改進電磁耦合法在振蕩波局部放電試驗中的應用*

李夢滔，張國志，萬子逸，周濤，萬航，周凱

(1.云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650000；2．四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

0 引 言

振蕩波測試技術(Oscillation wave test system, OWTS)在國內發展已有十多年歷史，振蕩波耐壓與振蕩波局部放電試驗裝置也被廣泛地應用到電力現場中以評估電纜的絕緣水平與缺陷情況[1]。

OWTS在國內發展迅速，研究者也開展過較多研究。文獻[2-3]對比了振蕩波與交流電壓下多種缺陷的局部放電單次波形與局部放電相位圖譜，發現兩者之間各項特征有較多相似性。文獻[4]提出基于希爾伯特黃變換對振蕩波下的不同局部放電信號進行模式識別，文獻[5-6]考慮局部放電的時頻特征提出不同的方法增加振蕩波系統缺陷定位的準確性。上述大量研究證實了OWTS可代替交流對電纜及其它大容量試品進行局部放電試驗并實現缺陷定位工作。振蕩波因其較強帶負載能力往往用于長電纜測試中，然而，電纜中信號衰減極大地限制了系統的測試能力，提高局部放電傳感器的靈敏度是增加振蕩波測試距離的有效途徑。目前國內研究機構的振蕩波局部放電的測試方法一直采用行業標準DL/T 1575-2016[7]推薦的脈沖電流法。該方法能夠有效耦合出小容量試品中的局放信號，而對于大容量的長電纜試樣的耦合效率并不高，因此脈沖電流法應用于振蕩波測試存在一定局限性。在振蕩波測試系統中，更靈敏的測試方法仍有待研究。

為提高振蕩波系統局部放電檢測的靈敏度，本文提出利用高頻電流傳感器套接電纜屏蔽層外進行測量，通過理論模型分析與實驗測試分析比較電流耦合法與傳統脈沖電流法的特點，并確定適用于長電纜的局部放電測試方法。

1 振蕩波局部放電檢測系統

1.1 脈沖電流法

振蕩波電源利用試品電容Cx與電感諧振Lx共同組成了串聯諧振回路，原理如圖1所示。開始階段高壓開關斷開，直流電源直接作用在試品兩端，對電容充電，充電電壓為振蕩波的初始振蕩峰值；充電完成后高壓開關閉合，直流電源通過限流電阻接地，試品與諧振電感構成串聯諧振回路，試品兩端承受阻尼振蕩電壓。其振蕩頻率f由諧振電感Lx和試品電容Cx決定。

圖1 振蕩波系統設計圖

當振蕩電壓超過缺陷處局部放電起始電壓，電纜內部將產生局部放電，局放信號沿著纜芯和屏蔽層橫向傳播，需要特定的傳感器將信號耦合出來。行業標準DL/T 1575-2016[7]推薦采用電容分壓器作為耦合電容，串聯接入檢測阻抗Zm耦合出電纜中的局部放電信號。檢測阻抗Zm通常由耦合電抗Lm與分壓電阻Rm構成，電容分壓器可等效為電容值為C0的耦合電容，Z和Cx分別為電纜的等效阻抗與對地等效電容，測試回路等效圖如圖2所示。

圖2 脈沖電流法局部放電測試回路

電流檢測包括光伏陣列輸出電流、蓄電如圖2所示，當原邊被測電流Ip產生的磁通量與霍爾元件輸出信號控制的副邊電流Is通過副邊線圈所產生的磁通量相平衡時，副邊電流Is即能精確地反映原邊電流。Is可通過采樣電阻R將電流量轉換成電壓信號，供信號處理電路采集。

在檢測阻抗支路上，耦合電容C0與耦合電感Lm構成串聯諧振回路，諧振頻率f0=1/2π ，當局部放電中心頻率fp與回路諧振頻率f0接近時，即f0≈fp，該支路的阻抗最小，大部分的局部放電電流能夠從該支路通過。為提高該方法的測量精度，通常希望耦合電容C0不小于試品電容Cx。然而在振蕩波測試系統中，被測對象通常為長電纜，其等效電容通常在50 nF以上，而測試用的耦合電容通常為1 000 pF，即Cx遠大于C0。使得在現場測試過程中，局部放電信號被耦合進測試回路的效率不高，使得該測試方法的靈敏度存在局限性。同時，該方法的測試系統直接接入到高壓回路中，容易受到線路中的低頻信號干擾，使測量得到的局部放電信噪比較小。

1.2 改進電磁耦合法

利用高頻電磁傳感器(HFCT)感應回路中的局部放電是一種較為常用的檢測手段。HFCT基于Rogowski線圈(羅氏線圈)原理制成，其本質是一種I/V轉換器型的電流傳感器，其結構原理如圖3所示，等效電路如圖4所示。

