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，为了保证钢铁企业生产的安全、稳定，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。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，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[1-4]，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。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]，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。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，基于局部放电的电力电缆绝缘检测方法主要分为离线检测式和在线监测式两大类；然而，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，离线检测式手段较为单一，无法实时、有效地反映出电力电缆的运行状态。得益于现代传先进的感技术、数字处理技术的快速发展，在线监测式因其无需断电的显著优势，成为国内外研究热点[6, 7]。因此，为了有效解决钢铁企业的电力电缆绝缘状态监测存在的问题，本文设计了基于高频脉冲电流传感器的局放无线实时监测系统，并对运行中的电力电缆进行实地化的现场应用。图1 电力电缆故障率与运行时间的关系
2 局放放电原理
2.1 局放成因及危害
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使用，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，可以尽最大可能的地避免故障发生，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]。
2.2 电力电缆局放机理
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，代表缺陷（根据工程经验，多为气隙），为缺点电容，为和缺陷串联的电容，为其余串联的电介质电容，为工作电压，为施加在缺陷电容上的电压，为施加在串联电容上面的电压。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，在工作电压作用下将在绝缘外部产生脉冲电流，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。
图2 电力电缆局放机理
图3 局放电压及脉冲电流波形
2.3 电力电缆局放信号特点
（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lkm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。
3 基于高频脉冲电流传感器的局放无线实时监测系统
3.1 局放监测方法选取
电弧放电使，产生的和是主要的中间物质，可基于和的浓度分析来判断局部放电成都，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谱图分析。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。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。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。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。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，才能更好的发挥其监测效果。脉冲电流法（HFCT）相对于电缆更加安全，也便于安装，在部分电力分公司已在线试运行，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。
图4 基于Rogowski线圈设计的HFCT
3.2 局放信号的采集
由于电缆放电信号频率高、放电电流小，因此采用传统的低分辨率传感器无法实现电力电缆高频局放的波形还原，本文采用性能好和精度较高的罗氏线圈传感器，选用采样频率为100MHz，该型号的罗氏线圈能够满足不同频率段数据的采集，输入与输出比为：
式（1）
式1中，为罗氏线圈的采集输出量，为原始输入信号，为罗氏线圈的电感；、和r分别为线圈自感、内阻和节分电阻；为自积分电阻电流分量。
式（2）
通过式（1）、式（2）可得出罗氏线圈的输出与原边信号成线性比，因此可实现原边信号的采集。由于罗氏线圈输出的值为电压信号，为恢复原边的电流信号，只需通过固定电阻，实现电力电缆局放原边的电流信号采集。
3.3 系统结构
基于高频脉冲电流传感器的局放无线实时监测系统采用高频脉冲电流传感器在线测量高压电缆的局放量，由高频脉冲电流传感器、信号预处理及保护模块、放大倍数可编程的放大电路、数据采样及分析系统、远端分析与诊断平台等构成，如图5所示。该系统具有安全性好、灵敏度高、准确性高、分析速度快等特征，并能实现远端分析与多路监测结果的综合对比。（1）采用宽频带测量方式，高频脉冲电流传感器套接在电力电缆终端屏蔽层的接地线上，与被测电缆无任何电气连接，属于典型的非接触测量方式，且完全不改变被测电力电缆的结构，因而丝毫不影响被测电力电缆的长期稳定运行。传感器监测频带为50kHz~50MHz，能满足局放在线监测需要[13, 14]。在此基础上，A/D采用频率为100MHz，符合香农采样定理的要求。
图5 系统结构
（2）信号预处理与保护模块具有两方面功能：一是有源滤波功能，对高频脉冲电流传感器输出的信号实施高通滤波，滤波器的下限截止频率为50kHz；二是具有防浪涌、防冲击等保护功能，当传感器耦合到一些具有高能量的冲击波时，保护功能将自动启动，隔离传感器与可编程放大电路之间的连接，防止后续电路被烧毁。（3）为提高测量系统的灵敏度、自适应自调节能力，放大电路的放大倍数设计成可编程变化的，可通过软件编程直接控制放大倍数。系统共设计了４个放大倍数，分别为1、5、10、20，并使用2条控制信号线实现放大倍数的控制。（4）系统同步采集电压信号，同步电压经零比较及数字分频处理后，生成占空比为50%、周期为200ms的周期性方波，接入数据采样触发使能接口。（5）为了迅速实现高压电缆绝缘的监测与分析，有效发现一些不可预期的瞬态故障，利用软件实现高频次、高速度采样与分析，系统设计200ms为采集与分析的周期，即连续采集5个工频的现场信号，剩余100ms时间用于分析。（6）数字采样与分析系统实现局放信号的A/D转换，软件滤波、放电指标计算，放电谱图的计算，数据存储等功能，并通过无线通信将数据传输至远端分析与诊断平台。
3.4 系统应用
本文所设计的系统在武钢能源动力中心选取110kV厂修I回中间接头、110kV厂修II回中间接头、110kV武耐线3#杆塔、110kV冶氩线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；2023年2月22日，局放无线实时监测系统监测到110kV厂修I回中间接头出现放电总量异常，B、C相放电量明显高于日平均值，如图6所示，初步判断电缆接头及附件存在隐患点。
图6 110kV厂修I回中间接头出现放电总量异常
2023年2月27日现场采用便携局放仪实测，按相位叠加后，通过分析图谱可见其具有50/100Hz相关性，如图7所示，因此初步判定该测试点附近存在明显的局部放电信号
（a）频域分析
图7 局放点图谱分析
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，搭接不良时易产生局部放电现象。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，放电信号消失，消缺完成。
4 结语
本文设计了一套完整的基于高频脉冲电流传感器的局放无线实时监测系统，系统适用于局部放电诊断要求，确定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110kV厂修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无线实时监测系统，对钢铁企业实际运行的电力电缆进行实时局部放电图谱监控，做到了问题的提早发现、提早处理，对事故起到有效的预防作用，保障了钢铁企业的长期稳定运行。
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（作者：邱军1.刘宏兵1.许国澎2.张良增2.杨海鹏2；1. 武钢有限公司能源环保部 2. 广州长川科技有限公司）
来源：冶金企业供用电专业安全经济稳定运行及智能化技术应用研讨会
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