局部放電指紋庫在XLPE電力電纜測試中的應用

章銘杰

(上海華普電纜有限公司，上海201111)

0 引言

由于電線電纜制造工藝的局限性，交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜中可能存在各種缺陷，如:微孔、雜質、氣泡、半導電層表面突起或凹陷等，這些缺陷點會造成局部場強集中。在外電場作用下，當場強超過缺陷處的耐電強度時就會產生局部放電，所產生的放電脈沖電流會成為電纜在日后運行中極大的隱患。目前局部放電測試被公認為是較好反映XLPE電力電纜質量的重要指標之一。筆者通過提取XLPE電力電纜局部放電特性指紋，建立局部放電指紋庫，對XLPE電力電纜各種缺陷的放電指紋進行對比，能夠準確地對XLPE電力電纜的局放源進行故障診斷。

1 電力電纜局部放電檢測中的經驗圖譜

在傳統局放測試中，測試人員通過看示波器上的放電圖形，大致判斷一部分放電故障的類型。一般而言，XLPE電力電纜中的缺陷，按其局部放電位置可以分為三種:(1)絕緣與內屏蔽層間存在缺陷;(2)絕緣層中存在缺陷;(3)絕緣與外屏蔽層間存在缺陷。絕緣與內屏蔽層間缺陷主要是由于導線或內層半導體的突出、毛刺等造成的，其放電圖譜與圖1a相似;絕緣層中的缺陷主要指的是絕緣介質內部的氣隙或雜質，其放電圖譜與圖1b相似;絕緣與外屏蔽層間缺陷主要是由于外屏蔽層有伸入到絕緣層的突出點和毛刺造成的，其放電圖譜與圖1c相似，且隨電壓上升變化不大。

圖1 局部放電圖形

通過觀察示波器上的放電圖形來判斷局放源，要求測試人員有足夠的局部放電圖形識別經驗，否則容易造成主觀上的判斷偏差，更何況實際測試中會碰到很多似是而非的放電圖形，畢竟實際生產中碰到的放電故障要更復雜，種類更多，有時還會有復合的故障。當你碰到那些非典型的放電圖形時就無法準確判斷故障類型了，顯然靠經驗判斷是不嚴謹的。

2 XLPE電力電纜局部放電特性

2.1 局部放電統計參數

現在市面上的許多數字式局部放電測試儀都能用于XLPE電力電纜局部放電測量、分析和診斷，并能進行實時數字信號處理，可以方便地顯示放電圖形和存儲大量的測量數據。經過數據處理可以得到各種局部放電基本參數及各種分布函數，并由此計算出描述局部放電各種分布狀態的統計參數，即指紋特征。采用這些參數可以定性和定量地分析XLPE電纜局部放電的特性。

為了描述XLPE電纜的局部放電特性、診斷識別放電類型，國際和國內大量文獻介紹了多種表征局部放電特性的物理參數。根據各參數的屬性，可以分為三種類型:基本參數、時間分布參數和相位分布參數。每種放電參數從不同的角度來描述絕緣中的局部放電信息，只有將這些參數結合起來，才能全面地了解XLPE電力電纜中的放電情況。

局部放電基本參數包括:視在放電量PD、放電重復率N、放電相位角φi。

時間分布參數包括:平均放電量 qmean(t)、最大放電量qmax(t)、放電電流 I(t)、最大放電能量Wmax(t)、平均放電能量 Wmean(t)、放電功率P(t)、放電次數Nq(t)、放電二次率D(t)等。

相位分布參數有:放電次數的相位分布 Hn(φ)、最大放電量的相位分布Hqmax(φ)、平均放電量的相位分布Hqn(φ)，還有放電脈沖幅值的譜密度H(q)、局部放電能量分布H(p)、局部放電三維分布Hn(φ，q)等。

利用上述各種參數通過統計計算，做成各種放電指紋圖譜，就能比較全面地描述其概貌，從而識別不同的放電類型，為診斷提供依據。常用的放電譜圖有以下幾種:

(1)q－φ譜圖。不同相位(外加工頻正弦電壓的相位)區間內，發生的視在放電電荷的平均值(或最大值)的分布圖。這表示在外加電壓的不同相位上，放電量大小的分布情況。

(2)N－φ譜圖。不同相位區間內放電次數總數的分布圖，這表示在外加電壓不同的相位上，放電次數的分布。

(3)N－q譜圖。放電量按大小依序排列，取等區間內的放電次數的分布圖。這表示不同放電量的放電次數有多少。

以上幾種譜圖都是二維坐標來描繪，都稱之為二維譜圖。

(4)N－q－φ譜圖。這是以上三種譜圖集合在一個三維坐標上的譜圖，從這個譜圖可以同時看到N、q、φ三個參數的相互分布情況，確定了其中兩個參數后，就可以找到第三個參數值。

