分布式局部放電監測技術研究

李 虎 王 劍 王 泉 李鐵軍 王海默 秦 鐘 趙志鈺黃 河 潘慶慶 陳紅發

（國網寧夏電力有限公司銀川供電公司）

0 引言

目前國內外通用絕緣缺陷衡量指標是電纜的局部放電量，對絕緣缺陷的監測僅處在局放測量和定性評估的階段，尚未實現缺陷的位置測定。國內外廣泛采用離線式局放測定方案，此方案要求將電纜退出運行，并與兩端的架空線路、變壓器和GIS設備斷開物理連接；然后使用交流或直流高壓發生器向電纜注入高壓，也可采用高壓串聯諧振的方法將高壓施加在電纜絕緣上，然后使用局放監測儀測量電纜放電量。如果相比歷史數值有大幅上升，則表示存在較快發展的絕緣缺陷，再通過UHF、超聲和破壞性解剖等手段進行排查定位。局部放電檢測技術的本質難題在于如何提高檢測結果的有效性和指導性，其中包括兩個重要的研究方向：一是電纜局部放電源的定位技術；二是現場局部放電檢測的抗干擾技術。根據無線電頻譜定義，300～3000MHz頻段為特高頻段。本研究將特高頻技術應用到XLPE電纜的局部放電檢測，在真型電纜頭實驗中，結合HFCT，從缺陷電纜本體上獲取局部放電信號，通過數據分析得出放電結論。

在國外，局部放電特高頻檢測技術得到較快的發展。來自荷蘭KEMA實驗室的關于局部放電的超高頻檢測研究發現：局部放電產生的特高頻電磁波信號頻率成分豐富，最高頻率高于1G，信號上升沿較陡，脈沖寬度多為納秒級［2］。Rutgers、Pemen等研究人員對針-板、沿面、氣隙等缺陷放電時所產生的特高頻信號進行采集，在300M～1200MHz頻率范圍內提取局放信號并進行模式識別，由此建立基于特高頻檢測的電力電纜狀態評估系統［3］。英國Strathclyde大學的Judd M D等研究人員進行了大量關于局部放電特高頻檢測技術的研究，其對傳感器的設計、傳感器安裝、電力變壓器局部放電超高頻檢測系統的設計、或者是信號分析處理軟件開發等都有較為深入的認識［4］。綜合來看，局部放電檢測技術還有待深入研究。

1 局部放電信號獲取

1.1 局放信號的接收

局部放電是電力電纜設備上絕緣故障的早期表現。為了識別PD信號，傳統的方法是繪制像φ-q和n-φ這樣的二維頻譜，但是，由于在線監測方法的樣本量和冗余數據過多，所以實現起來也并不容易。因此，如何簡化PD信號的識別方法，以及各種PD模式快速、精確、完整地提取PD特征是研究的熱點。

局部放電的接收一般依靠卡在接地線之上的高頻電流傳感器，本文所用高頻電流傳感器實物圖如圖1所示。而特高頻天線的原理是導體放置在磁場變化的空間內，導體有可能產生諧振而將空間的自由波轉換成傳輸結構的導波，從而實現電磁波的接收。實際中常常稱導體為接收天線，其結構往往決定了接收電磁波信號的能力，只要設計合理，天線可以接收到局部放電所產生的超高頻信號。與接收天線對應的是發射天線，工作時是接收天線的逆過程：把傳輸結構上的導波轉換成空間的電磁波。這兩種工作在不同狀態的天線是互易的，即天線用于發射和接收時性能參數相同。表征天線性能的參數主要有方向圖，方向性、增益、極化特性、帶寬以及輸入阻抗等。

圖1 高頻電流互感器實物圖

1.2 局部放電檢測技術

在電力電纜局部放電帶電檢測過程中，有效判定被測樣品是否存在局部放電信號，并能夠對檢測到的局部放電信號源進行預定位，是電力電纜局部放電檢測技術在漫長的研究發展過程中取得的決定性成果。目前，國際上主要的局部放電定位技術大部分都依靠現場情況的分析和檢測人員的經驗，缺乏系統的、有依據的理論或數據支撐。

實際應用中，對電力電纜局部放電的檢測方法主要有：脈沖電流法、振蕩波法、電感耦合法、電容耦合法、光纖溫度傳感法、超聲波法、高頻電流傳感法、特高頻法等［5-8］，其中脈沖電流法檢測頻帶窄、抗干擾性差，只適用于實驗室檢測；振蕩波法只適用于對斷電切運的電纜進行離線檢測；電感耦合法只適用于繞包鎧裝電纜；電容耦合法和光纖溫度傳感法需將傳感器預置在電纜內，不適用于已敷設電纜的局放檢測；超聲波法檢測靈敏度低，不能對放電量進行標定；高頻電流法雖檢測頻帶寬，但抗干擾性較差；特高頻法抗干擾性好，但不能對放電量進行標定。

2.3.5實施長江綠色生態廊道項目 啟動亞行貸款農業綜合開發長江綠色生態廊道工程建設，對相關地區種植業、畜牧業和水產業生產體系進行改造升級，減少農業生產面源污染和水土流失，促進農業生產更加高效、高產和清潔。

1.3 局部放電信號的衰減理論

在此引入一個傳輸常數γ，對均勻傳輸線來說，信號在傳輸了一段距離后，發生了什么變化，即信號傳輸線上傳輸時有什么規律和特點，就需要用傳輸線的傳輸常數γ來表征。傳輸常數γ包含固有衰耗常數（α）和固有相移常數（β）。固有衰耗常數α反映了處于匹配連接的線路上，在能量損耗方面的傳輸規律，固有相移常數β反映了信號傳播過程中相位的變化。

