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摘 要：局部放电测试技术对高压电缆尤其是电缆附件的绝缘检查是非常有效的方法。本文介绍了高压电缆局部放电远程在线监测系统的作用和组成，及其在实际现场的应用情况，并简要叙述了设计思想和应用，对在现场复杂情况下电缆的局放监测工作有一定的参考作用。
关键词：高压电缆；局部放电；在线监测；实时
1.引言
交联聚乙稀（XLPE）电缆已经在城市电网中运行了将近二十年，长时间运行后XLPE绝缘的老化情况究竟怎样，何时需要进行更换的问题亟待解决，而常规的预试方法无法进行评价。作为评估高压电缆绝缘状况的基本手段之一，局部放电的测量可以反映多种局部绝缘劣化的发展状况，可以作为一个重要指标来检测一些危及电缆整体绝缘的有害缺陷。
局部放电的测量及基于局放的故障诊断使电力设备的状态维护（CBM）成为可能。状态维护比定时维护（即每隔一段时间进行设备维护）更为有效。它不但能够避免那些昂贵而不必要的维护，而且能够减少设备在两次定时维护之间突发事故的风险。合理的状态维护不但可以为您带来最佳的人力、物力、财力资源分配，省时省钱，还可以最大程度预防设备事故及突发停电事故。
2.目前的现状及问题
由于电缆局部放电信号的采集、分析一直是国际上的难题，在测试中常见的问题有以下几类：
a. 信号频率高；
b. 现场背景噪声多，无法将放电信号有效的进行分离；
c. 对局部方电信号的识别以及危害性的判定；
d. 传统的定时维护无法及时发现电缆隐患，对其进行处理。
由于电缆结构非常复杂，传统的局部放电检测技术无法有效的获取、分析放电信号，这样就需要一套采样频率高，且具有强大的分析识别功能的局部放电检测系统，以解决上述问题。
对于上述问题，解决的思路主要从以下三方面入手。
1） 采用高频传感器对高压电缆内部所产生的局部放电信号进行采集。
2） 采用一套具有将信号分离分类的局部放电分析系统对所采集的信号进行分离分类。
3） 采用一套具有强大分析功能的局部放电分析系统对所采集的数据的分析，判定其放电类型和危害性并给出合理建议
4） 建立一套局部放电在线监测系统，实时的对电缆运行状态进行监测及时发现电缆中存在的缺陷，作计划性停电检修，减少因事故发生所造成的经济损失。
3.高压电缆局部放电远程在线监测系统的原理
3.1高压电缆局部放电远程在线监测系统的组成
局部放电在线监测系统的组成主要如表1所示：
本系统采用了意大利TechImp公司的PDScope电缆局放在线检测系统。在局部放电检测领域，TechImp的技术和产品处于世界领先地位。该系统的技术优势主要表现在如下三个方面：
A. 宽带脉冲电流测量；
B. 基于放电信号波形的信噪分离、分类技术；
C. 在数十年现场局部放电测量基础上形成的强大的故障诊断专家系统。
现行的局放测量方法主要是IEC和国标的脉冲电流法及特高频法。局放信号脉冲波形主要波长时间在几十到几百纳秒，对应主要能量频率在几兆到几十兆赫兹之间，而传统的IEC脉冲电流法的采样频带在几十千到几百千赫兹之间，特高频法的采样频带在300M赫兹到3G赫兹之间，也就是说两者为了规避干扰，都避开了信号的主要能量频段，放弃了局放信号的主要特征，这也就是现有的方法在故障诊断上一直不能有效突破的原因，也是局放的现场测量（用便携式设备进行带电测量与用固定式设备进行长期在线监测）不能广泛开展，不能有效推广到其它电力设备（电缆等）的主要原因。
电缆出厂实验中对局放的要求一般小于10皮库，而现场干扰往往高于几百皮库，如不能有效分离这些干扰，对电缆等设备就无法进行局放测试。意大利TechImp公司采用了宽带采样技术（100MS/s）的方法，带宽范围覆盖率局部放电的主要能量段，能够完整测量局放脉冲电流波形并获取全部的放电特征。这是对现有局放测量方法的原理性突破，为局放现场实践与理论研究提供了一条新的思路。
