基于時頻域轉換法的配網電纜冷縮中間接頭受潮診斷研究

馬煜，史金剛，佘強，王瑞東

（國網青海省電力公司西寧供電公司，青海 西寧 810000）

配網電纜冷縮中間接頭在電網連接中被廣泛應用，但是在實際應用的過程中，其通常會出現受潮的情況，為整體運行造成嚴重的不良影響。針對此情況，為了對故障問題進行分析，提出了基于時頻域轉換法，其可以在很大程度上診斷具體故障問題所在之處，以便工作人員制定有效的解決措施。

1 配網電纜冷縮中間接頭結構研究

根據研究調查顯示，現階段，我國配網電纜接頭主要有兩種，一種是冷縮型中間接頭，另一種是熱縮接頭。目前大部分應用冷縮型中間接頭，其在實際應用的過程中主要是通過應用冷縮硅橡膠件將兩段電纜連接在一起，在實際安裝的過程中也更加方便、快捷，降低了工作人員的工作難度，同時也在很大程度上降低了整體電網出現多種個管狀結構的情況，而且其與熱縮接頭相比，其可靠性更高。配網電纜單相冷縮中間接頭（如圖1所示）中最重要的部分是XLPE 和SIR，這兩部分對整體接頭造成了一定的影響，直接決定了其電氣絕緣性能情況，如果這兩個部位出現問題，那么也會造成接頭出現故障問題，特別是當電纜溝道出現積水的情況，長時間浸泡在積水內會導致接頭內進水，且水分會沿著負荷界面向內部擴散，最終降低接頭的絕緣性能，影響整體供電系統的正常運行。但是，針對冷縮接頭進水是否會導致電容參數以及抗組情況造成影響，現階段并沒有大量數據進行研究和分析。在具體實施過程中，要想確定配網電纜冷縮中間接頭的情況，對其是否存在受潮情況進行判斷，還需要相關人員能夠明確掌握受潮抗阻情況，并能夠對其發生異常的基本情況進行掌握，以便于在出現受潮情況時可對其進行及時辨別。根據研究調查顯示，如果配網電纜接頭位置出現受潮的情況，水分會導致局部電容發生一定的變化，同時浸入水分的相對介電常數與冷縮接頭所用的材料不同，在這兩個因素的影響下，其會對電容情況造成嚴重的影響，進而使接頭位置的特性阻抗能力發生一定的變化。

圖1 冷縮接頭典型結構示意圖

2 配網電纜冷縮中間接頭受潮實驗以及電容測量

本文在實際進行研究的過程中，針對配網電纜冷縮中間接頭受潮情況進行了相應的實驗，然后對實驗數據信息等進行整理和統計分析，進而明確在受潮情況下，配網電纜冷縮中間接頭受潮電容的變化規律和特征。在實際進行實驗的過程中，選用了兩個單相接頭樣本，其長度為1 米，為了進行對比，也制作了一個長度為1 米的電纜本地樣本。為了保證實驗不受到外部因素的影響，電纜以及接頭均選擇同一企業生產的產品，同時也需要保證二者型號與仿真實驗相同。在進行實驗前，為了保證管內水分不會出現泄漏的情況，需要在接頭兩端電纜本體上纏繞2 ～3 圈密封膠，然后對熱縮管進行熱縮處理。為了進行對比，對1 號、2 號、3 號樣本進行不同的處理，1 號給予管內注水，水位控制以灌滿為主；而2 號樣本的處理，不需要加水，給予其單一的熱老化處理，探究其對接頭電容的影響情況；3 號樣本不需要進行任何處理；然后將3 個樣本用串聯的方式連接在發生器上。實驗樣本連接示意圖見圖2。

圖2 實驗樣本連接示意圖

3 時頻域轉換法

3.1 頻域反射法基本原理

研究人員對傳輸線理論進行了深入研究和分析，如果電纜長度過長時，為了對電纜進行表示可以應用分布參數模型。此外，當測試頻率較高的狀態下，也可以應用分布參數模型進行表示，在分布參數模型中，R 代表電纜單位長度電阻，L 代表電感，G 代表電導，C 代表電容。對于不同的電纜情況電容計算公式具有一定的差異性，當電纜屬于同軸結構時，電容的計算公式為，其中rs和rc分別代表屏蔽層內徑以及纜芯半徑；此時，計算電纜特性電纜的公式為，當處于高頻狀態下時，其計算公式可以簡化為，其中Z0代表電纜本體特性阻抗。對于冷縮中間接頭來說，其余本體之間在結構上存在一定的差異性，而且還會受到水分的影響，這也會導致其單位電容發生一定的變化，同時也會影響特性電阻，導致特性電阻產生變化。而且接頭在受到外部因素的影響，其內部會產生阻抗不匹配點，而此時如果有行波經過，那么就會產生波的折反射。

