分布式局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李 虎 王 劍 王 泉 李鐵軍 王海默 秦 鐘 趙志鈺黃 河 潘慶慶 陳紅發(fā)

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外通用絕緣缺陷衡量指標(biāo)是電纜的局部放電量，對(duì)絕緣缺陷的監(jiān)測(cè)僅處在局放測(cè)量和定性評(píng)估的階段，尚未實(shí)現(xiàn)缺陷的位置測(cè)定。國(guó)內(nèi)外廣泛采用離線式局放測(cè)定方案，此方案要求將電纜退出運(yùn)行，并與兩端的架空線路、變壓器和GIS設(shè)備斷開物理連接；然后使用交流或直流高壓發(fā)生器向電纜注入高壓，也可采用高壓串聯(lián)諧振的方法將高壓施加在電纜絕緣上，然后使用局放監(jiān)測(cè)儀測(cè)量電纜放電量。如果相比歷史數(shù)值有大幅上升，則表示存在較快發(fā)展的絕緣缺陷，再通過UHF、超聲和破壞性解剖等手段進(jìn)行排查定位。局部放電檢測(cè)技術(shù)的本質(zhì)難題在于如何提高檢測(cè)結(jié)果的有效性和指導(dǎo)性，其中包括兩個(gè)重要的研究方向：一是電纜局部放電源的定位技術(shù)；二是現(xiàn)場(chǎng)局部放電檢測(cè)的抗干擾技術(shù)。根據(jù)無線電頻譜定義，300～3000MHz頻段為特高頻段。本研究將特高頻技術(shù)應(yīng)用到XLPE電纜的局部放電檢測(cè)，在真型電纜頭實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合HFCT，從缺陷電纜本體上獲取局部放電信號(hào)，通過數(shù)據(jù)分析得出放電結(jié)論。

在國(guó)外，局部放電特高頻檢測(cè)技術(shù)得到較快的發(fā)展。來自荷蘭KEMA實(shí)驗(yàn)室的關(guān)于局部放電的超高頻檢測(cè)研究發(fā)現(xiàn)：局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)頻率成分豐富，最高頻率高于1G，信號(hào)上升沿較陡，脈沖寬度多為納秒級(jí)［2］。Rutgers、Pemen等研究人員對(duì)針-板、沿面、氣隙等缺陷放電時(shí)所產(chǎn)生的特高頻信號(hào)進(jìn)行采集，在300M～1200MHz頻率范圍內(nèi)提取局放信號(hào)并進(jìn)行模式識(shí)別，由此建立基于特高頻檢測(cè)的電力電纜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)［3］。英國(guó)Strathclyde大學(xué)的Judd M D等研究人員進(jìn)行了大量關(guān)于局部放電特高頻檢測(cè)技術(shù)的研究，其對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、傳感器安裝、電力變壓器局部放電超高頻檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、或者是信號(hào)分析處理軟件開發(fā)等都有較為深入的認(rèn)識(shí)［4］。綜合來看，局部放電檢測(cè)技術(shù)還有待深入研究。

1 局部放電信號(hào)獲取

1.1 局放信號(hào)的接收

局部放電是電力電纜設(shè)備上絕緣故障的早期表現(xiàn)。為了識(shí)別PD信號(hào)，傳統(tǒng)的方法是繪制像φ-q和n-φ這樣的二維頻譜，但是，由于在線監(jiān)測(cè)方法的樣本量和冗余數(shù)據(jù)過多，所以實(shí)現(xiàn)起來也并不容易。因此，如何簡(jiǎn)化PD信號(hào)的識(shí)別方法，以及各種PD模式快速、精確、完整地提取PD特征是研究的熱點(diǎn)。

局部放電的接收一般依靠卡在接地線之上的高頻電流傳感器，本文所用高頻電流傳感器實(shí)物圖如圖1所示。而特高頻天線的原理是導(dǎo)體放置在磁場(chǎng)變化的空間內(nèi)，導(dǎo)體有可能產(chǎn)生諧振而將空間的自由波轉(zhuǎn)換成傳輸結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的接收。實(shí)際中常常稱導(dǎo)體為接收天線，其結(jié)構(gòu)往往決定了接收電磁波信號(hào)的能力，只要設(shè)計(jì)合理，天線可以接收到局部放電所產(chǎn)生的超高頻信號(hào)。與接收天線對(duì)應(yīng)的是發(fā)射天線，工作時(shí)是接收天線的逆過程：把傳輸結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成空間的電磁波。這兩種工作在不同狀態(tài)的天線是互易的，即天線用于發(fā)射和接收時(shí)性能參數(shù)相同。表征天線性能的參數(shù)主要有方向圖，方向性、增益、極化特性、帶寬以及輸入阻抗等。

圖1 高頻電流互感器實(shí)物圖

1.2 局部放電檢測(cè)技術(shù)

