高壓電纜局部放電實時監測方法研究與應用

摘 要：隨著電力電纜在電力系統中越來越廣泛應用，其供電的可靠性也越來越受到相關部門和用戶的關注，局部放電是導致電纜附件發生故障的主要原因之一，而高壓電纜附件局部放電與內部絕緣狀況有密切關系。文章探索了一種新的監測高壓電纜絕緣質量的局部放電方法，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監測方法，并對該方法的硬件系統和工作原理進行分析。仿真實驗進一步分析了高壓電纜內局部放電超聲波傳播的特性，其結果表明，文章研究方法對高壓電纜局部放電進行實時檢測是可行的，可以為實現局部放電故障點定位提供了前期準備工作。

關鍵詞：高壓電纜；局部放電；絕緣；超聲法；虛擬儀器

1 概述

隨著電力系統的高速發展，高壓電纜在電力系統中的應用范圍也逐漸擴大。高壓電纜的基本結構主要包括四個部分，分別為纖芯、絕緣層、屏蔽層和保護層[1]。在這四部分中，線芯是高壓電纜中電流傳播的載體，是高壓電纜的重要組成部分[2]。絕緣層起到的是將線芯與隔離的作用。而屏蔽層分為導體屏蔽層和絕緣屏蔽層，主要存在于15千瓦以上的高壓電纜中[3]。保護層則是保護高壓電纜以防止電纜外雜質和環境中水分的滲入以及外力對電纜的損壞。

當高壓電纜頻繁產生局部放電時，最終使高壓電纜的附件絕緣體被擊穿[4]。就目前來看，對高壓電纜的局部放電進行實時監測是檢測高壓電纜安全性能最為廣泛和有效的方法[5]。

為此，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監測方法，并對該方法的硬件系統和工作原理進行分析。仿真實驗進一步分析了高壓電纜內局部放電超聲波傳播的特性，其結果表明，本文研究方法能有效對高壓電纜局部放電進行實時檢測。

2 高壓電纜附件局部放電在線檢測的意義

近年來，隨著我國經濟快速發展，各大中小城市規模不斷擴大，電力消費水平逐年增長。到今年年底，我國電力裝機容量已經達到百萬千瓦。明年預計將增加1億千瓦，整個社會能耗將接近百萬千瓦小時。電力裝機容量迅速增加的同時，電網建設和改造在全國范圍內廣泛實施，據統計，在年底傳輸線電路總循環長度將達數千公里。

隨著電網不斷擴張以及土地資源日益緊張，特別是在大中城市，土地成本越來越高，與此同時，環境要求不斷提高，與架空線路相比，地下電纜供電可靠性提高，布線不受建筑的空間影響，常用于美化城市和優化工業布局，具有很多優點，因而得到廣泛應用。如《上海世博會》在上海電力行動計劃中的重點是根據目前線材取代電纜，減少異物損壞電纜和電纜本身風化，具有較高安全性。

近年來，根據全國主要城市電力電纜的搶修記錄、事故現場照片和故障電纜等材料進行分析，表明導致電力電纜運行故障的原因主要有外力破壞、電纜附件制造質量、電纜敷設安裝質量和電纜本體制造質量，如圖1所示。

3 高壓電纜附件局部放電檢測的發展概況

局部放電一直是高壓電纜附件絕緣非破壞性試驗的重點檢測項目。20世紀50年代，通用電氣公司提出以時間狀態作為基準測試方法，即狀態檢測。如，日本轉向狀態檢測是在20世紀70年代左右。高壓電纜附件狀態檢測技術是一種實時操作的電壓測試方法，可用于高壓電纜附件絕緣狀態的電壓測試，它可以大大提高測試的真實性的和敏感性，及時發現絕緣缺陷。1979年，德國家主要電纜工廠同漢諾威大學西林研究所合作，提出了長電纜及其附件局部放電測試的科學方法，并于1980年得到批準。1982年，國際電工委員會17工作組采納其為標準草案，1985年，經各國分委會多數表決，同意將該草案作為電纜及其附件的局部放電測試方法。

4 高壓電纜附件局部放電在線檢測的研究現狀

傳統的高壓電纜附件局部放電測量多采用低頻段測量，通常在幾十到幾百之間，容易受背景干擾影響，抗干擾能力差。理論研究表明，電力電纜局部放電脈沖包含頻譜范圍廣泛。因此，選擇高信噪比的頻譜測量可以有效地避免干擾。目前，國內外已將電纜局部放電測量的關注點轉移到高頻和超高頻測量上。

特別是超高頻檢測技術在電力變壓器領域成功應用后，許多研究人員試圖深入研究這種電纜的局部放電在線檢測方法。進行局部放電在線檢測的高壓電纜附件研究的同時，引入抗干擾措施，控制局部放電功率。局部放電測量的抗干擾措施由于受外部干擾信號影響，使試驗結果出現錯誤的判斷，甚至無法測試試驗結果，有效地消除和抑制干擾是局部放電測量的一個重要組成部分，在現場，實驗主要采用內部放電干擾測試設備，會產生電暈放電、干擾的接頭接觸不良，接地系統干擾，測試電源、儀器電源干擾和背景噪音等問題，這些干擾源在戶外和室內的一些相關功率與電源無關，甚至有時很難找到來源進行消除，因此，為消除或抑制這些干擾，保證測量的可靠性，提高測量的靈敏度，常避開高峰用電時間，于晚上做局部放電測量實驗。

