基于向量分析法的三相交联电缆局部放电 检测与分析识别技术

罗 翔，蔡金锭，张孔林

（1.福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007；2.福州大学电气工程与自动化学院,福建 闽侯350108）

0 引言

随着我国电网的不断升级改造，高压XLPE 电缆由于其容易敷设、运行维护简便、耐高温和绝缘性能优良等特点已经成为电力电缆的主流并被广泛运用，但不良的制作工艺以及周围环境的影响很容易导致薄弱环节的产生，从而在长期运行中发生局部放电[1-2]。目前所采用的局放诊断技术[3-11]主要是基于放电电流脉冲的诊断原理或在此基础上进行的改进，在对单根电缆进行检测时有不错的效果，而对于三相交联电缆局部放电的检测就不太理想，主要原因是由于三相间存在信号的串扰问题[12-14]。本文介绍了一种基于向量分析法的高压电缆局部放电诊断技术，通过现场应用实例分析说明了即使在干扰比较严重的情况下，该方法不仅能够有效地降低串扰信号的影响，还能实现局放信号的分离并判断放电点的相位。

1 串扰问题对电缆局放检测的影响

一般现场长度超过1 km 的电缆，多数需要采用三相金属护套交叉互联的方式以减小三相金属护套中的感应电压和环流，三相金属护套须在中间接头处通过交叉互联电缆相互连接[15]，串扰信号的存在对局放检测造成极大的困难，如图1所示。除此之外，由于互感和分布电容的存在，外界干扰信号有时会通过电磁耦合的作用将能量转移到线路上，这样就会改变线路上原来信号的大小。这就要求对于三相交叉互联电缆的局放检测，不仅需要识别不同的局放信号和外界干扰信号，还需要抑制串扰信号的影响并准确判断局放源的位置。

图1 三相交联电缆中局放脉冲传播过程Fig.1 PD pulse propagation of three-phase cross-bonded cables

2 脉冲衰减理论

一般地，电缆可等效为同轴传输线，沿线分布有电阻R、电感L、电导G、电容C，见图2，它们与传输信号电压和电流的大小无关，而与线路的材料、结构及电流频率有关。

图2 电缆的参数模型Fig.2 Parameter model of cable

由电缆的参数模型可得特性阻抗Z和传播常数γ为

式（2）中α和β分别表示衰减常数和相移常数，反映了传输线固有的传播规律。

电缆中脉冲信号的传输方程为

由式（2）和式（4）可以看出，信号的频率越大，γ就越大，衰减常数α也就越大，且随着传输距离x的增加，信号幅值近似按指数e−αx衰减。电缆中局部放电信号的高频分量会随着传输距离的增加而严重衰减[16]，变化特征表现为幅值逐渐减小、宽度逐渐扩展，如图3。

图3 局放脉冲信号的衰减特性Fig.3 PD pulse attenuation characteristic

3 基本原理

本文介绍的基于向量分析法的局放检测与分析识别技术是在传统高频检测技术的基础上利用3PARD 图即三相幅值相位关系图来实现局放的分离和识别，其检测系统的结构如图4所示。

图4 检测系统结构图Fig.4 Structure of detection system

由图1 可知，当某相上出现一个信号脉冲时,其他两相上将会出现相应的串扰脉冲，此时分别截取某一时域范围内（通常为1 μs）三相上各自脉冲的电压幅值，如图5所示。与电力系统三相分析类似，将所测得的脉冲幅值分别映射到相隔120°的坐标轴上（式（5）～式（7）），从而形成3PARD 图中三个坐标轴各自的坐标。最后再将三个幅值向量进行叠加（式（8）），则在3PARD 图上就会形成一个点，如图6。

对于不同的局放源，由于传播路径的唯一性和差异性，在三相上将产生不同的幅值，因此也会在图上产生不同的点。由于每个局放源发出的脉冲传播到信号采集装置之间都具有各自相对固定的传输函数（路径、速度、衰减特性等），因此理论上在三相交联电缆上同步进行三相采样测试时，由同一个信号源发出的脉冲必定是相同的可重复的。但由于受外部噪声的干扰和放电波形变化的影响，同一个局放源发出的脉冲经过向量叠加后在图中都聚集为一个脉冲群，且不同放电类型之间存在的差异性就使得不同脉冲群之间有明显的区域分别。若检测到的脉冲组电压幅值相同（例如三相上同时耦合的外部干扰信号），则经过向量叠加后脉冲群将集中在3PARD 图中的原点或其附近；若局放源在L1 相上,根据脉冲的衰减特性可知，在L1 相上检测到的脉冲的电压幅值必然是最大的，而在其他两相上的串扰脉冲幅值必定会显著降低，因此从图中看脉冲群将更靠近L1 坐标轴，且三相脉冲幅值的差异性越大则脉冲群与坐标原点的距离越大。

