基于脈沖電流法的高壓電纜絕緣放電在線感知研究

譚文勝，萬 元，姜曉峰，潘平衡

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

交聯聚乙烯高壓電纜由于其絕緣性能好，介電損耗系數比較小，占用空間小，供電可靠性高，大量應用于電力系統高壓配電系統中[1]。一般認為高壓電纜在正常環境中的壽命為30年以上，不過由于電纜絕緣制造過程中氣泡滲入，或者安裝中接頭制作工藝、環境影響因素等，高壓電纜可能加速絕緣老化，急需對其運行狀態實時監測，以預防重大事故的發生[1-2]。

局部放電是電纜絕緣劣化的重要標志[3-4]，有效地監測電纜絕緣的放電對于掌握其絕緣性能、控制運行風險意義重大[3-4]。本文通過對高壓電纜放電信號特征的分析，研究了一套基于脈沖電流法高頻放電脈沖數字在線檢測裝置，設計了用于放電信號感知的高頻電流傳感器與數字化采集系統，研究了基于時頻聯合特征提取的干擾抑制方法，從試驗結果上看，能實現高壓電纜絕緣放電的準確感知。

1 高頻電流傳感器的設計

1.1 放電檢測傳感器要求

高壓電纜的放電信號為非平穩的電脈沖沖擊信號，該沖擊信號具備以下特征[5-6]：

（1）持續時間短，高壓電纜放電脈沖一般持續時間在幾微秒之內。

（2）脈沖的上升沿非常陡峭，迅速上升至最大值后立即振蕩衰減，在較短的時間內衰減結束。

（3）脈沖的頻率分布很寬，高頻成分可持續到幾百兆赫茲。

（4）信號一般比較微弱，沿著傳輸途徑衰減較快，特別是脈沖信號的高頻成分，較短距離即完全衰減。因而可通過脈沖中各頻率成分占比辨識放電位置離測量位置的遠近。

為準確捕捉高壓電纜的放電脈沖信號，智能感知傳感器應具備以下特征：

（1）檢測頻帶寬，檢測的頻率上限比較高，能實現較大帶寬的信號檢測。完成高頻段信號檢測時，不會因磁滯效應而出現飽和、失真、線性度不夠等。

（2）具有較高的靈敏度，放電信號幅值很小，僅為μA級，須對低幅值的放電信號有效檢測。

1.2 傳感器設計

傳統磁導率較高的材料為磁芯的電流互感器，由于磁滯效應影響，適合于工頻信號及低頻信號的測量，測量高頻段信號容易出現飽和現象，高頻信號測量需采用磁導較低的鐵氧體材料作為磁芯，表1羅列了幾種典型低磁導率鐵氧體材料的磁導、中心頻率與截止頻率[5-6]。

表1 不同鐵氧體材料的磁導特性

鑒于高壓電纜放電信號頻帶從幾百千赫茲至幾十兆赫茲之間，因此選用鎳鋅鐵氧體（NiZn200）作為高頻傳感器的磁芯材質。

本文設計的高頻電流傳感器示意圖見圖1所示。

圖1 高頻電流傳感器示意圖

由圖1知，該傳感器從本質上講是一種I/V轉換器型電流傳感器，其中圓形骨架選擇鎳鋅鐵氧體（NiZn200）材料，并將螺線圈均勻的繞制在骨架上。傳感器原邊只有一匝線圈，副邊為多匝線圈，副邊線圈與被測脈沖電流所產生的磁通相交鏈。當有脈沖電流通過傳感器內部時，在螺線管的每一匝中就會產生磁通，副邊N匝中產生大小正比于導體中脈沖電流大小的磁鏈，變化的磁鏈經電阻R后進而又產生變化的電動勢，且電動勢又與電流成正比。

高頻電流傳感器的檢測頻率下限fL、上限fH及電流放大倍數K見公式（1）～（3）所示[5]。

其中R為積分電阻，Rs為線圈等效電阻，ω為角頻率，Ls為線圈自感，Ls可由公式（4）計算。

其中μ為磁芯導磁率，N為線圈匝數，h為線圈高度，D1、D2為線圈內、外半徑，S為環形磁芯截面積，l為閉合磁路長度。

本文設計的高頻電流傳感器檢測頻帶為500 kHz～20 MHz，放大倍數為 10，經計算，選擇積分電阻為1 000 Ω，副邊匝數為10匝。磁芯圓形骨架的內徑為70 mm。外徑設計為100 mm，高度為20 mm。其外觀見圖2所示。

圖2 高頻電流傳感器實物外觀圖

圖3為函數發生器輸出信號頻率6 MHz，峰峰值100 mV的一次側電流，高頻傳感器檢測到的信號波形。

圖3 高頻電流傳感器檢測效果圖

2 數字化采集裝置的軟硬件設計

2.1 硬件設計

高壓電纜絕緣放電數字化采樣裝置硬件系統包含高頻電流傳感器、信號放大濾波電路、高速數據采集器、數據分析主機。具體見圖4所示。

高頻電流傳感器的輸出頻帶為500 kHz～20 MHz，由公式（5）香農采樣定理可知，采樣頻率至少高于信號最高頻率的2倍，才能實現信號基本輪廓的辨識。

式中，fsH為信號的最高頻率，fa為系統的采樣頻率，因此，為有效辨識放電信號中的高頻成分，裝置設計的最高采樣頻率為100 MHz，選擇亞德諾公司的高速采樣芯片AD6649作為模數轉換芯片，AD6649共分四路，其中三路采集三相電纜的放電信號，另一路采集電壓同步信號。為了保證高速采樣的性能，將控制邏輯和處理邏輯分離，控制邏輯部分利用ARM核實現，處理邏輯（特別是實時數據的處理）利用FPGA實現，他們之間通過標準總線連接，使得FPGA專做邏輯和算法，軟核部分專做嵌入式功能和應用開發，兩者解耦。整個采集與初步計算采用ARM+FPGA架構，便于發揮ARM與FPGA各自的優勢，兩者通過內存DDR共享采集數據，DDR容量大小為1 GB。

