聲、電聯合檢測技術在電纜局部放電定位中的研究

瞿 磊，劉文紅

（上海電機學院電氣工程學院，上海 201306）

0 引言

電纜作為電力系統的重要組成部分，其絕緣狀態與電力系統的安全穩定有著密切的聯系。然而由于電纜敷設在電纜隧道或直接埋于地下，電纜的運行狀態十分的隱蔽，難以被電力檢修人員掌握，傳統方式下電力運行部門采取對電纜的定期電氣試驗來判斷電纜的絕緣性能[1]。但隨著電力系統的快速發展，傳統方法已難以適應電力系統新的需求。在線檢測方式，既可以不影響線路的正常運行，又能實時反映運行中電纜的實際狀態。具有傳統檢測方法不可比擬的優點，成為電纜檢測的新趨勢。但目前在線檢測技術普遍存在瓶頸[3]：（1）傳感器提取有效信號存在一定困難；（2）在實際現場環境中的強烈的干擾導致信號失真，造成檢測的失敗。如何保證信號的有效提取以及減少干擾的影響是在線檢測技術研究的熱點。因此本文進行了聲、電聯合檢測技術在電纜局部放電定位中的研究。

1 電纜局部放電的檢測方法

針對電纜絕緣檢測的方法主要有：介質損耗因數法，交流、直流疊加法，諧波分量法等。相對于其他方法，電纜的局部放電檢測法由于在局部放電過程中能夠產生電、聲、磁、光、熱等多種物理量，因此檢測方式非常靈活，且局部放電現象與電纜絕緣劣化相關。

當局放點發生局部放電現象時，電信號沿著電纜路徑傳播，通過安裝于電纜兩端的高頻電流傳感器（HFCT）將局放信號提取，計算信號到達傳感器之間的時差即可得出局放點的位置。該方法操作簡單，缺點是容易受到電氣干擾的影響。

（2）超聲法

局部放電發生時也伴隨著聲發射現象，通過壓電晶片將機械波轉化為電能，超聲法一般分為電-聲，聲-聲。由于電纜一般都帶有屏蔽層，電磁信號只能從電纜終端或者中間接頭泄露出來，所以對于電纜本體位置的局放源定位只能采用聲-聲測量定位。超聲法與電測法相比，超聲法完全不受電氣干擾，并且聲波的波速遠遠小于電脈沖的傳播速度，在定位上具有絕對優勢。缺點是聲信號從電纜內部穿透過電纜絕緣層，能量層層遞減，電纜外部的傳播距離十分有限，故不適合遠距離測量。

2 聯合定位的原理及影響因素分析

由于針對同一類信號的測量方法，都有其各自優缺點，無法滿足現場復雜以及不同的定位需求。因此非常有必要采用多種不同對象的測量方法進行聯合。

2.1 電磁耦合法雙端定位

雙端時差定位原理如圖1 所示。在電纜的兩端安裝一對傳感器S1，S2。當發生局部放電時，則會在電纜故障點產生脈沖信號，測量脈沖到達傳感器之間的時間差ΔT，即可求得故障點位置X。L為電纜長度。計算公式如下：

圖1 雙端時差定位原理圖

如果考慮信號從傳感器到上位機在光纖中傳輸的時間，設通信光纖長度差為ΔS，則定位公式如下：

從式中可以看出，忽略電纜長度誤差，耦合法雙端定位的精度主要由電脈沖在電纜傳播中的波速和后臺服務器測得的信號到達時間差共同決定。根據文獻[1]：局放脈沖在電纜中的傳播速度并非定值，波速由電纜材質等因素決定，且信號脈沖在傳播中存在色散效應。高頻分量的傳播速度更快且衰減也更快。而低頻分量傳播速度較慢，衰減也較慢。波速的的不確定性給定位的造成了不利的影響。若要得到精確的波速，需要將給定的脈沖信號注入電纜的一端，脈沖信號到達電纜另一端時發生反射，通過測量發射波與反射波的時差，可以得到該頻率下信號在該規格電纜中的波速。對于要求不高的場合，波速可以取198 m/μs 。

