一种可用于电缆局部放电检测的串联谐振系统

卢雨欣， 李 波， 支亚薇， 陈宇飞， 曾肖明， 颜 源

(1. 电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学), 陕西 西安 710049； 2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 210036)

0 引言

相比于架空线路，电力电缆具有可靠、安全、美观、占地面积小等特点，“线路下地”已成为我国城市发展的重要内容之一[1]。交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)电缆由于其良好的电气性能、机械性能和防腐防损等优点，在我国输配电网络中占有主导地位。随着我国输配电网络的不断完善，截止2017年底，国家电网所有在运的交流电力电缆线路总长度已达1 343 972km[2]。全面且可靠的电缆绝缘状态检测是日渐庞大的电力电缆线路安全稳定运行的前提保障。

《GB 50150—2006 电气装置安装工程电气设备交接试验标准》指出，新竣工的电力电缆必须进行耐压试验，对XLPE电缆推荐进行交流耐压试验[3]。工频耐压试验对电源容量要求极大，在现场试验中一般采用频率范围为20～300 Hz的调频式串联谐振设备进行耐压试验[4]。然而电缆中存在的非贯穿缺陷并不一定能通过耐压试验暴露出来[5]，反之耐压试验会导致非贯穿缺陷进一步恶化，通过耐压试验但运行一段时间后发生击穿事故的案例并不少见[6]。因此，IEEE 400.2—2013标准将现场电缆绝缘离线检测试验分为耐压试验、诊断参数类试验以及局部放电(partial discharge，PD)试验。我国《电力设备交接和预防性试验规程》在近年修订中也添加了局部放电检测一项。传统的调频式串联谐振系统一般采用正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)技术调制输出波形[7]，大量由电力电子器件开通关断产生的脉冲噪声分布在输出电压波的整个相位上[8]，影响电缆局部放电检测。因此传统串联谐振系统只能进行耐压试验，无法对电缆绝缘状态进行全面可靠的评估。

本文基于传统的调频式串联谐振电路拓扑结构，提出了一种同时适用于电缆耐压试验和局部放电检测试验的调频式串联谐振系统，并在实验室条件下对本系统功能进行验证。

1 系统原理

1.1 串联谐振原理

串联谐振系统是通过控制逆变桥改变输出电压频率和占空比，使电抗器与被测电缆进入谐振状态而产生高电压[9]，其主要电路结构如图1所示。

图1 串联谐振电路原理Fig.1 Schematic of frequency-tuned resonnant system

图1所示的串联谐振系统由整流模块、逆变模块、激励变压器T、电抗器L、分压器和局部放电检测单元组成。逆变模块输出电压频率f与电抗器电感值L和被测电缆电容值C有关[10]，计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：L为电抗器电感值；C为电缆等效电容值。

电路处于谐振状态时，电抗器的感抗与电缆的容抗相抵消，电路阻抗表现为纯电阻状态，可计算电路的品质因数Q，如式(2)所示：

(2)

式中：ω为电路的谐振元频率；R为电路总直流电阻值。

当激励变压器二次侧输出峰值为U0正弦电压波时，在被测电缆上最高可以激发出峰值为QU0的正弦电压波[11]。对应的，逆变电源输出有功功率为P0，在被测电缆上最高可以激发出QP0的无功功率。相比于工频耐压试验，电源容量可以减小Q倍，而对于用于配电电缆现场试验的调频式串联谐振设备而言，Q的值通常大于20。因此对于电缆离线检测，调频式串联谐振技术可以大大减小试验电源的体积与质量。

1.2 逆变模块控制方式

传统的串联谐振系统常采用SPWM调制技术，其控制原理如图2所示,通过采用一对相反的调制波Ur，-Ur与三角波载波Uf进行波形比较，得到4路逆变开关S1～S4的控制信号C1～C4,此时逆变模块输出的SPWM波形Ui如图2所示[12]。

图2 SWPM调制原理Fig. 2 Diagram of SPWM

由图2易知，SPWM调制技术通过三角载波将连续的调制波离散化，分解成多个电平的叠加。理论上载波频率越高输出电压的谐波畸变率越低，输出波形越接近调制波，但这一切是建立在逆变桥4个开关器件以极高的频率通断的基础上。

开关器件的每一次开通关断都意味着电路拓扑结构的改变以及某一支路中电流的急剧减小，在实际电路中杂散电容电感的作用下，每一次开关器件通断状态的变化都伴随着高幅值的脉冲电压。而SPWM调制技术要求逆变模块的半导体开关频繁开通关断，导致脉冲干扰与局部放电信号混淆[13]，因此基于SPWM调制技术的串联谐振系统无法用于局部放电检测。

为尽可能减小逆变模块半导体开关器件的开关频率，本系统利用等脉宽调制技术替代SPWM调制技术[14]，利用两个幅值相反的方波替代正弦波的一个周期。逆变模块输出电压波形如图3所示，输出电压Ui与开关导通情况如表1所示。

图3 逆变电路输出电压波形Fig.3 Output voltage waveform of inverter

开关导通情况逆变桥输出电压S1、S4导通,S2、S3导通UmS1、S4、S2、S3关断0S2、S3导通,S1、S4导通-Um

假设逆变桥输出为理想的幅值为Um和-Um阶跃电压，且经过变压器T后电压波形不变化只是幅值提升8倍，则可将逆变模块视为一个输出电压为0，Um，-Um的直流电压源，从而建立串联谐振电路统一模型如图4所示[15]。

图4 谐振等效电路统一模型Fig.4 Model of resonant circuit

利用图4所示的等效电路统一模型可列出微分方程组如方程组(3)所示：

(3)

