基于局部放電頻譜分析的XLPE電力電纜在線監測技術研究

徐國江

摘要：隨著信號采集技術、抗干擾技術、濾波技術的不斷發展，電力電纜局部放電在線監測手段日益完善，在實際應用中也將會逐漸適應各種各樣的復雜環境，從而在電力電纜線路的安全運行中發揮越來越重要的作用。

關鍵詞：XLPE電力電纜;局部放電;在線監測

引言

隨著電力電纜在城市電網中得到廣泛應用，電纜的絕緣問題愈顯突出。由于電纜通常是敷設在管溝或隧道中，到目前為止，還沒有較好的技術能夠掌握運行中電纜的絕緣狀態。當前，電纜線路在線監測多數是監測電纜的溫度。然而，據統計，電纜故障多數源于施工時機械損傷和絕緣處理不當，如制造中存在空隙、裂紋、受潮或損壞。最能夠反映電纜絕緣特征的是電纜的局部放電。運行中的電纜總是與其他電氣設備相連接（如變壓器、GIS、開關、電壓互感器、架空線等），這些設備也可能產生局部放電，要將電纜的局部放電信號從其他設備放電或干擾中區分出來是一個關鍵問題。基于上述問題，必須從研究電纜局部放電機理出發，摸清其放電傳播的物理過程，以其作為基礎，尋找有效區分電纜內部放電和外部干擾的檢測技術。目的是模擬電纜運行中的實際情況，利用局部放電傳感器，檢測電纜在內部放電和外部干擾傳播時，找出傳播規律及特點，尋找到能準確區分內部放電和外部干擾的可行方案。

一、基于局部放電頻譜分析XLPE電力電纜在線監測技術

（一）局部放電監測的現狀

XLPE電力電纜在運行中，其局部放電脈沖的寬度，在1納秒至10納秒之間，其所表示的含義為：局部放電脈沖信號有瞬間即逝的特征，尤其以電纜為介質的傳輸中，高頻脈沖信號的衰減程度會逐漸增加。所以，在XLPE電力電纜的終端處，很難采用監測系統對局部放電的信號進行采集，或者已經采集的信號，存在嚴重的失真現象，導致測量結果存在嚴重的誤差問題，影響后續的相關工作。在本文的分析中，將寬頻帶局部放電傳感器的方式，應用在監測甚高頻頻段局部放電的工作中。另外，由于XLPE電力電纜的局部放電現象，經常發生在附件的周圍，或者就應該在相應的位置，以接地的方式，安裝局部放電傳感器。通過這樣的方式，減小信號在傳輸過程中的損失，提高XLPE電力電纜局部放電監測的準確性。

（二）在線監測技術的設計與應用

就傳感器來說，其經過了特殊的設計，即高頻帶羅戈夫斯基線圈型的放電傳感器，所以將其安裝在XLPE電力電纜中，能夠準確的采集放電信號，并利用電磁耦合的原理，對XLPE電力電纜局部放電的特征，進行準確地提取與分析。受羅戈夫斯基線圈性能的影響，在監測XLPE電力電纜放電電量的情況下，其不會與式品產生電氣關聯，所以其具有不會產生飽和、結構簡單的優勢，可以有效抑制外界的噪音，適合應用在XLPE電力電纜的放電監測中。在本文的分析中，將鎳鋅鐵氧體材料用于傳感器線圈的主要材料，其電阻率對高頻電流的影響較小，很適合應用在1MHz至300MHz高頻電纜中[1]。

在設計XLPE電力電纜的在線監測技術中，以上述的內容為基礎，繪制等效電路圖。并在這一基礎上，由于局部放電的傳感器線圈屬于環形，R1為內環的半徑，而R2為外環的半徑。另外，傳感器羅戈夫斯基線圈的橫截面屬于矩形，面積用S表示，N表示線圈中的繞線匝數，l表示閉合回路的磁路長度，并用M、Ls表示線圈的互感、自感，w表示工作的角頻率。通過上述的分析，就能夠得出傳感器的幅頻特性、傳感器的頻帶、上限頻率等公式。

（三）傳感器的相關數值計算

通過以上的分析，能夠在理論的條件下，對傳感器的相關參數，進行準確的計算。例如：在線圈匝數為39時，且繞線的直徑為1毫米，其相關的參數為：（1）線圈自感Ls的計算值為0.435mH，而測量值為0.409mH;（2）線圈互感M的計算值為0.11mH，而計算值為0.010mH;（3）等效電阻的計算值為0.032Ω，測量值為0.040歐姆。為了可以對XLPE電力電纜在線監測技術進行優化，可以在其中安裝局部放電信號放大器，并運用接地技術，保證放大器的信號電流，能夠在其內部形成回路，減少信號在傳輸過程中產生的損耗。

