基于脈沖電流法的高壓電纜局部放電信號圖像識別淺析

潘智蕾

（廣東電網有限責任公司東莞供電局）

0 引言

隨著國民經的快速增長，居民生活質量的提高使得用電需求大幅提升，促使電網建設投資急劇增加，電網設備得到大面積的更新換代。在國內電網建設浪潮中，交聯聚乙烯電纜憑借其可靠、耐用、美觀、安全、維護少等特點在城鎮電力主干網的建設升級改造中被大量投入使用。據可查閱資料，僅2015～2020年間的交聯聚乙烯電纜全國建設規模就為2015年前全國電纜存量，且每年的需求量保持平穩的增速。

交聯聚乙烯電纜已被大量應用在電網輸電網架中，但它的封閉、完整、統一的結構特性使得在日常運行維護中無法通過簡單的常規手段及時對其絕緣性能進行運行狀態的監測、評估。大量的交聯聚乙烯電纜故障數據表明，局部放電（國際電工委員會定義：當對電氣設備施加一定強度的電壓使絕緣部分區域產生未形成固定放電通道的放電現象）是造成電纜絕緣缺陷的主要誘因，而運行部門一般只能通過傳統的交流耐壓試驗檢測手段驗證交聯聚乙烯電纜絕緣的電氣性能。但僅僅依靠該試驗檢測手段，無法有效發現絕緣內部細微瑕疵并對瑕疵的發展趨勢進行跟蹤分析。隨著對電纜局部放電現象的深入了解、分析和研究，發現伴隨著局放的發生會產生高頻脈沖、光、熱、電磁輻射等物理現象，通過對上述的現象的捕捉、收集、分析可有效檢測電纜局放的產生、趨勢，逐步發展出脈沖電流、高頻電流（HFCT）、超聲波（AE）、超高頻（UHF）、震蕩波等多種局放檢測方法。而在眾多的檢測手段中，脈沖電流法憑借其靈活、簡單的設備構造及快捷、簡易的檢測方式已在國內的高壓電纜局放場景中被大量地實踐應用，獲得不錯的生產經濟效益。

1 脈沖電流法局放檢測原理

目前，成熟的脈沖電流法局放檢測設備主要由前端的高頻電流傳感器（HFCT）、信號采集裝置及數據分析終端組成。當電纜本體或附件出現局部放電現象時，會產生不同強度的脈沖電流流經電纜，而此時通過HFCT對這微弱的脈沖信號進行捕捉，經過采集裝置對原始信號過濾、歸類、記錄每一個脈沖特性，并將輸入的模擬信號轉化為數據分析終端可以存儲和處理的數字信號，最后利用數字軟件對脈沖特征進行綜合分析，形成局放檢測結果，如圖1所示。

傳統的局放圖像分析，會引入放電脈沖相位分布概念，將每個脈沖的放電幅值用Um表示，ωt則是每個脈沖的實時相位φ（ω是電壓的角頻率），以脈沖幅值為縱坐標及實時相位為橫坐標，在一個正弦交流電的周期內根據每個脈沖相位的轉化繪制出幅值相位相關聯的PRPD圖譜。但往往當原始的局放信號采集后，檢測人員通常面對的一張是雜亂無章、充滿噪點PRPD圖譜，根本無從下手。如圖2所示，真正的局放信號被大量的噪聲掩蓋遮掩；且由于設備的單次采集能力限制，大量的干擾信號，也會造成無法采集到真正的設備的局部放電信號，造成檢測結果的失真、無效。為此，國內外針對局放信號的分析甄別開展了大量的理論研究和實踐，比較主流成熟的檢測分析方法是基于同類信號的聚簇效應，利用傅里葉變換對原始的脈沖信號進行特征值的等效轉換，提取所采集的脈沖信號的等效時長與等效，重新對信號特征歸類整理，形成等效T-F圖譜。具體轉換公式如下：

圖2 原始PRPD圖譜

式（1）就是根據傳統的通信理論得出的標準化的PD信號表達式s（t）（t是時間）。接著對信號特征進行計算，得到時間和頻率的函數：

式（2）、式（3）是式（1）中s（t）在時域和頻域的標準偏差。s（f）是s（t）的傅里葉變換。

對雜亂的信號進行特征值提取及整理歸類后，分析軟件繪制出脈沖信號的TF圖譜，如圖3所示，采集的原始信號出現了聚簇特征，同類信號根據近似的脈沖特征時長、頻率會有明顯的聚攏與不同類別信號的剝離，便于對不同源頭的信號識別。最后，基于信號分離后的PRPD圖譜（見圖4），采用智能模糊識別方法，通過比對在實驗室獲取的各類型典型的局放PRPD圖譜特征進行局部放電現象有無的判斷。

