团队介绍
国网天津市电力公司电缆分公司电缆运检北部中心电缆试验班成立于2019年9月，主要从事国网天津电缆公司辖区内高压电缆带电检测工作。班组现有员工12名，其中博士1人，硕士9人，占总人数83.3%，全员35周岁以下。青年党员9人，占总人数75%，班组配有各类精尖检测设备，是一支技术过硬、敢为人先的带电检测队伍。日常工作涵盖1139公里110kV电缆、375公里220kV电缆的高频局放检测、接地电流检测、红外检测等带电检测工作。致力于及时发现电缆设备潜在运行隐患，降低非计划停电次数，为电缆设备安全、稳定运行提供重要保障。
团队联系人：卫文婷
邮箱：weiwttt@163.com
电缆高频局部放电检测技术（上）
局部放电的基础知识
在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生发电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局放放电。对于被气体包围的导体附近发生的局部放电，可称之为电晕。局部放电可能发生在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面或内部，发生在表面的成为表面局部放电，发生在内部的称为内部局部放电。
当绝缘体局部区域的电场强度达到击穿场强时，该区域就发生放电。在电工产品中，绝缘体各区域承受的电场强度一般是不均匀的，而且电介质也是不均匀的，有的是由不同材料组成的复合绝缘体，如气体-固体复合绝缘；液体-固体复合绝缘，以及固体-固体复合绝缘等。有的虽是单一的材料，但在制造或使用的过程中会残留一些气泡或其他杂质，于是在绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电场强度高于平均电场强度，某些区域的击穿场强低于平均击穿场强，因此在某些区域就会首先发生局部放电，而其他区域仍然保持绝缘的特性，这就形成了局部放电。
最经常造成局部放电的是绝缘体内部或表面存在气泡，因为气体的介电常数总是小于液体或固体材料的介电常数，在交变电场下，电场强度的分布反比于介电常数，在交变电场下，电场强度的分布反比于介电常数，这就是说，如果在液体或固体介质中含有气泡，则气泡中的电场强度要比周围介质的高，而气泡的击穿场强，在大气压力附近，总是比液体或固体介质低很多，因此气泡就首先发生放电。即使有些产品在制造中很大程度上已经去除了气泡，但在运行的过程中，由于热胀冷缩，不同材料特别是导体与介质的膨胀系数不同，也会逐步出现裂缝；或者在运行中由于有机高分子的老化，分解出各种挥发物；或者在高电场强度的作用下，电荷不断地由导体注入到介质中，在注入点上就会使介质气化。这些都可能使绝缘体中出现气泡而导致局部放电。
除了气泡之外，绝缘体中若有导电杂质存在，则在此杂质边缘电场集中，也会出现局部放电。针尖状的导体，或导体表面有毛刺，则在针尖附近电场集中，也会产生局部放电。此外在电工产品中，若有导体间连接点接触不好，都会在该处出现很高的电位差，从而产生局部放电。
上述情况往往是发生在电工设备的内部。在电工设备的高电压端头上，如电缆的端头，由于电场集中，而且沿面放电的场强又比较低，往往就沿着介质与空气的交界面产生表面局部放电。若高压导体的周围都是气体，由于导体附近的电场强度达到了周围大气的击穿场强，于是就在导体附近出现电晕。
近年来，要求电力设备绝缘系统承受的工作场强越来越高，要求电力设备完全不发生局部放电是不实际的，因此须进行局部放电检测，把局放限制在一定的水平，以保证设备安全运行并有足够长的使用寿命。
局部放电的过程