5 高壓電纜局部放電實時監測系統的硬件結構

文章所提出的基于超聲法和虛擬儀器的局部放電實時監測方法的硬件系統包括高壓電纜內部附件前端聲發射傳感器、高壓電纜內部附件聲發射放大器、四組同步超聲波數據采集卡、利用虛擬儀器技術的人機界面以及對高壓電纜電流傳播數據庫監測系統平臺，其具體結構如圖2所示。由高壓電纜內部附件的超聲波聲發射傳感器將通過采集卡得到的局部放電超聲信號通過聲發射放大器放大，然后經過四組同步超聲波數據采集卡傳送給上位機實時監測系統，進而完成高壓電纜局部放電超聲信號的采集、放大、分析和監測。

5.1 高壓電纜內部附件超聲波發射器及放大器的選擇

高壓電纜局部放電實時監測方法的關鍵是將電纜局部放電的信號與噪聲信號進行區別，并在區別的過程中盡量對噪聲信號進行控制和屏蔽。在電力系統中，除了在電流傳播過程中產生的電流載波和高頻保護信號，其余的大部分由于不良接觸等產生的放電信號其脈沖頻率大多高于300kHz。因此，文章研究的基于超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監測系統只有采用低頻率的聲波信號才能保證其工作質量，所以采用的是PXR04型超聲信號發射傳感器。

5.2 高壓電纜內部附件超聲信號同步數據采集卡

本文研究方法選用的是PCI-1714UL數據采集卡作為超聲信號同步采集模塊。主要原因是這種采集卡屬于高速4組同步聲波模擬量輸入卡，因此采用它所構成的實時檢測系統可以達到四組通道局部放電信號的并行采集。

5.3 基于虛擬儀器的電纜局部放電監測系統

引入虛擬儀器技術中的人機界面化檢測方法對高壓電纜局部放電監測系統進行軟件開發，該部分系統的設計有效完成了高壓電纜局部放電實時監測系統的初始化設置，在高壓電纜日常工作中實現電流通道信號的在線顯示并迅速轉化為頻譜圖顯示，更好的將傳統的高壓電纜局部放電監測系統與計算機相結合，完成高壓電纜放電超聲波數據的采集、分析和監測。

5.4 高壓電纜局部放電信號的處理

因為在高壓電纜工作過程中所產生的局部放電超聲波信號的頻率主要固定在同一頻段，因此，系統對于前期的信號處理主要采取的是較為便捷的巴德沃斯帶通濾波器，以去除該固定頻段外的噪聲，同時對高壓電纜局部放電的超聲波信號進行頻譜特性分析。

6 高壓電纜局部放電實時監測系統的仿真實驗及結果分析

為了能夠更為精確的對本文研究方法進行檢測，實驗需要獲得高壓電纜內部附件絕緣層的局部放電超聲波信號頻率范圍。實驗前期，要在高壓放電實驗室對實驗電纜的內部附件絕緣層進行放電測試。

在實驗過程中逐漸對高壓電纜升壓變壓器進行升壓，當電壓升至6千瓦時，高壓電纜內部附件中絕緣層破壞區域被電流擊穿，同時產生超聲波。在同樣條件下的實驗室環境中，將局部放電模擬器作為實驗放電源進行局部放電超聲波檢測。將實驗環境下的超聲波信號與高壓電纜內部附件絕緣層局部放電超聲波信號進行對比并分析。

對兩者超聲波信號進行分析后可以得出，區別該兩組信號的關鍵是其在傳播過程中的衰減速度。因為超聲波屬于聲波的一種，滿足聲波的特性，即在不同的傳播介質中具有相對固定的傳播屬性，利用該特性可以根據高壓電纜局部放電超聲波傳播不同距離所需要的時間差計算出距離差，對高壓電纜局部放電位置完成定位。

7 結束語

隨著電力系統的飛速發展，傳統的高壓電纜局部放電實時監測方法已經無法滿足其工作需要。探索一種新的監測高壓電纜絕緣質量的局部放電方法，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監測方法，并對該方法的硬件系統和工作原理進行分析。仿真實驗進一步分析了高壓電纜內局部放電超聲波傳播的特性，其結果表明，文章研究方法對高壓電纜局部放電進行實時檢測是可行的，可以為實現局部放電故障點定位提供前期準備工作。

參考文獻

[1]孫建鋒，葛瑞，鄭力，等.2010年國家電網安全運行情況分析[J].中國電力，2011，44（5）：4.

[2]王昌長，李福祺，高盛友.電力設備的在線監測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]孫曉龍，李寶樹，趙書濤.虛擬儀器技術及其在電力系統中的應用[J].電力情報，2001，5（2）：5-9.

[4]丁玉劍.基于LabVIEW的局部放電檢測系統的研究[D].保定：華北電力大學，2007.

[5]李新，孫才新，廖瑞金，等.識別局部放電的新特征量——分維數的研究.高電壓技術，2000，26（1）：27-28.

作者簡介：楊忠（1984-），男，漢族，貴州安龍人，碩士，工程師，研究方向：配網運行、配網信息、模式識別。