3.2 不同受潮狀況接頭時域波形特征

從上文的實驗和研究中不難發現，10kV 冷縮接頭在初始狀態下時，其單位阻抗明顯大于本體阻抗情況，但是如果接頭出現受潮情況，出現滲水問題時，此時受潮情況越嚴重，那么阻抗值越低，受潮情況與阻抗值變化之間呈現反比關系，如果受潮情況愈發嚴重，達到一定峰值后，就會導致單位阻抗值低于本體阻抗值。這時以發射法基本原理為基礎，對接頭首端反射系數進行計算，接頭首端指的是信號注入方向，其計算公式為，其中Zj代表接頭特性阻抗。研究人員針對接頭受潮情況下的阻抗值進行探究和分析，發現當接頭沒有滲入水分或者是受潮情況較輕時，在接頭首端會產生正的反射系數（Zj＞Z0），在此情況下，也會得到一個時域反射波形，此時其波形為正值；反之，如果接頭末端產生的反射系數為負的，時域反射波形也為負值；而如果冷縮中間接頭受潮情況較為嚴重（Zj＜Z0），那么，此時接頭首端會產生一個負極性波形。

當處于正常情況下，即冷縮中間接頭沒有滲入水分的情況下，其時域波形呈現出“左正右負”的特征；當冷縮中間接頭輕度受潮的情況下，其時域波形依然呈現出“左正右負”的特征，但是與正常情況進行對比可以發現，其波形明顯減弱；但是當冷縮中間接頭受潮情況嚴重時，其時域波形呈現出“左負右正”的特征。

3.3 時頻域轉換分析法

為了對配網電纜冷縮中間接頭受潮情況進行探究和分析，保證其診斷的準確性以及可靠性，提出了基于時頻域轉換法，研究人員針對相關方面的文獻以及實驗進行了深入分析和研究，從中發現時域特征波形恢復技術在應用的過程中，其主要是利用頻域進行掃頻測量，對其數據結果進行統計，并將統計后的數據引入虛擬的時域入射波形s（t）中，然后再計算此時虛擬時域反射波形y（t），其計算公式為y（t）=FIFFT（FFFT（s(t）·Γ），其中FFFT代表快速傅里葉變換，FIFFT代表快速反傅里葉變換。在實際進行探究分析的過程中，相關研究人員應用此種方法的過程中可以直接應用FDR 的測試結果，并將其進行相對應的轉換，轉換成為時域波形譜圖，且此時域波形譜圖內可以看出阻抗變化情況。

配網電纜冷縮中間接頭容易受到其他因素的影響，導致其長度存在不易，無法滿足使用需求。在此過程中，對其長度進行測量，需要盡量避免相關因素的影響，可以將頻域反射法進行應用，其可將單一包絡峰位置進行展示，保證位圖譜的準確性，為人員提供參考數據。針對恢復的時域波形譜圖來說，其結果可將冷縮中間接頭的兩端阻抗情況進行反映，表明及時其位置不匹配，也不會對信號波形造成影響，可避免極性相反信號波形的發生，其數量為2。此時的時域波形是經過頻域測量結果恢復得到的，因此，時域與頻域定位譜圖兩者位置呈現對應關系，且關系良好，便于觀察。因此，研究人員在進行探究的過程中也要考慮到這一點，首先需要明確接頭的具體位置，此過程中通常會使用頻域測量的方法，然后再將頻域結果轉換為時域結果，進而得到時域波形，且其也可以實現時域波形恢復的目的。此時，在對接頭左右位置的時域波形的特征進行探究可以分析，就可以判斷出接頭阻抗變化情況，最終明確配網電纜冷縮中間接頭受潮情況。

3.4 受潮冷縮接頭時域頻域轉換法定位診斷仿真

為了對配網電纜冷縮中間接頭實際受潮情況進行探究和分析，本文以電纜型號為YJV8.7/10-240 實際電纜為基礎，搭建了仿真模型，進而保證實驗的準確性以及可靠性。本仿真模型之中，選擇長度為300 米的電纜，在電纜100 米以及200 米的位置各安裝1 個冷縮型中間接頭，其中1 號冷縮型中間接頭為正常接頭，2 號冷縮型中間接頭為受潮接頭，以電容的實際情況為基礎設置方針電容數據（如表1 所示）。

表1 仿真模型參數設置

在實際進行實驗的過程中，電纜本體、1 號接頭以及2 號接頭的狀態進行記錄，并進行譜圖轉換，從中發現1 號接頭和2 號接頭的峰值數據相似，但是，2 號接頭的峰值出現輕微的變化，即輕微減小情況，但是由于其變化較好，可能是由于信號不穩定造成，還有可能是由于其受潮情況較弱造成，因此，這種情況下，如果以單一頻域反射結果作為診斷依據，那么無法準確判斷出冷縮型接頭受潮的實際情況，并且也無法判斷受潮程度情況，對后續一系列工作造成了嚴重的影響。

對此情況，提出了時頻域轉換法，主要是將頻域結果轉換為時域結果，最終得到時域反射波形，其波形完整性和全面性更強，然后以波形為基礎進行位置對應，明確接頭位置，最終得到“左負右正”的波形特征。以行波理論為基礎進行探究，其結果表明，2 號接頭位置特性阻抗值值較低，在與本體抗阻值進行比較時，兩者之間存在明顯差異，而且2 號接頭存在單位電容數值較高的情況，明顯高于本體電容數值。

4 結語

綜上所述，在應用時頻域轉換法對配網電纜冷縮中間接頭受潮情況進行診斷，其有效性更高，同時也可以準確地判斷冷縮中間接頭受潮嚴重程度，保證提供有效的參考價值，如果在進行測量時，其對應的電纜的長度較長，則可以采用兩端測量，分別測量后，對數據進行整合，得出可靠數據，這樣也可以在很大程度上保證其準確性，并為后期運維檢修提供技術支持。