電纜接頭局部放電在線監測方法

國網北京城區供電公司 郭原湖

1 引言

隨著現代工業的快速發展和城市化水平的提高，各行各業對電力的需求也與日俱增。電力電纜作為輸電系統的重要組成部分，其運行狀況會對電網運行安全產生直接影響。基于此，為確保電網能夠正常運行，有必要隨時監控電纜接頭的絕緣狀況。電纜接頭局部放電在線監測是根據最新技術發展出的一種絕緣檢測方法，具有精度高、實時性好、效率高的優點，目前已得到了廣泛的應用。

2 常見電纜接頭缺陷

研究結果表明，大部分的絕緣擊穿事故都發生在電纜接頭處。按連接方式分為套管式、澆注式、預制式等。其中，預制式接頭由于安裝簡單、質量可靠，而得到了廣泛使用。但預制式接頭存在以下缺點：一是內部絕緣出現缺陷，這種缺陷一般發生在制造電纜接頭生產時。因為廠家在出廠時會對所生產的電纜接頭進行質量檢測，所以很少會出現內部絕緣故障。二是連接接口的問題，該問題是造成電纜接頭絕緣失效的重要因素。在制造電纜接頭時，必然會存在有一定的空間，使同一段電纜的絕緣外直徑差別較大（通常額定絕緣的外徑大于實際的外徑），進而導致電纜接頭絕緣性能下降。

3 電纜接頭局部放電在線監測

3.1 電纜局部放電信號傳輸特性研究

為了解電纜的局部放電特性，需要對電纜的局部放電信號進行分析。電纜局部放電信號以強上窄的脈沖為主，并有多種頻率成分。分析監測結果可知，電纜絕緣老化時，其頻段頻率較高，且局部放電信號的衰減速率較快[1]。圖1為局部放電在線監測系統原理。

圖1 電纜接頭局部放電在線監測系統運行原理

3.2 電纜接頭局部放電在線監測系統設計

傳感器利用EMI 技術獲取電流信號，經過預放大電路放大，放大后再送入監控系統進行濾波，最后把模擬信號轉換成數字信號。在此過程中，該系統可以過濾掉白噪聲和連續周期干擾。而遠程終端的功能，就是分析這些信號，判斷有沒有報警的必要，并將數據輸入數據庫中。

3.3 傳感器

在線監測系統基于局部放電信號的高頻特性，選擇15kHz～20MHz 頻帶的Looss 線圈來保證信號采樣的靈敏度和準確性。同時，應根據實際情況對互感M 值做出調整，并盡可能降低線圈與外殼之間的分布電容值。另外，線圈的旋轉數增加時，自感L 值也會增加，進而使得線圈內部電阻和分布容量增加。要獲得最佳方案，必須綜合把控以上所有參數。

3.4 前置放大器

前置放大器有較多類型，不同類型設備的性能存在較大差異。基于電纜接頭局部放電信號強度較弱的特征，前置放大器應滿足以下要求：首先，由于局部放電信號強度小，所選用前置放大器的偏置電壓和偏置電流也應較小。其次，前置放大器必須具有高度穩定性和可靠性。再次，電纜接頭局部放電信號的頻率集中在10kHz～20MHz，所以前置放大器單元的增益帶寬必須高于200MHz。最后，初始微弱干擾信號通過多次級聯放大，會導致信噪比降低，進而導致信號處理困難，因此前置放大器級聯不應超過3級。由此，宜選用3級級聯放大電路，每一級放大倍數為10倍[2]。

3.5 濾波單元

電纜工作壓力大，且工作環境中存在許多EM信號。由于局部干擾信號的頻率成分不同于局部放電，故采用頻譜分析方法可以實現濾波操作。常規的濾波器元件包括無源元件、電阻器、電感、電容等。而隨著集成運放技術的出現，有源濾波技術又有了全新發展，其既有較高的輸入阻抗，又有較小的輸出阻抗。此外，有源濾波器的階次愈高，其濾波效果愈佳。因此，采用二次電壓控制的低通濾波器，可以較好滿足電纜接頭局部放電信號的檢測要求。濾波電路的傳遞函數如下所示：

