單局放傳感器電纜局部放電源點定位方法研究

蔣 超，徐 妍，王江彬，李致金

（1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京 211100；2.南京信息工程大學，江蘇南京 210044）

電纜局放是絕緣介質內部發生的局部擊穿和熄滅現象。高壓電纜的許多故障實際是由于局部放電引起的。高壓電纜由于其傳輸電壓高，線纜頻繁局部放電可能會導致絕緣擊穿與失效，從而造成嚴重電力故障[1-3]。局放的產生初期并不會影響絕緣能力，但設備長期處于高壓狀態下容易造成絕緣體損壞，從而縮短絕緣體的使用壽命。局部放電法能夠對電纜絕緣缺陷產生的局部放電信號進行檢測，通過對放電量和相位等特征參數的分析，可以判斷缺陷類型和電纜絕緣層絕緣劣化程度，進而分析絕緣老化的趨勢，預測電纜剩余壽命。局部放電法對電纜絕緣層的可靠性監測具有重大意義，目前在電纜絕緣監測方面已有很多成功案例[4]。

1 單局放傳感器局放源點檢測方法

目前在電纜運行監測中，常用的局部放電法可分為：1）高頻電流（HFCT）局放檢測法；2）超高頻（UHF）局放檢測法；3）超聲波（AA）局放檢測法；4）溫度檢測法和化學局放檢測法等。電纜在局部放電時，局放產生的高頻脈沖信號會沿電纜軸向兩端傳播，不管HFCT 傳感器放置在局部放電點的哪一側，局部放電信號都可以沿一個方向直達HFCT傳感器，或者沿另一個方向傳播到電纜末端，再經過末端將信號反射到達傳感器。因此，單個HFCT局放傳感器將收到兩個局部放電產生的高頻脈沖信號，這兩個脈沖信號傳輸到HFCT 局放傳感器時將產生一定的時間差。在分析研究局部放電源點定位時，系統可根據信號傳輸到局放傳感器的時間差，實現局部放電源點的基本定位，如圖1所示。

圖1 高頻電流法定位原理

圖1 中，P點是局部放電源點，HFCT 局放傳感器放置在A點，局放產生的高頻脈沖信號一部分直接由P點傳輸至A，另一部分由P傳輸至B點，再經B點反射到達A點[5-9]。在傳統的方法中[10-16]，單局放傳感器可實現局放源點的定位，但無法確定局放源點的方向。因此，在實際測量中，一般使用兩個HFCT 局放傳感器同步檢測，既檢測局部放電源點位置，又檢測局部放電源點的方向。這種方法，檢測設備體積大、功耗大、成本高。該系統研究單局放傳感器實現局放源點的位置定位和方向確定方法，在實際局放源點檢測中節約了傳感器的數量，安裝方便。

2 單局放傳感器局放源點方向確定方法

將局放傳感器安裝在A點位置，示意圖如圖2 所示。局部放電源點P點發生局部放電時，產生的高頻脈沖信號分兩次傳輸至A點的局放傳感器中。

圖2 兩側局放源點示意圖

式（1）、（2）中，v為高頻脈沖速度，t1為直達脈沖到達A的時間，t2為反射脈沖到達A的時間。

在定位局部放電源點P時，在采用單個HFCT局部放電傳感器定位局部放電源點P時，局部放電發生的時間是隨機的，因此，P點高頻脈沖信號到達A的時間t1是不可預測的，同理，P點高頻脈沖信號經B點反射傳輸至A的時間t2也是不可預測的，但局部放電源點P的高頻脈沖信號傳輸至A和經B點反射后傳輸至A的時間差是可測量的，即(t2-t1) 是可測量的，代入式（2）可得出PB的長度。

測出PB的長度后，已知AB的長度，則PA的長度應為：

由式（3）可測算出局部放電點距離安裝在A點的局放傳感器的位移。

圖2 中，式（1）、（2）、（3）可實現局放傳感器A右側局部放電源點P點的定位，同樣也適用于局放傳感器A左側局部放電源點P′點的定位，因此，采用這種方法只能實現局部放電源點的距離定位，還不能實現局部放電源點的方向定位。為此，還需要增加方向定位信息。

研究發現，局部放電源點在兩個局放傳感器中間時，傳到兩側局放傳感器的高頻脈沖信號是同相的。由物理學知識可得，波信號經反射后是同相返回的。因此，可以利用一個局放傳感器實現對局部放電源點位置和方向的定位，具體算法如下。

在長度為BC的電纜中間A點安裝一個局放傳感器，局放傳感器安裝點A在電纜BC的中間點，將不能克服對稱性帶來的不可檢測性。因此，安裝點A不能在BC的中間點，如圖3 所示。即：

