交流高压电缆局部放电的在线监测
陈敬德，1140319060；指导老师：李旭光
（上海交通大学电气工程系，上海，200240）
摘要：在XLPE电缆投入运行后，由于绝缘的老化变质、过热、机械损伤等，使得电缆在运行中绝缘裂化，为了防止由于绝缘劣化造成电缆运行事故，需要对电缆的运行状态进行即时监测，监测系统控制着电缆及其附件的质量。局部放电是目前比较有效的在线监测方法，局部放电检测目前相应有电磁耦合法、超高频法和超声波法、光学测量法等，本文将着重论述这些方法各自的优势与不足，同时对目前发展起来的PD混沌监测方法进行讨论。
关键词：XLPE电缆；在线监测；局部放电；混沌法
0 引言
随着电力系统的飞速发展以及旧城改造工程的进行，电力电缆在电力网络中的应用愈发广泛。电力电缆的基本结构包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四个部分。其中线芯即导体，是电力电缆中传输电能的部分，是电缆的主要结构。绝缘层将线芯与外界电气上隔离。屏蔽层包括导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，一般存在于15kV及以上电缆中。保护层是用来防止外界的杂质和水分的渗入和外力的破坏
[1]
气性能优越，具有击穿电场强度高、介质损耗小、载流量大等优点因而得到了广泛的应用。 在线检测电缆故障的方法有很多，如直流分量法、损耗电流谐波分量法、局部放电法等，其中，局部放电法是目前用于现场比较有效的在线检测方法。XLPE电缆发生局部放电时一般会产生电流脉冲、电磁辐射、超声波等现象，根据检测物理量的不同，局部放电检测相应有电磁耦合法、超高频法和超声波法等，其中，电磁耦合法由于传感器灵敏度高、安装方便，且与电缆无电气连接，是目前应用最为广泛的一种方法 。
本文主要论述了XLPE电缆局部放电在线监测的一些基本方法的优势与缺陷，并对电缆局部放电的混沌监测方法进行了讨论[2]。
。
电力电缆按照电压等级分类有低压电缆(35kV及以下输配电线路)、中低压电缆(35kV及以下)、高压电缆(110kV及以上)、超高压电缆(275～800kV)、特高压电缆(1000kV及以上)。按照绝缘材料电力电缆可以分为塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆。其中油纸绝缘电缆应用历史最长。它安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。塑料绝缘电缆主要用于低压电缆，常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。橡皮绝缘电缆弹性好，适合用 于移动频繁弯曲半径小的敷设地点。 我国早期使用的多是油纸绝缘电缆，但自1970 年以来，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆得以广泛应用，并逐渐取代了油纸绝缘电缆的地位。XLPE电缆电
1 PD在线监测的意义以及技术 难点
局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电,这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的
问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。
基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。但每种方法都有自身的优势与局限性。抑制噪声、提高传感器的灵敏度是推广XLPE电力电缆局部放电在线监测技术的关键，如何分析局放测试数据、识别局放源类型乃至精确定位局放源，需要更多的现场检测经验和理论研究。
2 传统PD在线监测方法
由于电缆故障主要发生在电缆附件位置，而本体较少发生故障。因此，电缆在线检测主要检测电
缆接头位置。
在线 PD 检测的主要问题有三:一是传感器很
难接触到带电导体甚至不易接触到金属护套;二是
传感点分布在长电缆上，因此它们检测的信号在传输过程中容易变形扭曲;三是干扰信号的存在。 测量局放的辐射场常用敏感的场传感器。这些传感器通常放在靠近电缆接头的外半导电层上，常用铜或铝导体作为内置传感器，半导电层在导体和绝缘之间起一个连接和均匀电场的作用，防止电场的加强，防止造成局放或早期故障。
内置传感器的缺点在于不够便携，而便携式的传感器必须安装在电缆的外部，并通过电感耦合或电容耦合的方法与电介质耦合。这样的传感器安装最大问题在于它不仅仅捕捉内部信号，也捕捉外部干扰。
常用的在线 PD 检测手段有:高频电流法，电容
耦合传感器，声发射法，超高频 UHF 法，甚高频 VHF 法等。此外还有一些不太常用的手段，例如定向偶合法、偏振光测量法等。
2.1电容耦合法
电容耦合法也是电测法的一种，其具体的方法
是从距离接头比较近取一段电缆，把电缆的外护套绝缘层去电，电极是在外半导电层的表面裹上一导电体，这样就构成了容性电机，在发生放电时，就可以通过耦合，然后测量脉冲电流信号。就可以如图 2.1 所示。我们可以看到，两个阻抗（同轴电缆和绝缘层）是并联在一起，这种测量方法的最大优点就是不会损坏外半导电层和电缆绝缘层，而且对电缆信号传输几乎没有干扰。传感器的信号噪声比与剥去护套的长度、金属箔和护套之间的长度以及金属箔长度这三者之间是有关联的，通过调整可以得到理想的信噪比值[3]。
中心导体
图2-1电容偶合法示意图 常用的电容耦合传感器有内置式和外置式。内
置式和外置式的相比较外置式的更有优势，外置式
的电极可以做在护套表面，对电缆的绝缘没有影响，这样也会使安装比较方便，这样外置式的既可以用 在在线局放检测也可以用在现场局放监测。
在国内有些科研单位已经研发出了电容耦合传感器，根据电容耦合的原理，西安交通大学开发了可以通过监测电缆附件的传感器，该传感器为位置式，并通过实验对 220 千伏交联聚乙烯电缆进行了局部放电测量。这一传感器的生产过程是:一、用刀具剥开屏蔽层和电缆外护套，把一导体环放到屏蔽层和外护套之间，并用绝缘材料固定住导体环，使之紧贴外半导体层，然后用法兰连接导体断层。其带宽也不错，可以到500MHZ。有一些研究院、电力设备生产企业和高校也进行了这方面的研究，例如华中科技大学，国家电网科学研究院、兴迪公司等，有的产品通过实验也取得了不错的结果[4]。
国外对电容耦合传感器技术比国内成熟很多。
美国麻省理工大学开发出了内置VHF 传感器。其加工过程是：剥开100mm宽的金属屏蔽层，然后用40mm宽的薄金属裹在电缆的外半导电层，这样薄金属与半导电层构成耦合电容，当发生放电时，信号通过薄金属和屏蔽层传输出，它在正常运行时带宽为 300MHz，抗干扰效果也比较好。还有就是韩国也是根据这一理论开发出一种检测仪，它携带方便抗干扰效果好，灵敏度高，已到达1pC,带宽为200kHz-300MHz，现场使用效果较好。