分析上述方程式可知，只有當AVF＜3（AVF恒大于1）時,低通濾波器才能正常運轉。若AVF＞3，會影響濾波穩定性。

3.6 監測單元

在電纜接頭局部放電在線監測系統中，監測單元是關鍵的部分。當連接線出現故障時，會產生一個較大的脈沖信號，持續時間僅有納秒，并且會迅速衰減。監測裝置利用記錄器采集線纜接頭的局部放電信號，其工作原理是將一對金屬薄板與線纜的兩端相連，通過電極采集局部放電信號，然后對輸入脈沖進行控制。當局部放電信號出現在電纜接頭一端，另一端就可以看作是一個耦合電容，其可以把羅氏線圈和局部放電的脈沖信號結合起來。監控裝置的總體配置示于圖2中，實線代表模擬信號，而虛線代表數字信號[3]。

圖2 監測單元結構

監測單元組件：

濾波器：其可以過濾電壓、頻率等信號，避免在零序時產生較大誤差。

極性探測：通過測量電壓信號的極性，進而探測到局部放電信號的零序相位。

微分電路與絕對值電路：通過微分電路將所得=Va和Vb相減，實現對干擾型號的抑制，設相減所得結果的絕對值為VPD。

閾值檢測：若獲得的VPD信號高于設定閾值VT，將所獲得信號識別為有效信號，否則識別為干擾信號。

峰值保持：在DSP 發送重置命令前，保持VPD處于峰值（VP）。

電荷檢測：在DSP 發送重置命令前，在每一個峰值保持時間（TR）內比較VPD與VP兩者大小。若VPD＞VP，則脈沖峰值更高。

DSP：選擇運算速度為150MHz、浮點數為32比特的高性能TMDSDSK33處理器。該處理器能夠接收并處理PD 傳感器的單個脈沖分辨率。

模擬轉換器：最大采樣頻率48kHz，輸入電壓在0～1.5V 范圍內。圖3為局部放電在線監視單元的信號收集過程[4]。

圖3 監測單元信號采集流程

DSP 的數據處理速度為150MHz，遠遠高于數字模式轉換器的48kHz。所以，該軟件沒有使用中斷方式，而使用了循環編程方式，以確保DSC 內部存儲的數據不會丟失。將用于測量電循環信號的循環次數設置為40次，兩次相繼測定間的間隔為5min。按時間劃分，每一周期的電氣循環信號可以被分成600個片段，并且每一個片段之間的時間間隔為20.83μs。在此，初始化意味著重置時刻數T 和所述周期數c，峰值檢測則是給各周期性電循環信號對應的相位窗口分配局放監測信號中符合條件的VP。

4 電纜接頭局部放電在線監測干擾抑制

4.1 電纜接頭局部放電在線監測中干擾抑制的重要性

在局部放電的在線監測過程中，抑制信號干擾是非常重要的步驟。干擾信號降低了監測系統的靈敏度和可靠性，進而導致監測結果的準確性下降。而由于電纜接頭局部放電信號的脈沖頻率范圍較廣，存在各種類型的潛在干擾信號，檢測和識別工作也因此顯得更加困難。

4.2 干擾信號的來源和分類

干擾信號按來源可分為天然干擾與人工干擾，天然干擾多為自然現象，閃電、宇宙輻射等都能引起自然干擾。人為干擾則主要是由電力系統工作產生大量電磁波引起的，包括電力系統中的電壓波動，或者是大電流線路上的高壓電磁場等。

干擾信號按時間頻率特征可劃分為周期干擾和脈沖干擾,周期干擾、功率矢量干擾和無線電干擾均屬于周期干擾。此類干擾具有固定波形（以正弦為主），其波段和振幅也比較穩定。脈沖干擾、電力線或電纜的高電壓放電凸起、電力設備局部放電、電纜接地接觸不良等都是脈沖干擾，這種干擾的頻段和共振頻率是不確定的。

根據干擾與電源之間的關系，將干擾信號分成兩類，一類是與電源有關的干擾，主要是由于線路和高壓端電暈放電，以及其他電力裝置的局部放電所致。二是與電源不相干的干擾，這種干擾主要是由電磁耦合作用在監測系統中引起的，其強度一般與干擾源和探測系統的距離相關，而且隨著距離的增加，信號強度同比降低。