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對于時差的測量，一般采用波頭到達時差或波峰時差，時差的精度主要受以下幾個因素的影響：采集模塊的采樣頻率；雙端時鐘的同步率；內外部干擾信號。通過提升系統的硬件水平如提高采樣頻率、借用衛星授時技術、采用低噪聲電路可有效降低系統自身產生的誤差。對于外部干擾的影響，按其時域波形特征分為白噪聲、周期性窄帶噪聲以及隨機脈沖噪聲。對于白噪聲和周期性窄帶噪聲通過頻域法，選用高頻段信號分量來躲過干擾信號，由于信號在電纜傳播過程中，頻率越高衰減也越快，因此頻率的選取需要根據現場情況而定。隨機脈沖噪聲與局部放電信號都具有高頻，突變的波形特征。對這類干擾的剔除存在很大難度。最新研究表明[2]：局部放電信號在相位和幅值的分布上都具有一定的特征，在統計譜圖上放電脈沖在相對穩定的區域范圍內構成一個或幾個密集的簇而隨機干擾脈沖信號具有偶發性的特征，而且其相位、幅值分布分散，在統計譜圖上則構成分布分散的稀疏區域。通過算法可將分散點剔除。

2.2 超聲傳感器矩陣chan算法定位

設局部放電坐標點為P（x，y，z），周圍布置有i 個傳超聲傳感器，其坐標為（xi，yi，z）i，當局部放電點發生放電時，產生的超聲波以球面波向四周傳播，設超聲波從放電點s到傳感器的距離為聲程差ΔRi=Ri-R1，傳感器到坐標系原點的距離為通過移項化簡后可得到：

建立線性方程組矩陣：

式中：

用廣義逆矩陣C=(ATA)-1AT代替A-1:

代入得：

直接求解，可得到如下情況：

（1） 當 Δ=b2-4ac＞0 時，有兩個解 R01，R02。如果 R01，R02的值為一正一負，則取正值作為R0的解。而當R01，R02的值均為正時，則根據實際約束條件進行判斷。

（2）當Δ=b2-4ac=0 時，只有一個解，不存在定位模糊。

（3）當 Δ=b2-4ac＜0 時，R0無實解，從而定位方程組無實解。

3 聯合定位的實驗研究

當局部放電發生時，先使用電磁耦合法進行預定位，再將超聲傳感器布置于局部放點附近，通過全站儀建立直角坐標系，即可定位局放點。元件布置如圖2所示。

圖2 局部放電定位傳感器布置圖

在一段總長1 500 m 的電纜中，距A 端500 m 處注入高頻脈沖信號，波速采用固定值198 m/μs ，以全站儀站點作為坐標系原點。定位效果如表1、2所示。

表1 雙端法定位結果

表2 超聲法定位結果

通過實驗表明，雙端法與超聲法能夠相互配合找到局放源位置，但在檢測過程中也存在一些問題，由于雙端法的定位誤差范圍遠大于超聲傳感器的有效測量范圍。在定位配合過程中，測量范圍上存在一定的“死區”，在粗定位之后，需要檢測人員繼續搜尋一段距離。若要減小“死區”范圍，則需要提高雙端法的檢測精度或采用高靈敏度的超聲傳感器來擴大信號檢測范圍，這無疑會極大地加大硬件投入。

4 結束語

本文通過聲、電信號之間的特性互補，能夠更可靠，更精確地實現電纜全范圍的局放源定位。兩種方法的配合程度依賴于其各自檢測精度，雙端法定位精度主要取決于波速與時差的精度，然而局放信號在電纜中的傳播速度接近光速，精確地測量時差存在相當大的難度。超聲法中算法的性能也嚴重依賴信號到達傳感器之間時差的精度。因此提高時差精度是決定局放點定位的關鍵所在。根據文獻資料及現場情況結合，提高信噪比最切實可行。提高信噪比的方法有：

（1）采用高靈敏度的傳感器；

（2）切斷干擾源或采取屏蔽措施；

（3）局部放電信號屬于微弱信號，在線測量無法滿足要求時，改為離線測量方式，施加較高的電壓來增強信號強度；

（4）夜間對超聲定位有利。