基于特高频法识别的配电网电缆局部放电检测方法

夏永涛

（中铁武汉电气化局集团有限公司，湖北武汉，430074）

0 引言

配电网电缆是当前电力体系最为重要的一环，并且被分布在城市的各处角落，一旦配电网电缆出现放电现象，十分容易危及城市居民安全[1]。为此需要检测配电网电缆局部放电情况。在国外，自上世纪50年代起，国外就已经开始研究配电网电缆局部放电问题，并建立起绝缘非破坏性检测项目，采用宽频带放大检测器，检测电缆局部放电问题；在70年代，针对电缆局部放电问题的检测，提出利用电缆上的运行电压，对电力电缆绝缘状态进行检测，从而得到电缆局部放电情况，及时准确地发现绝缘缺陷，此后，众多学者纷纷加入电缆局部放电的研究当中，并研究出了超高频法、差分法等配电网电缆局部放电检测技术。在国内，近期才有学者研究配电网多传感器融合技术、高频局部检测技术，相对国外的研究较晚[2-4]，但是，近些年来的计算机技术、数字信号处理技术以及电力产业的发展，让我国众多学者，也纷纷加入配电网电缆局部放电检测的研究中，且电力设备带电检测技术规范，也已经被制定出来，并将电缆局部放电检测，正式纳入日常检测工作当中[5-7]。

在本次研究中，为了减少电缆绝缘故障的出现，确保电缆运行的安全可靠性，必须研究出可以确定电缆局部放电位置的放电故障检测方法，为此研究基于特高频法识别的配电网电缆局部放电检测方法。

1 基于特高频法识别的配电网电缆局部放电检测方法

1.1 建立配电网电缆电路模型

由于配电网电缆局部放电会产生局部信号，产生宽频带频率，该频率分布在高频或超高频范围内，该信号的传输脉冲信号线为配电网电缆。然而，在检测配电网局部放电时，检测到的电缆长度会比局部放电的长度长[8-9]。为此，根据上述分析，选择分布参数法，建立配电网电缆电路分布参数模型，如图1所示。

图1 配电网电缆电路分布参数模型

从图1中可以看出，配电网电缆局部放电检测时，可以采用绝缘电阻的变化量，作为配电网电缆局部放电检测诊断的特征量，一旦电缆出现故障，就会降低绝缘电阻值，当电阻值变小时，电缆分布参数会出现不均匀问题，导致电缆某些部分，不再满足阻抗匹配条件，从而出现局放脉冲反射现象。但是，当配电网未曾出现放电问题时，电缆参数分布均匀，并且满足电缆对阻抗匹配的需求，此时，电缆则不会出现局放脉冲反射。

但是，在图1所示的分布参数模型中，不能计算电缆导体半径、绝缘层厚度、外皮半径等参数，单凭图1，也不能计算出电缆一次参数的频率函数，所以建立如图2所示的电缆贝杰龙数学模型。结合图1分布参数模型和图2数学模型，可以发现，配电网电缆电路分布参数中的等效电阻、等效电感、等效电容，三个参数值是可以改变的。

图2 电缆贝杰龙数学模型

因此，采用特高频传感器，采集电缆局部放电信号，换算配电网电缆等效电阻、等效电感、等效电容三个参数值，分析电缆中放电信号的传播特性和衰减特征，确定电缆放电位置。

（1）电缆等效电阻换算。假设单位长度的电阻等效值，在θ温度下为R；20°时导体的电阻率为ρ；导体电阻的温度系数为α；导体加工过程中，引起电阻率增加的系数为k，在此次换算中，取值为1；电缆导体内芯的直径为D1，则有：

根据式（1）可以得到配电网电缆电路等效电阻值[10]。

（2）电缆等效电容换算。假设单位长度的等效电容为C；绝缘的相对介电常数为ε；真空介电常数为0ε；电缆绝缘层的直径为D2，则有：

根据式（2）可以得到配电网电缆电路等效电容值。

（3）电缆等效电感换算。假设单位长度的等效电感为L；内部电感为L1；外部电感为L2；磁导率为0µ，则有：

根据式（3）可以得到配电网电缆电路等效电感值[11]。

此时，综合式（1）、（2）和（3），即可以计算出电力电缆，分布参数模型的分布参数及波阻抗，则波阻抗Z计算公式为：

至此，即换算出所有配电网电缆分布参数。此时，即可分析电缆中放电信号的传播特性和衰减特征，确定配电网电缆局部放电位置。

1.2 分析电缆中放电信号传播特性及衰减特征

根据图1所示建立配电网电缆回路分布参数模型，并结合模型分析结果，可以确定电缆中存在一定的电阻值，该电阻值分布在整个电缆回路中。因此，当电缆周围出现电磁场时，电缆会产生电感效应。然而，电缆的复杂结构会导致电缆层间的电容并分布在电缆的整个长度上[12]。所以，根据图1所示的配电网电缆电路分布参数模型，及电缆等效电阻、等效电感、等效电容三个参数值换算结果，分析电缆中放电信号传播特性。