4.3 干擾抑制措施

第一種方法是差動均衡法。該方法通過判斷脈沖信號和放電干擾信號的電纜接頭中的電流的流動，從而實現對局部放電和干擾信號的識別。差分平衡法需要對傳感器要求較高，不同傳感器所產生的電流不同，會極大影響到干擾抑制效果。

第二種方法是脈沖極性判別。電纜連接處內部放電信號所產生的脈沖電流與內部電容間脈沖電流的極性相反，而外部干擾信號所生成的脈沖電流則與內部電容間脈沖電流具有同樣極性，因此能夠將局放信號與脈沖式干擾區別開來。但是這種方法的局限性在于：當外界有持續的周期干擾信號時，用來探測極性的器件很可能會出現混亂，從而會影響常規的局部放電信號測量。因此，為了濾除持續的周期性干擾，經常需要加入過濾器。

第三種方法是數字濾波技術。目前，自適應濾波方法已被廣泛應用。可以基于輸入信號參數自動調整濾波器參數，并且具有高速跟蹤信號的特征。

第四種方法是模擬帶通濾波器。帶通濾波器是一種在實際工程中廣泛使用的干擾消除技術。這種方法主要是通過調整濾波器的波段來實現對干擾信號的抑制，使其波譜分布與局放信號具有很好的一致性。因此，單一的模擬濾波器并不能有效的抑制干擾。這種情況下，組合過濾器是一個很好的解決方法，該濾波器由幾個低通濾波器和一個超通濾波器組成。通過調整開關，可以在不同的工作環境下調整濾光片的頻率，從而優化干擾抑制效果。

第五種方法是小波分析法。小波分析是一種常用的頻率域分析方法，其相位線性特征較好，可以對局部放電信號進行恢復，濾波和消除干擾。通過對所采集的信號進行頻段分析，并對所采集的數據進行波段分析與重建，從而實現局部放電信號的恢復。

4.4 干擾抑制流程

電纜一般工作在高電壓環境中，易受多種因素影響，因此干擾信號種類繁多且可能同時存在。干擾信號的種類不同，其時頻特征也不盡相同，單一的濾波算法不能滿足局部放電信號精確監測的需要。為此，必須根據不同的干擾類型，設計出相應的干擾抑制方案，并將多種方法結合起來，最后得出相應的干擾抑制流程。

在不同的位置，信號強度和干擾波形會有差異。為了確保干擾抑制的有效性，應結合實際情況選擇最優的干擾抑制措施。干擾抑制可分成六個階段，分別為對現場情況進行分析、對周期窄帶干擾頻率的研究、對周期窄帶干擾的消除、對白噪聲的抑制、對周期脈沖的抑制、對隨機脈沖的消除。每個階段都有各自獨立的工作，但是整體上是緊密聯系的，可以影響到其他部分。在特定的應用中，可以根據現場干擾狀況分析，選擇所需步驟而省略不必要的步驟，不必每次都從頭到尾進行一遍[5]。干擾抑制流程具體說明如下：

第一部分，對干擾信號的類型和特點進行了分析。重點對干擾信號的種類、比重、強度進行研究，從而為干擾預防策略（干擾防止層、模塊和方法的選用）的主動提供支持。第二部分，利用計算機對周期窄帶干擾頻率進行分析，為以后的消除工作提供了重要依據。由于在特定的現場環境中，周期窄帶干擾的頻率是比較穩定的，因此不必每一次都重復進行分析。第三部分，利用所得到的窄帶干擾頻段和級聯二階IRI陷波濾波器，實現對周期窄帶干擾的有效抑制。第四部分，采用基于SWD 的波形閾值法對信號進行處理，以去除局放信號中的白噪聲。第五部分，對周期性的脈沖干擾進行消除。第六部分，對隨機性的脈沖干擾進行排除。

5 結語

隨著我國電力系統的不斷發展，電力系統中的電力電纜的使用率不斷提高。而一旦電纜線路出現故障，將會導致重大的經濟損失，因此有必要實時監測電纜運行情況，特別是電纜接頭絕緣狀況。為了對電纜接頭的絕緣狀態進行實時監控，采用了基于局部放電的在線監測技術，并對其進行了評價分析，這一系統可以有效預防電纜接頭絕緣故障發生，進而提高輸電線路穩定性。