電流諧波法在電力電纜狀態(tài)檢測診斷的應(yīng)用進展

苗 旺，陳 平 ，任志剛，劉弘景 ，桂 媛，劉 勇

（1.國網(wǎng)北京電科院，北京 100075；2.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

電力電纜具有供電可靠性高、受外界因素影響小、占地少、美化城市面貌等優(yōu)點，隨著城市電網(wǎng)的快速發(fā)展，電纜的應(yīng)用越來越廣泛。然而，隨著投運時間的推移，由于受到熱、電、機械、環(huán)境等應(yīng)力因素的不斷影響，電纜會出現(xiàn)絕緣性能、電氣性能和機械性能下降等問題[1-3]。因此，通過在線檢測及診斷技術(shù)實時評估電纜的老化狀態(tài)及老化程度，可以有效避免電纜事故的發(fā)生，有利于提高配電網(wǎng)的運行可靠性[4-5]。

自20世紀(jì)50年代開始，國外便開始研究電纜在線檢測方法，經(jīng)過60余年的研究，國內(nèi)外研究出了直流分量法、直流疊加法、局部放電法、電纜諧波診斷等一系列電纜在線檢測方法[6-8]，并在實際應(yīng)用中逐漸成熟，電纜諧波診斷技術(shù)作為其中一種重要的電纜檢測方法得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。因為諧波會造成損耗增加、設(shè)備過熱、設(shè)備壽命損失、對繼電保護、控制和通信電路的干擾以及對用戶負荷的干擾等方面的不利影響[9-11]，早在20世紀(jì)20年代和30年代電力系統(tǒng)的諧波問題就引起了研究人員的注意。早期研究人員主要關(guān)注高次諧波的危害及其抑制措施等方面的研究，在20世紀(jì)70年代，研究人員開始研究電流所發(fā)出的高次諧波與電氣設(shè)備異常、劣化之間的相關(guān)性，經(jīng)過40多年的研究，電纜諧波診斷技術(shù)逐漸成熟。

本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者在理論研究、試驗驗證和測試系統(tǒng)研制等方面取得的電纜諧波診斷研究及尚待研究的難題，分析了發(fā)展趨勢，并提出了解決上述問題的可能途徑與方向。

1 電纜諧波檢測原理

諧波是指電流中所含的頻率為基波的整數(shù)倍的電量。當(dāng)電纜線芯流過電流時，會導(dǎo)致介質(zhì)磁化引發(fā)磁化電流，在電纜表面會出現(xiàn)束縛面電流如式（1）所示，在電纜介質(zhì)體內(nèi)會出現(xiàn)束縛體電流如式（2）[12]所示。

電纜異常時，介質(zhì)內(nèi)部磁偶極子發(fā)生改變（介質(zhì)磁化），導(dǎo)致磁矩取向在電纜線芯電流磁場作用下重新有序排列，這樣電纜的異常狀態(tài)會在電流的高次諧波成分中體現(xiàn)出來。

介質(zhì)內(nèi)部磁束變化會產(chǎn)生渦電流，并且是電纜電流中奇次諧波的主要來源。圖1所示是電纜中的渦電流示意圖，如果交流電流流過導(dǎo)體，則產(chǎn)生磁束φa,φb,φc,…,φn，由于磁束的變化而產(chǎn)生渦電流Ia1,Ib1,Ic1,…,In1；Ia2,Ib2,Ic2,…,In2等。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部均勻時，電纜電流導(dǎo)致的磁束相同，介質(zhì)內(nèi)部渦電流可以相互抵消。若是電纜介質(zhì)不均勻，如存在空隙、水滴、介質(zhì)老化等或電纜介質(zhì)表面有塵埃、水分附著，那么電纜磁束如圖2所示，磁束B、C與正常時的磁束A不同，這樣會使電纜中產(chǎn)生渦電流，可以反映電纜介質(zhì)的狀態(tài)[13-14]。

圖1 渦電流示意Fig.1 Schematic of eddy current

圖2 介質(zhì)不均勻磁束示意Fig.2 Schematic of inhomogeneous magnetic beams in dielectrics

機械應(yīng)力造成介質(zhì)振動會產(chǎn)生渦電流，并且是電流偶次諧波的主要來源。圖3所示為機械因素導(dǎo)致渦電流的示意圖，當(dāng)電纜出現(xiàn)機械因素導(dǎo)致的沖擊脈沖時，導(dǎo)體在磁場中由于沖擊脈沖存在會受到?jīng)_擊進行微小運動，會產(chǎn)生渦電流A和B[14]。