假设电缆绝缘的分布电导（S/km）为G0；电缆各层介质之间的分布电容（F/km）为C0；电缆芯线在一定长度上的分布电阻（Ω/km）为R0；放电信号的频率为ω；相应长度上的分布电感（H/km）L0；特性阻抗为Z0，则有：

式（5）中，j表示电缆传输线上的任意一点。根据式（5），即可计算出特性阻抗，流入电缆传输线上的任意一点时，电压与电流的比值。当信号的频率较高时，存在R0≪ωL0，G0≪ωC0，则式（5）计算的特性阻抗Z0，简化式为：

由于电缆的特性阻抗，与电缆绝缘介质的材料、厚度、横截面积等结构参数，以及芯线与屏蔽层或者铠装之间的距离等固有属性有关，所以此次式（6）计算的特性阻抗，只能描述电缆某一点处的特性阻抗，而不能描述放电信号传播特性，则有：

式（7）中，U0表示输出端信号；U1表示电缆输入端信号；l表示信号经过长度；γ表示传输系数[13]。从式（7）可以看出，传输系数γ，在式（7）主要表示信号在电缆中，传输一段距离后的规律和特性，所以，采用电缆的一次参数，表示电缆放电信号，在电缆中固有的传输系数γ，将式（5）代入，则有：

从式（8）中可以看出，电缆放电信号在传输的过程中，会随着传输时间，不断衰减，此时则会存在电缆放电信号固有衰减常数α，并且改变了放电信号的相位，而其传输系数，却又属于复数形式，因此设放电系数，改变固有相位，所产生的固有相移常数为β，则有：

此时，将式（9）代入式（7），则有 ：

式（10）中，e-jβl表示信号的相位变化。从（10）式中可以看出，电压幅值，并不会受到信号相位变化的影响，则信号在传输时，电压幅值的变化规律为：

此时，式（11）中的U0表示信号输出端口电压；U1表示信号输入端口电压；l表示电缆长度。则电缆固有衰减常数为：

根据图1所示的电缆分布参数模型，可以确定放电信号的传输，可以确定为一个近似的值，则有：

式（13）中，c表示光在真空中，传播的速度，即c= 3 × 1 08m/s；v表示放电信号从电缆一端，传播至另一端的传播速度，即其中，t表示放电信号从电缆一端，传播至另一端的消耗时间；µ表示电缆绝缘介质的相对磁导率[14]。

从式（13）中可以看出，放电信号在传播时，其传播速度，只与电缆芯线周围的绝缘材料的相对磁导率，及介电系数有关，可以确定电缆中的放电信号传播速度保持不变，在检测配电网局部放电情况时，可以将放电信号的光速，设定为50%。

综合上述内容，确定的电缆中放电信号传播及衰减特征如下：

（1）电缆局部出现放电问题时，所产生的放电信号，出现的衰减特征，与电缆自身特性有关，并且其产生的放电信号衰减常数唯一，且一定大于零。所以，信号幅值随着传输距离的增加，不断衰减。

（2）电缆放电信号，与传输系数、分布参数、固有频率等参数，存在一定关系。所以，电缆中的放电信号，在电缆中传输时，其产生的幅值以及相位变化，会存在一定的差异，甚至出现失真问题。

（3）在分布电感和分布电容的影响下，放电信号在电缆中传输时，会出现滞后效应，且放电信号的传播速度，会受到电缆绝缘介质影响。

1.3 基于特高频法识别的检测配电网电缆局部放电位置

根据上述式（5）～（13），确定的电缆中放电信号传播特性及衰减特征，即可采用特高频法识别，配电网电缆局部放电位置。其检测流程如图3所示。

图3 特高频法识别检测电缆局部放电流程

根据如图3所示的特高频法识别检测电缆局部放电流程，假设基于图1所示的电缆电路分布参数模型，特高频传感器，采集到的两个放电信号分别为x(t)和y(t)，由于信号衰减特征，导致放电信号y(t)出现相移变化，得到经过位移τ变化后的样本y(t+τ) ，则有 ：

式（14）中，T表示两个放电信号时间差；Hxy(τ)表示经过位移τ变化后，x(t)和y(t)电信号的互相关关系。此时，设两个放电信号采集时间的间隔为T1，基于式（13）得到的放电信号传输速度，确定电缆局部放电位置，与特高频传感器采集放电信号位置的距离h为：