圖3 HFCT結構原理圖

圖4 HFCT等效電路圖

其中M是線圈的互感；Rt為電纜線路等效電阻；Rs是線圈的等效電阻；Ls是線圈的自感；Cs是線圈的等效雜散電容；Rc是線圈的積分電阻。

HFCT的傳輸系數可表示為：

(1)

HFCT傳輸阻抗可表示為：

(2)

HFCT在測量局部放電中應用廣泛，但較少應用在振蕩波測試系統中，按照傳統HFCT的套接方式，可分為圖5兩種情況。當HFCT套接在地線回路中，如圖5(a)所示，回路中的諧振電流將被感應出來，同時地線中存在大量噪聲干擾，使測試出來的信號信噪比不高，難以實現定位。當電纜絕緣缺陷發生放電時，纜芯與屏蔽層上的脈沖信號往往是大小相反，因此當HFCT套接在纜芯上時，如圖5(b)所示，將同時感應到纜芯與屏蔽層上的局放信號，兩者信號相互抵消使得測量得到的信號較小。

圖5 HFCT兩種常用接法

本文利用HFCT的測試方法在圖5(b)的方式上進行改進，電纜屏蔽層采用單端接地，即套接HFCT端的屏蔽層不接地，如圖6所示。當缺陷處產生局部放電時，纜芯和屏蔽層上的脈沖電流信號將同時傳至HFCT位置，由于HFCT的位置恰好在屏蔽層末端，屏蔽層上的局部放電能立即放射回來。對于末端懸空的屏蔽層，反射電流信號將與入射電流信號方向相反，因此，原信號將被完全抵消，該位置處的HFCT將不會測到屏蔽層上的電流。

圖6 HFCT改進接法

利用改進電磁耦合法，能夠有效測到纜芯中的局部放電信號，該方法未與高壓電路直接連接，能較大程度減小干擾信號。

2 兩種測量方式的對比

為對比長電纜中傳統脈沖電流法與改進電磁耦合法的測試效果，在實驗室分別搭建了兩種測試系統。測試對象為YJLV8.7/10-35三相同芯電纜，電纜長度為500 m，等效電容為86.5 nF，檢測阻抗裝置配合500 pF耦合電容進行測試。HFCT的傳輸系數與傳輸阻抗如圖7所示。

圖7 HFCT性能測試曲線

根據測試結果可以得到該HFCT的-6 dB帶寬為218.31 MHz，上下限頻率分別為2.5 MHz和220.66 MHz。最大靈敏度為5.83 V/A。

2.1 脈沖校準測試

將校準脈沖發生器接入電纜首端，電纜另一端懸空放置。通過調節校準器的輸出檔位，依次輸入電荷量值2 000 pC、1 000 pC、500 pC、250 pC、100 pC、50 pC、25 pC、10 pC，分別接入檢測阻抗測試回路與HFCT傳感器進行檢測，測得不同測試系統的峰峰值如圖8所示。

圖8 兩種測試回路的脈沖校準

從圖8的測試結果可以看出，HFCT的測試靈敏度更高，在注入電荷較大時，HFCT能夠耦合出更大的電壓值，而當注入電荷小于100 pC后，檢測阻抗已不能明顯的測出脈沖信號，而HFCT測測量精度能夠達到10 pC。由此說明，對于大容量的被試品，脈沖電流法的測試靈敏度較低，難以滿足行業標準中20 pC的要求[8-10]。而HFCT的測量不受試品容量的限制，具有更高的測試精度。

2.2 振蕩波測試

實驗對象500 m長電纜中段250 m存在半導電層搭接不良缺陷，按照圖1搭建了振蕩波局部放電測試系統，并分別用檢測阻抗測試回路與HFCT傳感器測量系統中的局部放電。當外施振蕩波電壓達到1.7U0時可以觀察到明顯局部放電信號，兩種測試結果如圖9所示。

圖9 兩種測試回路的實測效果

可以看出檢測阻抗回路由于直接與被測試品并聯，振蕩波電壓也被耦合進測試回路，使得測量信號為高頻局部放電信號與低頻振蕩波電壓的疊加，經末端反射回的第二次信號難以被觀察到，難以實現缺陷定位。相對而言，通過改進電流耦合法測量得到的信號更為簡單，僅存在局部放電信號，同時也能更為明晰地觀察到遠端反射波信號。由此說明，利用HFCT對振蕩波系統進行測量具有更好的抗干擾能力。

3 結束語

(1)本文提出的改進HFCT接法可以用于振蕩波局部放電測試系統當中；

(2)對于長電纜實驗對象，脈沖電流法的測試靈敏度較低，而HFCT的測量不受試品容量的限制，具有更高的測試精度；

(3)HFCT測量基于非接觸式的電磁耦合法，在實際測試過程中更不易受線路中其他信號干擾，測試結果具有較高的信噪比。