圖3 TF圖譜

2 基于脈沖電流法的電纜局部放電判別難點

國內外關于基于脈沖電流法在線局部放電檢測的原理及相關理論都已非常成熟，但在檢測工作中往往無法順利捕獲得到有效的局部放電信號及進行有效的判斷、分析。根據筆者對現場及實驗室的數據對比分析，現場檢測的難點主要有以下三點：

1）由于脈沖電流法采用HFCT來耦合電力上的脈沖信號，為了盡可能采集不同頻率的脈沖信號，高頻CT在設計制造時以拓寬其采集信號帶寬范圍為目的，保證對不同頻率的脈沖保持極高的靈敏度；目前，市面上大多用于局放檢測的HFCT在1～100MHz范圍各頻率信號有較佳的響應性。由于采集裝置的數據采集及處理能力所限，使得每次局放檢測所采集的脈沖信號都是有限的，較佳寬帶帶寬內的頻率響應性會導致大量的噪音被采集并淹沒真實的局放信號。

2）由于信號采集均需獲取同步信號對脈沖信號根據相位、電壓的變化繪制PRPD圖譜，當采集設備無法獲取正確的同步信號或同步信號設置不正確時，會導致PRPD圖譜的錯位，甚至無法正確有序地在PRPD圖譜上記錄每個脈沖信號的特征信息，無法開展后續的數據分析。

3）目前，國內所使用的主流基于脈沖電流法的電纜局部放檢測設備的制造商均會對其客戶提供關于局放檢測設備使用、數據分析及結果判定的技術說明書，但是只著重于其系統自身的智能邏輯的原理講解及基本操作，沒有對放電脈沖圖形特征、脈沖波形、信號頻率之間的關聯、分析、選取、辨別進行詳細深入的剖析及講解，對電纜局部放電的判據就僅僅是提供了幾種在實驗室中錄得的典型電纜局部放電的圖譜以供使用者進行數據分析。實際的局放檢測中，因為外部的信號噪音出現很多相似圖形特征的信號，缺乏具體的特征數據支撐，會很容易造成檢測人員的誤判。

3 電纜局放圖譜的特征

為了更直觀地觀察、獲取、統計、分析電纜局部放電狀態下采用脈沖電流法所錄得的脈沖波形、PRPD圖譜的特征，自主搭建110kV電纜局部放電試驗平臺（見圖5），模擬各種成因下的電纜局部放電現象，對各類放電脈沖、圖譜的共性特點提取歸納。通過共500余組的實驗室試驗和運行現場檢測錄得數據結果，發現局放信號圖譜具有以下特點：

圖5 局放模擬試驗平臺

1）在已知種類的電纜局放現象發生時，其放電脈沖會出現一個較高幅值的脈沖Umax，然后呈現低幅值的脈沖震蕩并遞減，而震蕩的能量只有Umax的一半或以下；同時Umax的持續時間僅僅只能維持在20～40ns（見圖6）。

圖6 局放信號脈沖電流圖譜

2）出現內部放電現象的高壓電纜，PRPD圖譜會在0°～180°、180°～270°兩個區域出現上下半區中心對稱且唯一的極性相反相似脈沖信號堆疊圖形。由于放電脈沖信號幅值受瞬時電壓幅值影響，使得堆疊圖形投影輪廓呈正弦電壓幅值的周期性變化特征（見圖7）；相反地，如果圖譜具備相似對稱極性相反的外觀特征，但是并沒有隨交流電壓出現周期性變化特征，該類信號則可判斷為不具備局部放電特征。

圖7 局放信號PRPD圖譜

3）以某次試驗數據為例，通過對圖4的模擬平臺的GIS終端注入局部放電信號，對實驗數據進行對比，HFCT1、2、3采集到的局放脈沖的幅值隨著離局放源的距離增大而出現幅值的遞減；且每個測量點分離后的局放PRPD圖譜會根據測量時HFCT的設置電流方向出現圖譜極性的差異（見圖8，根據模擬平臺依次測得數據），高頻脈沖電流傳感器在耦合放電脈沖時也具有方向性，同一采集電流流向的HFCT錄得的PRPD圖譜極性是一致，反之則相反。現場局放檢測工作，可根據多個傳感器的局放信號幅值、極性來對局放源開展定位及排除。

圖8 同一局放信號源圖譜幅值、極性的差異

4 結束語

通過對各類局放脈沖信號的脈沖圖譜、PRPD圖譜的特征的分析、統計，對高壓電纜的局放現象的判斷需結合脈沖的波形和持續時間、PRPD圖譜的脈沖信號堆疊圖形極性和投影形狀等特征進行綜合辨別，提高局放檢測的識別準確率；并可依據多個部位的脈沖信號電流方向、電壓幅值、極性對比實現局放源的快速定位。