在電力電纜局部放電帶電檢測(cè)過程中，有效判定被測(cè)樣品是否存在局部放電信號(hào)，并能夠?qū)z測(cè)到的局部放電信號(hào)源進(jìn)行預(yù)定位，是電力電纜局部放電檢測(cè)技術(shù)在漫長(zhǎng)的研究發(fā)展過程中取得的決定性成果。目前，國(guó)際上主要的局部放電定位技術(shù)大部分都依靠現(xiàn)場(chǎng)情況的分析和檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)的、有依據(jù)的理論或數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電力電纜局部放電的檢測(cè)方法主要有：脈沖電流法、振蕩波法、電感耦合法、電容耦合法、光纖溫度傳感法、超聲波法、高頻電流傳感法、特高頻法等［5-8］，其中脈沖電流法檢測(cè)頻帶窄、抗干擾性差，只適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)；振蕩波法只適用于對(duì)斷電切運(yùn)的電纜進(jìn)行離線檢測(cè)；電感耦合法只適用于繞包鎧裝電纜；電容耦合法和光纖溫度傳感法需將傳感器預(yù)置在電纜內(nèi)，不適用于已敷設(shè)電纜的局放檢測(cè)；超聲波法檢測(cè)靈敏度低，不能對(duì)放電量進(jìn)行標(biāo)定；高頻電流法雖檢測(cè)頻帶寬，但抗干擾性較差；特高頻法抗干擾性好，但不能對(duì)放電量進(jìn)行標(biāo)定。

2.3.5實(shí)施長(zhǎng)江綠色生態(tài)廊道項(xiàng)目 啟動(dòng)亞行貸款農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)長(zhǎng)江綠色生態(tài)廊道工程建設(shè)，對(duì)相關(guān)地區(qū)種植業(yè)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)體系進(jìn)行改造升級(jí)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面源污染和水土流失，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效、高產(chǎn)和清潔。

1.3 局部放電信號(hào)的衰減理論

在此引入一個(gè)傳輸常數(shù)γ，對(duì)均勻傳輸線來說，信號(hào)在傳輸了一段距離后，發(fā)生了什么變化，即信號(hào)傳輸線上傳輸時(shí)有什么規(guī)律和特點(diǎn)，就需要用傳輸線的傳輸常數(shù)γ來表征。傳輸常數(shù)γ包含固有衰耗常數(shù)（α）和固有相移常數(shù)（β）。固有衰耗常數(shù)α反映了處于匹配連接的線路上，在能量損耗方面的傳輸規(guī)律，固有相移常數(shù)β反映了信號(hào)傳播過程中相位的變化。

線路的傳輸規(guī)律得出傳播公式：

式（1）即為長(zhǎng)度為l的傳輸線路的傳輸方程，可以看出，輸入電壓或電流的變化取決于參數(shù)γ，γ反映了傳輸線固有的傳輸規(guī)律，即為傳輸線的傳播常數(shù)，而γ數(shù)值的大小，取決于傳輸線的一次參數(shù)和傳輸頻率。令γ＝α+jβ，有：

其中，α為衰減常數(shù)，β＝ω／v為固有相移常數(shù)，ω為信號(hào)的固頻率，v為信號(hào)傳播的速度。由此可知：

1）αl總是正數(shù)，線路愈長(zhǎng)（l越大），｜U0｜愈小，說明信號(hào)沿傳輸線長(zhǎng)度按指數(shù)規(guī)律衰減。

2）對(duì)同一線路而言（l一定），α愈大，｜U0｜愈小，由此可知，在同一區(qū)間，α較大的傳輸線信號(hào)受到的衰減也愈大，所以α是傳輸線上信號(hào)衰減程度的度量，稱為線路的衰減常數(shù)。

所以傳播常數(shù)γ表征電磁能量沿線路傳輸單位長(zhǎng)度對(duì)電壓或電流的振幅和相位的改變，其中α表征幅度的衰減，β表征輸入與輸出端之間相位的變化。

2 局放信號(hào)傳輸衰減特性仿真

局部放電檢測(cè)的最大問題在于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中存在著嚴(yán)重的電磁干擾。大量研究表明，現(xiàn)場(chǎng)干擾噪聲的頻譜通常低于400MHz。在低頻法局部放電測(cè)量技術(shù)中，由于其檢測(cè)頻帶較低，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的各種干擾將“淹沒”于被測(cè)電纜附件內(nèi)部的局部放電信號(hào)。而在特高頻段（幾百M(fèi)Hz甚至GHz），大量的干擾不會(huì)被耦合到。由于特高頻檢測(cè)頻率高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，故其檢測(cè)技術(shù)近年來發(fā)展很快。UHF（特高頻）方法在GIS和變壓器局放檢測(cè)中已經(jīng)獲得了比較成功的應(yīng)用。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，將ATP電纜模型中的屏蔽層作為半導(dǎo)電層，將鎧裝作為屏蔽層，以模擬真實(shí)電纜情況，對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真，在相同輸入頻率及傳輸距離下，仿真數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，差異不超過10%。