2.2电感耦合法 根据电感耦合理论，现在已开发出多种传感器，罗斯（Rogowski）线圈是在其中最具有代表性。在电缆发生放电时，会产生频率较高的电流信号，信号通过导线传输，一边以电流信号传输也转化为电磁波，不断的向各个方向辐射能量，正是根据电磁耦合这一原理，研究出了罗斯线圈传感器。罗斯线圈传感器结构图 2-2 与罗斯线圈传感器等效电路图 2-3。
图2-2罗斯线圈结构图
在图 2-3 中，M 是原边与副边之间的互感，由罗斯线圈等效电路图可以清晰的看到，左边即为电流传感器，在线路之间也会形成相互干扰，用Cs表示，罗斯线圈自感用 Ls 表示，线圈的等效电阻 Rs 表示，C0,R0 为线圈的取样阻抗。在实际应用中，磁芯的选择也很重要，不同的磁芯对生产出的传感器影响很大，我们通常使用的是镍锌铁氧体，用其做出的电感耦合器灵敏度高，可达 3PC，工作带宽大，其频率带可从 20KHZ到100MHZ[4]。
图2-3罗斯线圈等效电路
根据罗果夫斯基（Rogowski）线圈原理生产的电磁耦合传感器也分为内置式传感器和外置式传感器。外置式和内置式也是有一定不同，主要体现在两个方面：一是两传感器的大小有所差异；二是在安装时放置的位置不同；外置式的传感器在尺寸方面比内置式大，灵敏度方面内置式比外置式要好，外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便。
由于外置式传感器安装比较复杂，所以在设计时大多设计成开口，这样的设计也方便我们携带，如图 2-4 所示，同时开口式的设计在一定程度上改善了安装难度，直接打开口，套在电缆本体外部，这样通过电缆的电流就可以通过传感器检测到信号[5]
。由图中我们可以看到，外置式传感器一般做的不够精巧，测量的精度不高，而且对外界的电磁环境比较敏感，会因为周围环境的干扰而信号失真。如果在以后能够解决这些问题，还是比较有很大的工程实际应用前景的。
图2-4 外置式罗斯线圈传感器
目前，我国对罗果夫斯基（Rogowski）线圈传感器的产品研发以及在工程实际上的应用很广泛。以下科研单位和高校都开展过相关的研究，并设计出一些实验性产品，如国家电网电力科学研究院，华中科技大学和西安交通大学，武汉大学，重庆大学等[6]。在部分区域电力公司也对这类局放传感器进行了实际工程运用，收集了一些现场运行数据，像国家电网北京电力公司和南方电网云南分公司都有试运行，实际运行的效果还是有参考价值的。
2.3超声法和超声传感器
在非电量局部放电测量的方法中超声法是研究的比较早的一种，目前已经成功应用在局部放电监测的工程实际中。超声法的核心器件就是超声传感器，大多采用的是压电晶体传感器，它的工作原理是把接收到的超声信号转换成电量，在传感器的外端连接分离放大器，把声音信号放大，再经过光电转换模块，再通过光纤将转换后的信号传输到数据采集卡里，然后在与采集相连接的工控机上显示波形数据。因为局部放电产生的超声信号特别小，这样在传输的环节上衰减会对原始信号影响较大，这样导致该方法并没有得到推广，最近几年，由于技术的进步，传感器的性能和信号分离放大器的性能也大幅进步，例如长沙鹏翔科技生产的
PXPA/PXPB 系列声发射前置放大器，其体积较小，抗撞击，噪音低，高带宽，还有光纤技术的发展这些技术的共同发展也使超声法的测量灵敏度有了大幅提升，也使超声法测局部放电重新得到关注。
在电缆中，发生局部放电时产生的声音信号频带很宽，超声传感器和相连接的分离放大器就放置在需要监测的电缆附近，当有局放发生就会检测到信号[7]。而且，超声传感器它有设定好的接收信号的带宽带，这也使外界的环境或者电缆和其他设备运行产生的干扰影响降到最低，保证了检测精度，所以超声监测法在电缆运行现场有很好的应用。而且由于超声信号的波速很小，这样我们还可以进行故障点定位。
超声法也有它的不足，电缆外表的绝缘层对高频波声波的吸收能力较强，这样就导致了原始超声信号里高频波大幅衰减，这一原因限制了超声法的推广，大多还是用来监测电缆接头。近年来，国内有些单位已使用超声传感器开展了对电缆在线监测[8]
。例如长沙鹏翔科院有限公司，华北电力科学研
究院，南方电网广东公司等。
2.4光学测量法
在前面我们介绍到，在局部放电测量分为电测法和非电测法，而我们以上介绍的电容耦合法即为电测法，电测法和超声法对测试的环境比较敏感，另外也是因为流过被测设备的信号很小，环境中的电磁波或者噪声随着被测一起通过放大器放大后，有可能会对收集的信号产生很大影响，超声法还有信号在传输过程中衰减的问题，这些都会影响局放的监测准确度；以上的这些问题也使人们把视角转移到光学传感器上，这也是在线监测研究的新方向[9]
。光学测量法的测量原理是利用法拉第磁光效应，磁光效应是一束线偏振光在磁场作用下通过磁光材料时它的偏振面将发生旋转旋转角θ正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分。
磁光效应应用范围很广，如强磁场测量、磁光材料检测，因此在电力电缆的在线监测就是应用了磁光效应，当电缆电路由于故障或者缺陷时，电缆回路周围的磁场就会发生变化，我们通过把监测出的信号变成偏振面旋转角 θ 的变化，然后通过计算，再将 θ 的变化转化为可以测量的光强的变化，这样来实现对局放信号的监测。法拉第磁光效应1845 年由 M.法拉第发现[10]。当线偏振光在介质中传播时，这时如果在加一外界磁场，且磁场方向于光的传播方向同向，这样光的振动方向将会产生一个角度为ψ的偏转，且磁感应强度 B 光穿越介质的长度 l 的积和角度ψ成正比且有:
ψ=VBl (2-1)
在式（2-1）中，B 为电磁感应强度，l 为光穿越介质的长度， V 为费尔德常数，V 的大小与介质本身特性及光波频率相关，除此之外，实验时所加的光的波长和实验环境温度对 V 也会有影响[11]
。
它实际上是物质与光波之间的相互作用。用经典电子论处理介质色散的方法，可导出磁光效应的旋转角公式为：
φ=-
1edn
2mλdλlb (2-2) 其中：e 为电子电荷和质量，λ为光波波长，
dn
dλ
为无磁场时介质的色散，B 为磁场强度在光传
播方向上的分量，l 为晶体长度[11]。如式(2-3)，并由（2-4）麦克斯韦方程组
1
mr=-mw0r+e(E+P)-gr+
3ε0
2
图2-5法拉第磁光效应原理
式子（2-7）就是法拉第和费尔德磁光效应旋转
(2-3)
角公式。V 就是费尔德常数，一般是通过实验来得到。
s((ε0[ε]α+1)P+tε0[ε]βP⨯h)=0
在测量时，对外界环境的电磁和噪声的干扰影响不大，不过技术方面还不够成熟，还有必要深入sH=0
研究。
n
[s⨯(αP+iβP⨯h)]=H μ0c 2.5 UHF法和UHF传感器
2.5.1超高频(Ultra High Frequency)检测法的基
n
-s⨯H=(ε0[ε]α+1)P+tε0[ε]βP⨯h=本原理0
c
超高频法是根据在发生局部放电时发出电磁波
(2-4) 信号。当电缆本体或附件发生局部放电时会产生特
高频电磁波，我们根据这一特点，人们开发出了通