根据式（15），得出特高频传感器采集放电信号位置的距离，从而确定电缆局部放电位置，并将上述计算过程，代入图3中，即完成电缆局部放电检测。

综上所述，此次研究配电网电缆局部放电检测方法，建立配电网电缆电路模型，采用特高频传感器采集放电信号，换算配电网电缆等效电阻、等效电感、等效电容三个参数值，分析电缆中放电信号的传播特性和衰减特征，设计特高频法识别检测电缆局部放电流程，完成配电网电缆局部放电检测。

2 仿真实验

为验证配电网电缆局部放电检测方法，选择某地区330kV变电站作为本实验的研究对象，选用专业的电力仿真软件对本实验所选电缆的局部放电过程进行仿真。将此次提出的配电网电缆局部放电检测方法记为实验A组，将引言中提到的两种配电网电缆局部放电检测方法，分别记为实验B组（文献[3]方法）和实验C组（文献[4]方法）。根据配电网电缆局部放电检测特点，以文献[15]电力电缆局部放电定位过程中对噪声及反射脉冲的干扰处理方法、局放脉冲信号滤除步骤为依据，电缆局部放电故障为实验研究方向，确定电缆局部放电信号强度，改变电缆局部放电故障位置，对比三组配电网电缆局部放电检测方法，判断检测的电缆局部放电故障位置结果，与实际电缆局部放电故障位置检测结果是否一致度。

2.1 实验准备

此次实验，选择某区域的330kV变电站，布置的配电网电缆，作为此次仿真实验的仿真对象。仿真平台选择专业的PSCAD电力仿真平台，对330kV变电站，布置的配电网电缆进行仿真，并采用此次选择的三组检测方法，在PSCAD电力仿真平台上，检测电缆局部放电问题，此次检测设计的电缆局部放电电路，如图4所示。

图4 电缆局部放电电路图

从图4中可以看出，此次仿真的配电网电缆，由电缆本体、中间接头、实验终端三部分组成。在PSCAD电力仿真平台上的模拟参数如下：

（1）电缆本体选择YJV -8.7/15-3×70型XLPE三芯电缆，属于无金属保护套电缆，电缆芯的截面积为75平方毫米。

（2）电缆最薄弱的部分，就是电缆的中间接头，非常容易出现放电问题，为了避免其他因素，影响实验结果，此次电缆线路的中间接头，选择绝缘性能好、安装方便的冷缩式中间接头。

（3）电缆终端选择常规处理后的电缆终端头，将剥去电缆终端头外面保护层和屏蔽层，其玻璃长度为15厘米～20厘米之间，并采用纯净变压器油，处理电缆终端头，保证电缆接头与电缆终端的接触。

由于此次实验选择的是仿真实验，因此在实验过程中，不考虑外力破坏、受潮等环境影响因素，并在仿真实验过程中，将电缆电压设定为常规电压220kV。

在实验过程中，采用PSCAD电力仿真平台，模拟配电网电缆正常运行，并控制配电网电缆局部放电位置，形成的放电信号强度。

2.2 第一组实验结果

基于此次实验设计的仿真参数，采用三组电缆局部放电检测方法，分别在PSCAD电力仿真平台上，检测电缆局部放电故障，确定故障放电位置，并与PSCAD电力仿真平台，控制的实际故障位置进行对比，其实验结果如图5所示。

图5 电缆局部放电定位对比图

从图5中可以看出，当配电网电缆的放电信号不变时，实验C组检测到的放电位置，与实际放电位置，相差最大；实验A组检测到的放电位置，与实际放电位置相差最小。

2.3 第二组实验结果

为了进一步验证三组检测方法，在第一组实验结果的基础上，进行第二组实验。采用PSCAD电力仿真平台，改变配电网电缆放电类型，采用三组检测方法，分别检测，其检测结果的准确率如表1所示。

表1 配电网放电类型检测准确率（%）

从表1中可以看出，实验A组检测配电网放电类型检测准确率最高；实验B组检测配电网放电类型检测准确率最不稳定，实验C组检测配电网放电类型检测准确率最低。

综合上述两组实验可知，此次研究的配电网电缆局部放电检测方法，检测配电网放电定位与实际位置最为相近，且对配电网放电类型检测准确率，相对其他检测方法高。

3 结束语

此次研究配电网电缆局部放电检测方法，采用特高频传感器和特高频识别技术，提高信号采集速度，减少配电网电缆局部放电检测时间。但是此次研究的配电网电缆局部放电检测方法，未曾考虑特高频传感器采集局部放电信号的复杂性。因此在今后的研究中，还需不断深入研究配电网电缆局部放电检测方法，设计出更方便的电缆局部放电信号采集传感器。