TechImp的国际专利技术能够区分不同的局放信号，并根据其放电波形将其归于不同的簇类，并在各个簇内分别开展进一步分析，从而大大提高局放识别的准确性，也减少了对操作人员技术水平的依赖。TechImp的这一技术也可以有效地将噪音从局放信号中分离出来，而不需要额外的滤噪装置。实践证明，经过TechImp的技术处理，噪音信号与局放信号在特性上大不一样，从而可以有效地被剥离出来。
在TechImp系统中，每个局放脉冲波形都按其特征时域波长和频域带宽映射到TF图谱中，从而实现噪声抑制及局放信号分离。图1中显示了某一输电电缆的实测波形，其信号来自多种不同的放电源与噪声源。信号分离后，每一种放电的特征都被分别提取、识别，并最终进行诊断。
图示为某高压电缆接头处实测信号，其测量信号中迭加有多种噪声和其它信号，不加以分离则无法识别。
本系统的识别功能来源于其功能强大的专家数据库，库中储存有电缆及其附件中典型缺陷的局放特征。基于此数据库，该系统能够运用模糊逻辑进行自动识别，提供相关诊断结果，并在诊断为绝缘故障时向系统管理员报警。
3.2 高压电缆局部放电远程在线监测系统设计说明
3.2.1 局部放电远程在线监测系统设计的初衷是寻找一种安全、可靠的方法，对电缆的安全状态进行实时监测，在事故发生前对电缆进行预知性检修。这样做的目地在于：
1） 相对于传统的大部分预防性试验停电试验，在线监测是对设备在运行工况下进行检测，而且测试的周期可以缩短，测量结果能够更加反映设备的实际情况，因此更加准确和有效，由此有助于减少突发性事故、提高设备可靠性； 2）由于在线监测在设备不停电时进行，有利于优化检修周期，减少不必要的停电，因此可以大大减少停电时间，提高设备的可用率；
3）在线监测可实现自动检测，检修试验人员的介入减少；另外，在实现在线监测的基础上对停电检修的项目和周期都可作优化调整，因此大大减少了试验检修工作量；
4） 在线监测通过减少不必要的检修，减少了因检修工作质量带来的设备故障缺陷风险，提高了设备的可靠性；
5）在线监测是设备实施状态检修的重要条件，对提高设备的安全性、延长设备寿命有重大意义。
3.2.2 系统工作原理
该系统可以根据不同的放电脉冲波形进行分类，以便对放电数据进行进一步分析。这样，即使在没有熟练的操作员时，也可以提高局放识别能力。系统的波形采集技术无需附加抑噪装置就具有有效的抗干扰能力。实际观察证明，噪声信号与局部放电信号非常不同，所以系统可以成功的分离局放信号与干扰。具体来说，获取各PD脉冲后求取所谓的等效时间长度和频率并映射到TF（时频）谱图上，不同的放电类型（如旋转电机中的分布式微空穴放电、槽放电和噪声）在TF谱图上表现为不同的群，在此基础上可以实现噪声抑制和放电分离。（见图2）
常规的数字局放仪只能得出整体的局放的相位谱图，其中每一个点对应一次放电的相位（横坐标）及幅值（纵坐标） ，但其中的各类放电是混合在一起的，不可能找出每一类放电，更不可能准确识别放电类型或缺陷类型。但借助于高频宽带采样获取的放电脉冲电流波形可以将每一个放电脉冲按其波形特征映射到特征谱图中。由于同种放电特征比较一致，不同放电间的特征差异性较大，从特征谱图上可以比较容易地区别出不同的放电。此时再在原相位谱图中单独显示每一类放电信号，便可实现放电或干扰的分离分类功能。对于每一类很“纯”的放电信号，可以较容易地通过专家识别系统找出放电类型和缺陷类型。
传感器从设备处取得信号，输入主机，再通过光纤传入笔记本电脑。其余部分为采样过程，通过高速宽带采样系统记录放电电流脉冲波形。图3中采集的波形被输入常规的相位谱图，此时由于有两种信号迭加，识别困难较大。但我们对每一个放电电流脉冲波形提取相应特征，以此将相位谱图中每一个点（对应一个脉冲电流）映射到特征谱图中。由于同一类放电特征比较接近，而不同放电间差距较大，可以较容易地区别出不同的放电种类，然后再将每一类放电的相位谱图单独提出，此时信号较纯，识别效率大大提高。
4.高压电缆局部放电远程在线监测系统安装
4.1 红寺一、二高压电缆局部放电远程在线监测系统的安装
红寺一、二是黄寺变电站的两回路220kV电源电缆，敷设在电缆隧道内，敷设方式为交叉互联，呈大品字型排列。每回路电缆长度约6km，有交叉互联箱12个、接地箱5个和电缆终端箱2个。