E 代表电场强度， H 为一束光照入后偏转的过监测高频电磁波来实现对电缆的在线监测[12]。另角度,由公式（2-3）和（2-4）可得 外还可以通过对电磁波的监测还可以对发生放电的
法拉第磁光效应旋转角度，即: 位置进行定位。在发生放电时产生的放电脉冲时间
很短，这样电缆中产生的信号频率就可能达到 GHz
-Eyπ
θ=arct=L+(-n-n)数量级，这样超高频法最大的优点就是现场发生的
eμ0Hir⨯h
Ex
λ
放电干扰对测量的影响就会很小，提高了测量的准
(2-5)
两个偏转角的相位差和法拉第磁光效应偏转角的关系为:
确度。还有一点，超高频比较适合对电缆接头的监测，因为在安装超高频传感器时其位置一般与电缆故障点的位置较近，这样能够降低信号的衰减，更
δ=2θ 有效的对电缆进行监测。
(2-6)
对公式（2-6）进行泰勒展开可得:
eμ0λdn
θ==VLHi
2mcdλ
(2-7)
放大
滤波
图2-6外置型UHF传感器检测原理图
图 2-6 为外置型 UHF 传感器检测原理图，一系列研究通过分析发现：用特高频法监测电缆时，传感器信号频段的选取对测量的准确度影响很大，合适的传感器将会降低干扰信号，信噪比也有一定提升。所以传感器的性能将决定超高频法测量精度的关键。
2.5.2超高频传感器
超高频传感器根据现场安装位置的不同分为外置式和内置式。
(1) 外置式
外置式传感器它在现场安装时比较简单方便，比较节省安装时间，并且对其他电气设备几乎没有影响，抗干扰能力较强，但是在测量的灵敏度方面效果不够优越。在我们实际应用中，最常用的外置传感器是天线传感器，如图2-7所示。在文献中，在监测电缆局部放电时采用了振子天线传感器，其结构比较简单，安装比较容易，其不足就是：一、测量频带不宽，需要安装可调阻抗来加宽振子天线传感器的频带[13]。二、传感器安装到外面，必然会受到环境中电磁和噪声的干扰，这样为了测量准确的数据就对我们在测量时频带的选择要求较高，西安交通大学研制了等臂对数螺旋天线，可以用于测量局部放电发生时泄漏的电磁波和定位局放源，频带在300～1500MHz之间。
扼流装置
图2-7天线传感器
(2) 内置式
与外置式相比内置式的灵敏度更加优秀，在现场安装方却比外置式的要求更高。电容耦合传感器是我们比较常用的内置式传感器，外置式的传感器在尺寸方面比内置式大，灵敏度方面内置式比外置
式要好，外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便[14]。
图2-8是英国剑桥大学Pommerenke D等开发出的方向耦合传感器，它的工作原理是：在电缆双端安装上传感器，因为发生局部放电的位置不同那么电信号传播的方向也不同，方向耦合器输出的信号在一个端，根据实际的情况，修改部分参数，传感器的灵敏度可以达到很高。
脉冲源
A
图2-8方向耦合传感器
2.6小结
本节的主要内容是详细的介绍了五种局放检测方法和根据相应开发出的的传感器，并且把内置式和外置式的做了安装、测量精度、抗干扰和对运行电缆安全等方面的比较，各有优劣，在高压电缆局部放电检测中应用必须要解决传感器安装后的防水性能以及后续检测电路的过电压保护措施[15];电感耦合传感器与电容传感器相比较，在安装上，前者对电缆更加安全，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，但是国内这方面的技术与国外比还差很多，如果大面积采用经济性将制约其发展；超声传感器已经投入到现场运行，但是主要还是用做故障定位，而对局放量的大小无法准确测量；光学传感器是最新研究的方向，它抗干扰强，测量精度高、能够较远距离测量、电能需要少等优点，是很有发展前景的传感器，但时安装和生产成本较高，这也限制了它的推广应用[16]。UHF传感器抗干扰性能好，灵敏度高，它的不足在于无法对故障源进行定位。经过仔细比较，最终决定采用技术上较成熟的电感耦合传感器技术，并进行在线监测系统设计，同时研究如何解决抗干扰问题。
3传统PD在线监测方法的比较分析
3.1测试方法对检测灵敏度的影响
局放信号耦合方式在局部放电在线测试中是很重要的环节， 改变信号的取样方法， 就会对测试效果产生很大的影响。比如用高频电流传感器对一根故障电缆进行测试时，我们进行了对比试验，验证改变测试带宽和接线方式对测试背景的影响有多大。把两个高频电流传感器:一个为高通 300 K，另一个为高通1. 6 M,先将它们套接在耦合电容和检测阻抗的连接线上，如图3-1所示;后又将它们套在故障电缆屏蔽层接地线上[17]，如图3-2所示。分别向试验系统注入5pC标定脉冲信号，在前者接线方式中，系统检测背景噪声都约为1.7 pC;后者接线方式中，高通300 K的背景噪声约为3～4pC，高通1. 6M的背景噪声约为 5 pC。上述试验，证实了HFCT具有较高的灵敏度，同时取样方式的改变对灵敏度影响较大。
图3-1 HFCT套在耦合电容和检测阻抗连接线上
图3-2 HFCT 套在故障电缆接地线上
3.2 各种信号耦合方式的比较
每种测试方法都有它的优点和局限性，只有扬长避短测试效果才能有效发挥。为此我们对各种XLPE 电力电缆局放在线测试的信号耦合方式作了比较，见表1。
表1 局放在线监测耦合方式比较
3.3 各种信号耦合方式的组合
由于现场环境的复杂性， 使得每种XLPE电力
电缆局放在线测试方式都有它的局限性。在实际测试工作中要尽量避开现场干扰对测试的影响，采用
合适的测试方法。比如在环境比较干燥，周围没有电磁干扰的情况下，采用外置式电容耦合法就比较有效;又比如在现场没有电磁屏障时，采用UHF的效果非常好[23]。然而测试现场干扰情况往往是非常复杂的，为了能有效地进行局放测试，根据现场情况和条件，建议采用多种耦合方式组合进行测试，比如常用的组合方式是将UHF和HFCT结合使用，UHF的频段较高，可避开无线电广播干扰， 但容易受空间随机脉冲干扰影响;HFCT 容易受广播干
扰影响，但是受外界的随机干扰影响较小，而且UHF局放检测的灵敏度也较高，两者组合正好能互补。图 3-3为各种信号耦合方式的组合示意图，合理地组合运用多种测试方法，能取得更好的测试效果[24]。
图3-3 各种信号耦合方式的组合示意图 1－耦合电容 2－检测阻抗 3－HFCT 4－UHF 5－AE 6－方向传感器 7－外置电容耦合金属贴片 8－内置电容带状传感器 9－绝缘垫圈 10－多模感温光缆
的混沌监测方法讨论
4.1混沌动力学特性及特征量
混沌理论是数学、物理、动力学等基础学科的
4 PD
联合，是在19 世纪才发展起来的新研究领域和方法。 混沌现象的内在随机性最大特征是对系统运行初始幅值变动的敏感依赖， 表明客观事物是不仅仅是随机性和确定性的运行，还是一种常见的无序混沌运行方式。
4.1.1 混沌系统状态特征量
混沌运行极为复杂且无序，状态特征量的选取也十分困难，对初始状态的敏感依赖使的 Lyapunov 指数谱、关联维、分数维等特征量是衡量混沌系统复杂性的重要参数。