由于局部放电是发生在电极间的局部空间内，放电产生的空间电荷将会在此空间内积累，从而改变这一空间的电场，使得放电变成断续的过程，在试品的两端将会出现一系列电脉冲。对于绝缘体内部及表面的局部放电过程是很相似的，而电晕的放电过程却有明显的差别。
2.1 内部放电的过程
在绝缘体内部气隙放电时，气隙中电荷的交换和积累目前尚无法直接测量，但这种电荷的变化，必然会反映到绝缘体两端电极（或导体）电荷的变化。这两者之间的关系，可以通过等效电路予以分析。
以最简单的平板电容器为例，假定在一平板电容器中，固体介质的内部有一个气泡，则此绝缘系统可用气泡的等效电阻Ra与电容Cc、气泡与介质串联部分介质的等效电阻Rb及电容Cb以及其他部分介质的等效电阻Ra及电容Ca组成的串并联等效电路来表示。由于气泡中每次放电时间都是很短暂的，大约为10-8-10-7s，即放电产生的脉冲频率是很高的，因此，在分析这一信号在等效电路中的响应时，可以忽略电阻，只考虑Cc、Cb和Ca组成的等效电路。
当工频交流电压施加于这平板电容器的电极上时，如果气泡的电压没有达到气泡上的击穿电压，则气泡上的电压就跟随外加电压的变化而变化。若外加电压足够高，则当Uc上升到气泡的击穿电压Ucb时，气泡发生放电，放电过程使大量中性气体分子电离，变成正离子和电子或负离子，形成大量的空间电荷，这些空间电荷，在外加电场作用下迁移到气泡的壁上，形成了与外加电场方向相反的内部电压-ΔUc，这时气泡上的电压Ur应是两者的叠加，即气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压，于是气泡的放电暂停，气泡上的电压又跟随外电压的上升而上升，直到重新到达Ucb时，又出现第二次放电。第二次放电过程中产生的空间电荷，同样又建立起反向ΔUc，假定第一次放电积累的电荷都没有泄露掉，这时气泡中反向电压为-2ΔUc，又使气泡上实际的电压下降，于是放电又暂停。之后气泡上的电压又跟随外电压上升而上升，当达到Ucb又产生放电。这样在外加电压达到峰值之前，若放电n次，则放电产生的空间电荷所建立的内部电压为-nΔUc。在外加电压峰值后，Uc开始下降，当气隙上的电压达到-Ucb，即
-nΔUc+Uc=-Ucb
时，气泡又开始放电，但此时放电产生的空间电荷的移动方向决定于内部空间电荷所建立的电场方向，于是中和掉一部分原来累积的电荷，使内部电压减少一个ΔUc。气隙上的电压下降，放电暂停。之后气隙上的电压又跟随外电压的下降向负值升高，直到重新达到-Ucb时，放电又重新发生。假定每次发生放电的ΔUc都一样，则当外加电压过零时放电产生的电荷就消失就消失，于是在外加电压的下半周期，重新开始一个新的放电周期。
但在实际检测中测得，每次放电的大小即脉冲的高度并不相等，而且放电多是出现在外加电压幅值绝对值的上升部分的相位上，只有在放电很剧烈时，才会扩展到电压绝对值下降的部分的相位上，这是因为实际试品中往往存在多个气泡同时放电，或者是只有一个大气泡，但每次放电不是整个气泡面积上都放电，而只是其中的一部分，显然每次放电的电荷不一定相同，甚至还存在反向放电，不一定会中和到原来积累的电荷，而是正负电荷都积累在气泡壁的附近，因此产生沿气泡壁的表面放电，另外气泡壁的附近不是无限大的，放电时气泡中会产生窄小的导电通道，这使得一部分放电产生的空间电荷泄露掉，积累的反向电压要比nΔUc小的多，如果小于Ucb，则在电压下降部分的相位上就不会出现放电。
2.2 表面局部放电
