基于物联网的电缆局部放电分布式监测系统设计与实现

基于物联网的电缆局部放电分布式监测系统设计与实现

屈喜平

陕西龙门钢铁有限责任公司 陕西省渭南市韩城市 715405

摘要：电力电缆的局部放电监测是保证电缆安全运行的重要技术手段。然而，传统有源有线的局部放电在线监测方法难以适用于敷设结构复杂、分布区域广且对成本较为敏感的电缆网络。针对此问题，设计了一种基于物联网技术的低功耗分布式电缆局部放电在线监测系统。

关键词：物联网；电缆局部放电；分布式监测

引言

随着全国电网的持续发展，尤其是城市电网的改造与升级，电力电缆已成为重点地区输电的主流设备。电缆具有易铺设、易维护、耐高温和绝缘性能优良等特点，逐步取代了油纸绝缘电缆和架空线路，广泛应用于电网。但与此同时，交联电缆大多以直埋、排管、隧道等形式铺设在地下，因此增加了监测电缆是否处在正常工作状态下的难度。实际作业中，由交联电缆及电缆接头绝缘损坏等问题引起的电力故障事故也不断增加。因此，如何快速有效地通过检测手段判断电缆绝缘是否存在劣化状况有着重要的现实意义。

1局放原理和产生原因

电力电缆制造过程中产生的气泡、杂质或导体的毛刺等导致场强分布不均匀是造成电力电缆发生局部放电现象比较普遍的原因。这些原因导致电缆局部区域首先发生放电现象，而其他区域仍然保持良好的绝缘特性，整体绝缘系统保持较好的绝缘能力、没有发生击穿现象，这样就形成了电缆的局部放电现象。局部放电有一个累积的效应，单次或少数几次的局放并不会造成整体绝缘系统的损坏导致事故发生。但是局放的多次累积发生会对电缆绝缘层产生破坏，导致电缆绝缘层老化或劣化，对绝缘层的不断破坏、绝缘层老化劣化导致放电范围的不断加大，最终会导致整个电缆绝缘系统的击穿或损坏、绝缘层被击穿导致发生严重事故。

2局部放电类型和特点

2.1电晕放电

电晕放电是指电缆导体部分出现毛刺、尖端等凸起的局部部位，随着电场强度增大，超过空气的电离场强，从而使此凸起部分附近空气发生电离，出现电晕放电现象而发生电缆的局部放电。这是因为导体尖端或者毛刺等曲率半径较小的区域电荷更易聚集和积累，随着电荷的积累此处场强会很大，从而使气体电离发生电晕。电晕放电发生时导体与绝缘层的间隙并没有被击穿，其只是发生在导体尖端或者毛刺等曲率半径较小的附近的气体区域，且伴随着光和声音等现象同时还可能会产生一些化学气体。一般情况下，导体尖端发生放电产生的放电脉冲主要聚集在负半周，但若电压很高，正半周也可能会出现放电脉冲。如果放电端是接地端，放电脉冲则主要聚集在正半周。随着电压增大，电晕放电次数会逐渐增多，单次放电量基本不变。

2.2沿面放电

沿面放电一般发生在电缆外表面、套管法兰等电气绝缘设备的某一端部。当外护套和环氧分界面之间接触不紧密时，表面电场强度达到击穿电压，此时发生的沿着绝缘介质表面放电的现象称为沿面放电。沿面放电脉冲一般发生在0°～90°和180°～270°相位上，且对称性一般取决于施加电场是否均匀。在均匀电场中，沿面放电图形基本对称；在不均匀电场中，沿面放电图形一般不对称。

2.3悬浮放电

悬浮放电一般发生在设备中的金属部件上。由于设备运行时的振动等原因，金属部件与地的连接发生松动，从而导致接地不良或者没有接地，进而在金属部件上积累了大量电荷，这些电荷与地之间形成了电位差，当电位差较大时则会发生悬浮放电。悬浮放电也是电缆局部放电的一种类型，一般来说，其放电脉冲在正负半周对称出现。