本系统在电缆的直接接地箱和电缆终端箱处安装局部放电检测设备（共5个接地箱，1个终端箱），如图4所示。实时检测电缆内部发生的局部放电信号，有效地去除干扰信号。局部放电信号通过光缆传输到变电站监控主机和北京电缆网运行监控中心，并通过分析系统对局部放电的类型和局部放电水平进行分析判断，评估局部放电的影响，判断设备绝缘状态，并给出相应设备维护维修指导方案。
高频CT卡在电缆终端或者中间接头的接地线上，通过信号电缆将采集信号传输到PDScope中，如图5所示：
4.2 系统在安装过程中需要注意的问题
4.2.1 防水问题
由于部分隧道内环境比较潮湿，因此，为确保设备长期稳定可靠运行，我们将PDScope和电源模块安装在防水密封盒中，并且固定在隧道侧墙处，如图5所示：
4.2.2 信号传输
由于该系统为远程在线监测系统，数据传输就显得尤为关键，为此，我们利用检查井在线监控系统的传输通道，将局放信号传输到黄寺变电站，再通过北京电力公司综合数据网将局放信号传送到北京电缆网运行监控中心，如图7所示。
5.高压电缆局部放电远程在线监测系统的应用
我们将220kV红寺一（尾）的基本信息配置到系统中，系统会自动生成红寺一路的拓扑图，如图8所示，从图中我们可以看出，红寺一（尾）起点为大屯终端站，终点为黄寺变电站，中间共有5组直接接地箱；图中黄、绿、红分别代表电缆线路的A、B、C相。
图中绿色柱状图为该组接头上高频CT所采集的局放信号。从这张图我们可以总览整条电缆线路的局放信号情况。
远程在线监测系统的最大优势在于可以实时监测电缆线路中的局放信号，并且可以方便查看历时数据，如图9所示：
从图中我们可以看到某组接头局放信号随时间的变化情况，其中图中的横轴为时间，纵轴为放电幅值；同时我们还可以同时选取两组接头，比较其局放信号的具体情况。
为了进一步分析局放信号，我们可以查看局放信号特征谱图和相位谱图，如图10所示：
6.结论
（1） 高压电缆局部放电在线监测系统可以实时采集现场数据，并且可以查询历时数据，在实际应用过程中比较方便；
（2） 通过对比不同放电脉冲信号之间及放电与干扰之间波形特征的差异，能够有效分离聚类不同的放电脉冲，区别不同放电类型，并根据放电脉冲波形指纹特征通过模糊逻辑诊断方法对放电信号进行识别，对试验人员的分析起到很好的辅助作用；
（3） 不是所有的内部放电都会导致电缆在短时间内击穿，在对电缆绝缘状态分析的过程中应考虑到电缆线路的具体情况，根据相应情况做出综合判断，进行状态检修。
参考文献：
[1] Working Group 21.09 After laying tests on high voltage extruded insulation cable system[J]. Electra，1997， 173：33-41.
[2] 罗俊华， 马翠姣， 邱 昌. XLPE电力电缆局部放电在线检测[J]. 高电压技术， 1999， （4）：32-34
[3] Boggs S， et al. Fundaments of partial discharge in the context of field cable testing[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine， 2000， 16（25）：13-18.
[4] 李华春. 电缆局部放电在线检测方法的分析比较[J]. 电力设备， 2005， 6（5）：29-32
[5] 段乃欣， 马翠姣， 邱 昌， 等. 交联聚乙稀电缆敷设后的局部放电检测[J]. 供用电， 2001， 18（4）：12-14
[6] 段乃欣， 罗俊华， 邱 昌， 等. 用于XLPE电力电缆局放检测的宽频带电磁耦合法的研究[J]， 电线电缆， 2002， （2）：24-26
[7] 《TechImp PDCheck operator’s manual》
[8] IEC60270， Partial discharge measurements[S]， 1981.
