基于脈沖電流法的高壓電纜絕緣放電在線感知研究

譚文勝，萬 元，姜曉峰，潘平衡

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯高壓電纜由于其絕緣性能好，介電損耗系數(shù)比較小，占用空間小，供電可靠性高，大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)高壓配電系統(tǒng)中[1]。一般認(rèn)為高壓電纜在正常環(huán)境中的壽命為30年以上，不過由于電纜絕緣制造過程中氣泡滲入，或者安裝中接頭制作工藝、環(huán)境影響因素等，高壓電纜可能加速絕緣老化，急需對其運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，以預(yù)防重大事故的發(fā)生[1-2]。

局部放電是電纜絕緣劣化的重要標(biāo)志[3-4]，有效地監(jiān)測電纜絕緣的放電對于掌握其絕緣性能、控制運(yùn)行風(fēng)險意義重大[3-4]。本文通過對高壓電纜放電信號特征的分析，研究了一套基于脈沖電流法高頻放電脈沖數(shù)字在線檢測裝置，設(shè)計了用于放電信號感知的高頻電流傳感器與數(shù)字化采集系統(tǒng)，研究了基于時頻聯(lián)合特征提取的干擾抑制方法，從試驗(yàn)結(jié)果上看，能實(shí)現(xiàn)高壓電纜絕緣放電的準(zhǔn)確感知。

1 高頻電流傳感器的設(shè)計

1.1 放電檢測傳感器要求

高壓電纜的放電信號為非平穩(wěn)的電脈沖沖擊信號，該沖擊信號具備以下特征[5-6]：

（1）持續(xù)時間短，高壓電纜放電脈沖一般持續(xù)時間在幾微秒之內(nèi)。

（2）脈沖的上升沿非常陡峭，迅速上升至最大值后立即振蕩衰減，在較短的時間內(nèi)衰減結(jié)束。

（3）脈沖的頻率分布很寬，高頻成分可持續(xù)到幾百兆赫茲。

（4）信號一般比較微弱，沿著傳輸途徑衰減較快，特別是脈沖信號的高頻成分，較短距離即完全衰減。因而可通過脈沖中各頻率成分占比辨識放電位置離測量位置的遠(yuǎn)近。

為準(zhǔn)確捕捉高壓電纜的放電脈沖信號，智能感知傳感器應(yīng)具備以下特征：

（1）檢測頻帶寬，檢測的頻率上限比較高，能實(shí)現(xiàn)較大帶寬的信號檢測。完成高頻段信號檢測時，不會因磁滯效應(yīng)而出現(xiàn)飽和、失真、線性度不夠等。

（2）具有較高的靈敏度，放電信號幅值很小，僅為μA級，須對低幅值的放電信號有效檢測。

1.2 傳感器設(shè)計

傳統(tǒng)磁導(dǎo)率較高的材料為磁芯的電流互感器，由于磁滯效應(yīng)影響，適合于工頻信號及低頻信號的測量，測量高頻段信號容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，高頻信號測量需采用磁導(dǎo)較低的鐵氧體材料作為磁芯，表1羅列了幾種典型低磁導(dǎo)率鐵氧體材料的磁導(dǎo)、中心頻率與截止頻率[5-6]。

表1 不同鐵氧體材料的磁導(dǎo)特性

鑒于高壓電纜放電信號頻帶從幾百千赫茲至幾十兆赫茲之間，因此選用鎳鋅鐵氧體（NiZn200）作為高頻傳感器的磁芯材質(zhì)。

本文設(shè)計的高頻電流傳感器示意圖見圖1所示。

圖1 高頻電流傳感器示意圖

由圖1知，該傳感器從本質(zhì)上講是一種I/V轉(zhuǎn)換器型電流傳感器，其中圓形骨架選擇鎳鋅鐵氧體（NiZn200）材料，并將螺線圈均勻的繞制在骨架上。傳感器原邊只有一匝線圈，副邊為多匝線圈，副邊線圈與被測脈沖電流所產(chǎn)生的磁通相交鏈。當(dāng)有脈沖電流通過傳感器內(nèi)部時，在螺線管的每一匝中就會產(chǎn)生磁通，副邊N匝中產(chǎn)生大小正比于導(dǎo)體中脈沖電流大小的磁鏈，變化的磁鏈經(jīng)電阻R后進(jìn)而又產(chǎn)生變化的電動勢，且電動勢又與電流成正比。