本文采用了Hn(φ，q)三維分布圖作為局部放電指紋截圖。

2.2 局部放電指紋的對比試驗

為了進行XLPE電力電纜的局部放電指紋對比統計，我們在工廠進行了XLPE電力電纜局部放電指紋提取，試驗情況如下。

2.2.1 試驗樣品

為了能反映實際情況，我們針對近年來生產的各種規格XLPE電力電纜進行了跟蹤研究分析。在測試中發現，有局部放電的就進行局部放電指紋提取，然后再進行局部放電故障定位，將放電故障點進行解剖提取，在解剖后將故障點的情況記錄在該故障點的描述信息內，以便指紋對比時能夠方便地查閱，這樣將故障點和局部放電指紋一一對照，就能驗證局部放電指紋對比的有效性。

2.2.2 試驗過程

在眾多的試驗中我們列舉試驗結果如下:

(1)1#試品為 8.7/10 kV-YJV-3 ×70mm2XLPE電纜。首先加15 kV工頻電壓，未見局放;然后以均勻的速度升壓，當電壓升至30 kV時，試品出現放電，最大放電量為122pC，Hn(φ，q)分布圖見圖2。

定位找出故障點在電纜外端118 m處，經解剖發現該故障點為絕緣層內一個淺表雜質。

圖2 1#試品Hn(φ，q)三維分布圖

(2)2#試品為8.7/10 kV-YJV-3 ×50 mm2XLPE電纜。同樣，我們將試品直接加至工頻電壓15 kV觀察，未見局放;然后以均勻的速度升壓，電壓升至28 kV時試品開始放電，放電量為43pC，Hn(φ，q)分布圖見圖3。

通過定位找到脈沖故障點在電纜外端466 m處，經解剖發現該故障點為一個黑色雜質在絕緣層內。

(3)3#試品為8.7/10 kV-YJV-3 ×70 mm2XLPE電纜，加15 kV工頻電壓，未見放電;繼續升高工頻電壓至17 kV時試品開始放電，最大放電量為39pC，Hn(φ，q)分布圖見圖 4。

對脈沖點進行了定位，找出脈沖故障點在電纜外端224 m處，解剖發現該故障點為絕緣層內靠近內屏蔽附近有一個小的雜質。

圖3 2#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖4 3#試品Hn(φ，q)三維分布圖

(4)4#、5#、6#試品在試驗中發現有局放故障，我們同樣對故障點進行了定位，將故障點取出，發現都是外屏蔽料嵌入絕緣層內，它們的Hn(φ，q)分別見圖 5、圖6、圖7。

圖5 4#試品Hn(φ，q)三維分布圖

(5)7#、8#試品是由于材料問題造成的兩個故障點，通過故障定位發現是在同一根XLPE電力電纜線芯上相距43 m的兩個絕緣內的氣泡，它們的Hn(φ，q)分別見圖8、圖9。

2.2.3 試驗結果討論

在局部放電參數中，基本參數和分布參數可以直接得到，而統計參數要經過對數據的統計處理后才能得到。局部放電的統計參數包括偏斜度(Skewness)、峭度(Kurtosis)、互相關系數(Correlation coef-

圖6 5#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖7 6#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖8 7#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖9 8#試品Hn(φ，q)三維分布圖

ficient)和不對稱度(Asymmetry)等。偏斜度是描述一個隨機變量的概率分布是否對稱的統計參數。峭度是描述一個隨機變量的概率分布集中于均值的程度，或者隨變量的增加速度，即分布函數的變化陡度。

當PD測量完成后，數字局放儀能夠方便地記錄、存儲放電脈沖信號數據，按記錄下的脈沖強度、脈沖數量、分布相位及時間序列等組合進行分類。在不同的分布函數下，將每個放電源的幾何形狀按放電特有的序列繪制出來，這些特性都包涵多種統計算子。比如TE571就含有29種統計算子來描述PD測量特性，這些統計算子的總和就能構成一個放電指紋。

將上述試驗提取的指紋在指紋庫中做了對比，結果見表1。

表1 1#～8#試品局部放電指紋對比統計表

另外，將以上雜質、外屏蔽嵌入和氣泡局放等不同種類的缺陷放電指紋相互比較，相似度最高僅為71.6%。

從表1對比結果來看，指紋對比能夠明確區分局放源的類型，相似度越高就越能確定是同類型局放故障。局放指紋統計判斷的準確度要遠高于人工判斷，比如:3#試品和1#、2#試品對比，在示波器上看到的放電圖形只能都判斷為絕緣內放電，但用指紋統計判斷就能明顯區分出3#與1#、2#試品放電的位置有明顯差異。

隨著指紋采集量的增大，找到高相似度指紋的概率也不斷提高，判斷的精確度就不斷提高。實際應用中相似度90%以上就可算是一大類放電，隨著指紋庫的增大，還可將大類中分出小類，那時可以根據實際情況提高相似度的要求。只要匹配到高度相似的指紋，就能在不解剖電纜的情況下知道XLPE電纜中存在什么樣的故障，因為指紋信息已經告訴你那是什么樣的故障了。

3 結束語

利用數字模型建立的指紋庫能夠較好地識別局部放電故障的性質，能夠準確地判斷出XLPE電力電纜局部放電的放電源頭，而且隨著指紋數據庫的不斷擴大，指紋庫的智能度也不斷的提高。指紋庫的統計數據在實際生產中能分析造成局放的原因，對提高XLPE電纜生產質量有很好的幫助。

［1］Edward Gulski.Digital Analysis of partial discharge［J］.IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation，1995.822-837.