2.1 仿真模型

仿真中，每段電纜固定為100m，每200m設(shè)置一觀測(cè)點(diǎn)，總計(jì)1600m。在線路中注入一單一頻率的正弦信號(hào)，通過調(diào)整信號(hào)頻率，并在不同觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量信號(hào)，對(duì)比信號(hào)幅值。行波傳輸衰減模型如圖2所示。

圖2 行波傳輸衰減模型

2.2 仿真結(jié)果與分析

在10kHz～20MHz內(nèi)取了12個(gè)頻率點(diǎn)，不同頻率下的傳輸衰減情況如圖3～圖5所示。

圖3 10kHz～300kHz行波傳輸衰減情況

圖4 500k Hz～3MHz行波傳輸衰減情況

由圖可見，對(duì)于1km 電纜，按照幅值衰減到10%，頻率上限約10MHz。

具體的行波衰減數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

圖5 5MHz～20MHz行波傳輸衰減情況

表1 10k Hz～300k Hz行波傳輸衰減情況

表2 500k Hz～3MHz行波傳輸衰減情況

（續(xù)）

表3 5MHz～20MHz行波傳輸衰減情況

可以看出，考慮電纜長(zhǎng)度多數(shù)在10km以下，按照信號(hào)衰減至10%，300kHz以下的波形可實(shí)現(xiàn)雙端監(jiān)測(cè)，其頻率上限遠(yuǎn)低于局放信號(hào)頻率，因此對(duì)于長(zhǎng)電纜無法實(shí)現(xiàn)雙端局放監(jiān)測(cè)。

受限制于現(xiàn)場(chǎng)信噪比問題，實(shí)際的監(jiān)測(cè)距離會(huì)低于理論分析值，早期的放電（100pC以下）無法分布式監(jiān)測(cè)。

3 分布式局部放電監(jiān)測(cè)方法

基于前文關(guān)于電纜行波傳輸衰減的仿真研究，對(duì)于1km電纜，頻率上限約10MHz，所以配置監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，按頻率上限約20MHz，幅值衰減至10%，局部放電監(jiān)測(cè)間隔約500m。

3.1 局部放電監(jiān)測(cè)終端的配置方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值1mA～3A及頻率1kHz～20MHz局部放電波形的測(cè)量，基于電磁耦合法的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了用于電纜隱患放電在線檢測(cè)的寬頻帶電流傳感器，該電流傳感器主要由磁心、線圈、信號(hào)放大器、金屬屏蔽盒等組成。

3.2 局部放電監(jiān)測(cè)終端要求

傳感器測(cè)量單元包括負(fù)荷電流，行波電流信號(hào)檢測(cè)等。局部放電監(jiān)測(cè)終端能夠在電纜線路電磁干擾環(huán)境下穩(wěn)定工作，具備自取電功能，支持市電等供電方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路工頻電流、行波電流的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量。

3.3 以接地箱為載體的局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于放電辨識(shí)技術(shù)、定位技術(shù)以及缺陷放電傳感的研究成果，結(jié)合高可靠性供電模塊設(shè)計(jì)、內(nèi)置融合傳感模塊設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)，研制電纜故障與絕緣缺陷內(nèi)置傳感器式接地箱。

然后結(jié)合行波精確定位算法及缺陷波形提取辨識(shí)算法研究成果，設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)構(gòu)架，開發(fā)相應(yīng)的軟件程序，最終建立電纜故障定位與絕緣缺陷預(yù)警系統(tǒng)。

智能接地箱安裝在電纜中間接頭或電纜終端頭附近，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境安裝，電纜井內(nèi)一般采用膨脹螺絲固定方式，如圖6所示。

圖6 智能接地箱安裝示意圖

4 結(jié)束語

基于相關(guān)文獻(xiàn)及行波傳輸衰減仿真數(shù)據(jù)，電纜局放單個(gè)放電波形的頻率范圍主要在20MHz內(nèi)，放電包絡(luò)線的頻率范圍在2.5MHz～5MHz左右。得出結(jié)論如下：

1）在同一區(qū)間，線路衰減常數(shù)越大，傳輸線信號(hào)受到的衰減也愈大；提出了一個(gè)傳播常數(shù)γ來表征電磁能量沿線路傳輸單位長(zhǎng)度對(duì)電壓或電流的振幅和相位的改變。

2）行波在線路中傳播存在衰減和畸變，考慮電纜長(zhǎng)度多數(shù)在10km以下，按照信號(hào)衰減至10%，300kHz以下的波形可實(shí)現(xiàn)雙端監(jiān)測(cè)，其頻率上限遠(yuǎn)低于局放信號(hào)頻率。

3）按照接地箱來配置監(jiān)測(cè)設(shè)備，按幅值衰減到10%，則頻率上限約20MHz，監(jiān)測(cè)間隔約500m。