配电网电缆线路局部放电检测技术应用分析

引言

随着城市规模持续扩大，我国10kV 及以上电压等级的电缆线路总里程已超过100 万公里，其中因局部放电导致的绝缘事故比例高达 43%。目前广泛应用的高频电流法受其带宽限制（通常低于 30MHz），在捕捉纳秒级瞬态放电信号时存在明显不足[1]；而超声波检测方法则容易受到现场机械噪声的影响。超高频（UHF）方法因其频带覆盖广（300MHz–3GHz），能够有效感知局部放电辐射的电磁信号，逐渐成为研究热点[2]。然而，城市电网环境中复杂的电磁干扰与信号反射问题，使得传统 UHF 检测方式在实际应用中面临定位偏差大、误报频繁等挑战。针对上述问题，本研究提出一种综合改进策略：首先借助COMSOL 多物理场仿真工具优化传感器布设方案；其次，构建结合卷积神经网络（CNN）与长短期记忆网络（LSTM）的混合识别模型，提升放电信号的分类能力；最后，设计可现场装配的电磁屏蔽模块，以增强信号采集的信噪比与系统抗干扰性能。

一、基于超高频传感的局部放电检测技术

1.1 电磁波传播特性

在 300MHz 至 3GHz 频率范围内，电缆局部放电所激发的电磁信号表现出明显的频谱响应特征，不同类型的绝缘缺陷可依据其频谱形态加以区分：例如气隙放电呈现双峰谱型，而悬浮电位放电则多表现为宽频单峰谱结构[3]。电磁波在电缆结构中传播时主要存在两种模式，即沿绝缘介质内部传输的横电磁（TEM）波，其传播速率受材料介电常数制约；以及沿电缆屏蔽层外表传播的表面波，其衰减程度与屏蔽层表面形态密切相关。实际测试数据表明，在110kV 电缆中，频率为1GHz 的 TEM 波每米衰减约12dB，而表面波的衰减量可达28dB，这一差异对检测系统中的信号重建与补偿策略提出了较高要求[1]。

1.2 信号采集系统

超高频检测性能的关键在于宽频高敏传感器的设计。本文所采用的传感器基于螺旋天线结构，可在 500MHz至 3GHz 范围内实现有效信号捕获，灵敏度优于-70d 对应最小可测放电量约为20pC[5]。为抑制城区复杂电磁背景干扰，系统在硬件层面集成带通滤波模块，并在信号处理环节引入自适应小波降噪算法，使得整体信噪比提升15dB 以上，显著增强了在公共移动通信频段等强干扰环境中的检测稳定性与可靠性。

二、实验设计与验证过程

为评估超高频检测系统的综合性能，本实验以 110kV 交联聚乙烯电缆接头为对象，在标准实验条件下构建测试平台：使用工频试验变压器（100kV/50kVA）施加1.5 倍额定相电压，并借助高精度脉冲发生器（上升沿 0.1～ 5ns）在应力锥区域注入可校准放电信号，重点考察系统在强干扰环境中的响应能力与定位准确性。

2.1 系统设计与优化

2.1.1 硬件架构

系统采用分布式模块化设计，包含三级检测节点（图 1）。各单元集成信号采集、预处理与通信功能，依托工业以太网实现高效数据交换。信号处理链路如下：UHF 传感器接收电磁信号后，依次经由前置放大器（40dB增益）与带通滤波器（通带500MHz–3GHz）完成初步调理，再通过高速ADC 转换为数字信号。处理核心采用FPGA与ARM 协同架构，FPGA 负责实时信号处理（延时低于50μs），ARM 则运行Linux 系统，实现数据管理及通信调度。

在关键器件方面，传感器选用分形天线结构，在2.4GHz 频段电压驻波比小于 1.5；ADC 模组通过JESD204B接口与FPGA 互联，并采用交织采样策略将系统采样率提升至10GS/s。电源部分专门设计了π型滤波网络，对开关噪声抑制能力超过60dB，显著提升电磁兼容性能[2]。

