局部放電信號在電纜中的傳播對波形影響的分析

陳錫陽， 桂峻峰， 高勝友， 夏云峰， 黃健華

(1.廣東電網公司東莞供電局，廣東東莞523008;2.北京交通大學電氣工程學院，北京100044;3.清華大學電機系電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京100084)

0 引言

局部放電是電纜絕緣故障的常見先兆特征，目前對于電纜局部放電的試驗，可遵照的標準是GB/T 3048.12電線電纜電性能試驗方法之12:局部放電試驗(等效于IEC 60885－3整根擠包電纜局部放電試驗)。該標準的指導意義在于放電量的測量和標定，在規定電壓和給定靈敏度下測量電纜的放電量是否超過規定值［1］。一旦試驗發現超標放電，需要確定放電的部位和類型。根據放電的特性區分不同的故障類型，具有重要的意義。常用的方法通常是基于放電量q、放電發生的相位φ和放電重復率n構成的譜圖，依據其統計特征進行放電類型的識別。寬頻帶采樣的局放檢測方法逐漸開展，獲取放電信號波形并根據其時域特征進行識別的方法，也有一定的研究［2，3］。但這些方法沒有考慮到脈沖傳播路徑對原始放電波形的影響，即由于電纜中的局部放電可能存在于任何位置，在固定的檢測點獲得的信號波形，必然攜帶有從原始位置傳播到檢測點的路徑所含的未知信息，這將給正確識別帶來困難。

本文首先進行了脈沖波形在交聯聚乙烯(XLPE)電纜中傳播的仿真研究，然后通過試驗驗證仿真結果的準確性，根據電纜本身的傳播特征，由檢測信號反推放電原始波形，即可利用波形特征進行放電的模式識別。

1 電纜中脈沖傳播的仿真研究

研究電纜中脈沖信號傳播規律，可用均勻傳輸線模型來模擬電力電纜。導線本身的電阻R和電感L分布在導線的整個長度上，導線對地的電容C和絕緣電導G也都按分布參數考慮，如圖1所示。線路的傳輸特性，實質上就是由這四個基本參數決定的。

圖1 電纜參數模型

從傳輸線的傳輸規律得出傳播公式:

式中:l為傳輸線路的長度(m);γ為傳輸線的傳播常數，它反映了傳輸線固有的傳輸規律。γ的值取決于傳輸線的基本參數和傳輸頻率，表達式為［4］:

式中:γ是一個復數，可按實部和虛部寫作α+jβ，即包含固有衰耗常數(用α表示)和固有相移常數(用β表示)。α反映了線路上單位長度的行波正弦分量的幅值的減少，即能量損耗方面的傳輸規律，β反映了信號傳播過程中相位的變化。

等效阻抗Z和導納Y可按下式計算:

式中:ρ為電纜導體電阻率(Ω·m);Rin、Rout分別為外徑和內徑(m)。計算Y時需要根據電纜結構考慮多層串聯，C0為每層幾何電容，介電常數ε0為頻變復介電常數。

針對型號為YJV22－3×95，額定電壓為8.7/15 kV的電纜進行了仿真計算，該電纜為三相，每相導線的參數為外徑Rout=33 mm，內徑Rin=5.5 mm，電阻率 ρ=1.75×10－8Ω·m，XLPE 初始相對介電常數ε=2.5，隨著頻率按指數規律下降，忽略絕緣層的電導。計算出傳播常數與頻率的關系如圖2。

圖2 傳播常數與頻率的關系

由圖2可見，信號在傳播過程中的衰減和相移都與頻率有關，而局部放電脈沖為寬頻帶信號，包含豐富的頻率成分，經過傳播到達測量點，由傳感器獲得的信號必然包括了傳播路徑的信息。在放電位置未知時，所附帶的傳播路徑信息也是不確定的，因此不能簡單地根據測量信號的波形特征進行放電類型的模式識別。

