基于频域反射法的低压电缆局部放电检测方法

徐善章 韩 昊 陈世炯

(国网乌鲁木齐供电公司城北变电运检中心)

0 引言

低压电缆作为电力系统中不可或缺的组成部分,其安全和稳定运行对于供电质量和用户正常用电至关重要。然而, 长期以来, 低压电缆局部放电问题一直是电力系统中的一个隐患, 可能引发电缆老化、绝缘破坏甚至火灾事故。因此, 对低压电缆的局部放电进行准确有效的检测具有重要意义。

基于频域反射法的局部放电检测方法由于其非侵入性、高精度和实时性等优势受到了广泛关注。该方法利用了电缆两端的电压波形以及局部放电信号在电缆中的传播特性, 通过频谱分析和特征提取技术, 能够准确判断电缆是否存在局部放电现象, 并定位放电源位置。因此, 基于频域反射法的低压电缆局部放电检测方法被认为是一种可靠、高效的局部放电检测手段。

本文旨在针对低压电缆局部放电问题, 研究基于频域反射法的局部放电检测方法, 通过实验验证其可行性和可靠性。首先, 介绍了局部放电的定义和危害, 以及现有的局部放电检测方法的优缺点。然后,详细阐述了基于频域反射法的低压电缆局部放电检测原理和实现步骤。接着, 设计了相应的实验装置和测试方案, 并进行了一系列的实验验证。并提出了未来改进和优化的方向。通过本文的研究, 我们期望能够为电力系统中低压电缆局部放电检测提供一种可靠、准确的方法, 提高电缆的故障诊断效率, 保障电力系统的安全运行。

1 局部放电

1.1 局部放电的定义

局部放电是指在电气设备或材料中, 由于电场强度超过其断电强度而引起的局部放电现象。当电介质中存在缺陷或不均匀性时, 电场集中在缺陷周围, 导致局部电压升高。当电压达到一定程度时, 缺陷处的电场强度可能会超过电介质的断电强度, 从而引发局部放电。局部放电通常表现为瞬态的电流脉冲, 伴随着局部区域的发光、声响和热效应。局部放电可导致电气设备损坏、能量损耗和安全隐患。因此, 检测和监测局部放电对于保障电力系统的稳定运行至关重要。

1.2 局部放电的危害

(1) 设备损坏: 局部放电产生的电弧和高温可以损坏电气设备中的绝缘材料和导体。这可能导致设备故障、短路和火灾。

(2) 能量损耗: 局部放电会引起电能的损耗,因为放电过程中会有电流通过设备或材料, 导致能量转化为热能, 从而降低系统的效率。

(3) 系统不稳定: 局部放电会产生干扰信号,干扰其他电子设备的正常运行, 从而可能导致系统崩溃或停机。

(5) 安全风险: 局部放电可能引发火灾和爆炸,对人员和设备造成严重的安全威胁。

(6) 绝缘老化: 长期存在的局部放电会导致绝缘材料的老化和退化, 使其失去原有的绝缘性能, 增加设备故障的风险。

1.3 现有的局部放电检测方法分析

目前常用的局部放电检测方法包括电压法、电流法及超声波法。

电压法是通过检测设备或系统中的局部放电产生的电压脉冲来进行诊断。该方法具有响应速度快、检测范围广的优点, 可以检测到不同类型和位置的局部放电。然而, 电压法在低放电水平下的检测效果较差, 并且对设备的干扰信号相对敏感。

电流法则是通过监测设备或系统中的局部放电引起的电流脉冲来检测局部放电现象。该方法可以提供更准确的定位信息, 并且对设备自身干扰信号的影响较小。然而, 电流法在低放电水平下的灵敏度较低,并且容易受到外部信号的干扰。

超声波法利用局部放电产生的声波信号进行检测, 并通过分析声波的频率、振幅和时域特征来判断局部放电的存在。该方法非常敏感, 可以检测到微弱的局部放电信号, 并且能够提供较准确的位置信息。然而, 超声波法的检测结果可能受到环境噪声的影响, 而且需要进行复杂的信号处理。

不同的局部放电检测方法各有优缺点。合理选择合适的检测方法, 结合实际应用需求, 可以提高对局部放电的准确性和可靠性, 并帮助及早发现和预防电力设备和系统中的潜在故障。

2 频域反射法

频域反射法是一种用于局部放电检测的方法。该方法基于局部放电所产生的高频信号在系统中传播并发生反射的原理来进行诊断。频域反射法通过发送一个高频脉冲信号到被测设备或系统中, 然后检测并分析反射回来的信号。当存在局部放电现象时, 局部放电所产生的高频信号会在系统中反射, 并以不同的时间延迟返回到检测器。该方法可以提供较高的精确度和分辨率, 能够定位和区分不同位置的局部放电源。由于采用了高频信号的检测, 可以检测到微弱的局部放电信号, 使得故障的早期诊断成为可能。此外, 该方法对干扰信号的抑制能力较强, 可以有效降低测量误差。然而, 频域反射法也存在一些缺点。首先, 该方法对设备或系统结构的要求较高, 需要具备足够的反射特性。其次, 频域反射法需要进行复杂的信号处理和数据分析, 需要专业的仪器和技术支持。此外,由于频域反射法是一种间接检测方法, 可能存在信号衰减和变形的问题。频域反射法作为局部放电检测的一种方法, 具有高精确度、高分辨率和抗干扰能力强的优点, 但也需要考虑设备结构要求以及信号处理的复杂性。