式中：i为电感L流过的电流；Uc为电容两端电压；U0为等效直流电源输出电压。

方程组(3)的通解为：

(4)

式中：ω为电感L与电容C的自然谐振角频率；A1，A2为微分方程组通解系数。

由式(4)易知Uc以正弦规律变化，在谐振电路充能过程中Uc峰值不断增大。实际的谐振电路中存在电阻，因此电容电压峰值不会无限增大，其电压峰值如式(5)所示：

Uc=QU1

(5)

式中：Q为谐振电路品质因数；U1为逆变模块输出方波的基波分量峰值。

对方波进行傅里叶分解，其基波分量幅值如式(6)所示：

(6)

式中：Um为逆变模块输出电压；D为逆变模块输出方波的占空比。

由式(5)和式(6)易知，通过控制输出方波的占空比可调节电容最大电压峰值Uc，当电容电压峰值达到最大后，电容电压呈稳定正弦规律变化。

1.3 局部放电信号处理

对于上文所述的等脉宽调制技术，逆变模块输出信号与脉冲干扰信号对应关系如图5所示，每次逆变模块的状态变化都会产生脉冲干扰。在逆变模块开通时，逆变模块输出电压突变会产生较大的脉冲干扰[16]；而由于开关器件存在续流二极管，在逆变模块关断时会产生幅值相对较小的脉冲干扰[17]。这种脉冲干扰的特征与局部放电信号特征较为相似，难以通过小波降噪等常见的信号处理技术完全滤除脉冲干扰[18]，导致对电缆绝缘状态的评估出现偏差。

图5 逆变模块输出电压与脉冲干扰波形Fig.5 Output voltage waveform and pulse noise waveform of inverter

如图5所示，采用等脉宽调制技术在每个调制周期内存在4处与逆变模块动作同相位的窄带脉冲干扰，为避免脉冲干扰影响局部放电检测精度，可直接剔除逆变模块动作前后一段时间内的数据。串联谐振系统谐振频率需小于300 Hz，因此串联谐振周期在3 ms以上，每个周期内剔除数十微秒的数据不会对局部放电检测结果产生较大影响[19]。

1.4 局部放电缺陷定位

采用时域反射法对局部放电缺陷位置进行定位[20]，其定位原理如图6所示。将已知长度为l0测试电缆的屏蔽层接地，线芯一端接测试设备，线芯另一端开路。当距离测量端x处发生局部放电时，局部放电脉冲将沿电缆两个相反的方向传输，其中一个脉冲在t0时刻到达测量端；另一个脉冲经过电缆末端开路全反射后沿电缆向测量端继续传播，在t1时刻到达测量端[21]。利用式(6)可计算出局部放电缺陷与测量端的距离x：

(7)

式中：v为放电脉冲在电缆中的传播速度；Δt为两个脉冲到达电缆测量端时间差；l0为电缆长度。

图6 时域反射法原理Fig.6 Diagram of time domain reflection

2 试验研究

在实验室中搭建试验电路，选取两段8.7/10 kV的XLPE电缆，电缆型号为YJLV22-1×35 mm2，每段电缆长度为100 m，在两段电缆接头处设置针尖缺陷。为保证耐压试验与电缆实际运行状态的等效性，谐振频率应在20～300 Hz范围内。对于长度为100～3000 m范围内的10 kV配网电缆系统，电缆的等效容值一般在20 nF～1.5 μF之间。选取电抗器电感值L=20 H，通过式(1)计算可得谐振频率范围为29～252 Hz满足IEC 60270标准要求[4]。变压器变比为1∶ 8，容量为40 kV·A。

电缆所施加电压与局部放电信号如图7所示，可明显观察到在每个谐振周期中均存在脉冲干扰信号，经过比对脉冲干扰信号与逆变模块的输出电压可知，脉冲干扰是由逆变模块半导体开关动作导致的开关噪声。脉冲干扰详细波形如图8所示，易知脉冲波峰值在10 μs以内衰减至10 mV以下。滤除逆变模块动作10 μs时间段数据后的局部放电信号如图9所示。

图7 高压波形与局部放电波形Fig.7 Diagram of voltage and PD

图8 脉冲干扰波形Fig.8 Waveform of pulse noise

图9 滤除干扰后的局部放电波形Fig.9 Diagram of pure PD

利用时域反射法在电缆测量端注入脉冲，通过测量注入脉冲反射波的到达时间，可计算得到被测电缆中脉冲信号的传播速度。对于前文所述试验平台，计算所得波速为165 m/μs。一次局部放电及其反射波的详细波形如图10所示，易知两个脉冲到达测量端的时间差为1.24 μs，利用式(6)计算可得局部放电缺陷距离测量端97.7 m。

图10 局部放电脉冲详细波形Fig.10 Magnified detail of the PD pulse

利用前文所述的时域反射法对所有局部放电脉冲信号进行依次定位分析，将其定位结果绘制散点图如图11所示，易知局部放电缺陷定位结果在距离测量端100 m处表现出集中性，这与试验中实际设置的缺陷位置相符合。

图11 局部放电缺陷定位散点Fig.11 Diagram of PD location

3 结语

传统的串联谐振设备只能进行耐压试验，在电缆网络复杂程度不断升级的今天，已不能满足电力电缆绝缘状态检测的需要。本文基于传统串联谐振技术，结合等脉宽调制技术和时域开窗技术，对传统的调频式串联谐振系统进行改进，使其在进行耐压试验的同时还可实现局部放电检测，并利用时域反射法实现了局部放电缺陷定位功能。