線路的傳輸規律得出傳播公式：

式（1）即為長度為l的傳輸線路的傳輸方程，可以看出，輸入電壓或電流的變化取決于參數γ，γ反映了傳輸線固有的傳輸規律，即為傳輸線的傳播常數，而γ數值的大小，取決于傳輸線的一次參數和傳輸頻率。令γ＝α+jβ，有：

其中，α為衰減常數，β＝ω／v為固有相移常數，ω為信號的固頻率，v為信號傳播的速度。由此可知：

1）αl總是正數，線路愈長（l越大），｜U0｜愈小，說明信號沿傳輸線長度按指數規律衰減。

2）對同一線路而言（l一定），α愈大，｜U0｜愈小，由此可知，在同一區間，α較大的傳輸線信號受到的衰減也愈大，所以α是傳輸線上信號衰減程度的度量，稱為線路的衰減常數。

所以傳播常數γ表征電磁能量沿線路傳輸單位長度對電壓或電流的振幅和相位的改變，其中α表征幅度的衰減，β表征輸入與輸出端之間相位的變化。

2 局放信號傳輸衰減特性仿真

局部放電檢測的最大問題在于現場環境中存在著嚴重的電磁干擾。大量研究表明，現場干擾噪聲的頻譜通常低于400MHz。在低頻法局部放電測量技術中，由于其檢測頻帶較低，現場環境中的各種干擾將“淹沒”于被測電纜附件內部的局部放電信號。而在特高頻段（幾百MHz甚至GHz），大量的干擾不會被耦合到。由于特高頻檢測頻率高，具有較強的抗干擾能力，故其檢測技術近年來發展很快。UHF（特高頻）方法在GIS和變壓器局放檢測中已經獲得了比較成功的應用。

根據相關文獻，將ATP電纜模型中的屏蔽層作為半導電層，將鎧裝作為屏蔽層，以模擬真實電纜情況，對建立的模型進行仿真，在相同輸入頻率及傳輸距離下，仿真數據與文獻數據比對，差異不超過10%。

2.1 仿真模型

仿真中，每段電纜固定為100m，每200m設置一觀測點，總計1600m。在線路中注入一單一頻率的正弦信號，通過調整信號頻率，并在不同觀測點測量信號，對比信號幅值。行波傳輸衰減模型如圖2所示。

圖2 行波傳輸衰減模型

2.2 仿真結果與分析

在10kHz～20MHz內取了12個頻率點，不同頻率下的傳輸衰減情況如圖3～圖5所示。

圖3 10kHz～300kHz行波傳輸衰減情況

圖4 500k Hz～3MHz行波傳輸衰減情況

由圖可見，對于1km 電纜，按照幅值衰減到10%，頻率上限約10MHz。

具體的行波衰減數據如表1～表3所示。

圖5 5MHz～20MHz行波傳輸衰減情況

表1 10k Hz～300k Hz行波傳輸衰減情況

表2 500k Hz～3MHz行波傳輸衰減情況

（續）

表3 5MHz～20MHz行波傳輸衰減情況

可以看出，考慮電纜長度多數在10km以下，按照信號衰減至10%，300kHz以下的波形可實現雙端監測，其頻率上限遠低于局放信號頻率，因此對于長電纜無法實現雙端局放監測。

受限制于現場信噪比問題，實際的監測距離會低于理論分析值，早期的放電（100pC以下）無法分布式監測。

3 分布式局部放電監測方法

基于前文關于電纜行波傳輸衰減的仿真研究，對于1km電纜，頻率上限約10MHz，所以配置監測設備時，按頻率上限約20MHz，幅值衰減至10%，局部放電監測間隔約500m。

3.1 局部放電監測終端的配置方案

為實現對幅值1mA～3A及頻率1kHz～20MHz局部放電波形的測量，基于電磁耦合法的檢測原理，設計了用于電纜隱患放電在線檢測的寬頻帶電流傳感器，該電流傳感器主要由磁心、線圈、信號放大器、金屬屏蔽盒等組成。

3.2 局部放電監測終端要求

傳感器測量單元包括負荷電流，行波電流信號檢測等。局部放電監測終端能夠在電纜線路電磁干擾環境下穩定工作，具備自取電功能，支持市電等供電方式，可實現對線路工頻電流、行波電流的實時、準確測量。

3.3 以接地箱為載體的局放監測系統

基于放電辨識技術、定位技術以及缺陷放電傳感的研究成果，結合高可靠性供電模塊設計、內置融合傳感模塊設計、通信模塊設計，研制電纜故障與絕緣缺陷內置傳感器式接地箱。

然后結合行波精確定位算法及缺陷波形提取辨識算法研究成果，設計合理的系統構架，開發相應的軟件程序，最終建立電纜故障定位與絕緣缺陷預警系統。

智能接地箱安裝在電纜中間接頭或電纜終端頭附近，根據現場實際環境安裝，電纜井內一般采用膨脹螺絲固定方式，如圖6所示。

圖6 智能接地箱安裝示意圖

4 結束語

基于相關文獻及行波傳輸衰減仿真數據，電纜局放單個放電波形的頻率范圍主要在20MHz內，放電包絡線的頻率范圍在2.5MHz～5MHz左右。得出結論如下：

1）在同一區間，線路衰減常數越大，傳輸線信號受到的衰減也愈大；提出了一個傳播常數γ來表征電磁能量沿線路傳輸單位長度對電壓或電流的振幅和相位的改變。

2）行波在線路中傳播存在衰減和畸變，考慮電纜長度多數在10km以下，按照信號衰減至10%，300kHz以下的波形可實現雙端監測，其頻率上限遠低于局放信號頻率。

3）按照接地箱來配置監測設備，按幅值衰減到10%，則頻率上限約20MHz，監測間隔約500m。