图5 脉冲组波形Fig.5 Triplet of PD pulses

图6 向量加法原理Fig.6 Principle of adding vectors

在现场检测时可以选中特定的脉冲群，然后再转换成传统的PRPD(幅值相位关系图)谱图进行分析，此时显示的PRPD 谱图只是对该特定脉冲群有贡献的脉冲的谱图，而不再是所有信号的混叠，从而能够直接判断局放的类型。

4 现场检测分析

基于向量分析法的局部放电诊断技术开展了大量的现场测试与数据收集分析工作。下面以图7 中某220 kV 交联聚乙烯电缆线路的现场实际局放检测为例介绍其现场应用情况。其中局放测试系统的测试频率选为2 MHz，三个通道1.1、1.2、1.3 分别对应于电缆的A、B、C 三相的信号，并在该电缆的1#终端、2#终端接头处分别进行了局部放电测试。

图7 测试线路示意图Fig.7 Testing cable diagram

4.1 2#终端检测情况

在2#终端处进行检测，观察原始信号波形图及幅频特性，发现放电位置距离测试位置非常接近，因此可判断放电位置为终端或终端附近。图8 为2#终端处检测到的A、B、C 三相原始信号谱图，从图中可以看到，由于现场存在噪声及干扰，所有的信号混合在一起，部分局放信号已经被淹没，很难鉴别局放的类型。

图8 2#终端处原始信号图谱Fig.8 The original signal pattern of 2# terminal

利用3PARD 方法对检测到的信号进行分离，如图9所示，从图中可以发现4 类信号，每类信号对应A、B、C 相上的PRPD 谱图如图10所示。

图9 2#终端处信号的3PARD 图Fig.9 The 3PARD pattern of 2# terminal

信号1、2、3 符合表面放电的特征，信号1 为A 相产生的放电信号，并传输到B、C 两相；信号2 为B 相产生的放电信号，并传输到A、C 两相；信号3 为C 相产生的放电信号，并传输到A、B 两相；信号4 为电晕放电信号。

图10 2#终端每类信号对应各相上的PRPD 谱图Fig.10 Pulse PRPD patterns of three phase in 2# terminal

4.2 1#终端检测情况

如图11所示，1#终端处的信号同样出现了信号相互混叠的情况。

图11 1#终端处原始信号图谱Fig.11 The original signal pattern of 1# terminal

用3PARD 方法进行分离。从图12 可以看到，检测到的信号分为6 类，它们在各相上的PRPD 图如图13所示。

图12 1#终端处信号的3PARD 图Fig.12 The 3PARD pattern of 1# terminal

图13 1#终端每类信号对应各相上的PRPD 谱图Fig.13 Pulse PRPD patterns of three phase in 1# terminal

从分离之后的谱图可以看到，信号2、3、4 符合表面放电的特征。由于线路中存在阻抗，导致脉冲信号在传播过程中随着距离的不同而出现不同程度的衰减，因此可根据信号衰减的严重程度判断信号2 为A 相产生的信号；信号3 为B 相产生的信号；信号4 为C 相上产生的信号；信号1、6、5 分别为A、B、C 相上的电晕放电。对1#、2#终端接头处各类信号谱图进行比对分析，结果如图14所示。

通过对两个终端检测结果的比较分析，可以看出在1#终端上的信号2、3、4、1 分别对应2#终端上的信号1、2、3、4，为同一个放电源产生。从信号幅值上可以判断，1#终端上的信号2、3、4 是从2#终端的信号1、2、3 传入的，放电位置为2#终端。2#终端的信号4（电晕放电）由1#终端传入，放电位置为1#终端。

该220 kV 电缆线路2#终端的检测点上检测到明显的放电信号。A、B、C 三相均存在表面放电，放电位置可能来源于终端外部设施，如绝缘子、终端瓷套外表面，也可能来源于终端内电缆绝缘表面。通过清除2#终端三相绝缘子及瓷套外表面的污垢，发现局放量有所减少，因此此次局放检测结果与现场实际情况基本相符。由于2#电缆终端可能还存在其他的放电类型，故还应继续对其进行在线监测。

图14 1#、2#终端各类信号谱图比对分析结果Fig.14 Comparison and analysis of pulse PRPD patterns of 1# and 2# terminals

5 结论

1) 由于三相电缆间还存在电磁耦合所引起的串音问题，因此使用该方法的前提是监测系统必须对信号实行同步三相采样。

2) 该方法可以在复杂的背景干扰下分离并识别出放电信号和放电类型，并判断局放源的位置即来源于电缆的哪一相，降低相间互扰给电缆局放检测带来的影响。由于相关人员可以直接从分离后的PRPD谱图直接判断局放类型，因此大大提高了对局放谱图的分析效率，将在高压电缆的局部放电诊断和在线监测中发挥重要的作用。

3) 仍需对我省大量现场检测数据系统分析和电缆缺陷局部放电模拟实验，摸索电缆局部放电检测诊断方法，总结判断故障、异常检测规律，提出适用于现场操作的电缆局部放电诊断技术体系。

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