对初始条件的敏感依赖是混沌运动的基本特征，两个靠近的初始值运行轨迹会随着时间的推移逐渐远离，Lyapunov指数可以对这种现象进行准确描述。关联维数是依据著名的G-P 算法衍生出来的，认为通过时间序列就能够计算出吸引子的关联维，构建好矢量之后满足距离定义下，使用两个矢量最大分量差定义之间距离，并规定矢量距离小于已定正数 r ，这些矢量就是关联量，关联维对于选择重构相空间嵌入维数有着非常重要的作用。
4.1.2局放时间序列的混沌特性
动力学系统的非线性混沌设计需要根据特征量来判断。电器设备局放是指电器设备内部绝缘的弱点在外施电压下产生的局部的非贯通的气隙重复击穿和熄灭现象，局部放电在绝缘内部气隙或者气泡中存在，即便空间很小，但是产生的电场强度仍然很大，放电能量很小，不会对电气设备的短时绝缘强度造成影响，但是电气设备在长期运行电压下长期存在的局部放电现场和由此产生的不良效应会缓慢的破坏绝缘并最终击穿整个绝缘，缓慢的破坏积累成为突发性故障。目前已经能够证实，局放是存在混沌特性的，在电缆数值化的进程中，局放时间序列的混沌特性是确定的，具体表现为，局放时间序列最大 Lyapunov 指数λ>0 ，关键维 D 为分数维，K熵>0 ，电缆局放混沌特征参量是可以作为电缆绝缘；老化估计特征量的，最大放电量时间序列关键维和电缆水树以及绝缘老化状态诊断等均能够满足要求。
4.1.3局放时间序列的混沌特性
动力学系统的非线性混沌设计需要根据特征量来判断。电器设备局放是指电器设备内部绝缘的弱点在外施电压下产生的局部的非贯通的气隙重复击穿和熄灭现象，局部放电在绝缘内部气隙或者气泡中存在，即便空间很小，但是产生的电场强度仍然很大，放电能量很小，不会对电气设备的短时绝缘
强度造成影响，但是电气设备在长期运行电压下长期存在的局部放电现场和由此产生的不良效应会缓慢的破坏绝缘并最终击穿整个绝缘，缓慢的破坏积累成为突发性故障。目前已经能够证实，局放是存在混沌特性的，在电缆数值化的进程中，局放时间序列的混沌特性是确定的，具体表现为，局放时间序列最大 Lyapunov 指数 λ>0 ，关键维D为分数维，K熵 >0 ，电缆局放混沌特征参量是可以作为电缆绝缘；老化估计特征量的，最大放电量时间序列关键维和电缆水树以及绝缘老化状态诊断等均能够满足要求。
4.2混沌控制微弱信号检测
传统意义上的测量检测都是利用线性理论进行，但是混沌检测的敏感性、不可测性、分形性、有界性等特殊性质使得初始值在运行周期中将产生巨大的变化，混沌检测方法这是利用了混沌控制的这种显著的放大效果来检测微弱信号的。
4.2.1基本原理
使用混沌振子作为研究对象， 认为混沌体系的各种特性均能够通过动态行为学行为表示出来。混沌是非线性系统中的一种现象，应用 Duffing 混沌振子方程构筑就能够胜任微弱信号的检测。把待测信号视作周期测动力外加强迫项带入系统方程，得到 Duffing 系统方程。
x(t)+kx-x(t)+x3(t)=γcos(ωt)+b （4-1） 式中：ω是策动力角频率；γ是周期策动力幅值；k是阻尼比。混沌体系本征频率和外加周期强迫相频率之间的互动使得方程中包含着众多混沌特性，进行混沌检测时，当混沌系统阻尼比k为定值时，调整混沌周期的策动力幅值，使得策动力初始幅值和相应的分形值相同，使混沌系统在混沌系统处在从混沌状态向大幅度周期运行状态的转变临界状态，之后混沌系统中加入待测信号，调整其和系统相同，于是系统因为幅值的敏感依赖特性转变为大尺度周期运行状态，此时调节策动力幅值，使混沌系统重新恢复混沌状态，通过计算两次调节之间策动力的幅值就能够得到待测信号的幅值。
4.2.2周期窄带信号检测
同样使用 Duffing 设计特定的混沌系统，外加信号稳定时方程线性恢复力控制着系统运行情况， 恢复力一定时外加信号会对系统运行情况造成影
响， 对检测微弱脉冲信号敏感性和混沌判据证明的可行性，调整恢复力，构建周期窄带信号模型。 混沌系统在外加强迫项周期策动力作用下呈现大尺度周期性运行的状态，属于有序系统，微弱周期信号注入混沌系统后改变系统运行状态，据此实现信号检测，要注意设置混沌系统周期策动力时频率以及初相应该和待测信号基本一致。
4.2.3 周期窄带降噪 特定混沌系统能够对窄带周期信号噪声进行有效的抑制，对局放信号不会产生任何形式的影响。首先构造混沌系统模型，检测局放脉冲周期窄带干扰信号，进行频谱分析，获得窄带信号频率，确定窄带干扰对照混沌模型子系统阀值，调整混沌状态为无序混沌状态和大周期相变临界状态，获得某一
窄带干扰的初始相位，调整策动力和窄带干扰基本
相同，在系统中加入局部待测信号， 计算最大李氏
指数识别混沌系统的运行状态，减去相位差重新计
算李氏指数，重复上述步骤，直至全部干扰识别和
抑制。
4.3 双耦合 Duffing 振子系统局放脉冲检测 XLPE 电力电缆半导电层脉冲沿着电缆存在着频散衰变现象，局放脉冲信号传播距离很长之后会出现波形畸变，并且电缆运行现场干扰情况非常严重，导致局放检测灵敏度不高。为了获得更好的电缆局放检测精度， 人们开始使用双耦合Duffing 混沌振子方程进行局放检测。 振子周期策动力以及初始值设置对脉冲激励下的振子间瞬态同步突变结果有着严重的影响， 根据
仿真研究的结果发现， 脉冲信号宽度和周期策动力
周期基本一致时脉冲信号会激励耦合系统产生比较理想的瞬态同步突变现象。 振子间同步误差会对检测信号中的脉冲信号真实反映， 能够对脉冲信号的宽度、幅值等特征产生较好的检测效果。
电缆中的局放脉冲上升时间很短并且宽度也很
窄， 在电缆半导电层影响下局放脉冲会出现频散衰
变现象。 使用双耦合 Duffing 混沌振子检测信号，
传感器检测信号在抑制周期窄带和周期干扰之后还
存在着局放脉冲、 白噪以及随机脉冲干扰， 把检
测信号时间序列作为扰动放入第一个振子周期策动
力中，使用四阶龙格 - 库塔算法计算，当初始值均
小于零时正脉冲信号会激励耦合系统产生理想的瞬态同步突变。 双耦合Duffing振子系统瞬态突变现象对脉冲激励敏感，但是对白噪声免疫力很强，可是有效抑制白噪音。周期策动力周期会影响检测效果，脉宽与之相当的局放脉冲才能够激励其发生瞬态同步突变，但是实际检测中脉冲沿电缆方向衰减导致了脉冲宽度差异，在应用中需要构建多组不同的双耦合振子系统适应不同脉宽的局放检测。
4.4小结 应用混沌系统对初始相的敏感性依赖和双耦合混沌振子系统同步瞬态突变对脉冲激励的敏感性进行电缆局放的检测巧妙的利用了混沌系统的性质，获得了更高的灵敏度和抗干 扰能力，在电缆局放检测方面有着广阔的应用空间。 结论 本文着重论述了XLPE电缆局部放电的几种常规的监测方法，指出了它们的优势与缺点，在实际测试工作中灵活运用各种测试方法，主要的目的就是想方设法提高测试灵敏度，降低现场干扰对测试工作的影响，有助于综合分析电缆局放状况。本文讨论的混沌法局放检测利用混沌系统的性质获得了更高的灵敏度和抗干扰能力，在XLPE局放检测方面有着广阔的应用前景。 参考文献
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交流高压电缆局部放电的在线监测
