分布式局部放电监测技术研究

李 虎 王 剑 王 泉 李铁军 王海默 秦 钟 赵志钰黄 河 潘庆庆 陈红发

（国网宁夏电力有限公司银川供电公司）

0 引言

目前国内外通用绝缘缺陷衡量指标是电缆的局部放电量，对绝缘缺陷的监测仅处在局放测量和定性评估的阶段，尚未实现缺陷的位置测定。国内外广泛采用离线式局放测定方案，此方案要求将电缆退出运行，并与两端的架空线路、变压器和GIS设备断开物理连接；然后使用交流或直流高压发生器向电缆注入高压，也可采用高压串联谐振的方法将高压施加在电缆绝缘上，然后使用局放监测仪测量电缆放电量。如果相比历史数值有大幅上升，则表示存在较快发展的绝缘缺陷，再通过UHF、超声和破坏性解剖等手段进行排查定位。局部放电检测技术的本质难题在于如何提高检测结果的有效性和指导性，其中包括两个重要的研究方向：一是电缆局部放电源的定位技术；二是现场局部放电检测的抗干扰技术。根据无线电频谱定义，300～3000MHz频段为特高频段。本研究将特高频技术应用到XLPE电缆的局部放电检测，在真型电缆头实验中，结合HFCT，从缺陷电缆本体上获取局部放电信号，通过数据分析得出放电结论。

在国外，局部放电特高频检测技术得到较快的发展。来自荷兰KEMA实验室的关于局部放电的超高频检测研究发现：局部放电产生的特高频电磁波信号频率成分丰富，最高频率高于1G，信号上升沿较陡，脉冲宽度多为纳秒级［2］。Rutgers、Pemen等研究人员对针-板、沿面、气隙等缺陷放电时所产生的特高频信号进行采集，在300M～1200MHz频率范围内提取局放信号并进行模式识别，由此建立基于特高频检测的电力电缆状态评估系统［3］。英国Strathclyde大学的Judd M D等研究人员进行了大量关于局部放电特高频检测技术的研究，其对传感器的设计、传感器安装、电力变压器局部放电超高频检测系统的设计、或者是信号分析处理软件开发等都有较为深入的认识［4］。综合来看，局部放电检测技术还有待深入研究。

1 局部放电信号获取

1.1 局放信号的接收

局部放电是电力电缆设备上绝缘故障的早期表现。为了识别PD信号，传统的方法是绘制像φ-q和n-φ这样的二维频谱，但是，由于在线监测方法的样本量和冗余数据过多，所以实现起来也并不容易。因此，如何简化PD信号的识别方法，以及各种PD模式快速、精确、完整地提取PD特征是研究的热点。

局部放电的接收一般依靠卡在接地线之上的高频电流传感器，本文所用高频电流传感器实物图如图1所示。而特高频天线的原理是导体放置在磁场变化的空间内，导体有可能产生谐振而将空间的自由波转换成传输结构的导波，从而实现电磁波的接收。实际中常常称导体为接收天线，其结构往往决定了接收电磁波信号的能力，只要设计合理，天线可以接收到局部放电所产生的超高频信号。与接收天线对应的是发射天线，工作时是接收天线的逆过程：把传输结构上的导波转换成空间的电磁波。这两种工作在不同状态的天线是互易的，即天线用于发射和接收时性能参数相同。表征天线性能的参数主要有方向图，方向性、增益、极化特性、带宽以及输入阻抗等。

图1 高频电流互感器实物图

1.2 局部放电检测技术

在电力电缆局部放电带电检测过程中，有效判定被测样品是否存在局部放电信号，并能够对检测到的局部放电信号源进行预定位，是电力电缆局部放电检测技术在漫长的研究发展过程中取得的决定性成果。目前，国际上主要的局部放电定位技术大部分都依靠现场情况的分析和检测人员的经验，缺乏系统的、有依据的理论或数据支撑。

实际应用中，对电力电缆局部放电的检测方法主要有：脉冲电流法、振荡波法、电感耦合法、电容耦合法、光纤温度传感法、超声波法、高频电流传感法、特高频法等［5-8］，其中脉冲电流法检测频带窄、抗干扰性差，只适用于实验室检测；振荡波法只适用于对断电切运的电缆进行离线检测；电感耦合法只适用于绕包铠装电缆；电容耦合法和光纤温度传感法需将传感器预置在电缆内，不适用于已敷设电缆的局放检测；超声波法检测灵敏度低，不能对放电量进行标定；高频电流法虽检测频带宽，但抗干扰性较差；特高频法抗干扰性好，但不能对放电量进行标定。

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1.3 局部放电信号的衰减理论

在此引入一个传输常数γ，对均匀传输线来说，信号在传输了一段距离后，发生了什么变化，即信号传输线上传输时有什么规律和特点，就需要用传输线的传输常数γ来表征。传输常数γ包含固有衰耗常数（α）和固有相移常数（β）。固有衰耗常数α反映了处于匹配连接的线路上，在能量损耗方面的传输规律，固有相移常数β反映了信号传播过程中相位的变化。

线路的传输规律得出传播公式：

式（1）即为长度为l的传输线路的传输方程，可以看出，输入电压或电流的变化取决于参数γ，γ反映了传输线固有的传输规律，即为传输线的传播常数，而γ数值的大小，取决于传输线的一次参数和传输频率。令γ＝α+jβ，有：

