在于产品质量和施工质量，其中电缆附件占故障总量的90%，薄弱环节表现在电缆终端头和中间接头，主要由于设计不良、材料选择不当、安装制作工艺不良三个方面的原因造成。

3.高压电缆局放测试的必要性

 《GB 50150-2016 电气装置安装工程电气设备交接试验标准》要求新竣工的电缆需要进行耐压试验，高压电缆交流耐压等效电路如下图，用C1、C2、C3组合模拟被试电缆的各个绝缘部件，在试验过程中C1、C2、C3同时承受高电压的考验。 

4.交流耐压试验技术存在不足，体现在如下两个方面：

◆交流耐压试验只关注电缆整体能否完整承受试验电压的考验，其判断标准为电缆是否通过了交流耐压试验，缺少电缆在试验过程中可能出现的局部损伤和破坏的监测手段。

◆如电缆内部存在局部放电,但是电缆依然有可能能够通过交流耐压试验，内部有缺陷的电缆带病运行，电缆安全运行存在一定风险。

因此检测高压电缆在耐压过程中的局放信号。

二、高压电缆局放测试的原理

在电缆耐压试验过程中，采用如下测试回路，就可利用脉冲电流法监测电缆局部放电情况，测试原理如下图。Cx为被试验电缆，Ck为耦合电容器，在Cx、Ck的端部分别接入检测阻抗Zm1、Zm2。Z为高频阻波器，抑制电源中的干扰信号进入局放测试回路，阻止局放信号进入电源系统。  

一旦被试电缆发生局部放电，耦合电容Ck瞬时对Cx充电，形成高频的脉冲电流波形，脉冲电流波形达到纳秒级别，其频谱高达百兆以上，脉冲电流的幅值大小、发生的频度反映电缆内部局部放电的严重程度。

利用局放监测系统在耐压过程可严密监视局放信号随电压和时间变化的趋势，掌握电缆缺陷严重程度的变化。 

高压电缆局部放电的严重程度通过其局部放电量来反映，要测试局放量必须对测试系统进行校准。

在被试验电缆Cx注入标准局放信号Qo以模拟被试对象发生了局部放电，当标准局放信号注入时，检测阻抗Zm1、Zm2输出信号，测试系统M获取局放信号的幅值大小、相位分布特征、频谱特性等信息。

局放测试时参照校准信息就可以计算出局放量的大小，对电缆局部放电的严重程度、局放类型评估，作出正确的判断。

三、高压电缆局放测试的方法

1.交流耐压试验电源处理

变频谐振系统输出的电源不能直接作为电缆局放试验的电源直接施加于被试对象进行局部放电测试，必须采取有效措施对试验电源进行预处理，通过设置串联电抗、防晕导线、均压环进行对试验电源质量进行改善，其电气原理如下图所示。

2.电缆终端局放测试回路

电缆终端的局放测试回路如下图，当被试电缆内部发生了局部放电时，耦合电容瞬时对电缆终端充电，形成高频的脉冲充电电流波形，脉冲电流的幅值、发生的频度反映了电缆内部局部放电的严重程度，通道1、通道2两个传感器将局放信号传送至局放诊断系统进行分析处理。

在电缆的中间接头，测试原理如图所示，一侧电缆的铠装与电缆导体之间存在电容Ca，另一侧电缆的导体与铠装之间存在电容Cb，如果在电缆的中间接头发生局部放电，那么形成两个电容C1和C2，此时Ca和Cb就会通过导体向C1和C2充放电，从而形成局放电流回路，在两侧电缆屏蔽层桥接一个高频低阻的电容臂C0和高频电流传感器，就可以检测到局放的脉冲电流信号。

高压电缆局放测试的技术难点

1.测试系统灵敏度要求高

高压电缆发生局放时产生的脉冲信号微弱，要求传感器及测试系统有相当高的检出灵敏度。

2.现场干扰因素复杂

在现场实施电缆局放试验时干扰信号会严重影响电缆局放的检测和诊断，主要有临近试验现场的运行设备产生的电晕或者局部放电信号、交流耐压试验装置自身的局部放电信号、交流耐压试验回路的引线产生的电晕信号三个方面的因素。

因此甄别并排除干扰信号、提取有效的信息并根据其特征诊断电缆的绝缘状态是一项具有挑战性的技术难题。

3.测试系统灵敏度要求高 

高压电缆局放的信号主要集中在0-30MHz范围内，信号频带较宽，加上现场存在一定的干扰信号，测试人员通过信号抑制、识别、分类、提取、判断等技术手段，准确的解析复杂的电子信号成份实现电缆的状态诊断。这项技术要求测试人员熟练使用示波器、频谱仪、滤波器等电子设备，并具备高频电子信号分析判断能力。

4.国家标准及行业标准无明确指引 

高压电缆局放测试是目前国内比较新的技术应用课题。

5.局放诊断判据

（1）通过大量的试验室模拟和现场测试结果显示：局放信号的相位与试验电源的相位具有180度或360度的相位特征，同时发生在一定宽度的相位上；

（2）在测试中若发现存在多种信号源，需运用带通滤波器分别提取不同频带的脉冲信号进行单独分析；

（3）局放传感器采集到的高频脉冲信号的波形和频谱是否具有典型局放特征（脉冲波形上升沿一般为几十纳秒）；

（4）必要时，将实际测试局放波形与利用模拟局放源对测试回路进行校准时的波形进行反复类比，观察其信号的相似性；

（5）极性判别法：运用脉冲波形的极性鉴别局放源的位置。

交流耐压时进行局放测试的优点

1.在进行电缆耐压试验过程中同时进行局放测试，由于电缆耐压试验电源采用异频电源，工频信号在试验电源的相位图谱上不具有相关性，只有试验系统内部的局放信号可能在试验电源的相位图谱上具有相关性，利用这一点可有效排除运行设备产生的干扰信号。试验装置自身的局放信号是晶闸管的开通关闭造成，一般集中在特定相位，这类干扰在一定程度上可通过“开相位窗”予以排除。

2.高电压状态下局放测试的灵敏度高，高压电缆交流耐压时所施加的电压为2U0，利于将电缆内部的缺陷检出。

（1）对于在1U0下不产生局放信号的缺陷，在2U0下激发下产生局放，缺陷才可能被发现。

（2）对于同样的电缆缺陷，电压越高，产生的局放信号越大，检出的灵敏度越高。

3.局放的提前发现对运行安全、设备检修的影响。

通过局放测试，可以在电缆投运前发现缺陷，施工人员有足够的时间和空间查明原因、消除缺陷，避免电缆带病投入运行后重复停电，影响电网的正常运行。