圖4 高壓電纜絕緣放電數字化采樣裝置硬件架構

高頻電流互感器耦合高壓電纜放電信號，通過同軸電纜傳輸至放大電路，放大電路采用LM6172電壓反饋放大器組成，放大倍數為10倍，濾波設計為高通濾波器，下限頻率為100 kHz。經濾波后通過選通開關和采樣保持器送給AD6649，完成采樣保持和A/D轉換，經FPGA與ARM處理后，通過網口向外發送數據，外部分析主機通過TCP/IP協議獲取高壓電纜放電信息及電壓同步信息。

2.2 軟件設計

裝置軟件采用VS2010+Access數據庫設計，軟件主界面見圖5所示。

圖5 裝置軟件主界面

按功能分，軟件共分為如下7個模塊：

（1）采集控制模塊，主要實現放電數據采集時序控制，設計每次采集100 ms（5個工頻周期）放電數據。

（2）噪聲抑制模塊，采用無限沖擊響應數字濾波器（切比雪夫1型）抑制信號中的周期性窄帶干擾，采用下文提及的基于時頻聯合特征提取的噪聲抑制方法剔除脈沖型干擾。

（3）放電指標計算模塊，能計算高壓電纜三相對應的放電量、放電次數，NQN等。

（4）放電譜圖計算模塊，用于計算放電譜圖，包括放電量相位譜圖、放電次數相位譜圖及三維放電譜圖。

（5）數據存儲模塊，控制系統數據的存儲，包括原始波形存儲、放電指標存儲、放電譜圖存儲，鑒于采集頻率比較高，原始波形文件數據量大，設計當放電指標發生突變時觸發原始波形存儲，原始放電波形以二進制文件形式存儲。放電指標與放電譜圖存儲在Access數據庫中。

（6）系統設置模塊，主要用于系統設置，包括數字濾波器的通帶，采樣時間周期、脈沖型干擾抑制的閾值、存儲策略等。

（7）人機界面模塊，用于展示監測結果，并具備歷史趨勢分析、譜圖分析、原始波形分析等功能。

3 基于時頻聯合特征提取的噪聲抑制方法

高壓電纜絕緣放電在線監測最大的技術難題為現場脈沖型干擾抑制[3-4]，脈沖型干擾主要由于外部電暈、勵磁系統觸發、電力設備倒閘操作等引起的脈沖信號耦合到檢測回路而產生的，與放電信號一樣表現為非平穩的電脈沖沖擊信號，很難將其與放電信號分離[3-4]。

本文主要采用時頻聯合數字信號分析技術實現絕緣放電脈沖的辨識與干擾的剔除，其理論依據為：來自同一干擾源或同一位置的放電經過長距離的信號傳輸后到達監測點，在時域、頻率波形上具有類似性，不同位置的放電脈沖或者放電脈沖與干擾信號，其時域、頻率波形存在顯著的差異[3-4]。因此，通過提取原始采集脈沖的時域特征、頻域特征，并進行聚類分析與模式識別，即可識別放電脈沖與干擾脈沖。

文獻[3]研究結論，等效脈沖時間參數T（時域特征參數）、等效帶寬參數Feq（頻域特征參數）能有效辨識放電與干擾，計算方法見公式（6）～（8）所示。

其中s（ti）表示脈沖在時刻ti的時域幅度，s（fi）表示脈沖在頻率fi的頻域幅度。

圖6為某工業現場100 ms高頻采集信號進行脈沖提取后各個脈沖的特征參數（等效脈沖時間、等效帶寬）分布，對于時頻、頻域波形相似的脈沖，其時頻域特征參數聚集非常緊密，顯然，根據脈沖特征參數，采用K-MEANS聚類算法對各脈沖進行分類，并對分類后的結果逐一分析，即可實現：（a）放電脈沖與干擾脈沖的分離；（b）不同類型放電脈沖的分離。

由圖6可知，現場原始采集的5個工頻周期信號中的脈沖可聚集成4類（圓圈標識），通過對各類脈沖進行分析，即可實現放電與干擾脈沖的分離及不同類型放電的識別。

圖6 現場脈沖的時域、頻域特征參數分布

4 試驗室測試

在試驗室構建模擬高壓電纜放電試驗平臺（模擬尖端放電）對高壓電纜絕緣放電數字化采樣裝置進行測試，圖7為檢測到的放電圖譜。

圖7 試驗室檢測到的放電圖譜

由圖7知，本文提出的方法及研制的裝置能有效地檢測高壓電纜絕緣放電。

5 結語

高壓電纜的絕緣缺陷是導致電纜故障的最主要原因，而電纜絕緣擊穿80%以上是由電樹枝老化引起的。采用脈沖電流法能有效地感知高壓電纜的放電信號，結合時頻聯合特征提取的干擾抑制算法，能有效地評判高壓電纜放電的狀況，有利于專業人員實時掌握電纜絕緣狀態和老化趨勢，對于預防高壓電纜引發的事故，并制定合理合適的運維策略有著十分重要的意義。