另外，檢測電纜局放通常可采用高頻電流傳感器(HFCT)在屏蔽層接地線上獲取信號。放電脈沖從發生處到被測量的整個路徑的傳播特性，應該是電纜特性與HFCT特性的結合。假設電纜長度為4 m，并用掃頻方法獲取HFCT的特性，二者的結合幅頻特性如圖3所示。

圖3 電纜(4 m)與高頻電流傳感器結合的幅頻特性

2 試驗研究

對脈沖在電纜中的傳播進行了試驗:在長為4 m電纜一端加信號，試驗采用的輸入信號為信號發生器產生的脈沖，寬度為25 ns，上升沿為2.5 ns。通過電纜一相的芯線對地注入，電纜另外二相芯線對地短接，通過電流傳感器獲取屏蔽層接地線中的電流信號，該測試回路接線與現場實測局放時一致。用雙通道示波器采集輸入信號和輸出信號，所用示波器為RIGOL 6102，采樣率2.5 GHz，實測輸入和輸出信號波形如圖4a、4b所示。

對信號做Fourier分析，可得傳播路徑(包括電纜和傳感器)的傳遞函數幅頻特性如圖5所示。可見，試驗結果與圖4中根據仿真分析所得基本一致。

3 局放信號傳播過程中的波形變化

同樣的原始放電信號，由于放電位置不同，到達測量點就有不同的傳輸距離，對放電距離l=0、10、100、1000 m分別進行了仿真分析，如圖6所示。

可見隨著傳播距離增加，幅值和波形都有較大的變化，顯然已不適宜直接利用波形的特征進行放電類型的識別。只有在確定放電位置以后，根據電纜本身的傳播特征，反推放電原始波形，解除放電脈沖傳播路徑對測量波形的影響因素，才能正確使用波形本身的信息進行類型識別。

圖4 試驗所得信號波形

圖5 試驗所得脈沖在電纜中的傳遞函數(幅頻特性)

圖6 不同傳播距離的局放信號波形

4 結論

(1)電纜中的局部放電理論上可能存在于任何位置(電纜接頭或者本體)，而測量只能在有限的幾個點進行，由于傳播過程的影響，所測信號攜帶有傳播路徑的信息。不同位置的放電，脈沖傳播的距離和途徑不同，即使原始的放電屬于同樣類型、有相似的波形特征，測量點的傳感器拾取的信號波形也有較大的區別，因此不適合采用波形特征判斷放電類型。

(2)本文通過仿真和試驗兩種方式對信號在電纜中的傳播進行了研究，結果基本一致，可以用于分析傳播路徑對局放信號的影響，包括幅值和相移兩個方面，據此可了解信號傳播路徑附加于所測信號上的信息。

(3)如果能夠確定放電點的位置，即知道了放電脈沖波形傳播的距離，就可以根據電纜本身的傳播特征，反推放電原始波形，即解除了放電脈沖傳播路徑對測量波形的影響因素，保留放電信號本身的固有特征，根據這些特征就可以進行放電類型的識別。

［1］GB/T 3048.12—2007 電線電纜電性能試驗方法［S］.

［2］鄭 重，談克雄，王 猛，等.基于脈沖波形時域特征的局部放電識別［J］.電工電能新技術，2001，25(2):20-24.

［3］司文榮，李軍浩，黎大健，等.基于寬帶檢測的局放脈沖波形快速特征提取技術［J］.電工電能新技術，2008，32(2):21-25.

［4］Tozzi M，Cavallini A，Montanari G.C.PD Detection in extruded power cables:An approximate propagation model［J］.IEEE Trans on DEI，2008，15(3):601-607.

［5］Richard Cselkó，István Berta.Challenges of partial discharge diagnostics of low-voltage cables ［J］.Journal of Electrostatics，2013，71(1):558-563.

［6］Su Ming-Shou，Chen Jiann-Fuh，Lin Yu-Hsun.Phase determination of partial discharge source in three-phase transmission lines using discrete wavelet transform and probabilistic neural networks［J］.Electrical Power and Energy Systems，2013，51(2):27-34.

［7］Pommerenke D，Strehl T，Heinrich R.Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems［J］.IEEE Trans on DEI，1999，6(6):814-824.