XLPE電力電纜局部放電檢測診斷系統的設計

李雯雯+高陽+許傲然

摘 要：文章設計開發了解決XLPE電力電纜運行環境復雜、敷設安裝時易產生缺陷等一些問題的XLPE電力電纜局部放電檢測診斷系統。該系統具備基于超聲和超高頻方法的XLPE電力電纜絕緣缺陷診斷、定位功能，系統由復合傳感器、前置放大器及采集卡等構成。與此同時，系統軟件是由LabVIEW語言和C語言等聯合開發，可實現數據采集、處理、顯示、分析、識別等功能。最后進行了局部放電實驗，主要針對電纜尖刺缺陷，該實驗結果顯示，利用復合傳感器的超聲加超高頻檢測系統響應靈敏度比傳統的脈沖檢測更高，且可檢測頻譜范圍更寬。

關鍵詞：XLPE電力電纜；局部放電；超聲檢測；脈沖電流檢測；故障診斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.153

1 引言

作為構成電力系統的重要組成部分，XLPE電力電纜的運行可靠性對電力系統的安全運行有著深入的影響。交聯聚乙烯電力電纜諸存在如環境復雜、敷設安裝時易產生缺陷等潛在性故障，出于對國內外研究現狀的綜合分析與考慮，在能準確無誤地抑制現場測量時所受到的干擾的前提下，通過對已敷設電纜進行的局部放電檢測試驗，本文設計開發了XLPE電力電纜局部放電檢測診斷系統。該系統具備基于超聲和超高頻方法的XLPE電力電纜絕緣缺陷診斷、定位功能，系統由復合傳感器、前置放大器及采集卡等構成。軟件系統在經過LabVIEW語言和C語言等聯合開發后，可以實現對數據的采集、處理、顯示、分析、識別等功能。

2 局部放電檢測系統

本文的設計主要依據XLPE電力電纜絕緣缺陷診斷、定位裝置，該種裝置是基于超聲法的，此裝置的硬件部分由復合傳感器、前置放大器、采集卡等構成。

復合傳感器有超聲和超高頻兩種。超高頻傳感器的主要功能是通過基準放電時間來缺陷定位，其探頭為電容圓板式，接收由局部放電產生的超高頻信號。超聲傳感器會輸出十分微弱的電壓信號，這種信號經過較長電力電纜的傳輸，信噪比降低是肯定的。另外，超聲傳感器的輸出阻抗是高阻抗的。

前置放大器主要起到的作用是：（1）超聲傳感器輸出的電信號極其微弱，前置放大器起到了將其放大的作用；（2）超聲傳感器輸出的阻抗過高，前置放大器起到了將其減小再進行輸出的作用。

本次試驗采用了巴特沃斯型帶通濾波器，該種濾波器伴隨著每倍頻程6ndB的速度增大衰減，其中n代表濾波器的階數，因此，所要設計的帶通濾波器低通部分必須為4階，而高通部分要有8階。本項目使用了包含兩個運算放大單元的THS4012運算放大器，共三個。

3 軟件系統

局部放電超聲檢測與識別系統的軟件部分主要使用LabVIEW語言、C語言、R語言和MATLAB語言聯合開發，它具有強大的數據采集、處理、顯示、分析、識別等功能。

整個軟件系統從功能上看，主要可分為4個模塊：分別為數據采集、數據處理、譜圖繪制、統計參數提取。軟件的總體設計思路是：多次對XLPE電力電纜3種典型局部放電模型進行實驗，繼而將每一次實驗產生的結果，如超聲波信號、超高頻信號和施加電壓信號由采集卡獲取，經過軟件濾波、去噪等數據處理技術后，將局部放電超聲波信號的各種譜圖計算后并顯示出來。然后利用顯示的譜圖計算出其統計參數，將進行的所有實驗的這種統計參數進行特征提取，從而構成典型缺陷放電特征指紋。針對不明確類型的放電情況，進行采集、譜圖以及統計參數的計算，將特征提取后得到的指紋值與上述每種放電的指紋值對比，利用人工神經網絡等工具自動識別放電類型。

4 局部放電實驗

多次實驗結果得知，外加電壓達到5.5kV時，超聲法首先檢測到局部放電信號，并且能夠得到隨著外加電源電壓的升高所測的放電超聲信號PRPD譜圖變化趨勢。

當外加較小的電壓時，超聲波脈沖群主要集中于電源相位的負半周，尤其在峰值附近表現明顯，反之，電源相位的正半周存在的放電信號極少，但電源相位的正、負兩個半周放電信號幅值差距不大。

隨著施加電壓的升高，超聲波信號幅值逐漸增大，脈沖群出現次數逐漸增多，一般十幾個周期內就出現一次超聲波脈沖群。超聲波脈沖群依然主要分布在施加電壓負半周峰值附近，然而，此時對應外施電壓正半周峰值附近出現的脈沖群次數明顯增多，并且相應的放電信號幅值將大于負半周。

隨著施加電壓的不斷加大，局部放電現象也越來越劇烈，一般情況下，幾個周期內就會出現一次超聲波脈沖群，并且對應正半周放電脈沖幅值遠大于負半周放電信號幅值。

5 結論

通過對比分析兩種方法試驗結果，得出如下結論：

（1）施加電壓較低時，超聲法先于脈沖電流法采集到放電信號，因此對于尖刺缺陷，超聲法比脈沖電流法靈敏度高；

（2）兩種檢測方法的有近乎一致的放電起始特征。在外加電壓的初始階段，放電信號大部分分布于電源相位的負半周，峰值附近的放電信號最為強烈；放電伴隨外加電壓的不斷升高開始進入快速發展階段，而此時正半周放電信號激增，幅值大于負半周相應的放電信號；

（3）根據不同電壓下的PRPD譜圖特征，可以得出：對比于脈沖電流法PRPD譜圖，超聲法PRPD譜圖的相位分布更為寬廣。

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