電纜諧波的特征分析和提取方法研究

中山景明智慧能源技術有限公司 李 朋 覃遠云

目前電纜老化試驗研究很難針對電纜的帶電在線實時監測，很多情況還都是在專業的實驗室中完成的。這種方式的研究成果很難體現出電纜的一般老化特性，無法體現各種老化機理間的相互影響、相互作用以及互相制約，不能測試或者試驗出電纜在帶電運行情況下的真實劣化情況。

近些年來，國內外很多的理論或試驗研究成果證明了電纜絕緣層的老化存在多種因素共同影響，主要包括過電流、環境高溫、環境污染等因素[1-3]。目前國內外的研究存在的主要問題在于：大部分研究在專業實驗室內完成，難以對帶電情況下的電纜進行實時的研究，且一般的研究僅針對新制造出場的電纜進行一些相關性能測試研究。

針對上述問題，本文從電纜絕緣的電磁特性分析，以及其在運行中產生高次諧波的原因入手進行分析，主要包括電纜老化的機理研究，從劣化電纜諧波的特征分析入手，在了解其機理和特性之后，利用小波分析對高次諧波的含有量進行提取，根據諧波含有率的不同比例、進而分析電纜存在的不同特性來判斷電纜發生劣化的程度及位置。

1 老化機理和諧波研究

當電纜出現故障和老化時，電纜的線芯電流會發生畸變、出現高次諧波。本文通過分析電纜的電磁理論研究其電磁現象，并對電纜做出電磁分析。電纜的老化包括發熱老化、電力應力老化、環境應力老化、復合應力老化等，結合電纜的老化類型，利用電磁理論提出電纜老化與電流畸變產生高次諧波的機理，并分析和對比電纜目前常見老化的實驗方法和理論，分析不同方法在高壓電纜診斷應用的適用性差異。

電纜老化機理研究：針對絕緣老化原因分析發現，電力電纜老化的原因主要在于電纜產生多次諧波、以及各種應力老化，主要包括熱老化和各種應力老化（如電壓應力、機械應力、復合應力）等。上述方法各有自己的優缺點，具體選擇哪種方法需要根據實際情況。電纜本部體的老化評估多采用超介質損耗法、電流法、電熱老化法；而熱老化一般在電纜中取小部分的樣品進行實驗；局部放電是所有實驗的開始步驟，用來對整體問題有一個大概的認識。

電纜諧波產生機理分析：當電力電纜通電運行時，會導致電纜芯外的介質磁化引發電流，在電纜絕緣表面會出現電流，在電纜絕緣層或護套內會產生額外電流。電纜異常時，電纜絕緣體、屏蔽層、保護層等內部磁場發生相應的改變，帶來電磁場取向在電纜線體中的電磁作用下重新有序排列，因此電纜的異常運行或絕緣老化程度會在電流的諧波含有率中體現出來。

諧波電流分析和特征值：諧波種類主要分為兩大類：正態諧波。這類諧波主要的來源包括非線性半導電層的負載、電氣設備、非線性磁飽和負載三種設備；非正態諧波。這類諧波的產生來源于供配電系統的三相不對稱運行。諧波在電纜中產生的主要原因包括：半導體類型的變頻器進行整流變化或波形調控產生的諧波；電纜絕緣部分內部產生的各種應力老化或外部電氣設備等產生的諧波。

2 諧波檢測與分析方法

2.1 諧波檢測

諧波檢測是諧波處理的前提條件，先濾除被檢測電流中的基波分量，從而得到待分析的諧波電流。本文諧波檢測采用自適應檢測法，該方法可以通過計算機進行軟件編程，進行相關領域的仿真研究，同時也可以通過硬件電路來進行試驗驗證，見圖1。

圖1 自適應諧波檢測法原理圖

在自適應諧波檢測過程中，將電流的基波分量含量作為期望值信號，所有電纜諧波總和作為輸入的有效干擾信號。通過誤差反饋的信號來控制 的迭代過程， 可以定位到 的變化程度。然后該信號從用電側電流中減去，最終得到所有電流諧波的總和。該檢測方法的優點是對電網功率波形畸變電網電壓參數變化有一定的自適應能力。

2.2 諧波特征提取

電纜中產生諧波的部位或者過程主要有三個部分，因此提出諧波特征主要有：輸入部分：測量電纜正常運行狀態下的交流電參數；輸出部分：也就是分配給各用電設備的輸出電流量；交直流變換器部分，如圖2所示。

圖2 電纜、變換器及負載框圖

假設在非理想狀態下，并假設輸入電源電壓平衡時，其電氣設備與電纜絕緣處測量到的三相交流電流、電壓的高次諧波電流、電壓可用通過數學式表示。由于在電纜實際運行過程中會產生很多其他的影響因素，上述的狀態下還可能會發生的一些不確定性。

由于負載用戶的總用電容量存在著差異，需要假設一個供電電源系數，該系數會根據已知電源負載以外的用戶負載容量來確定不同的值。諧波檢測設備系數取決于檢測方法是電磁場檢測還是電流場檢測。

2.3 電纜狀態診斷的步驟及方法

上述通過檢測正常運行電纜的諧波電流含量，并對其諧波的含有占比的數據進行計算分析，然后根據數據分析結果對電纜的絕緣老化程度進行預測評估，并對電纜的老化位置和諧波占有率之間的關系進行了分析總結，可以得出如下結論：電力電纜的絕緣層老化和健康狀態的程度，可以通過檢測到的高次諧波占有比進行分析判斷，電纜的諧波含量值越大、電纜老化的程度越高。

綜上經分析比對發現，電力電纜的老化狀態和檢測到的諧波占有率有如下對應關系：對于電纜本體的絕緣層來看，當諧波占有率大于0.77時，電纜大概率會出現局部放電的異常情況；在更高一點的諧波占有率時，電纜內部一般會出先較多水樹現象；而當諧波占有率達到0.9以上時，說明電纜的老化問題已經非常嚴重，應提醒用戶立刻停電檢修電纜絕緣狀態，或者建議用戶及時更換電纜。

3 研究總結

通過本文研究工作，分析高次諧波的定義和電纜中諧波的來源以及諧波產生的原因。隨后對諧波采集及分析方法和算法進行了理論分析，在對比了解了各諧波檢測方法后，確定選用自適應諧波檢測算法完成對諧波的分解重構，從而得到電纜的高次諧波分量。隨后再對其進行諧波分析、計算以及特征值的提取，得到各高次諧波的諧波含有率以及諧波電壓與電流的有效值和均方根，為接下來專家系統的診斷提供診斷信息。