圖3 單局放傳感器方向定位示意圖

圖3 中，t1為局放產生的高頻脈沖從局部放電源點到達局放傳感器A的時間；t2為局放產生的高頻脈沖從局部放電源點經B點反射到達局放傳感器A的時間；t3為局放產生的高頻脈沖從局部放電源點P經C點反射到達局放傳感器A的時間。在圖3 中，局放傳感器放置在電纜CB的偏左端，即：

已知，局部放電是隨機的，系統不知局放何時會發生，因此，系統無法確定局放的起始時間，也就是說圖3 中的時間量t1、t2、t3是不可測量的。系統最先收到的經過t1時間傳輸到的高頻脈沖信號，并將此時刻作為系統測量計時的起點。由式（5）可知，t2所走的路徑為：

t3所走的路徑為：

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由式（6）、（7）分析可知，局部放電源點P的位置不同，St2、St3路徑大小無確定的關系，因此不能用局放產生的高頻脈沖經B點和C點反射后到達局放傳感器的時間t2、t3長短來確定局部放電源點的方向。

由圖3 可知，局部放電源點P在A點左側時，有：

局部放電源點P在A的右側時，有：

分析式（9）可知，系統在局部放電時產生的第一個高頻脈沖時，打開定時器進行計時，收到第二個局放產生的高頻脈沖時，記取時間值，該值為：

系統收到局放產生的第三個高頻脈沖時，記取時間值，該值為：

則：

由式（9）可推出：

式（16）中，v為局部放電產生得高頻脈沖的傳播速度。取PB=AB的時間為時間參考基準，即：

在式（17）中，局放傳感器是預先按式（5）放置的，即CA、BA是確定的，因此式（17）是確定的。

由式（10）、（11）可知，局部放電源點P在局放傳感器A的右側時，PB＜AB，因此：

局部放電源點P在局放傳感器A的左側時，PB＞AB，因此：

由以上分析可知，采用單局放傳感器定位局部放電源點時，只需按式（5）安裝局放傳感器，按式（17）算出Δts，作為局放源點方向判斷的基準時間，然后根據局部放電時產生的高頻脈沖到達時間按式（15）計算出Δt，最后，比較Δt與Δts的大小即可準確定位局部放電源點P對于局放傳感器安裝點A的方向和位置。當Δt大于Δts時，局放源點在局放傳感器的左側，當Δt小于Δts時，局放源點在局放傳感器的右側。

3 系統實現

3.1 硬件設計

通過以上研究可知，采用單個局放傳感器時，在檢測區域合理放置局放檢測傳感器，可精確定位局部放電源點的位置以及放電源點相對于局放傳感器的方向。為實現單局放傳感器檢測，該文設計了檢測系統，系統設計框圖如圖4 所示。

圖4 局放檢測系統框圖

圖4 中，信號處理單元包括局放信號保持電路、放大電路和濾波電路，如圖5 所示。局放脈沖信號經信號處理電路處理后，產生能夠驅動主控系統定時器的觸發信號，主控系統接收局放脈沖觸發信號后，開啟定時器，記錄局放信號到達主控系統的時間。

圖5 局放信號保持、放大濾波電路

主控系統采用目前市場使用較廣的STM32 系列微控制器為核心控制芯片。主控系統記取局放信號到達時間，依據上文算法計算出局放源點與局放傳感器檢測系統的距離，以及判斷出局放源點相對于局放傳感器檢測系統的方向。操作系統采用觸摸屏為顯示操作屏，在顯示屏上，顯示主控系統傳輸來的局放源點信息，可同時顯示操作屏設置局放傳感器檢測系統的相關位置信息。

3.2 軟件設計

系統軟件設計主要包括3 部分：1）局放信號到達時間的記錄程序；2）局放源點位置確定程序；3）局放源點相對于局放檢測系統方向確定程序。在該系統中，局放信號到達檢測系統時間記錄是系統實現的關鍵，時間記錄流程如圖6 所示。局放位置確定程序不是該文介紹的重點，該文重點是研究利用局放傳感器檢測確定局放源點的方向，該程序流程如圖7 所示。

圖6 局放脈沖到達時間記錄流程

圖7 局放源點方向判斷流程

4 結論

基于該定位算法，局放位置檢測系統利用局放源點信號到達單局放傳感器的時間差，即可實現局放源點位置和方向的精確定位。該系統實現中，局放信號到達檢測系統的時間記錄是該系統準確性的關鍵，因此，局放信號到達檢測系統的基準時間應準確。同時，局放時產生的高頻脈沖到達檢測系統的信號拾取應準確和快速。該系統設計的單局放傳感器局放源點定位方法，實現簡單、安裝便捷、經濟實惠。經過實驗測試，該局放源點定位算法在局部放電產生時取得了較理想的定位效果。