2.4内部放电

内部放电一般指绝缘介质内部的气隙、气缝或杂质等发生的放电现象。此类气隙、气缝或杂质可能形成于电缆生产过程中，也可能形成于电缆使用过程中。大多数情况下，其形成的电场强度会比绝缘介质大很多，从而发生局部放电。内部放电大多发生于绝缘层中绝缘强度较低的区域，与绝缘介质材料特性、气隙位置、气隙形状和气隙大小等有很大关系。

3基于物联网的局部放电监测系统的设计与实现

3.1超高频法

超高频法是利用一种特殊的特高频传感器对电缆局部放电产生的电磁信号进行采集。近年来，该方法较为广泛地运用在GIS组合电器等一些电气设备的绝缘检测中，因而也有一部分科研人员采用这种手段进行局部放电的检测。但是超高频电磁波信号频率高、波长短，传输距离较为有限，在电缆长度较长时衰减比较明显，因而测量的范围也会受限。因超高频设备装配不易，现在其在电力电缆检测中运用还比较少，但是其由于灵敏度高，抗干扰强，发展前景较为良好。

3.2差分法

差分法是将两个电容耦合器分别置于电缆两端的屏蔽层上，再将两个电容耦合器利用一个检测阻抗连接构成回路。这样若被测电缆发生局部放电，电缆两端会产生一个瞬时电压差，并在回路中产生一脉冲电流，脉冲电流经过检测阻抗会产生一脉冲电压信号，采集、放大并把此信号显示出来，从而用以观察、检测局部放电是否发生。该方法简单易行，但是在高频信号中衰减程度较大，灵敏度不足。

3.3超声波法

电力电缆发生局部放电时，会伴生超声波信号，而超声波具有频率高、波长短的特点。利用这一特点，可以利用超声波法检测局部放电。目前对电气设备的状态检测和故障监测通常会选择检测设备电气量变化，但是电气量所包含的故障信息可能存在信号不明显或信号滞后的情况。超声波法则是以压电晶片作为试验传感器，利用压电效应将局放发生导致的超声波信号转换成电信号，从而利用非电气量检测电气设备的状态，当然也可以运用在电力电缆的检测上。超声波检测法是一种非侵入式的方法，检测设备不需要和电缆有电气连接即可检测电缆的局部放电信号，检查时超声波检测设备只需在电缆外壁移动检测即可。但是由于声音由固体传输到空气中时能量损耗严重，从而导致该测量方法准确度受到影响。

3.4高频电流法

高频电流法是在频段为100kHz到20MHz之间进行检测，目前较广泛应用于电力电缆局部放电试验。其工作原理是检测电容或者电感耦合器在脉冲电流下产生的电磁信号。这种方法是对流经电缆接地线或电缆本体的放电脉冲电流信号进行检测，故此种方法在电缆屏蔽层有接地线的情况下广泛使用。此种方法常采用高频电流传感器（HFCT），此类型传感器具有安装简便、容易携带、抗干扰能力强等优点。HFCT即罗氏线圈，其是一种不含铁芯的均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。使用时，使待检测的导体穿过环形线圈，将电流对时间的积分进行输出。当线圈套在导体上时，经过导体的交流电信号会在其周围产生一个变换的磁场，从而从线圈中感应出与电流成正比的电压信号。其实际上是1:N的电流互感器，原边为单匝线圈，副边是N匝环形绕组。

结束语

电力电缆的局部放电监测是保证电缆安全运行的重要技术手段。针对配电电缆馈线结构复杂、分布区域广的特点，提出了一种基于物联网技术的电缆局部放电分布式监测技术，实现了针对电缆附件的物联网分布式局部放电监测。本套系统在电缆局部放电在线监测方面具有广阔的应用前景。

参考文献

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