電纜附件局部放電超聲波檢測裝置的設計與實驗

朱英偉，周 凱，游世宇，吳雨波，萬 利，雷 勇

(1.四川大學電氣信息學院，四川 成都610065;2.四川省電力公司阿壩公司，四川阿壩611830)

0 引言

交聯聚乙烯(XLPE)電纜以其優越的電氣性能，良好的熱、機械特性，以及簡便的敷設安裝和運行維護等特點，被廣泛地應用于電力系統各電壓等級的輸電線路和配電網中，并不斷向高壓、超高壓領域發展。目前，在各大城市中電纜附件逐年增多，由于電纜附件本身結構缺陷、制作和安裝工藝不到位，以及運行環境的復雜性，在實際運行中難免會發生一些絕緣故障。

通過與電業局相關技術人員的調研得知，隨著電纜附件運行電壓的增高和長期負荷的累積效應，各種絕緣缺陷容易導致局部放電，引起的電纜故障大多發生在電纜附件及端頭［1-3］。因此，對電纜附件局部放電及絕緣狀態進行監測很有必要。

根據局部放電所產生的物理表象特征分類，目前常用的局部放電檢測方法主要有:脈沖電流法、電磁耦合法、差分法、電容傳感器法、特高頻法、超聲波法、紫外成像法、氣相色譜法、震蕩波法等。其中，局部放電超聲波檢測法不影響電氣主設備的安全運行，而且受工業現場電磁干擾的影響較小［4-6］。當前，局部放電超聲檢測的研究主要包括:聲電聯合測量方法的應用、聲波在絕緣介質中傳播過程和超聲定位的研究、利用聲信號的頻譜特征抑制變壓器磁干擾，以及利用超聲信號進行局部放電模式識別等［7-15］。

本文基于超聲波法對電纜附件進行局部放電檢測實驗研究。超聲傳感器是局部放電超聲波檢測技術的關鍵，本文采用新型高分子材料設計了貼片式超聲換能元件，克服了傳統壓電陶瓷材料靈敏度低的缺點;在信號采集與處理部分的設計上，采用高速采集模塊及網絡數據傳輸方式，以適應電力工業現場的安裝、布置及數據傳輸的要求;針對所設計的電纜附件局部放電實驗，利用時頻聯合分析的方法，提出了判定絕緣缺陷內部放電的方法，以及絕緣缺陷定位的判定。

1 局部放電超聲波檢測原理

經典的局部放電原理是基于電子雪崩或流柱理論的，可以很好地解釋微秒級單脈沖現象。大量的研究表明:局部放電是納秒級放電過程，其時域波形是包含多個連續的、振幅衰減的脈沖，并具有一定的統計自相似性。

根據絕緣介質氣隙放電基本模型，內部氣泡局部放電的力學過程類似于電路中的二階電路的零輸入響應，其力學等效電路如下圖1所示。其中，氣泡的電路表現為Lm;彈性力表現為uc;力順Cm、力阻Rm與氣泡中的氣體成分有關。

圖1 氣泡局部放電的力學等效電路

氣泡中彈性力的受力滿足下式的二階方程

求解力學等效電路方程可得:

可以看出，當氣泡內發生局部放電時，氣泡脈沖電場力的作用下將產生為衰減的振蕩運動，在氣泡振動的作用下周圍的介質中將產生超聲波。等效電路中的電壓uc表示氣泡壁的對外作用力，其值乘上氣泡的表面積即超聲波的聲壓，則超聲波的聲壓正比于電壓uc。

若設氣泡上真實放電量為q，氣泡的擊穿電場為E，則力順Cm的初始值U0即等于擊穿前施加在氣泡上的電場力。得到:

由式(3)可知，超聲波幅值與真實放電量成正比例關系，因此，可以通過檢測超聲波幅值大小來分析局部放電情況。

本文對電纜附件局部放電產生的超聲波進行檢測分析，超聲波信號從電纜終端附件內部放電點通過絕緣層向外表面傳播，通過聲發射傳感器可以將聲信號轉換為電信號，再進行信號處理和診斷。基于超聲波的電纜附件局部放電檢測系統結構原理如圖2所示。實驗所設計的硬件部分主要包括:超聲波傳感器、選通電路、觸發信號調理電路、模擬信號處理電路、數據采集卡、上位機等。

