基于特高頻法識別的配電網電纜局部放電檢測方法

夏永濤

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司，湖北武漢，430074）

0 引言

配電網電纜是當前電力體系最為重要的一環，并且被分布在城市的各處角落，一旦配電網電纜出現放電現象，十分容易危及城市居民安全[1]。為此需要檢測配電網電纜局部放電情況。在國外，自上世紀50年代起，國外就已經開始研究配電網電纜局部放電問題，并建立起絕緣非破壞性檢測項目，采用寬頻帶放大檢測器，檢測電纜局部放電問題；在70年代，針對電纜局部放電問題的檢測，提出利用電纜上的運行電壓，對電力電纜絕緣狀態進行檢測，從而得到電纜局部放電情況，及時準確地發現絕緣缺陷，此后，眾多學者紛紛加入電纜局部放電的研究當中，并研究出了超高頻法、差分法等配電網電纜局部放電檢測技術。在國內，近期才有學者研究配電網多傳感器融合技術、高頻局部檢測技術，相對國外的研究較晚[2-4]，但是，近些年來的計算機技術、數字信號處理技術以及電力產業的發展，讓我國眾多學者，也紛紛加入配電網電纜局部放電檢測的研究中，且電力設備帶電檢測技術規范，也已經被制定出來，并將電纜局部放電檢測，正式納入日常檢測工作當中[5-7]。

在本次研究中，為了減少電纜絕緣故障的出現，確保電纜運行的安全可靠性，必須研究出可以確定電纜局部放電位置的放電故障檢測方法，為此研究基于特高頻法識別的配電網電纜局部放電檢測方法。

1 基于特高頻法識別的配電網電纜局部放電檢測方法

1.1 建立配電網電纜電路模型

由于配電網電纜局部放電會產生局部信號，產生寬頻帶頻率，該頻率分布在高頻或超高頻范圍內，該信號的傳輸脈沖信號線為配電網電纜。然而，在檢測配電網局部放電時，檢測到的電纜長度會比局部放電的長度長[8-9]。為此，根據上述分析，選擇分布參數法，建立配電網電纜電路分布參數模型，如圖1所示。

圖1 配電網電纜電路分布參數模型

從圖1中可以看出，配電網電纜局部放電檢測時，可以采用絕緣電阻的變化量，作為配電網電纜局部放電檢測診斷的特征量，一旦電纜出現故障，就會降低絕緣電阻值，當電阻值變小時，電纜分布參數會出現不均勻問題，導致電纜某些部分，不再滿足阻抗匹配條件，從而出現局放脈沖反射現象。但是，當配電網未曾出現放電問題時，電纜參數分布均勻，并且滿足電纜對阻抗匹配的需求，此時，電纜則不會出現局放脈沖反射。

但是，在圖1所示的分布參數模型中，不能計算電纜導體半徑、絕緣層厚度、外皮半徑等參數，單憑圖1，也不能計算出電纜一次參數的頻率函數，所以建立如圖2所示的電纜貝杰龍數學模型。結合圖1分布參數模型和圖2數學模型，可以發現，配電網電纜電路分布參數中的等效電阻、等效電感、等效電容，三個參數值是可以改變的。

圖2 電纜貝杰龍數學模型

因此，采用特高頻傳感器，采集電纜局部放電信號，換算配電網電纜等效電阻、等效電感、等效電容三個參數值，分析電纜中放電信號的傳播特性和衰減特征，確定電纜放電位置。

（1）電纜等效電阻換算。假設單位長度的電阻等效值，在θ溫度下為R；20°時導體的電阻率為ρ；導體電阻的溫度系數為α；導體加工過程中，引起電阻率增加的系數為k，在此次換算中，取值為1；電纜導體內芯的直徑為D1，則有：

根據式（1）可以得到配電網電纜電路等效電阻值[10]。

（2）電纜等效電容換算。假設單位長度的等效電容為C；絕緣的相對介電常數為ε；真空介電常數為0ε；電纜絕緣層的直徑為D2，則有：

根據式（2）可以得到配電網電纜電路等效電容值。

（3）電纜等效電感換算。假設單位長度的等效電感為L；內部電感為L1；外部電感為L2；磁導率為0μ，則有：

根據式（3）可以得到配電網電纜電路等效電感值[11]。

此時，綜合式（1）、（2）和（3），即可以計算出電力電纜，分布參數模型的分布參數及波阻抗，則波阻抗Z計算公式為：

至此，即換算出所有配電網電纜分布參數。此時，即可分析電纜中放電信號的傳播特性和衰減特征，確定配電網電纜局部放電位置。

1.2 分析電纜中放電信號傳播特性及衰減特征

根據圖1所示建立配電網電纜回路分布參數模型，并結合模型分析結果，可以確定電纜中存在一定的電阻值，該電阻值分布在整個電纜回路中。因此，當電纜周圍出現電磁場時，電纜會產生電感效應。然而，電纜的復雜結構會導致電纜層間的電容并分布在電纜的整個長度上[12]。所以，根據圖1所示的配電網電纜電路分布參數模型，及電纜等效電阻、等效電感、等效電容三個參數值換算結果，分析電纜中放電信號傳播特性。