3 基于仿射变换交叉项抑制的改进算法

传输线是一种用于传输电信号或数据的导线或电缆。它通常由导体、绝缘层和外部保护层组成。传输线可以用于传输不同类型的信号, 包括电力、音频、视频和数字信号。它们广泛应用于各种通信系统中,如电力系统、电信网络和计算机网络中。传输线的设计和特性可以根据需要进行调整, 以满足特定的传输要求, 如阻抗匹配、信号保真度和传输速率等。在信号波长远小于电缆长度时, 电缆传输线模型可用下图1 的等效电路表示。

图1 电缆分布参数等效电路

为了实现对电缆缺陷的准确定位, 时频域反射法使用示波器采集电缆中阻抗不连续点的反射信号, 并向电缆注入参考信号。通过对信号进行时频域分析,可以获得信号的时变频谱特性, 并了解不同时间和频率下的信号能量聚焦情况。为此, 本文选择了具有高斯包络的线性可调频信号作为参考信号, 其数学表达式如下:

根据上式设置参考波形, 数据参数见下表1所示。

表1 仿真电缆参数设置

对于多分量的调频信号, WVD 算法存在叠加原理不满足的问题。在对无缺陷电缆进行WVD 分布求取时, 如图2 所示, 交叉干扰明显, 容易导致判断失误。以前, 同伪wigner 分布和伪wigner 平滑化分布一样, WVD 分布平滑化和f 输入抑制交叉干扰的事多。但是, 上述方法还不能完全消除交叉干扰, 消除交叉时容易影响自动入口, 导致定位分辨率降低。此外,视窗处理会导致主叶宽度增加, 时间和频率的交叉相关函数, 造成定位盲, 影响精确定位缺陷。

图2 叠加信号时频分析结果

单独分析交叉项和自项的特征差异, 结果见下图3 所示。

图3 自项与交叉项特征差异

通过对自项和交叉项进行单独分析, 可以观察到它们在特征上存在明显的差异。自项的能量分布更为集中且平滑, 交叉项表示正振荡和负振荡的频率特性。利用这个差异, 在WVD 时间频率转换后对矩阵进行协调转换, 以便进行更好的分析。为了消除交叉项干扰, 提高算法的定位精度, 同时不影响自项分辨率, 我们提出了一种基于仿射变换的交叉项抑制算法。该算法适用于各种改进的WVD, 可以大幅提高电缆故障定位的精度。

通过细致的变换, 可以明确时间和频率分布的特征差异。将时间频率分布投影在与坐标轴平行的方向上, 可以分析单一的时域或频域。从每一列中提取有效的特征, 根据每个特征选择低通滤波方法进行傅立叶变换, 去除有交叉频率字的区域, 同时宣布自动terme 结束。图4 (a) 显示了交叉消除效果。这种方法对交叉项和自治项各自的特征进行了分析和处理,但去除交叉项对自治项几乎没有影响。仿射变换后的矩阵反转和仿射变换步骤可以得到如图4 (b) 所示的没有交叉项的时间频率分布。

图4 交叉项去除结果

该方法不仅可以完全消除交叉项的影响, 还不会对自项分辨率造成影响。其效果主要取决于斜率的精确度和低频滤波的影响。此外, 该方法还可以适用于多种改进形式的WVD 分布, 以获得最佳的实测效果。具体的流程如图5 所示。

图5 交叉项去除算法流程示意图

4 改进算法的电力电缆缺陷仿真验证

仿真实验数据见下表2 所示, 本文所提出的方法在抑制交叉项的同时能够提高定位准确度, 并且具有一定的抗噪声干扰能力。此外, 该方法也适用于不同形式的时频分布, 具有较强的适应性。由于实际上电缆可能存在多种缺陷, 本文分析电缆多种缺陷的位置。1000m 的电缆, 可以模拟受湿气影响的直径0.2m 的两个缺陷部分。障碍区间的容量是通常的1.2 倍。缺陷截面的初始位移分别为300m 和600m。这种伪维格纳分布的详细变换可以用于前后频率交叉相关的处理,其结果如图6 所示。

表2 不同算法定位精度

图6 多缺陷定位结果对比

5 结束语

通过对基于频域反射法的低压电缆局部放电检测方法的研究和实验验证, 我们得出了以下结论: 首先, 基于频域反射法是一种有效的低压电缆局部放电检测方法。通过测量电缆两端的传输信号的频域反射系数, 可以准确地判断电缆中是否存在局部放电缺陷, 以及缺陷的位置和严重程度。其次, 该方法具有高精度和高灵敏度的特点。通过采集高频信号和进行频谱分析, 可以在微弱的局部放电信号中提取出有用的信息, 从而辨别出缺陷所在位置和缺陷类型。此外, 该方法还具有快速和实时性的优势, 能够及时发现电缆中的故障, 避免进一步的损坏和事故发生。最后, 基于频域反射法的低压电缆局部放电检测方法具有良好的适用性和可行性。不仅可以用于不同类型和规格的低压电缆, 还可以应用于各种工况和环境条件下的检测任务。综上所述, 基于频域反射法的低压电缆局部放电检测方法是一种可靠、有效且实用的手段,对于电力系统的安全运行和设备维护具有重要意义。