圖2 超聲波局部放電檢測系統結構原理圖

電纜終端附件發出的局部放電信號伴隨著超聲信號，超聲傳感探頭接收到這些聲信號進行聲電轉換，電信號經同軸電纜傳輸至前置信號處理電路。前置信號處理電路具體分為前置放大、選通濾波和信號觸發三部分。在前置電路后端接示波器對波形進行顯示和記錄。經過放大濾波后的電信號由高速采集卡進行數據取樣，轉換為易于分析處理的數字信號，還可以經無線網絡傳輸至遠處的上位機進行處理分析。

2 實驗平臺及檢測系統設計

電纜終端局部放電檢測實驗平臺的接線如圖3所示，該平臺由35 kV的GIS中壓環網柜、插拔式電纜附件終端、進出相電纜、變壓器及具有調壓功能的開關柜等組成。為模擬電纜終端附件由絕緣缺陷引起的局部放電，使用一根漆包線插入電纜終端的絕緣介質之間充當一內部氣隙，利用該氣隙模擬典型的氣隙放電。

由于開關柜出相電纜的電壓為幾十千伏，為了防止電暈產生，必須將其頭部的絕緣套管浸入變壓器油中。為了保證安全和減小干擾，該系統采用一點接地，務必確保各高壓設備的外殼接地，以及各接地線的連通。經該實驗系統測得的局部放電超聲波信號，經過前置電路作放大濾波后，模擬信號可以直接由示波器顯示記錄，同時進入數據采集卡進行A/D轉換，再輸入計算機記錄波形，并進行數據的存儲、處理和分析。

2.1 局部放電超聲波傳感器的設計

和傳統的壓電陶瓷換能器相比較，高分子壓電膜具有動態頻響范圍大、力電轉換靈敏度高、聲阻抗匹配容易、機械性能良好等優勢。本實驗采用柔性的聚合物聲電轉換的傳感元件，并設計成貼片形式以提高整個傳感器的靈敏度。圖4為局部放電用超聲波傳感器貼片，圖5為自行設計的電纜附件局部放電檢測超聲波傳感器。

圖3 實驗平臺接線示意圖

圖4 局部放電用超聲波傳感器貼片

圖5 安裝在電纜附件終端上的超聲波傳感器

2.2 信號檢測及采集平臺

電纜附件局部放電信號檢測及采集平臺的硬件設備，包括超聲波傳感器、信號處理電路盒、數字存儲示波器、無線路由器，以及便攜式計算機等，檢測平臺實物如圖6所示。其中，信號處理電路盒內集成了超聲波傳感器模擬信號的處理電路、高速數據采集卡，以及電源模塊等。

對于35 kV的GIS開關柜終端，超聲波傳感器壓電薄膜的輸出電壓范圍為50～200 mV，而數據采集系統的輸入電壓在±2.5V之間，因此本實驗選擇由共模抑制比較高的AD 817集成運算放大器構成反向比例放大電路，放大電路的放大倍數設計為20倍。根據測試實驗現場噪聲干擾信號的頻率范圍，為了提高檢測系統的靈敏度，需要設計的有源帶通濾波器的通帶帶寬為50～170 kHz。由于局部放電的超聲波信號頻率相對不高，本實驗選用的是NET 2801單通道以太網數據采集卡進行數據采集。

圖6 電纜終端局部放電檢測裝置平臺

3 超聲波檢測實驗結果分析

3.1 超聲波信號強度與運行電壓的關系

圖7 放電幅值與運行電壓之間的關系

以GIS進相電纜終端處的人造缺陷為模型，將超聲波傳感器置于電纜頭局放源處夾緊，將電纜運行電壓緩慢由20 kV調高至32.5 kV，分別對局部放電超聲波信號的放電幅值和放電次數進行數據統計，繪制變化關系如圖7和圖8所示。從實驗結果數據可以看出，檢測到的超聲信號的放電幅值與運行電壓近似為正比關系，放電次數與運行電壓是非線性關系。分析可知，電壓較低時局部放電僅為單純的內部放電，此時放電頻率并不高;隨著電壓等級的升高，局部放電又出現了表面放電分量。所以，放電次數在升壓的中間過程有突然增大的趨勢，而放電幅值通常與氣隙的擊穿場強關系較為密切，故其與電壓近似成正比關系，且不隨放電類型的變化而改變。

3.2 內部放電與電暈放電的識別

圖8 放電次數與運行電壓之間的關系

在電纜附件局部放電過程中，為了說明內部放電與電暈放電在相位上的差異，采用同時記錄內部放電與電暈放電信號相位分布的方式，對兩者進行比較。有無電暈時內部放電相位三維分布情況分別如圖9和圖10所示。