其中，α为衰减常数，β＝ω／v为固有相移常数，ω为信号的固频率，v为信号传播的速度。由此可知：

1）αl总是正数，线路愈长（l越大），｜U0｜愈小，说明信号沿传输线长度按指数规律衰减。

2）对同一线路而言（l一定），α愈大，｜U0｜愈小，由此可知，在同一区间，α较大的传输线信号受到的衰减也愈大，所以α是传输线上信号衰减程度的度量，称为线路的衰减常数。

所以传播常数γ表征电磁能量沿线路传输单位长度对电压或电流的振幅和相位的改变，其中α表征幅度的衰减，β表征输入与输出端之间相位的变化。

2 局放信号传输衰减特性仿真

局部放电检测的最大问题在于现场环境中存在着严重的电磁干扰。大量研究表明，现场干扰噪声的频谱通常低于400MHz。在低频法局部放电测量技术中，由于其检测频带较低，现场环境中的各种干扰将“淹没”于被测电缆附件内部的局部放电信号。而在特高频段（几百MHz甚至GHz），大量的干扰不会被耦合到。由于特高频检测频率高，具有较强的抗干扰能力，故其检测技术近年来发展很快。UHF（特高频）方法在GIS和变压器局放检测中已经获得了比较成功的应用。

根据相关文献，将ATP电缆模型中的屏蔽层作为半导电层，将铠装作为屏蔽层，以模拟真实电缆情况，对建立的模型进行仿真，在相同输入频率及传输距离下，仿真数据与文献数据比对，差异不超过10%。

2.1 仿真模型

仿真中，每段电缆固定为100m，每200m设置一观测点，总计1600m。在线路中注入一单一频率的正弦信号，通过调整信号频率，并在不同观测点测量信号，对比信号幅值。行波传输衰减模型如图2所示。

图2 行波传输衰减模型

2.2 仿真结果与分析

在10kHz～20MHz内取了12个频率点，不同频率下的传输衰减情况如图3～图5所示。

图3 10kHz～300kHz行波传输衰减情况

图4 500k Hz～3MHz行波传输衰减情况

由图可见，对于1km 电缆，按照幅值衰减到10%，频率上限约10MHz。

具体的行波衰减数据如表1～表3所示。

图5 5MHz～20MHz行波传输衰减情况

表1 10k Hz～300k Hz行波传输衰减情况

表2 500k Hz～3MHz行波传输衰减情况

（续）

表3 5MHz～20MHz行波传输衰减情况

可以看出，考虑电缆长度多数在10km以下，按照信号衰减至10%，300kHz以下的波形可实现双端监测，其频率上限远低于局放信号频率，因此对于长电缆无法实现双端局放监测。

受限制于现场信噪比问题，实际的监测距离会低于理论分析值，早期的放电（100pC以下）无法分布式监测。

3 分布式局部放电监测方法

基于前文关于电缆行波传输衰减的仿真研究，对于1km电缆，频率上限约10MHz，所以配置监测设备时，按频率上限约20MHz，幅值衰减至10%，局部放电监测间隔约500m。

3.1 局部放电监测终端的配置方案

为实现对幅值1mA～3A及频率1kHz～20MHz局部放电波形的测量，基于电磁耦合法的检测原理，设计了用于电缆隐患放电在线检测的宽频带电流传感器，该电流传感器主要由磁心、线圈、信号放大器、金属屏蔽盒等组成。

3.2 局部放电监测终端要求

传感器测量单元包括负荷电流，行波电流信号检测等。局部放电监测终端能够在电缆线路电磁干扰环境下稳定工作，具备自取电功能，支持市电等供电方式，可实现对线路工频电流、行波电流的实时、准确测量。

3.3 以接地箱为载体的局放监测系统

基于放电辨识技术、定位技术以及缺陷放电传感的研究成果，结合高可靠性供电模块设计、内置融合传感模块设计、通信模块设计，研制电缆故障与绝缘缺陷内置传感器式接地箱。

然后结合行波精确定位算法及缺陷波形提取辨识算法研究成果，设计合理的系统构架，开发相应的软件程序，最终建立电缆故障定位与绝缘缺陷预警系统。

智能接地箱安装在电缆中间接头或电缆终端头附近，根据现场实际环境安装，电缆井内一般采用膨胀螺丝固定方式，如图6所示。

图6 智能接地箱安装示意图

4 结束语

基于相关文献及行波传输衰减仿真数据，电缆局放单个放电波形的频率范围主要在20MHz内，放电包络线的频率范围在2.5MHz～5MHz左右。得出结论如下：

1）在同一区间，线路衰减常数越大，传输线信号受到的衰减也愈大；提出了一个传播常数γ来表征电磁能量沿线路传输单位长度对电压或电流的振幅和相位的改变。

2）行波在线路中传播存在衰减和畸变，考虑电缆长度多数在10km以下，按照信号衰减至10%，300kHz以下的波形可实现双端监测，其频率上限远低于局放信号频率。

3）按照接地箱来配置监测设备，按幅值衰减到10%，则频率上限约20MHz，监测间隔约500m。