頻域振蕩法在電纜局部老化跟蹤中的應用

田軍明 詹紅生 方堃 劉瀟

摘要 頻域振蕩法是一種通過描述頻域阻抗特征的缺陷診斷方法，在電纜應用中具有無破壞性，重復性好，缺陷識別準確度高，具備老化跟蹤定位的獨特優勢。本篇通過分析頻域振蕩波譜法的原理及在XLPE電纜中的應用關鍵點，討論了頻域振蕩波譜應用到電力高壓設備在線監測領域中的可行性。

【關鍵詞】頻域振蕩 頻域阻抗 缺陷 識別 老化定位

1 電纜故障定位的技術背景

電纜運維管理工作中最為關鍵的任務即故障查找。一旦發生停電事故，快速查找、挖掘和修復工作位置稱為檢修維護人員的首要任務。然而在故障查找中可能不可避免采取破壞性的手段，如高壓局放試驗，直流燒穿試驗等，用于故障定位的方法有時域反射波和聲學法等。

時域反射波是常見的電纜故障定位方法，通過給被試電纜施加上升沿或下降沿陡變的脈沖電壓，然后分析其反射電壓或電流的波形的時間差來計算故障位置。時域反射波是一種硬件結構簡單，分析方法直觀，易懂的技術，但由于反射波易受衰減，因此對于反射波的識別容易混淆，尤其是應用于長距離電纜的故障定位時。

聲學法一般和脈沖高壓源或直流源配合使用，目的是將故障點進行高壓激勵，使其產生放電信號，其中伴隨放電的聲噪被地面的聲學探測設備捕捉到。聲學探測法可以實現精確的定位，但是往往和時域反射波譜法配合使用，后者用于粗略定位，再聲學法在已鎖定區域進行故障偵測。以上兩種方法都伴隨著電纜的絕緣損失，也可能導致故障點以外的其他絕緣薄弱點的劣化程度加深。

2 電纜的老化檢測方法

老化和故障的概念不同，是指絕緣介質的變化。通常老化采取介質損失參數進行測量，但其檢測數據為電纜的整體平均指標，只能反映綜合健康狀態。受現場環境溫濕度影響，介質損失測量的數據波動較大，因此實際應用中并不是優選技術手段。

隨著電纜故障率的增多，電纜的局部老化逐漸受到重視，典型為中間接頭的老化。由于中間接頭的電場分布極不均勻，發熱較其他位置偏高，因此老化速度加快，而這種老化有時候無法通過局放試驗表現出來。由于中間接頭的材料占整個電纜的長度比非常微小，接頭老化對整體介質損失的貢獻量非常小，很難通過整體介質損失參數反映局部區域的老化。

頻域阻抗法是一種通過微分向量分析的模式實現局部老化識別和定位的方法，近年來通過應用逐步得到了認可，現就頻域阻抗法在電纜檢測中的優缺點進行討論。

3 頻域阻抗及其振蕩特性

頻域阻抗分析法是一種等效阻抗元素的分析方法，由于電纜絕緣老化或劣化都會對本體等效元素產生影響，因此頻域阻抗分析法既可以表征缺陷，又可用于老化分析。

電纜的頻域阻抗具備頻域周期特性（如圖1），隨頻率增高呈現非線性衰減趨勢，根據老化或劣化程度不同，衰減趨勢和阻抗的連續性特征也因此不同，根據該現象可以實現局部老化或劣化的定位。關于捕捉老化缺陷位置的方法可以采用線性頻域變換，短時傅里葉（ STFT）等算法，這里不做深入分析。

電纜的老化或缺陷定位可通過微分阻抗的非連續點，或典型的突變點獲得，計算方法參考（1）式。

由（1）的算法，只要獲得了波速v和阻抗非連續點的頻率點f，即可獲得老化位置。

由圖2可見，57米為端點，11米處有個突變點，即老化點。通過將整個頻譜范圍的數據進行連續性分析后，可獲得多點老化定位信息，并可根據不同時間段多次測試結果得到任意局部位置的變化趨勢。

4 討論

頻域阻抗法解決了電纜局部老化無法探測，且無法實現定位的問題，但其自身的技術原理決定了并不能直接用于老化狀態的識別。現實應用中應盡可能安排多次測試的對比跟蹤，以便及時處理正在加速老化的區域。頻域阻抗法的另一個獨特優勢是，不限于老化的區域，其可以是中間接頭，端頭或電纜本體的其他任意位置。從與故障定位的特性進行比較，頻域阻抗法由于自身的非破壞特性，并不能發現激勵高壓下的放電故障信號，由此頻域阻抗法與常規的故障定位技術并不沖突，反而可以根據實際需要互補利用。

參考文獻

[1]張建，張方榮，尹娟，高興瓊，王蘇，成都高斯電子技術有限公司[J]，一種電纜故障檢測分析方法[發明專利]，國家知識產權局，2014.

[2]李宏博.XLPE電纜空間電荷檢測與老化評估方法研究[D].天津大學，2010.

[3]王樂，孫穎，汪輝平，曹曉瓏.絕緣材料水樹產生及發展機理的研究現狀[J].電線電纜，2006.

[4]楊震，水樹老化XLPE電纜絕緣溫度特性的研究[J].電線電纜，2003.

[5]史俊，李衛，楊全仁，基于STFT時域和頻域聯合分析的中高壓電纜絕緣老化定位測試應用研究[J].電子測試，2015.