根據各放電情形的三位譜圖分析可知，電暈放電主要集中出現在箭頭標注位置，與內部放電的一、三象限不會重疊，這說明本檢測系統具有識別內部放電與電暈放電的能力。

圖9 無電暈時內部放電相位分布圖

圖10 有電暈時局部放電相位分布圖

3.3 超聲波傳播時延的檢測

考慮局部放電超聲信號的傳播規律及定位問題，將有電暈與無電暈時的放電統計數據在相位上進行對比。從圖11和圖12比較看出，電暈放電在時間上大約滯后內部放電2～3 ms，計算出超聲的等值聲速約為1.5～2.5 km/s。根據超聲波在電纜中傳播的時延檢測，可為電纜附件絕緣缺陷定位提供參考依據。

圖11 電纜附件終端有電暈時放電相位統計圖

圖12 電纜附件終端無電暈時的放電相位統計圖

4 結論

本文以35 kV的GIS開關柜電纜附件終端為實驗研究對象，試制了一套超聲波局部放電檢測系統，并對電纜附件絕緣缺陷的局部放電情況進行在線監測和分析。在傳感器設計上，采用了PVDF壓電薄膜貼片，提高了系統檢測的靈敏度;設計搭建了與傳感器相匹配的信號處理電路盒，具有較良好的信噪比。通過大量的比較實驗驗證，分析結果得到了如下結論:

(1)電纜運行電壓在20 kV至32.5 kV之間，終端附件局部放電超聲信號的幅值與運行電壓近似為正比關系，放電次數與運行電壓是非線性關系。

(2)電暈放電與內部放電的相位分布不同，內部放電主要集中在一、三象限，這說明本檢測系統具有識別內部放電與電暈放電的能力。

(3)根據超聲波在電纜中傳播的時延檢測，可為電纜附件絕緣缺陷定位提供參考依據。

本文對基于超聲波的電纜附件局部放電檢測系統進行了設計和實驗研究，為XLPE電纜的安全穩定運行提供一定的技術支撐。

［1］穆茂武.高壓交聯聚乙烯絕緣電纜線路中的預制式電纜附件［J］.廣東電力，2007，20(4):17-20.

［2］蔣佩南.國產交聯聚乙烯電力電纜擊穿故障的評定和分析［J］.電線電纜，2007(2):1-5.

［3］孫 波，黃成軍.電力電纜局部放電檢測技術的探討［J］.電線電纜，2009(3):38-41.

［4］Krivda A.Automated recognition of partial discharge［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2(5):796-812.

［5］Gaok K，Tan K，Li F.PD pattern recognition for stator bar models with six kinds of characteristic vectors using BP network［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2002，9(3):381-389.

［6］Mohsen F，Hossein B，Emst G.Partial discharge and dissipation factor behavior of model insulating systems for high voltage rotating machines under different stresses［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2005，21(5):5-19.

［7］周 凱，吳廣寧.脈沖電壓下局部放電信號的提取和統計［J］.西南交通大學學報，2008，43(3):319-324.

［8］王 圣.便攜式多功能局部放電檢測儀的原理及應用［J］.高電壓技術，1994，20(1):90-93.

［9］舒乃秋，胡 芳，周 粲.超聲傳感技術在電氣設備故障診斷中的應用［J］.傳感器技術，2003，22(5):1-4.

［10］羅勇芬，孟凡鳳，李彥明.局部放電超聲波信號的檢測和預處理［J］.西安交通大學學報，2006，40(8):964-968.

［11］張 蕾，高勝友，談克雄.油中局部放電超聲信號模式識別的研究［J］.電工電能新技術，2002，21(3):32-35.

［12］劉云鵬，律方成，陳志業，等.局部放電超聲信號的自仿射IFS模型［J］.高電壓技術，2002，28(10):23-25.

［13］周力行，何 蕾，李衛國.變壓器局部放電超聲信號特性及放電源定位［J］.高電壓技術，2003，29(5):11-16.

［14］金廣厚，王 慶，李燕青，等.局部放電超聲信號在變壓器模型中的傳播［J］.高電壓技術，2003，29(9):14-16.

［15］謝 慶，律方成，鄭書生，等.利用超聲相控陣的油中局部放電定位實驗分析［J］.高電壓技術，2010，36(11):2711-2716.