陈敬德，1140319060；指导老师：李旭光
（上海交通大学电气工程系，上海，200240）
摘要：在XLPE电缆投入运行后，由于绝缘的老化变质、过热、机械损伤等，使得电缆在运行中绝缘裂化，为了防止由于绝缘劣化造成电缆运行事故，需要对电缆的运行状态进行即时监测，监测系统控制着电缆及其附件的质量。局部放电是目前比较有效的在线监测方法，局部放电检测目前相应有电磁耦合法、超高频法和超声波法、光学测量法等，本文将着重论述这些方法各自的优势与不足，同时对目前发展起来的PD混沌监测方法进行讨论。
关键词：XLPE电缆；在线监测；局部放电；混沌法
0 引言
随着电力系统的飞速发展以及旧城改造工程的进行，电力电缆在电力网络中的应用愈发广泛。电力电缆的基本结构包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四个部分。其中线芯即导体，是电力电缆中传输电能的部分，是电缆的主要结构。绝缘层将线芯与外界电气上隔离。屏蔽层包括导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，一般存在于15kV及以上电缆中。保护层是用来防止外界的杂质和水分的渗入和外力的破坏
[1]
气性能优越，具有击穿电场强度高、介质损耗小、载流量大等优点因而得到了广泛的应用。 在线检测电缆故障的方法有很多，如直流分量法、损耗电流谐波分量法、局部放电法等，其中，局部放电法是目前用于现场比较有效的在线检测方法。XLPE电缆发生局部放电时一般会产生电流脉冲、电磁辐射、超声波等现象，根据检测物理量的不同，局部放电检测相应有电磁耦合法、超高频法和超声波法等，其中，电磁耦合法由于传感器灵敏度高、安装方便，且与电缆无电气连接，是目前应用最为广泛的一种方法 。
本文主要论述了XLPE电缆局部放电在线监测的一些基本方法的优势与缺陷，并对电缆局部放电的混沌监测方法进行了讨论[2]。
。
电力电缆按照电压等级分类有低压电缆(35kV及以下输配电线路)、中低压电缆(35kV及以下)、高压电缆(110kV及以上)、超高压电缆(275～800kV)、特高压电缆(1000kV及以上)。按照绝缘材料电力电缆可以分为塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆。其中油纸绝缘电缆应用历史最长。它安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。塑料绝缘电缆主要用于低压电缆，常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。橡皮绝缘电缆弹性好，适合用 于移动频繁弯曲半径小的敷设地点。 我国早期使用的多是油纸绝缘电缆，但自1970 年以来，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆得以广泛应用，并逐渐取代了油纸绝缘电缆的地位。XLPE电缆电
1 PD在线监测的意义以及技术 难点
局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电,这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的
问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。
基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。但每种方法都有自身的优势与局限性。抑制噪声、提高传感器的灵敏度是推广XLPE电力电缆局部放电在线监测技术的关键，如何分析局放测试数据、识别局放源类型乃至精确定位局放源，需要更多的现场检测经验和理论研究。
2 传统PD在线监测方法
由于电缆故障主要发生在电缆附件位置，而本体较少发生故障。因此，电缆在线检测主要检测电
缆接头位置。
在线 PD 检测的主要问题有三:一是传感器很
难接触到带电导体甚至不易接触到金属护套;二是
传感点分布在长电缆上，因此它们检测的信号在传输过程中容易变形扭曲;三是干扰信号的存在。 测量局放的辐射场常用敏感的场传感器。这些传感器通常放在靠近电缆接头的外半导电层上，常用铜或铝导体作为内置传感器，半导电层在导体和绝缘之间起一个连接和均匀电场的作用，防止电场的加强，防止造成局放或早期故障。
内置传感器的缺点在于不够便携，而便携式的传感器必须安装在电缆的外部，并通过电感耦合或电容耦合的方法与电介质耦合。这样的传感器安装最大问题在于它不仅仅捕捉内部信号，也捕捉外部干扰。
常用的在线 PD 检测手段有:高频电流法，电容
耦合传感器，声发射法，超高频 UHF 法，甚高频 VHF 法等。此外还有一些不太常用的手段，例如定向偶合法、偏振光测量法等。
2.1电容耦合法
电容耦合法也是电测法的一种，其具体的方法
是从距离接头比较近取一段电缆，把电缆的外护套绝缘层去电，电极是在外半导电层的表面裹上一导电体，这样就构成了容性电机，在发生放电时，就可以通过耦合，然后测量脉冲电流信号。就可以如图 2.1 所示。我们可以看到，两个阻抗（同轴电缆和绝缘层）是并联在一起，这种测量方法的最大优点就是不会损坏外半导电层和电缆绝缘层，而且对电缆信号传输几乎没有干扰。传感器的信号噪声比与剥去护套的长度、金属箔和护套之间的长度以及金属箔长度这三者之间是有关联的，通过调整可以得到理想的信噪比值[3]。
中心导体
图2-1电容偶合法示意图 常用的电容耦合传感器有内置式和外置式。内
置式和外置式的相比较外置式的更有优势，外置式
的电极可以做在护套表面，对电缆的绝缘没有影响，这样也会使安装比较方便，这样外置式的既可以用 在在线局放检测也可以用在现场局放监测。
在国内有些科研单位已经研发出了电容耦合传感器，根据电容耦合的原理，西安交通大学开发了可以通过监测电缆附件的传感器，该传感器为位置式，并通过实验对 220 千伏交联聚乙烯电缆进行了局部放电测量。这一传感器的生产过程是:一、用刀具剥开屏蔽层和电缆外护套，把一导体环放到屏蔽层和外护套之间，并用绝缘材料固定住导体环，使之紧贴外半导体层，然后用法兰连接导体断层。其带宽也不错，可以到500MHZ。有一些研究院、电力设备生产企业和高校也进行了这方面的研究，例如华中科技大学，国家电网科学研究院、兴迪公司等，有的产品通过实验也取得了不错的结果[4]。
国外对电容耦合传感器技术比国内成熟很多。
美国麻省理工大学开发出了内置VHF 传感器。其加工过程是：剥开100mm宽的金属屏蔽层，然后用40mm宽的薄金属裹在电缆的外半导电层，这样薄金属与半导电层构成耦合电容，当发生放电时，信号通过薄金属和屏蔽层传输出，它在正常运行时带宽为 300MHz，抗干扰效果也比较好。还有就是韩国也是根据这一理论开发出一种检测仪，它携带方便抗干扰效果好，灵敏度高，已到达1pC,带宽为200kHz-300MHz，现场使用效果较好。
