基于超高频-超声波联合检测对110 kV XLPE电缆GIS终端局部放电的检测分析

张晓星，赵 炯

（湖北工业大学，湖北 武汉 430068）

0 引 言

为了满足社会发展对电力的需求，交联电力电缆已经成为地区输电的主流，其中高压和超高压交联电力所占比例达到80%。随之而来的是电缆故障率逐年上升，故障原因多样，电缆GIS终端故障的占比例达到90%以上，而且电缆GIS终端的设计和生产工艺比较复杂，中间相关环节较多，增加了该终端设计的故障率。为了减少GIS终端的故障率，保证整个电网的安全运行，工作人员需要检测GIS放电状态，及时发现放电异常，并提早采取相关措施。电缆GIS终端放电检测主要通过声、光、电、热以及化学分解等指标，检测局部的各种物理现象[1]。目前，电缆GIS终端的检测方法较多，主要为超声检测和高频法检测，虽然符合国家电网公司企业标准《电力电缆线路试验规程》（Q/GDW 11316—2014）中的规定，但其实际检测效果并不理想，检测时间较长。因此，本文以此为基础提出基于超高频-超声波联合检测，并分析该方法的有效性。

1 超高频-超声波联合检测方法的数学描述

1.1 数据收集

高频局部放电检测法的检测频率为3～30 MHz，而超声局部放电检测频率为10～300 MHz，两者的合集为3～300 MHz。为了更加准确地测定GIS终端的放电情况，将检测频率集合分为c和C两个集合，前者收集数据的频率范围为0～30 MHz，后者收集数据的频率范围为30～300 MHz，不同频段信号数据的集合可以表示为：

式中，i、j为不同时刻，ci为集合c中的不同频率，处于3～30 MHz之间；Cj为集合C中的不同频率，处于为10～300 MHz。这里i,j∈{1,2,…,n}，n为终止测试时间。另外，GIS终端出现局部放电以后会出现振动波、压力波、声波以及电磁信号等形式，而且不同形式在空气和固体等介质的传播速度不同，会出现一定的衍射、折射以及反射现象。假设传输结果函数为f(x)，传输方式函数为f(a)，信号函数为f(b)，那么在数据收集时，上述不同传输形式和传输结果数学化描述为：

式中，λ为不同频率下传输形式之间的调节系数，即c和C两个集合函数f(a)的转化系数；γ为不同频率下信号产生形式之间的调节系数，即c和C两个集合函数f(b)的转化系数。

1.2 放电位置定位

1.3 约束条件

为了更好地进行检测，要分析超高频-超声波联合检测方法约束条件，主要包括时间约束、线路约束以及电流约束。约束条件的设定可以让超高频-超声波联合检测更加准确，从而避免出现局部极值和误判断。

1.3.1 指标约束

由于电缆GIS终端与检测的声、光、电、热以及化学指标有关，所以要对其进行判断，以此保证放电位置检测的准确。首先，约束各个指标，判断指标结果的方向。假设约束条件为ξ，其约束方向为ξ增加和ξ减少分别代表故障点与检测点的距离变远和变近，那么其计算公式为：

式中，f(x)为3～30 MHz的输出结果；f(X)为30～300 MHz的输出结果。

1.3.2 指标阈值

每种传输形式进行其最短距离计算时，假设距离为dij，那么每种指标的最短距离就是f(x)dij，以此获得最短的传输距离。假设整个数据集合为S={c,C}，线路集合为L，那么各个传输形式的阈值计算可以通过相关矩阵获得，具体内容如下，首先构建超高频-超声波联合检测的传输结果与距离矩阵M，其次计算不同形式的矩阵Mij，并得到距离测量点的最小值和整个矩阵的阈值，最后不断计算各个矩阵的特征值，并得到最小的距离。特征值的计算以声、光、电、热以及化学指标为依据，最小距离是上述指标的最小距离。记录各个指标的特征值和阈值，并与minS和maxS中的数值比较。计算过程中要计数测试点，如果测试点总数大于或等于设定点数，就需要停止上述计算，否则持续进行最后一步。