假設電纜絕緣的分布電導（S/km）為G0；電纜各層介質之間的分布電容（F/km）為C0；電纜芯線在一定長度上的分布電阻（Ω/km）為R0；放電信號的頻率為ω；相應長度上的分布電感（H/km）L0；特性阻抗為Z0，則有：

式（5）中，j表示電纜傳輸線上的任意一點。根據式（5），即可計算出特性阻抗，流入電纜傳輸線上的任意一點時，電壓與電流的比值。當信號的頻率較高時，存在R0?ωL0，G0?ωC0，則式（5）計算的特性阻抗Z0，簡化式為：

由于電纜的特性阻抗，與電纜絕緣介質的材料、厚度、橫截面積等結構參數，以及芯線與屏蔽層或者鎧裝之間的距離等固有屬性有關，所以此次式（6）計算的特性阻抗，只能描述電纜某一點處的特性阻抗，而不能描述放電信號傳播特性，則有：

式（7）中，U0表示輸出端信號；U1表示電纜輸入端信號；l表示信號經過長度；γ表示傳輸系數[13]。從式（7）可以看出，傳輸系數γ，在式（7）主要表示信號在電纜中，傳輸一段距離后的規律和特性，所以，采用電纜的一次參數，表示電纜放電信號，在電纜中固有的傳輸系數γ，將式（5）代入，則有：

從式（8）中可以看出，電纜放電信號在傳輸的過程中，會隨著傳輸時間，不斷衰減，此時則會存在電纜放電信號固有衰減常數α，并且改變了放電信號的相位，而其傳輸系數，卻又屬于復數形式，因此設放電系數，改變固有相位，所產生的固有相移常數為β，則有：

此時，將式（9）代入式（7），則有 ：

式（10）中，e-jβl表示信號的相位變化。從（10）式中可以看出，電壓幅值，并不會受到信號相位變化的影響，則信號在傳輸時，電壓幅值的變化規律為：

此時，式（11）中的U0表示信號輸出端口電壓；U1表示信號輸入端口電壓；l表示電纜長度。則電纜固有衰減常數為：

根據圖1所示的電纜分布參數模型，可以確定放電信號的傳輸，可以確定為一個近似的值，則有：

式（13）中，c表示光在真空中，傳播的速度，即c= 3 × 1 08m/s；v表示放電信號從電纜一端，傳播至另一端的傳播速度，即其中，t表示放電信號從電纜一端，傳播至另一端的消耗時間；μ表示電纜絕緣介質的相對磁導率[14]。

從式（13）中可以看出，放電信號在傳播時，其傳播速度，只與電纜芯線周圍的絕緣材料的相對磁導率，及介電系數有關，可以確定電纜中的放電信號傳播速度保持不變，在檢測配電網局部放電情況時，可以將放電信號的光速，設定為50%。

綜合上述內容，確定的電纜中放電信號傳播及衰減特征如下：

（1）電纜局部出現放電問題時，所產生的放電信號，出現的衰減特征，與電纜自身特性有關，并且其產生的放電信號衰減常數唯一，且一定大于零。所以，信號幅值隨著傳輸距離的增加，不斷衰減。

（2）電纜放電信號，與傳輸系數、分布參數、固有頻率等參數，存在一定關系。所以，電纜中的放電信號，在電纜中傳輸時，其產生的幅值以及相位變化，會存在一定的差異，甚至出現失真問題。

（3）在分布電感和分布電容的影響下，放電信號在電纜中傳輸時，會出現滯后效應，且放電信號的傳播速度，會受到電纜絕緣介質影響。

1.3 基于特高頻法識別的檢測配電網電纜局部放電位置

根據上述式（5）～（13），確定的電纜中放電信號傳播特性及衰減特征，即可采用特高頻法識別，配電網電纜局部放電位置。其檢測流程如圖3所示。

圖3 特高頻法識別檢測電纜局部放電流程

根據如圖3所示的特高頻法識別檢測電纜局部放電流程，假設基于圖1所示的電纜電路分布參數模型，特高頻傳感器，采集到的兩個放電信號分別為x(t)和y(t)，由于信號衰減特征，導致放電信號y(t)出現相移變化，得到經過位移τ變化后的樣本y(t+τ) ，則有 ：

式（14）中，T表示兩個放電信號時間差；Hxy(τ)表示經過位移τ變化后，x(t)和y(t)電信號的互相關關系。此時，設兩個放電信號采集時間的間隔為T1，基于式（13）得到的放電信號傳輸速度，確定電纜局部放電位置，與特高頻傳感器采集放電信號位置的距離h為：