高頻電流傳感器的檢測頻率下限fL、上限fH及電流放大倍數(shù)K見公式（1）～（3）所示[5]。

其中R為積分電阻，Rs為線圈等效電阻，ω為角頻率，Ls為線圈自感，Ls可由公式（4）計算。

其中μ為磁芯導(dǎo)磁率，N為線圈匝數(shù)，h為線圈高度，D1、D2為線圈內(nèi)、外半徑，S為環(huán)形磁芯截面積，l為閉合磁路長度。

本文設(shè)計的高頻電流傳感器檢測頻帶為500 kHz～20 MHz，放大倍數(shù)為 10，經(jīng)計算，選擇積分電阻為1 000 Ω，副邊匝數(shù)為10匝。磁芯圓形骨架的內(nèi)徑為70 mm。外徑設(shè)計為100 mm，高度為20 mm。其外觀見圖2所示。

圖2 高頻電流傳感器實(shí)物外觀圖

圖3為函數(shù)發(fā)生器輸出信號頻率6 MHz，峰峰值100 mV的一次側(cè)電流，高頻傳感器檢測到的信號波形。

圖3 高頻電流傳感器檢測效果圖

2 數(shù)字化采集裝置的軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

高壓電纜絕緣放電數(shù)字化采樣裝置硬件系統(tǒng)包含高頻電流傳感器、信號放大濾波電路、高速數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析主機(jī)。具體見圖4所示。

高頻電流傳感器的輸出頻帶為500 kHz～20 MHz，由公式（5）香農(nóng)采樣定理可知，采樣頻率至少高于信號最高頻率的2倍，才能實(shí)現(xiàn)信號基本輪廓的辨識。

式中，fsH為信號的最高頻率，fa為系統(tǒng)的采樣頻率，因此，為有效辨識放電信號中的高頻成分，裝置設(shè)計的最高采樣頻率為100 MHz，選擇亞德諾公司的高速采樣芯片AD6649作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD6649共分四路，其中三路采集三相電纜的放電信號，另一路采集電壓同步信號。為了保證高速采樣的性能，將控制邏輯和處理邏輯分離，控制邏輯部分利用ARM核實(shí)現(xiàn)，處理邏輯（特別是實(shí)時數(shù)據(jù)的處理）利用FPGA實(shí)現(xiàn)，他們之間通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接，使得FPGA專做邏輯和算法，軟核部分專做嵌入式功能和應(yīng)用開發(fā)，兩者解耦。整個采集與初步計算采用ARM+FPGA架構(gòu)，便于發(fā)揮ARM與FPGA各自的優(yōu)勢，兩者通過內(nèi)存DDR共享采集數(shù)據(jù)，DDR容量大小為1 GB。

圖4 高壓電纜絕緣放電數(shù)字化采樣裝置硬件架構(gòu)

高頻電流互感器耦合高壓電纜放電信號，通過同軸電纜傳輸至放大電路，放大電路采用LM6172電壓反饋放大器組成，放大倍數(shù)為10倍，濾波設(shè)計為高通濾波器，下限頻率為100 kHz。經(jīng)濾波后通過選通開關(guān)和采樣保持器送給AD6649，完成采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)FPGA與ARM處理后，通過網(wǎng)口向外發(fā)送數(shù)據(jù)，外部分析主機(jī)通過TCP/IP協(xié)議獲取高壓電纜放電信息及電壓同步信息。

2.2 軟件設(shè)計

裝置軟件采用VS2010+Access數(shù)據(jù)庫設(shè)計，軟件主界面見圖5所示。

圖5 裝置軟件主界面

按功能分，軟件共分為如下7個模塊：

（1）采集控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)放電數(shù)據(jù)采集時序控制，設(shè)計每次采集100 ms（5個工頻周期）放電數(shù)據(jù)。

（2）噪聲抑制模塊，采用無限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器（切比雪夫1型）抑制信號中的周期性窄帶干擾，采用下文提及的基于時頻聯(lián)合特征提取的噪聲抑制方法剔除脈沖型干擾。