2.2电感耦合法 根据电感耦合理论，现在已开发出多种传感器，罗斯（Rogowski）线圈是在其中最具有代表性。在电缆发生放电时，会产生频率较高的电流信号，信号通过导线传输，一边以电流信号传输也转化为电磁波，不断的向各个方向辐射能量，正是根据电磁耦合这一原理，研究出了罗斯线圈传感器。罗斯线圈传感器结构图 2-2 与罗斯线圈传感器等效电路图 2-3。
图2-2罗斯线圈结构图
在图 2-3 中，M 是原边与副边之间的互感，由罗斯线圈等效电路图可以清晰的看到，左边即为电流传感器，在线路之间也会形成相互干扰，用Cs表示，罗斯线圈自感用 Ls 表示，线圈的等效电阻 Rs 表示，C0,R0 为线圈的取样阻抗。在实际应用中，磁芯的选择也很重要，不同的磁芯对生产出的传感器影响很大，我们通常使用的是镍锌铁氧体，用其做出的电感耦合器灵敏度高，可达 3PC，工作带宽大，其频率带可从 20KHZ到100MHZ[4]。
图2-3罗斯线圈等效电路
根据罗果夫斯基（Rogowski）线圈原理生产的电磁耦合传感器也分为内置式传感器和外置式传感器。外置式和内置式也是有一定不同，主要体现在两个方面：一是两传感器的大小有所差异；二是在安装时放置的位置不同；外置式的传感器在尺寸方面比内置式大，灵敏度方面内置式比外置式要好，外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便。
由于外置式传感器安装比较复杂，所以在设计时大多设计成开口，这样的设计也方便我们携带，如图 2-4 所示，同时开口式的设计在一定程度上改善了安装难度，直接打开口，套在电缆本体外部，这样通过电缆的电流就可以通过传感器检测到信号[5]
。由图中我们可以看到，外置式传感器一般做的不够精巧，测量的精度不高，而且对外界的电磁环境比较敏感，会因为周围环境的干扰而信号失真。如果在以后能够解决这些问题，还是比较有很大的工程实际应用前景的。
图2-4 外置式罗斯线圈传感器
目前，我国对罗果夫斯基（Rogowski）线圈传感器的产品研发以及在工程实际上的应用很广泛。以下科研单位和高校都开展过相关的研究，并设计出一些实验性产品，如国家电网电力科学研究院，华中科技大学和西安交通大学，武汉大学，重庆大学等[6]。在部分区域电力公司也对这类局放传感器进行了实际工程运用，收集了一些现场运行数据，像国家电网北京电力公司和南方电网云南分公司都有试运行，实际运行的效果还是有参考价值的。
2.3超声法和超声传感器
在非电量局部放电测量的方法中超声法是研究的比较早的一种，目前已经成功应用在局部放电监测的工程实际中。超声法的核心器件就是超声传感器，大多采用的是压电晶体传感器，它的工作原理是把接收到的超声信号转换成电量，在传感器的外端连接分离放大器，把声音信号放大，再经过光电转换模块，再通过光纤将转换后的信号传输到数据采集卡里，然后在与采集相连接的工控机上显示波形数据。因为局部放电产生的超声信号特别小，这样在传输的环节上衰减会对原始信号影响较大，这样导致该方法并没有得到推广，最近几年，由于技术的进步，传感器的性能和信号分离放大器的性能也大幅进步，例如长沙鹏翔科技生产的
PXPA/PXPB 系列声发射前置放大器，其体积较小，抗撞击，噪音低，高带宽，还有光纤技术的发展这些技术的共同发展也使超声法的测量灵敏度有了大幅提升，也使超声法测局部放电重新得到关注。
在电缆中，发生局部放电时产生的声音信号频带很宽，超声传感器和相连接的分离放大器就放置在需要监测的电缆附近，当有局放发生就会检测到信号[7]。而且，超声传感器它有设定好的接收信号的带宽带，这也使外界的环境或者电缆和其他设备运行产生的干扰影响降到最低，保证了检测精度，所以超声监测法在电缆运行现场有很好的应用。而且由于超声信号的波速很小，这样我们还可以进行故障点定位。
超声法也有它的不足，电缆外表的绝缘层对高频波声波的吸收能力较强，这样就导致了原始超声信号里高频波大幅衰减，这一原因限制了超声法的推广，大多还是用来监测电缆接头。近年来，国内有些单位已使用超声传感器开展了对电缆在线监测[8]
。例如长沙鹏翔科院有限公司，华北电力科学研
究院，南方电网广东公司等。
2.4光学测量法
在前面我们介绍到，在局部放电测量分为电测法和非电测法，而我们以上介绍的电容耦合法即为电测法，电测法和超声法对测试的环境比较敏感，另外也是因为流过被测设备的信号很小，环境中的电磁波或者噪声随着被测一起通过放大器放大后，有可能会对收集的信号产生很大影响，超声法还有信号在传输过程中衰减的问题，这些都会影响局放的监测准确度；以上的这些问题也使人们把视角转移到光学传感器上，这也是在线监测研究的新方向[9]
。光学测量法的测量原理是利用法拉第磁光效应，磁光效应是一束线偏振光在磁场作用下通过磁光材料时它的偏振面将发生旋转旋转角θ正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分。
磁光效应应用范围很广，如强磁场测量、磁光材料检测，因此在电力电缆的在线监测就是应用了磁光效应，当电缆电路由于故障或者缺陷时，电缆回路周围的磁场就会发生变化，我们通过把监测出的信号变成偏振面旋转角 θ 的变化，然后通过计算，再将 θ 的变化转化为可以测量的光强的变化，这样来实现对局放信号的监测。法拉第磁光效应1845 年由 M.法拉第发现[10]。当线偏振光在介质中传播时，这时如果在加一外界磁场，且磁场方向于光的传播方向同向，这样光的振动方向将会产生一个角度为ψ的偏转，且磁感应强度 B 光穿越介质的长度 l 的积和角度ψ成正比且有:
ψ=VBl (2-1)
在式（2-1）中，B 为电磁感应强度，l 为光穿越介质的长度， V 为费尔德常数，V 的大小与介质本身特性及光波频率相关，除此之外，实验时所加的光的波长和实验环境温度对 V 也会有影响[11]
。
它实际上是物质与光波之间的相互作用。用经典电子论处理介质色散的方法，可导出磁光效应的旋转角公式为：
φ=-
1edn
2mλdλlb (2-2) 其中：e 为电子电荷和质量，λ为光波波长，
dn
dλ
为无磁场时介质的色散，B 为磁场强度在光传
播方向上的分量，l 为晶体长度[11]。如式(2-3)，并由（2-4）麦克斯韦方程组
1
mr=-mw0r+e(E+P)-gr+
3ε0
2
图2-5法拉第磁光效应原理
式子（2-7）就是法拉第和费尔德磁光效应旋转
(2-3)
角公式。V 就是费尔德常数，一般是通过实验来得到。
s((ε0[ε]α+1)P+tε0[ε]βP⨯h)=0
在测量时，对外界环境的电磁和噪声的干扰影响不大，不过技术方面还不够成熟，还有必要深入sH=0
研究。
n
[s⨯(αP+iβP⨯h)]=H μ0c 2.5 UHF法和UHF传感器
2.5.1超高频(Ultra High Frequency)检测法的基
n
-s⨯H=(ε0[ε]α+1)P+tε0[ε]βP⨯h=本原理0
c
超高频法是根据在发生局部放电时发出电磁波
(2-4) 信号。当电缆本体或附件发生局部放电时会产生特
高频电磁波，我们根据这一特点，人们开发出了通