圖3 機械因素渦流示意Fig.3 Schematic of eddy current caused by mechanical factor

當(dāng)電纜出現(xiàn)應(yīng)力老化時，會導(dǎo)致介質(zhì)磁束變化和介質(zhì)振動，從而產(chǎn)生高次諧波。應(yīng)力老化主要包括熱老化、電壓應(yīng)力老化、環(huán)境應(yīng)力老化和機械應(yīng)力老化。應(yīng)力老化與電纜電流高次諧波之間的關(guān)系如表1所示[14-16]。

表1 應(yīng)力與老化的關(guān)系Tab.1 Relation between stress and aging

經(jīng)過上述對電纜高次諧波與電纜老化關(guān)系的原理分析可以得到存在缺陷的電纜運行時電纜的磁場與電流分布如圖4所示，因此可以通過對電纜電流諧波分析反映電纜老化狀況。

圖4 運行電纜磁場和電流Fig.4 Magnetic field and current in operating cable

2 電纜諧波檢測診斷方法

國內(nèi)外研究人員從仿真、試驗和現(xiàn)場測試3方面總結(jié)分析了高次諧波與電纜老化之間的關(guān)系并逐漸形成了電纜諧波診斷方法，研制出了多種電纜諧波診斷的測量裝置并運用于正常運行電纜的檢測。

2.1 仿真研究

電纜仿真要解決的問題如下：①電纜模型的搭建；②電纜老化與電場變化的聯(lián)系；③電纜老化與磁場變化的聯(lián)系。

有限元法FEM（finite element method）作為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)在電纜電場和磁場仿真中具有廣泛的應(yīng)用。從同軸電纜波導(dǎo)的主模橫波TEM（transverse electromagnetic）出發(fā)，以波動方程為理論依據(jù)，實現(xiàn)對同軸線波導(dǎo)中的TEM波在三維空間的可視化模擬與仿真，能定性和定量地分析帶電量與電介質(zhì)等參數(shù)對同軸電纜波導(dǎo)中電場與磁場的分布規(guī)律的變化[17]。

文獻[18-21]通過有限元法對電纜的電場和磁場進行了仿真，并在仿真中加入了水樹故障，并且改變水樹生長階段，由一個微孔發(fā)展至由水通道連接起來的兩個微孔，在水樹生長過程中觀察磁場和電場強度變化。由圖5得到，隨著水樹的生長，線芯處磁場強度隨之增強，但磁場強度的峰值大小與對應(yīng)位置均不變，出現(xiàn)在第一個微孔的末端，微孔的增加與水通道的出現(xiàn)使絕緣層磁場強度均發(fā)生較為劇烈的波動。從微觀上分析，隨著水樹發(fā)展，最大電流密度均出現(xiàn)在了水樹的末端，但是又由于初始微孔末端分子電流的增加，使得最終磁場強度峰值出現(xiàn)在初始微孔末端。通過仿真分析，可以得到水樹故障會影響絕緣層中磁場分布，導(dǎo)致分子電流密度發(fā)生變化，如圖6和圖7所示。由于這些電流的變化使得線芯中磁通發(fā)生變化導(dǎo)致磁場強度變得不同，磁場變化與電流變化始終聯(lián)系在一起，最終使線芯中產(chǎn)生高次諧波。經(jīng)過仿真研究可以發(fā)現(xiàn)，電纜出現(xiàn)老化現(xiàn)象會伴隨著磁場的變化和分子電流變化，可以通過高次諧波反映其老化程度。

圖5 水樹的出現(xiàn)及發(fā)展對磁場強度的影響Fig.5 Influences of the emergence and development of water trees on magnetic field intensity

圖6 水樹起始階段分子電流密度示意Fig.6 Schematic of molecular current density at the initial stage of water tree

圖7 水樹發(fā)展階段分子電流密度示意Fig.7 Schematic of molecular current density at the development stage of water tree

2.2 試驗研究

國內(nèi)外許多研究人員均對電纜諧波與電纜老化關(guān)系進行了試驗分析，分析了電纜老化與諧波之間的關(guān)系，并且試驗方法逐步發(fā)展完善。

文獻[22-28]報道的試驗研究，均采用老化電纜和正常電纜試樣對比的方式研究老化與諧波之間的關(guān)系。損耗電流測定電路如圖8所示，此電橋電路實現(xiàn)損耗電流諧波分量的測試，標(biāo)準(zhǔn)正弦激勵電壓分別施加在標(biāo)準(zhǔn)電容和XLPE試品上，兩路電流和進入電橋，調(diào)節(jié)電橋平衡，此時容性電流已經(jīng)補償?shù)簦挥袚p耗電流流出，示波器采集損耗電流信號，將該信號進行傅里葉變換得到損耗電流諧波分量信息，進而根據(jù)諧波分量幅值和相位判斷XLPE電纜水樹老化情況。