（3）放電指標(biāo)計算模塊，能計算高壓電纜三相對應(yīng)的放電量、放電次數(shù)，NQN等。

（4）放電譜圖計算模塊，用于計算放電譜圖，包括放電量相位譜圖、放電次數(shù)相位譜圖及三維放電譜圖。

（5）數(shù)據(jù)存儲模塊，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲，包括原始波形存儲、放電指標(biāo)存儲、放電譜圖存儲，鑒于采集頻率比較高，原始波形文件數(shù)據(jù)量大，設(shè)計當(dāng)放電指標(biāo)發(fā)生突變時觸發(fā)原始波形存儲，原始放電波形以二進(jìn)制文件形式存儲。放電指標(biāo)與放電譜圖存儲在Access數(shù)據(jù)庫中。

（6）系統(tǒng)設(shè)置模塊，主要用于系統(tǒng)設(shè)置，包括數(shù)字濾波器的通帶，采樣時間周期、脈沖型干擾抑制的閾值、存儲策略等。

（7）人機(jī)界面模塊，用于展示監(jiān)測結(jié)果，并具備歷史趨勢分析、譜圖分析、原始波形分析等功能。

3 基于時頻聯(lián)合特征提取的噪聲抑制方法

高壓電纜絕緣放電在線監(jiān)測最大的技術(shù)難題為現(xiàn)場脈沖型干擾抑制[3-4]，脈沖型干擾主要由于外部電暈、勵磁系統(tǒng)觸發(fā)、電力設(shè)備倒閘操作等引起的脈沖信號耦合到檢測回路而產(chǎn)生的，與放電信號一樣表現(xiàn)為非平穩(wěn)的電脈沖沖擊信號，很難將其與放電信號分離[3-4]。

本文主要采用時頻聯(lián)合數(shù)字信號分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)絕緣放電脈沖的辨識與干擾的剔除，其理論依據(jù)為：來自同一干擾源或同一位置的放電經(jīng)過長距離的信號傳輸后到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)，在時域、頻率波形上具有類似性，不同位置的放電脈沖或者放電脈沖與干擾信號，其時域、頻率波形存在顯著的差異[3-4]。因此，通過提取原始采集脈沖的時域特征、頻域特征，并進(jìn)行聚類分析與模式識別，即可識別放電脈沖與干擾脈沖。

文獻(xiàn)[3]研究結(jié)論，等效脈沖時間參數(shù)T（時域特征參數(shù)）、等效帶寬參數(shù)Feq（頻域特征參數(shù)）能有效辨識放電與干擾，計算方法見公式（6）～（8）所示。

其中s（ti）表示脈沖在時刻ti的時域幅度，s（fi）表示脈沖在頻率fi的頻域幅度。

圖6為某工業(yè)現(xiàn)場100 ms高頻采集信號進(jìn)行脈沖提取后各個脈沖的特征參數(shù)（等效脈沖時間、等效帶寬）分布，對于時頻、頻域波形相似的脈沖，其時頻域特征參數(shù)聚集非常緊密，顯然，根據(jù)脈沖特征參數(shù)，采用K-MEANS聚類算法對各脈沖進(jìn)行分類，并對分類后的結(jié)果逐一分析，即可實(shí)現(xiàn)：（a）放電脈沖與干擾脈沖的分離；（b）不同類型放電脈沖的分離。

由圖6可知，現(xiàn)場原始采集的5個工頻周期信號中的脈沖可聚集成4類（圓圈標(biāo)識），通過對各類脈沖進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)放電與干擾脈沖的分離及不同類型放電的識別。

圖6 現(xiàn)場脈沖的時域、頻域特征參數(shù)分布

4 試驗(yàn)室測試

在試驗(yàn)室構(gòu)建模擬高壓電纜放電試驗(yàn)平臺（模擬尖端放電）對高壓電纜絕緣放電數(shù)字化采樣裝置進(jìn)行測試，圖7為檢測到的放電圖譜。

圖7 試驗(yàn)室檢測到的放電圖譜

由圖7知，本文提出的方法及研制的裝置能有效地檢測高壓電纜絕緣放電。

5 結(jié)語

高壓電纜的絕緣缺陷是導(dǎo)致電纜故障的最主要原因，而電纜絕緣擊穿80%以上是由電樹枝老化引起的。采用脈沖電流法能有效地感知高壓電纜的放電信號，結(jié)合時頻聯(lián)合特征提取的干擾抑制算法，能有效地評判高壓電纜放電的狀況，有利于專業(yè)人員實(shí)時掌握電纜絕緣狀態(tài)和老化趨勢，對于預(yù)防高壓電纜引發(fā)的事故，并制定合理合適的運(yùn)維策略有著十分重要的意義。