E 代表电场强度， H 为一束光照入后偏转的过监测高频电磁波来实现对电缆的在线监测[12]。另角度,由公式（2-3）和（2-4）可得 外还可以通过对电磁波的监测还可以对发生放电的
法拉第磁光效应旋转角度，即: 位置进行定位。在发生放电时产生的放电脉冲时间
很短，这样电缆中产生的信号频率就可能达到 GHz
-Eyπ
θ=arct=L+(-n-n)数量级，这样超高频法最大的优点就是现场发生的
eμ0Hir⨯h
Ex
λ
放电干扰对测量的影响就会很小，提高了测量的准
(2-5)
两个偏转角的相位差和法拉第磁光效应偏转角的关系为:
确度。还有一点，超高频比较适合对电缆接头的监测，因为在安装超高频传感器时其位置一般与电缆故障点的位置较近，这样能够降低信号的衰减，更
δ=2θ 有效的对电缆进行监测。
(2-6)
对公式（2-6）进行泰勒展开可得:
eμ0λdn
θ==VLHi
2mcdλ
(2-7)
放大
滤波
图2-6外置型UHF传感器检测原理图
图 2-6 为外置型 UHF 传感器检测原理图，一系列研究通过分析发现：用特高频法监测电缆时，传感器信号频段的选取对测量的准确度影响很大，合适的传感器将会降低干扰信号，信噪比也有一定提升。所以传感器的性能将决定超高频法测量精度的关键。
2.5.2超高频传感器
超高频传感器根据现场安装位置的不同分为外置式和内置式。
(1) 外置式
外置式传感器它在现场安装时比较简单方便，比较节省安装时间，并且对其他电气设备几乎没有影响，抗干扰能力较强，但是在测量的灵敏度方面效果不够优越。在我们实际应用中，最常用的外置传感器是天线传感器，如图2-7所示。在文献中，在监测电缆局部放电时采用了振子天线传感器，其结构比较简单，安装比较容易，其不足就是：一、测量频带不宽，需要安装可调阻抗来加宽振子天线传感器的频带[13]。二、传感器安装到外面，必然会受到环境中电磁和噪声的干扰，这样为了测量准确的数据就对我们在测量时频带的选择要求较高，西安交通大学研制了等臂对数螺旋天线，可以用于测量局部放电发生时泄漏的电磁波和定位局放源，频带在300～1500MHz之间。
扼流装置
图2-7天线传感器
(2) 内置式
与外置式相比内置式的灵敏度更加优秀，在现场安装方却比外置式的要求更高。电容耦合传感器是我们比较常用的内置式传感器，外置式的传感器在尺寸方面比内置式大，灵敏度方面内置式比外置
式要好，外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便[14]。
图2-8是英国剑桥大学Pommerenke D等开发出的方向耦合传感器，它的工作原理是：在电缆双端安装上传感器，因为发生局部放电的位置不同那么电信号传播的方向也不同，方向耦合器输出的信号在一个端，根据实际的情况，修改部分参数，传感器的灵敏度可以达到很高。
脉冲源
A
图2-8方向耦合传感器
2.6小结
本节的主要内容是详细的介绍了五种局放检测方法和根据相应开发出的的传感器，并且把内置式和外置式的做了安装、测量精度、抗干扰和对运行电缆安全等方面的比较，各有优劣，在高压电缆局部放电检测中应用必须要解决传感器安装后的防水性能以及后续检测电路的过电压保护措施[15];电感耦合传感器与电容传感器相比较，在安装上，前者对电缆更加安全，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，但是国内这方面的技术与国外比还差很多，如果大面积采用经济性将制约其发展；超声传感器已经投入到现场运行，但是主要还是用做故障定位，而对局放量的大小无法准确测量；光学传感器是最新研究的方向，它抗干扰强，测量精度高、能够较远距离测量、电能需要少等优点，是很有发展前景的传感器，但时安装和生产成本较高，这也限制了它的推广应用[16]。UHF传感器抗干扰性能好，灵敏度高，它的不足在于无法对故障源进行定位。经过仔细比较，最终决定采用技术上较成熟的电感耦合传感器技术，并进行在线监测系统设计，同时研究如何解决抗干扰问题。
3传统PD在线监测方法的比较分析
3.1测试方法对检测灵敏度的影响
局放信号耦合方式在局部放电在线测试中是很重要的环节， 改变信号的取样方法， 就会对测试效果产生很大的影响。比如用高频电流传感器对一根故障电缆进行测试时，我们进行了对比试验，验证改变测试带宽和接线方式对测试背景的影响有多大。把两个高频电流传感器:一个为高通 300 K，另一个为高通1. 6 M,先将它们套接在耦合电容和检测阻抗的连接线上，如图3-1所示;后又将它们套在故障电缆屏蔽层接地线上[17]，如图3-2所示。分别向试验系统注入5pC标定脉冲信号，在前者接线方式中，系统检测背景噪声都约为1.7 pC;后者接线方式中，高通300 K的背景噪声约为3～4pC，高通1. 6M的背景噪声约为 5 pC。上述试验，证实了HFCT具有较高的灵敏度，同时取样方式的改变对灵敏度影响较大。
图3-1 HFCT套在耦合电容和检测阻抗连接线上
图3-2 HFCT 套在故障电缆接地线上
3.2 各种信号耦合方式的比较
每种测试方法都有它的优点和局限性，只有扬长避短测试效果才能有效发挥。为此我们对各种XLPE 电力电缆局放在线测试的信号耦合方式作了比较，见表1。
表1 局放在线监测耦合方式比较
3.3 各种信号耦合方式的组合
由于现场环境的复杂性， 使得每种XLPE电力
电缆局放在线测试方式都有它的局限性。在实际测试工作中要尽量避开现场干扰对测试的影响，采用
合适的测试方法。比如在环境比较干燥，周围没有电磁干扰的情况下，采用外置式电容耦合法就比较有效;又比如在现场没有电磁屏障时，采用UHF的效果非常好[23]。然而测试现场干扰情况往往是非常复杂的，为了能有效地进行局放测试，根据现场情况和条件，建议采用多种耦合方式组合进行测试，比如常用的组合方式是将UHF和HFCT结合使用，UHF的频段较高，可避开无线电广播干扰， 但容易受空间随机脉冲干扰影响;HFCT 容易受广播干
扰影响，但是受外界的随机干扰影响较小，而且UHF局放检测的灵敏度也较高，两者组合正好能互补。图 3-3为各种信号耦合方式的组合示意图，合理地组合运用多种测试方法，能取得更好的测试效果[24]。
图3-3 各种信号耦合方式的组合示意图 1－耦合电容 2－检测阻抗 3－HFCT 4－UHF 5－AE 6－方向传感器 7－外置电容耦合金属贴片 8－内置电容带状传感器 9－绝缘垫圈 10－多模感温光缆
的混沌监测方法讨论
4.1混沌动力学特性及特征量
混沌理论是数学、物理、动力学等基础学科的
4 PD
联合，是在19 世纪才发展起来的新研究领域和方法。 混沌现象的内在随机性最大特征是对系统运行初始幅值变动的敏感依赖， 表明客观事物是不仅仅是随机性和确定性的运行，还是一种常见的无序混沌运行方式。
4.1.1 混沌系统状态特征量
混沌运行极为复杂且无序，状态特征量的选取也十分困难，对初始状态的敏感依赖使的 Lyapunov 指数谱、关联维、分数维等特征量是衡量混沌系统复杂性的重要参数。