圖8 損耗電流測定電路Fig.8 Loss current measuring circuit

電橋電路如圖9所示，該方法基于高壓流比器電橋技術(shù)研制而成，其中IX和IS分別是流過樣品和標(biāo)準(zhǔn)電容器的電流，通過電橋中的電阻R和電容器Cd將其分為兩部分：IS1和IS2。在電橋的平衡狀態(tài)下，通過調(diào)整Cd和變比N2，使IS1和IX相互抵消如式（3）所示。

然后只通過調(diào)整Cd使IS2為0，那么變壓器的檢測線圈中出現(xiàn)了與IS2對應(yīng)的輸出電流，由于交聯(lián)聚乙烯材料的tanδ數(shù)量級為10-4～10-3，IS2實際上等于損耗電流。因為變壓器和放大器的頻率特性使放大器的輸出信號失真，因此采用反卷積技術(shù)來再現(xiàn)實際的交流傳導(dǎo)損耗電流及其波形[29-30]。

經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，存在水樹老化的電纜試樣的損耗電流存在較大的畸變，三次諧波分量與水樹長度、擊穿強度等方面密切相關(guān)，與介電損耗測量相比，諧波測量方法在區(qū)分水樹不同階段的發(fā)展測量方面具有更加優(yōu)異的效果。

圖9 電橋電路Fig.9 Bridge circuit

2.3 諧波檢測系統(tǒng)

通過理論研究、仿真和試驗驗證可以發(fā)現(xiàn)損耗電流諧波分量可以反映電纜的老化程度，國內(nèi)外許多研究人員對電纜諧波監(jiān)測系統(tǒng)做了大量研究，使諧波診斷方法能夠廣泛應(yīng)用于電纜在線檢測。目前，電纜諧波監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩類：測量損耗電流和感應(yīng)電流。

2.3.1 測量損耗電流

電網(wǎng)中的電流諧波分量是制約測量損耗電流諧波診斷法用于在線監(jiān)測的關(guān)鍵因素。

Tsujimoto等[29]基于上述試驗損耗電流測試電路研究出了如圖10所示的車載式在線測試系統(tǒng)，此系統(tǒng)的最大測試長度為200 m，可進行劣化測量的測試電纜的最大負載為1 μF，已成功應(yīng)用于實際電纜的測量。

圖10 車載式在線測試系統(tǒng)Fig.10 On-line vehicle testing system

在設(shè)有氣體絕緣開關(guān)裝置的電纜終端運用上述測試系統(tǒng)進行測試時測試信號會受到避雷器和電壓互感器的影響，因此必須移除避雷器和電壓互感器進行測量，可能會使測試時間延長，測試費用增加，因此Tsujimoto等[31-32]提出了一種新的測試電路，以減小避雷器和電壓互感器的影響，電路如圖11所示。這種方法主要是增加電流互感器抑制避雷器和電壓互感器對損耗電流產(chǎn)生的不利影響，并且取得了很好的應(yīng)用效果。

圖11 Tsujimoto等提出的改進測試系統(tǒng)Fig.11 Improved testing system proposed by Tsujimoto et al

李忠華課題組也對電纜諧波診斷測試系統(tǒng)做了大量研究[28，33]，圖12所示為測試系統(tǒng)示意圖，主要由3部分組成：電源部分由調(diào)壓器T1和變壓器T2組成，現(xiàn)場測試時由電纜工作電壓為電源；測試部分與日本研究人員類似采用流比器電橋電路，使電流比較器CT1檢測線圈的輸出為損耗電流，提供損耗電流諧波分量信息，電流互感器CT2的輸出經(jīng)修正后為電網(wǎng)電壓信號，提供電源電網(wǎng)中諧波分量的信息；數(shù)據(jù)傳遞與處理部分通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集存儲到計算機后用Matlab編寫的程序進行快速傅里葉變換，得到諧波分量信息。

圖12 測試系統(tǒng)Fig.12 Testing system

因為上述測試系統(tǒng)在現(xiàn)場測試中需要人工手動調(diào)節(jié)電橋平衡，耗費時間較長，工作效率較低，李忠華課題組經(jīng)過進一步研究開發(fā)出了一套全自動的損耗因數(shù)及損耗電流諧波分量測試裝置，此裝置主要是通過在固定線圈匝數(shù)的情況下對補償電流進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電橋平衡，測試系統(tǒng)示意如圖13所示，在現(xiàn)場測試時流過電纜的電流在電流比較器的比例線圈NX產(chǎn)生磁勢，此時檢測線圈Nd檢測到電纜不平衡信號u2(t)。之后控制系統(tǒng)將檢測到的激勵電壓信號u1(t)和不平衡信號u2(t)通過確定的最小二乘以及可控補償電流算法計算得到補償電流信號，通過電壓控制電流源、補償線圈Nc產(chǎn)生反相磁勢使流比器線圈進行耦合，進行多次補償，最終實現(xiàn)電橋平衡，即流比器零輸出。在平衡狀態(tài)下得到試品損耗因數(shù)及損耗電流諧波分量，實現(xiàn)對水樹老化情況進行分析[34]。