关键词：高压电缆；局部放电；在线监测；实时
1.引言
交联聚乙稀（XLPE）电缆已经在城市电网中运行了将近二十年，长时间运行后XLPE绝缘的老化情况究竟怎样，何时需要进行更换的问题亟待解决，而常规的预试方法无法进行评价。作为评估高压电缆绝缘状况的基本手段之一，局部放电的测量可以反映多种局部绝缘劣化的发展状况，可以作为一个重要指标来检测一些危及电缆整体绝缘的有害缺陷。
局部放电的测量及基于局放的故障诊断使电力设备的状态维护（CBM）成为可能。状态维护比定时维护（即每隔一段时间进行设备维护）更为有效。它不但能够避免那些昂贵而不必要的维护，而且能够减少设备在两次定时维护之间突发事故的风险。合理的状态维护不但可以为您带来最佳的人力、物力、财力资源分配，省时省钱，还可以最大程度预防设备事故及突发停电事故。
2.目前的现状及问题
由于电缆局部放电信号的采集、分析一直是国际上的难题，在测试中常见的问题有以下几类：
a. 信号频率高；
b. 现场背景噪声多，无法将放电信号有效的进行分离；
c. 对局部方电信号的识别以及危害性的判定；
d. 传统的定时维护无法及时发现电缆隐患，对其进行处理。
由于电缆结构非常复杂，传统的局部放电检测技术无法有效的获取、分析放电信号，这样就需要一套采样频率高，且具有强大的分析识别功能的局部放电检测系统，以解决上述问题。
对于上述问题，解决的思路主要从以下三方面入手。
1） 采用高频传感器对高压电缆内部所产生的局部放电信号进行采集。
2） 采用一套具有将信号分离分类的局部放电分析系统对所采集的信号进行分离分类。
3） 采用一套具有强大分析功能的局部放电分析系统对所采集的数据的分析，判定其放电类型和危害性并给出合理建议
4） 建立一套局部放电在线监测系统，实时的对电缆运行状态进行监测及时发现电缆中存在的缺陷，作计划性停电检修，减少因事故发生所造成的经济损失。
3.高压电缆局部放电远程在线监测系统的原理
3.1高压电缆局部放电远程在线监测系统的组成
局部放电在线监测系统的组成主要如表1所示：
本系统采用了意大利TechImp公司的PDScope电缆局放在线检测系统。在局部放电检测领域，TechImp的技术和产品处于世界领先地位。该系统的技术优势主要表现在如下三个方面：
A. 宽带脉冲电流测量；
B. 基于放电信号波形的信噪分离、分类技术；
C. 在数十年现场局部放电测量基础上形成的强大的故障诊断专家系统。
现行的局放测量方法主要是IEC和国标的脉冲电流法及特高频法。局放信号脉冲波形主要波长时间在几十到几百纳秒，对应主要能量频率在几兆到几十兆赫兹之间，而传统的IEC脉冲电流法的采样频带在几十千到几百千赫兹之间，特高频法的采样频带在300M赫兹到3G赫兹之间，也就是说两者为了规避干扰，都避开了信号的主要能量频段，放弃了局放信号的主要特征，这也就是现有的方法在故障诊断上一直不能有效突破的原因，也是局放的现场测量（用便携式设备进行带电测量与用固定式设备进行长期在线监测）不能广泛开展，不能有效推广到其它电力设备（电缆等）的主要原因。
电缆出厂实验中对局放的要求一般小于10皮库，而现场干扰往往高于几百皮库，如不能有效分离这些干扰，对电缆等设备就无法进行局放测试。意大利TechImp公司采用了宽带采样技术（100MS/s）的方法，带宽范围覆盖率局部放电的主要能量段，能够完整测量局放脉冲电流波形并获取全部的放电特征。这是对现有局放测量方法的原理性突破，为局放现场实践与理论研究提供了一条新的思路。
TechImp的国际专利技术能够区分不同的局放信号，并根据其放电波形将其归于不同的簇类，并在各个簇内分别开展进一步分析，从而大大提高局放识别的准确性，也减少了对操作人员技术水平的依赖。TechImp的这一技术也可以有效地将噪音从局放信号中分离出来，而不需要额外的滤噪装置。实践证明，经过TechImp的技术处理，噪音信号与局放信号在特性上大不一样，从而可以有效地被剥离出来。