通過這樣方式，就能夠提高在線監測結果的準確性，規避信號失真的現象，即信號放大器的實際增益為41dB，因此3dB的帶寬就能夠達到70dB，進而更好的滿足XLPE電力電纜在線監測的相關需求。另外，運用相關的理論知識，對數據識別、數據處理系統進行優化設計，可以將外界的噪聲進行剔除，并優化局部放電信號的提取方式，合理判斷XLPE電力電纜的實際運行狀態。在分形維數變化、局部放電脈沖信號頻譜的基礎上，就能夠通過分維尺度的規律，對信號進行識別、提取，提高在線監測技術的靈敏度，以此來實現減少干擾的最終目標。

二、基于局部放電頻譜分析XLPE電力電纜在線監測結果

在本文的相關分析中，以35kV的XLPE電力電纜為例，并運用甚高頻局部放電傳感器電磁耦合的方式，對線路的放電問題進行在線監測，以便于踐行有針對性的分析，為后續的治理工作，奠定有價值的數據基礎。局部放電傳感器，可以安裝在XLPE電力電纜式品的中間位置，并在連接同軸電纜的過程中，均以50Ω為標準。基于這樣的方式，就能夠避免在電力運行的過程中，高頻信號會產生反射而形成駐波的現象[2]。具體來說，局部放電傳感器的頻帶寬在10kHz至28MHz之間，而信號采集器3dB貸款實際上為70MHz，這一數據在上文已經提及。另外，RPS屬于數據識別、數據處理系統，其是基于分形維數變化、脈沖信號相似性而進行特殊設計的。對此，基于局部放電頻譜，分析XLPE電力電纜在線監測的結果，主要體現在XLPE電力電纜絕緣性能方面，其主要內容如下：

XLPE電力電纜的式品，其自身所存在的絕緣缺陷，會受到外施電場的激勵，而生成局部放電信號，但是采用數學的相關方式對其進行處理，就會提高其特征的明顯性。如果XLPE電力電纜的絕緣缺陷，處于高電位的位置時，其局部放電脈沖的信號，基本上會產生在180度至270度的相位，或者產生在0度至90度的相位。在這兩個相位中，脈沖信號之間的差異，并沒有明顯的特征，同時其相互之間的正放電次數、負放電次數，也有著較強的相似性。經過對XLPE電力電纜局部放電的實際測量，其式品局部放電信號頻譜，與計算之間的比較就是外界的噪聲信號相對較弱，主要集中在兩個峰值的位置，即24MHz與32MHz處。

三、基于局部放電頻譜分析XLPE電力電纜在線監測結論

結合本文的相關分析，能夠得出基于局部放電頻譜，分析XLPE電力電纜在線監測的相關結論，其內容分為兩部分：

（1）采用高頻寬帶電瓷耦合試驗的方式，對XLPE電力電纜的甚高頻信號段的范圍，進行局部放電信號監測。同時，工作人員應該選擇恰當的位置，合理的安裝傳感器，基于這樣的方式減少信號傳輸過程中的損失。另外，基于這樣的在線監測技術方式，還可以將中心頻率為20MHz高頻局部放電信號的特征量、信號波形等，進行全面的、準確的采集，為數據的分析提供有價值的條件，主要是因為信號在線監測技術的靈敏度，高達1pC，可以滿足XLPE電力電纜局部放電的相關需求，保證結果的精準性。

結語：綜上所述，XLPE電力電纜在運行的過程中，存在著局部放電的現象，影響其運行的穩定性。為了能夠解決這一問題，就應該發揮局部放電頻譜的作用，實現對XLPE電力電纜的在線監測。在這一基礎上，可以提高監測結果的準確性，為相關的治理工作提供參考，保證XLPE電力電纜能夠安全運行。所以，結合文本的分析發現，基于局部放電頻譜，對XLPE電力電纜在線監測結果進行分析，其具有較強的可行性。

參考文獻：

[1]劉凱.基于無線通信技術的XLPE電纜局部放電在線監測系統的研究[D].西安理工大學，2017.

[2]趙法強.局部放電在線監測技術在電力電纜運行中的應用[J].中國高新技術企業，2016（35）：70-72.

[3]姜蕓，周韞捷.分布式局部放電在線監測技術在上海500kV交聯聚乙烯電力電纜線路中的應用[J].高電壓技術，2015，41（04）：1249-1256.