圖13 李忠華課題組提出的改進測試系統(tǒng)[34]Fig.13 Improved testing system proposed by Li Zhonghua team[34]

2.3.2 感應(yīng)電流

Hiroshl等[35-36]研制出了測試裝置并用于現(xiàn)場測試，裝置通過傳感器對電力電纜磁致電流諧波信號進行采集，然后通過處理、分析，并與專家數(shù)據(jù)庫比對，生成診斷報告，預(yù)測電力電纜剩余使用壽命，并可通過連續(xù)檢測診斷形成電力電纜運行動態(tài)趨勢化管理。電纜老化與高次諧波之間的關(guān)系如表2所示[35-37]。

表2 電力電纜老化與電流高次諧波的關(guān)系Tab.2 Relation between power cable aging and high-order harmonic current

兩種電纜諧波檢測方法均用于實際電纜監(jiān)測中，電纜車用于66 kV的電纜測量，李忠華課題組所研制的測試系統(tǒng)用于中壓電纜測量，感應(yīng)電流法的系統(tǒng)用于10 kV以上電纜可以很好地評估其老化特性。

3 諧波分析

因為測得的電流由多個具有不同頻率的周期性電流分量疊加而成。因此，筆者進行了諧波含量分析需要對測量得到的電纜電流進行傅里葉分解，電纜電流與各次諧波的關(guān)系如下所示：

由式（4）可知，總諧波電流有效值Ih為

各次諧波在總諧波中的貢獻率H為

通過測量電纜電流，根據(jù)式（4）對電纜電流進行分解，然后根據(jù)式（6）計算各次諧波的貢獻率，統(tǒng)計分析電纜絕緣老化狀態(tài)與電流的各次諧波成分的關(guān)系。

4 電纜諧波檢測診斷法優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢

4.1 優(yōu)缺點

電纜諧波診斷法的優(yōu)點：①能夠?qū)﹄娎|進行帶電檢測；②檢測范圍廣泛，包括絕緣層、保護層和屏蔽層的狀態(tài)，電纜接頭的質(zhì)量；③檢測方式簡單；④診斷過程對電纜沒有任何傷害；⑤可以詳細評估電纜老化的階段，然后對電纜進行故障預(yù)防。

電纜諧波診斷法的缺點：①易受電網(wǎng)諧波影響；②無法對電纜的故障進行定位；③目前沒有國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。

4.2 發(fā)展趨勢

（1）國內(nèi)外學(xué)者的大量試驗研究表明電纜三次諧波與電纜水樹老化具有相關(guān)性，并且三次諧波分量與水樹長度、擊穿強度等方面密切相關(guān)。但是對其他老化和劣化情況下的電纜諧波情況沒有進行研究，還需要進一步對諧波與電纜老化關(guān)系進行試驗研究。

（2）國內(nèi)外學(xué)者沒有從仿真的角度對電纜諧波與電纜老化之間的關(guān)系進行分析，可以進一步從仿真模擬的角度進行研究。

（3）目前雖然在電纜諧波與電纜老化和劣化之間對應(yīng)關(guān)系有了初步的認識但是其數(shù)據(jù)庫并不完善，需要從試驗和仿真兩個角度進行分析總結(jié)繼續(xù)對數(shù)據(jù)庫進行補充和完善。

（4）目前國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出多種諧波檢測裝置，并且諧波檢測裝置正逐漸向體積小、質(zhì)量輕、非接觸、時間短和精度高的方向發(fā)展。目前總體來看檢測系統(tǒng)主要分為兩類：一類是通過檢測損耗電流進行諧波診斷，需要進一步考慮電網(wǎng)系統(tǒng)中其他非線性元件引起的諧波；另一類是通過檢測磁場進行諧波診斷，此方案需要進一步考慮屏蔽空間磁場的影響。

（5）進一步完善現(xiàn)有的諧波診斷系統(tǒng)，同時推進新的諧波診斷系統(tǒng)的發(fā)展，促進電纜諧波診斷在實際現(xiàn)場的應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文介紹了電纜諧波診斷方法的原理，總結(jié)分析了國內(nèi)外研究人員對電纜諧波診斷法的試驗驗證和研制出的各種諧波診斷檢測裝置，然后對電纜諧波診斷方法的優(yōu)缺點和發(fā)展趨勢進行了分析。雖然國內(nèi)外研究人員對電纜諧波診斷方法做了大量研究，但是目前仍有許多不足之處，需要對諧波診斷方法進行完善，進而實現(xiàn)電纜諧波診斷在實際工程中的廣泛應(yīng)用，保證供配電網(wǎng)的可靠性。