在TechImp系统中，每个局放脉冲波形都按其特征时域波长和频域带宽映射到TF图谱中，从而实现噪声抑制及局放信号分离。图1中显示了某一输电电缆的实测波形，其信号来自多种不同的放电源与噪声源。信号分离后，每一种放电的特征都被分别提取、识别，并最终进行诊断。
图示为某高压电缆接头处实测信号，其测量信号中迭加有多种噪声和其它信号，不加以分离则无法识别。
本系统的识别功能来源于其功能强大的专家数据库，库中储存有电缆及其附件中典型缺陷的局放特征。基于此数据库，该系统能够运用模糊逻辑进行自动识别，提供相关诊断结果，并在诊断为绝缘故障时向系统管理员报警。
3.2 高压电缆局部放电远程在线监测系统设计说明
3.2.1 局部放电远程在线监测系统设计的初衷是寻找一种安全、可靠的方法，对电缆的安全状态进行实时监测，在事故发生前对电缆进行预知性检修。这样做的目地在于：
1） 相对于传统的大部分预防性试验停电试验，在线监测是对设备在运行工况下进行检测，而且测试的周期可以缩短，测量结果能够更加反映设备的实际情况，因此更加准确和有效，由此有助于减少突发性事故、提高设备可靠性； 2）由于在线监测在设备不停电时进行，有利于优化检修周期，减少不必要的停电，因此可以大大减少停电时间，提高设备的可用率；
3）在线监测可实现自动检测，检修试验人员的介入减少；另外，在实现在线监测的基础上对停电检修的项目和周期都可作优化调整，因此大大减少了试验检修工作量；
4） 在线监测通过减少不必要的检修，减少了因检修工作质量带来的设备故障缺陷风险，提高了设备的可靠性；
5）在线监测是设备实施状态检修的重要条件，对提高设备的安全性、延长设备寿命有重大意义。
3.2.2 系统工作原理
该系统可以根据不同的放电脉冲波形进行分类，以便对放电数据进行进一步分析。这样，即使在没有熟练的操作员时，也可以提高局放识别能力。系统的波形采集技术无需附加抑噪装置就具有有效的抗干扰能力。实际观察证明，噪声信号与局部放电信号非常不同，所以系统可以成功的分离局放信号与干扰。具体来说，获取各PD脉冲后求取所谓的等效时间长度和频率并映射到TF（时频）谱图上，不同的放电类型（如旋转电机中的分布式微空穴放电、槽放电和噪声）在TF谱图上表现为不同的群，在此基础上可以实现噪声抑制和放电分离。（见图2）
常规的数字局放仪只能得出整体的局放的相位谱图，其中每一个点对应一次放电的相位（横坐标）及幅值（纵坐标） ，但其中的各类放电是混合在一起的，不可能找出每一类放电，更不可能准确识别放电类型或缺陷类型。但借助于高频宽带采样获取的放电脉冲电流波形可以将每一个放电脉冲按其波形特征映射到特征谱图中。由于同种放电特征比较一致，不同放电间的特征差异性较大，从特征谱图上可以比较容易地区别出不同的放电。此时再在原相位谱图中单独显示每一类放电信号，便可实现放电或干扰的分离分类功能。对于每一类很“纯”的放电信号，可以较容易地通过专家识别系统找出放电类型和缺陷类型。
传感器从设备处取得信号，输入主机，再通过光纤传入笔记本电脑。其余部分为采样过程，通过高速宽带采样系统记录放电电流脉冲波形。图3中采集的波形被输入常规的相位谱图，此时由于有两种信号迭加，识别困难较大。但我们对每一个放电电流脉冲波形提取相应特征，以此将相位谱图中每一个点（对应一个脉冲电流）映射到特征谱图中。由于同一类放电特征比较接近，而不同放电间差距较大，可以较容易地区别出不同的放电种类，然后再将每一类放电的相位谱图单独提出，此时信号较纯，识别效率大大提高。
4.高压电缆局部放电远程在线监测系统安装
4.1 红寺一、二高压电缆局部放电远程在线监测系统的安装
红寺一、二是黄寺变电站的两回路220kV电源电缆，敷设在电缆隧道内，敷设方式为交叉互联，呈大品字型排列。每回路电缆长度约6km，有交叉互联箱12个、接地箱5个和电缆终端箱2个。