对初始条件的敏感依赖是混沌运动的基本特征，两个靠近的初始值运行轨迹会随着时间的推移逐渐远离，Lyapunov指数可以对这种现象进行准确描述。关联维数是依据著名的G-P 算法衍生出来的，认为通过时间序列就能够计算出吸引子的关联维，构建好矢量之后满足距离定义下，使用两个矢量最大分量差定义之间距离，并规定矢量距离小于已定正数 r ，这些矢量就是关联量，关联维对于选择重构相空间嵌入维数有着非常重要的作用。
4.1.2局放时间序列的混沌特性
动力学系统的非线性混沌设计需要根据特征量来判断。电器设备局放是指电器设备内部绝缘的弱点在外施电压下产生的局部的非贯通的气隙重复击穿和熄灭现象，局部放电在绝缘内部气隙或者气泡中存在，即便空间很小，但是产生的电场强度仍然很大，放电能量很小，不会对电气设备的短时绝缘强度造成影响，但是电气设备在长期运行电压下长期存在的局部放电现场和由此产生的不良效应会缓慢的破坏绝缘并最终击穿整个绝缘，缓慢的破坏积累成为突发性故障。目前已经能够证实，局放是存在混沌特性的，在电缆数值化的进程中，局放时间序列的混沌特性是确定的，具体表现为，局放时间序列最大 Lyapunov 指数λ>0 ，关键维 D 为分数维，K熵>0 ，电缆局放混沌特征参量是可以作为电缆绝缘；老化估计特征量的，最大放电量时间序列关键维和电缆水树以及绝缘老化状态诊断等均能够满足要求。
4.1.3局放时间序列的混沌特性
动力学系统的非线性混沌设计需要根据特征量来判断。电器设备局放是指电器设备内部绝缘的弱点在外施电压下产生的局部的非贯通的气隙重复击穿和熄灭现象，局部放电在绝缘内部气隙或者气泡中存在，即便空间很小，但是产生的电场强度仍然很大，放电能量很小，不会对电气设备的短时绝缘
强度造成影响，但是电气设备在长期运行电压下长期存在的局部放电现场和由此产生的不良效应会缓慢的破坏绝缘并最终击穿整个绝缘，缓慢的破坏积累成为突发性故障。目前已经能够证实，局放是存在混沌特性的，在电缆数值化的进程中，局放时间序列的混沌特性是确定的，具体表现为，局放时间序列最大 Lyapunov 指数 λ>0 ，关键维D为分数维，K熵 >0 ，电缆局放混沌特征参量是可以作为电缆绝缘；老化估计特征量的，最大放电量时间序列关键维和电缆水树以及绝缘老化状态诊断等均能够满足要求。
4.2混沌控制微弱信号检测
传统意义上的测量检测都是利用线性理论进行，但是混沌检测的敏感性、不可测性、分形性、有界性等特殊性质使得初始值在运行周期中将产生巨大的变化，混沌检测方法这是利用了混沌控制的这种显著的放大效果来检测微弱信号的。
4.2.1基本原理
使用混沌振子作为研究对象， 认为混沌体系的各种特性均能够通过动态行为学行为表示出来。混沌是非线性系统中的一种现象，应用 Duffing 混沌振子方程构筑就能够胜任微弱信号的检测。把待测信号视作周期测动力外加强迫项带入系统方程，得到 Duffing 系统方程。
x(t)+kx-x(t)+x3(t)=γcos(ωt)+b （4-1） 式中：ω是策动力角频率；γ是周期策动力幅值；k是阻尼比。混沌体系本征频率和外加周期强迫相频率之间的互动使得方程中包含着众多混沌特性，进行混沌检测时，当混沌系统阻尼比k为定值时，调整混沌周期的策动力幅值，使得策动力初始幅值和相应的分形值相同，使混沌系统在混沌系统处在从混沌状态向大幅度周期运行状态的转变临界状态，之后混沌系统中加入待测信号，调整其和系统相同，于是系统因为幅值的敏感依赖特性转变为大尺度周期运行状态，此时调节策动力幅值，使混沌系统重新恢复混沌状态，通过计算两次调节之间策动力的幅值就能够得到待测信号的幅值。
4.2.2周期窄带信号检测
同样使用 Duffing 设计特定的混沌系统，外加信号稳定时方程线性恢复力控制着系统运行情况， 恢复力一定时外加信号会对系统运行情况造成影
响， 对检测微弱脉冲信号敏感性和混沌判据证明的可行性，调整恢复力，构建周期窄带信号模型。 混沌系统在外加强迫项周期策动力作用下呈现大尺度周期性运行的状态，属于有序系统，微弱周期信号注入混沌系统后改变系统运行状态，据此实现信号检测，要注意设置混沌系统周期策动力时频率以及初相应该和待测信号基本一致。
4.2.3 周期窄带降噪 特定混沌系统能够对窄带周期信号噪声进行有效的抑制，对局放信号不会产生任何形式的影响。首先构造混沌系统模型，检测局放脉冲周期窄带干扰信号，进行频谱分析，获得窄带信号频率，确定窄带干扰对照混沌模型子系统阀值，调整混沌状态为无序混沌状态和大周期相变临界状态，获得某一
窄带干扰的初始相位，调整策动力和窄带干扰基本
相同，在系统中加入局部待测信号， 计算最大李氏
指数识别混沌系统的运行状态，减去相位差重新计
算李氏指数，重复上述步骤，直至全部干扰识别和
抑制。
4.3 双耦合 Duffing 振子系统局放脉冲检测 XLPE 电力电缆半导电层脉冲沿着电缆存在着频散衰变现象，局放脉冲信号传播距离很长之后会出现波形畸变，并且电缆运行现场干扰情况非常严重，导致局放检测灵敏度不高。为了获得更好的电缆局放检测精度， 人们开始使用双耦合Duffing 混沌振子方程进行局放检测。 振子周期策动力以及初始值设置对脉冲激励下的振子间瞬态同步突变结果有着严重的影响， 根据
仿真研究的结果发现， 脉冲信号宽度和周期策动力
周期基本一致时脉冲信号会激励耦合系统产生比较理想的瞬态同步突变现象。 振子间同步误差会对检测信号中的脉冲信号真实反映， 能够对脉冲信号的宽度、幅值等特征产生较好的检测效果。
电缆中的局放脉冲上升时间很短并且宽度也很
窄， 在电缆半导电层影响下局放脉冲会出现频散衰
变现象。 使用双耦合 Duffing 混沌振子检测信号，
传感器检测信号在抑制周期窄带和周期干扰之后还
存在着局放脉冲、 白噪以及随机脉冲干扰， 把检
测信号时间序列作为扰动放入第一个振子周期策动
力中，使用四阶龙格 - 库塔算法计算，当初始值均
小于零时正脉冲信号会激励耦合系统产生理想的瞬态同步突变。 双耦合Duffing振子系统瞬态突变现象对脉冲激励敏感，但是对白噪声免疫力很强，可是有效抑制白噪音。周期策动力周期会影响检测效果，脉宽与之相当的局放脉冲才能够激励其发生瞬态同步突变，但是实际检测中脉冲沿电缆方向衰减导致了脉冲宽度差异，在应用中需要构建多组不同的双耦合振子系统适应不同脉宽的局放检测。
4.4小结 应用混沌系统对初始相的敏感性依赖和双耦合混沌振子系统同步瞬态突变对脉冲激励的敏感性进行电缆局放的检测巧妙的利用了混沌系统的性质，获得了更高的灵敏度和抗干 扰能力，在电缆局放检测方面有着广阔的应用空间。 结论 本文着重论述了XLPE电缆局部放电的几种常规的监测方法，指出了它们的优势与缺点，在实际测试工作中灵活运用各种测试方法，主要的目的就是想方设法提高测试灵敏度，降低现场干扰对测试工作的影响，有助于综合分析电缆局放状况。本文讨论的混沌法局放检测利用混沌系统的性质获得了更高的灵敏度和抗干扰能力，在XLPE局放检测方面有着广阔的应用前景。 参考文献
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