2.1.2 软件算法

系统对传统相位分辨局部放电（PRPD）分析方法做出改进，提出三级处理流程。首先进行信号预处理：利用db6 小波进行7 层分解，结合改进阈值函数以保持脉冲前沿特性。随后采用K-Means++算法配合欧氏距离度量，实现±5ns 时间窗内的脉冲聚类。最后提取包括幅值、相位和重复率在内的12 维特征，借助支持向量机（SVM）进行分类，识别准确率可达92.3%。

为提升复杂工况下的分类能力，系统引入基于卷积神经网络（CNN）与长短期记忆网络（LSTM）的混合深度学习模型。CNN 模块提取脉冲的局部时频特征，LSTM 模块捕捉其时间依赖关系。使用10 万组标注样本进行训练后，模型分类准确率达到96.8%，较传统方法提升12%。经结构优化，单次推理延迟控制在8ms 内，满足实时处理要求。

2.1.3 现场部署方案

传感器布置基于 COMSOL Multiphysics 电磁仿真进行优化，结合电磁波传播衰减特性与灵敏度需求，通过智能算法确定不同区段的传感器间距：直埋段设为 8-10 米，电缆接头区小于 5 米，交叉互联箱等关键节点则按3 米等边三角形排布，在避免盲区的同时提升对不同电缆结构的适应能力[3]。

电磁屏蔽方面实施三重防护：使用 0.3mm 高纯铜箔全包裹传感器，屏蔽效能大于 45dB；配置宽频低阻接地线，高频接地阻抗低于0.1Ω，并按四分之一波长原则实行多点接地；在电源入口加装馈通滤波器，截止频率为100kHz，有效抑制传导干扰。实测系统背景噪声低于-85dBm，全面符合 IEC 62478 标准对局部放电检测设备的电磁兼容要求，保障在强干扰环境下稳定运行。

2.2 实验室验证过程

2.2.1 实验设计与方法

本研究通过三项系统性实验对检测性能进行验证。在灵敏度校准实验中，采用标准脉冲信号注入法，在 50–2000pC 范围内逐步调整放电量，记录 800MHz 中心频率下UHF 传感器的响应特性，建立输入-输出对应关系。空间定位精度验证实验在电缆接头区域展开，以10cm 为间隔精确布置5 组模拟放电源，通过对比系统解析坐标与实际物理位置的差异，评估三维定位能力。抗干扰性能测试则在模拟现场电磁环境中进行，通过引入 900MHz通信频段、场强10V/m 的背景干扰，考察系统在复杂电磁环境下的稳定性和信号捕获可靠性。

2.2.2 性能指标

实验获得了系统性能的量化数据：灵敏度方面，系统可稳定识别的最小放电量为 28pC，此时信噪比不低于3：1；定位精度方面，轴向误差均值为 3.2 厘米，波动范围为±1.8 厘米，径向误差均值为 1.5 厘米，波动范围为±0.6 厘米；在抗干扰能力方面，即便在信噪比低至-6dB 的极端条件下，系统仍能保持92%以上的有效信号捕获率，展现出良好的环境适应性。

2.3 信号特征分析

通过对500pC 放电条件下传感器输出信号的时频分析，发现其具有明显的特征响应。频谱分析显示在798MHz附近出现显著共振峰，与仿真预测高度吻合；时域波形呈 间仅 2.8 纳秒的陡峭脉冲，系统响应延迟稳定控制在15 纳秒以内。与传统脉冲电流法对比表明，本系统对 100pC 以下微弱放电的检测能力提升达47%，体现出显著的技术优势。

结论

实验数据充分证明，本研究开发的超高频检测系统各项性能指标均符合 IEC 62478 标准对电力电缆接头局部放电检测的技术规范。系统的空间分辨能力优于λ/20（其中λ代表电磁波波长），这一特性为其后续在实际工程环境中推广应用提供了坚实支撑。通过系统化的性能测试表明，该检测方案在电缆局部放电监测方面具有显著优势。

参考文献

[1]姜大军. 10 千伏电力电缆振荡波局部放电检测技术研究[D]. 安徽工业大学， 2022.

[2]曾泽宇，段建家，段肖力，等. 电力电缆振荡波局部放电检测应用 [J]. 湖南电力， 2020， 40 （05）：39-42.

[3]宋云峰，王健，邵新炜，等. 电缆局部放电带电检测技术在东北电网的应用分析 [J]. 东北电力技术，2019， 40 （03）： 32-35.