绝缘体表面的局部放电过程与内部放电过程是基本相似的，不同的是现在的气隙只有一边是介质，而另一边是导体，放电产生的电荷只能积累在介质的一边，因此积累的电荷少了，更不容易在外加电压绝对值下降的相位上出现放电。另外因为电极系统是不对称的，当放电的电极是接高压，不放电的电极是接地时，在施加电压的负半周出现的放电量小，放电次数多；而正半周是放电量大，次数少。这是因为导体在负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极产生二次电子发射，使得电极周围气体的起始放电电压低，因而放电次数多而放电量小。如果将放电的电极接地，不放电的电极接地，则放电的图形也反过来，即正半周放电脉冲是小而多，负半周放电脉冲是大而少。
2.3 电晕放电
电晕放电是发生在导体周围全是空气的情况下，气体中的分子是自由移动的，放电产生的带电质点不会固定在空间的某一位置上，因此放电过程与上述固体或液体绝缘中含有气泡的放电过程不同。以针对板的电极系统为例，在针尖附近场强最高，当外加电压上升到该处的场强达到气体的击穿场强时，在针尖附近就发生放电，由于在负极性时容易发生电子，同时正离子撞击阴极发生二次电子发射，使得放电总是在针尖为负极性时先出现，这时正离子很快移向针尖电极而复合，电子在移向平板电极过程，附着于中性分子而成为负离子，负离子迁移的速度较慢，众多的负离子在电极之间，使的针尖附近的电场强度降低，于是放电暂停。之后，随着负离子移向平板电极，或外加电压上升，针尖附近的电场又升高到气体的击穿场强，于是又出现第二次放电。这样电晕的放电脉冲就出现在外加电压负半周的90度相位附近，几乎对称于90度，出现的放电脉冲几乎是等幅值等间隔的，随着电压的提高，放电大小几乎不变，而次数增加。当电压足够高时，在正半周也会出现少量幅值较大的放电，正负半周波形是不对称的。
以上三种放电是电气设备中最基本的放电，此外在电气设备中也可能出现导体连接不良而产生的放电，和金属体没有电的连接，成为一个浮动电位体而产生的感应放电。
电缆局部放电检测方法
3.1 检测步骤
根据不同的现场情况选择适当的测试点和传感器，保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析；
在设备合适的位置安装相位信息传感器；
开机后，运行监测软件，检查主机与电脑通信状况、同步状态、相位偏移等参数；
进行系统自检，确认各检测通道工作正常；
测试背景噪声。测试前将仪器调节到最小量程，测量空间背景噪声值并记录；
根据现场噪声水平设定各通道信号检测阈值；
开始测试，打开连接传感器的检测通道，观察检测到的信号。测试时间不少于60秒；
如果发现信号无异常，保存数据，退出并改变检测位置继续下一点检测；如果发现信号异常，则延长检测时间并记录3组数据，进入异常诊断流程。
对于异常的检测信号，可以使用诊断型仪器进行进一步的诊断分析，也可以结合其它检测方法进行综合分析。
3.2 数据处理
首先根据相位图谱特征判断测量信号是否具备典型放电图谱特征或与背景或其他测试位置有明显不同，若具备，继续如下分析和处理：
同一类设备局部放电信号的横向对比。相似设备在相似环境下检测得到的局部放电信号，其测试幅值和测试谱图应相似，同一变电站内的同类设备也可以作类似横向比较；
同一设备历史数据的纵向对比。通过在较长的时间内多次测量同一设备的局部放电信号，可以跟踪设备的绝缘状态劣化趋势，如果测量值有明显增大，或出现典型局部放电谱图，可判断此测试点内存在异常；
若检测到有局部放电特征的信号，当放电幅值较小时，判定为异常信号；当放电特征明显，且幅值较大时，判定为缺陷信号。
必要时，应结合特高频、超声波局部放电和油气成分分析等方法对被测设备进行综合分析。
对于具有等效时频谱图分析功能的高频局放检测仪器，应将去噪声和信号分类后的单一放电信号与典型局部放电图谱相类比，可以判断放电类型、严重程度、放电信号远近等。对于异常和缺陷信号，要结合测试经验和其它试验项目测试结果进行危险性评估。
EPFF2023电力行业火灾防控技术高峰论坛 联系电话：171 8013 4127（微信同号）