根據式（15），得出特高頻傳感器采集放電信號位置的距離，從而確定電纜局部放電位置，并將上述計算過程，代入圖3中，即完成電纜局部放電檢測。

綜上所述，此次研究配電網電纜局部放電檢測方法，建立配電網電纜電路模型，采用特高頻傳感器采集放電信號，換算配電網電纜等效電阻、等效電感、等效電容三個參數值，分析電纜中放電信號的傳播特性和衰減特征，設計特高頻法識別檢測電纜局部放電流程，完成配電網電纜局部放電檢測。

2 仿真實驗

為驗證配電網電纜局部放電檢測方法，選擇某地區330kV變電站作為本實驗的研究對象，選用專業的電力仿真軟件對本實驗所選電纜的局部放電過程進行仿真。將此次提出的配電網電纜局部放電檢測方法記為實驗A組，將引言中提到的兩種配電網電纜局部放電檢測方法，分別記為實驗B組（文獻[3]方法）和實驗C組（文獻[4]方法）。根據配電網電纜局部放電檢測特點，以文獻[15]電力電纜局部放電定位過程中對噪聲及反射脈沖的干擾處理方法、局放脈沖信號濾除步驟為依據，電纜局部放電故障為實驗研究方向，確定電纜局部放電信號強度，改變電纜局部放電故障位置，對比三組配電網電纜局部放電檢測方法，判斷檢測的電纜局部放電故障位置結果，與實際電纜局部放電故障位置檢測結果是否一致度。

2.1 實驗準備

此次實驗，選擇某區域的330kV變電站，布置的配電網電纜，作為此次仿真實驗的仿真對象。仿真平臺選擇專業的PSCAD電力仿真平臺，對330kV變電站，布置的配電網電纜進行仿真，并采用此次選擇的三組檢測方法，在PSCAD電力仿真平臺上，檢測電纜局部放電問題，此次檢測設計的電纜局部放電電路，如圖4所示。

圖4 電纜局部放電電路圖

從圖4中可以看出，此次仿真的配電網電纜，由電纜本體、中間接頭、實驗終端三部分組成。在PSCAD電力仿真平臺上的模擬參數如下：

（1）電纜本體選擇YJV -8.7/15-3×70型XLPE三芯電纜，屬于無金屬保護套電纜，電纜芯的截面積為75平方毫米。

（2）電纜最薄弱的部分，就是電纜的中間接頭，非常容易出現放電問題，為了避免其他因素，影響實驗結果，此次電纜線路的中間接頭，選擇絕緣性能好、安裝方便的冷縮式中間接頭。

（3）電纜終端選擇常規處理后的電纜終端頭，將剝去電纜終端頭外面保護層和屏蔽層，其玻璃長度為15厘米～20厘米之間，并采用純凈變壓器油，處理電纜終端頭，保證電纜接頭與電纜終端的接觸。

由于此次實驗選擇的是仿真實驗，因此在實驗過程中，不考慮外力破壞、受潮等環境影響因素，并在仿真實驗過程中，將電纜電壓設定為常規電壓220kV。

在實驗過程中，采用PSCAD電力仿真平臺，模擬配電網電纜正常運行，并控制配電網電纜局部放電位置，形成的放電信號強度。

2.2 第一組實驗結果

基于此次實驗設計的仿真參數，采用三組電纜局部放電檢測方法，分別在PSCAD電力仿真平臺上，檢測電纜局部放電故障，確定故障放電位置，并與PSCAD電力仿真平臺，控制的實際故障位置進行對比，其實驗結果如圖5所示。

圖5 電纜局部放電定位對比圖

從圖5中可以看出，當配電網電纜的放電信號不變時，實驗C組檢測到的放電位置，與實際放電位置，相差最大；實驗A組檢測到的放電位置，與實際放電位置相差最小。

2.3 第二組實驗結果

為了進一步驗證三組檢測方法，在第一組實驗結果的基礎上，進行第二組實驗。采用PSCAD電力仿真平臺，改變配電網電纜放電類型，采用三組檢測方法，分別檢測，其檢測結果的準確率如表1所示。

表1 配電網放電類型檢測準確率（%）

從表1中可以看出，實驗A組檢測配電網放電類型檢測準確率最高；實驗B組檢測配電網放電類型檢測準確率最不穩定，實驗C組檢測配電網放電類型檢測準確率最低。

綜合上述兩組實驗可知，此次研究的配電網電纜局部放電檢測方法，檢測配電網放電定位與實際位置最為相近，且對配電網放電類型檢測準確率，相對其他檢測方法高。

3 結束語

此次研究配電網電纜局部放電檢測方法，采用特高頻傳感器和特高頻識別技術，提高信號采集速度，減少配電網電纜局部放電檢測時間。但是此次研究的配電網電纜局部放電檢測方法，未曾考慮特高頻傳感器采集局部放電信號的復雜性。因此在今后的研究中，還需不斷深入研究配電網電纜局部放電檢測方法，設計出更方便的電纜局部放電信號采集傳感器。