本系统在电缆的直接接地箱和电缆终端箱处安装局部放电检测设备（共5个接地箱，1个终端箱），如图4所示。实时检测电缆内部发生的局部放电信号，有效地去除干扰信号。局部放电信号通过光缆传输到变电站监控主机和北京电缆网运行监控中心，并通过分析系统对局部放电的类型和局部放电水平进行分析判断，评估局部放电的影响，判断设备绝缘状态，并给出相应设备维护维修指导方案。
高频CT卡在电缆终端或者中间接头的接地线上，通过信号电缆将采集信号传输到PDScope中，如图5所示：
4.2 系统在安装过程中需要注意的问题
4.2.1 防水问题
由于部分隧道内环境比较潮湿，因此，为确保设备长期稳定可靠运行，我们将PDScope和电源模块安装在防水密封盒中，并且固定在隧道侧墙处，如图5所示：
4.2.2 信号传输
由于该系统为远程在线监测系统，数据传输就显得尤为关键，为此，我们利用检查井在线监控系统的传输通道，将局放信号传输到黄寺变电站，再通过北京电力公司综合数据网将局放信号传送到北京电缆网运行监控中心，如图7所示。
5.高压电缆局部放电远程在线监测系统的应用
我们将220kV红寺一（尾）的基本信息配置到系统中，系统会自动生成红寺一路的拓扑图，如图8所示，从图中我们可以看出，红寺一（尾）起点为大屯终端站，终点为黄寺变电站，中间共有5组直接接地箱；图中黄、绿、红分别代表电缆线路的A、B、C相。
图中绿色柱状图为该组接头上高频CT所采集的局放信号。从这张图我们可以总览整条电缆线路的局放信号情况。
远程在线监测系统的最大优势在于可以实时监测电缆线路中的局放信号，并且可以方便查看历时数据，如图9所示：
从图中我们可以看到某组接头局放信号随时间的变化情况，其中图中的横轴为时间，纵轴为放电幅值；同时我们还可以同时选取两组接头，比较其局放信号的具体情况。
为了进一步分析局放信号，我们可以查看局放信号特征谱图和相位谱图，如图10所示：
6.结论
（1） 高压电缆局部放电在线监测系统可以实时采集现场数据，并且可以查询历时数据，在实际应用过程中比较方便；
（2） 通过对比不同放电脉冲信号之间及放电与干扰之间波形特征的差异，能够有效分离聚类不同的放电脉冲，区别不同放电类型，并根据放电脉冲波形指纹特征通过模糊逻辑诊断方法对放电信号进行识别，对试验人员的分析起到很好的辅助作用；
（3） 不是所有的内部放电都会导致电缆在短时间内击穿，在对电缆绝缘状态分析的过程中应考虑到电缆线路的具体情况，根据相应情况做出综合判断，进行状态检修。
参考文献：
[1] Working Group 21.09 After laying tests on high voltage extruded insulation cable system[J]. Electra，1997， 173：33-41.
[2] 罗俊华， 马翠姣， 邱 昌. XLPE电力电缆局部放电在线检测[J]. 高电压技术， 1999， （4）：32-34
[3] Boggs S， et al. Fundaments of partial discharge in the context of field cable testing[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine， 2000， 16（25）：13-18.
[4] 李华春. 电缆局部放电在线检测方法的分析比较[J]. 电力设备， 2005， 6（5）：29-32
[5] 段乃欣， 马翠姣， 邱 昌， 等. 交联聚乙稀电缆敷设后的局部放电检测[J]. 供用电， 2001， 18（4）：12-14
[6] 段乃欣， 罗俊华， 邱 昌， 等. 用于XLPE电力电缆局放检测的宽频带电磁耦合法的研究[J]， 电线电缆， 2002， （2）：24-26
[7] 《TechImp PDCheck operator’s manual》
[8] IEC60270， Partial discharge measurements[S]， 1981.