2 检测结果分析

依据上述对超高频-超声波联合法收集数据的数学描述，结合相应的阈值，分析GIS终端放电的放电点进程。

2.1 数据集合的预处理

依据相应的数据集合S={c,C}分析不同点的故障。假依据相应的数据集合S={c,C}分析不同点的故障。假设相应线路为Li和Li-1，定位为xio和xio+1，那么各点的定位函数为loction(xio,y)和loction(xio+1,y)，相应的分布函数为F(xio,y)和F(xio+1,y)。如果F(xio,y)≠F(xio+1,y)，那么数据有效，可以进行后续分析，否则数据无效，需剔除。

2.2 计算放电点的位置

GIS终端的放电点不同，如果放电点＞2，那么不同放电点之间存在以下3种关系，并依据此关系确定放电点的位置。一是多个放电点数据相邻，当超高频与超声波检测距离相同时，无论其位置是否相同，都可以将放电点作为一个看待，计算其是否符合约束条件。二是多个放电点数据独立，而且中间无任何的耦合关系，且放电电流方向相反，就要对放电点进行独立计算，得到其独立的距离Li和Li+1以及定位函数loction(xio,y)和loction(xio+1,y)，并形成相应的线路和结果集合，分别且独立计算相应的位置。三是多个放电点数据部分相关，该数据介于数据完全相关与完全独立之间，需要对距离Li和Li+1以及定位函数loction(xio,y)和loction(xio+1,y)进行相关分析，最终得到相应的loction(IDxio,y)。针对上述分析，对最后的状态进行位置定位计算，完全相关用k=1表示，完全独立用k=3表示，部分相关用k=2表示，具体计算如下：

式中，λi为相邻两个放电点的正相关系数；λi-1为相邻两个放电点的负相关系数；k代表两个放电点的关系。

为了更加准确地计算放电点，要对收集的数据求导，判断其函数值是否为唯一，如果求导结果唯一，则将该值确定为放电位置，公式如下：

构建相应的判断矩阵M，得到min(ΣΔ(xio,y))和 max(ΣΔ(xio,y))，将其作为判断的范围。如果min(ΣΔ(xio,y))=max(ΣΔ(xio,y))，则为一个放电点，如果min(ΣΔ(xio,y))=max(ΣΔ(xio,y))=0，则判断错误，否则为2个以上判断点。将所有的判断点存储于Z中，每个判断点的存储格式为{本判断点ID，前一判断点的ID，后一判断点ID，判断点放电情况，判断点权重，放电频率，总判断点遍历数}。依据Z中权重的集合，组织人员进行放电维修[3]。

3 实际案例分析

以2018年8月对某110 kV线路进行电缆GIS终端的放电检测为例，运用超高频-超声波联合法进行检测，获得实际检测结果与理论判断之间的误差，记录相应的检测时间，验证本方法的有效性。电缆GIS终端放电测试如图1所示。

3.1 放电点测试结果

确定xio和xio+1的关系，然后遍历搜索各个测试点，构建相应的矩阵，并计算特征值，结果如表1所示。由表1可知，L3、L5以及L12电缆GIS终端存在放电点，其他点均未出现异常，测试频率处于3～300 MHz，符合额定要求。

图1 电缆GIS终端放电测试

3.2 放电点定位的准确性

基于超高频-超声波联合方法200次的迭代计算如图2所示。随着迭代次数的增加，计算结果并未出现大幅变化，准确率处于96%以上，基于超高频-超声波联合方法的实际测试与理论测试之间误差较小，处于0%～5%之间，说明该方法可以有效提高检测准确性。由此可知，基于超高频-超声波联合方法可以实现GIS终端的精准定位，且节省人力与物力，降低错误判断率。

图2 实际测试与理论测试准确性比较

4 结 论

提出一种基于超高频-超声波联合方法，通过收集GIS终端数据得到loction(·)函数，通过多种约束条件得到相应放电位置值。结果显示L3、L5以及L12中的电缆GIS终端存在放电点，但其他的点均未出现异常，测试频率处于3～300 MHz，符合额定要求，同时基于超高频-超声波联合方法的实际测试与理论测试之间误差较小，在0%～1.2%之间，说明该方法可以有效提高检测准确性。由此可知，基于超高频-超声波联合方法可以实现GIS终端局部放电的精准定位，节省了人力与物力，降低了错误判断率。

表1 基于超高频-超声波联合方法的仿真结果