绝缘管母局部放电特征分析及检测技术研究

上海驹电电气科技有限公司 张克勤 董春雷 上海交通大学 王 辉

结合大量相关故障案例得出，绝大数故障是由于绝缘管母本身或管母附件质量差、外力损坏和机械损伤、腐蚀与进潮、管母接头施工质量不过关、附件老化等一系列原因，使得管母在长时间、高电压、大电流（过负荷）运行条件下容易造成绝缘损坏，并产生局部放电，最终导致事故[1-3]。

1 绝缘管母缺陷类型及评价方法

通过对绝缘管型母线出现的相关故障进行分析，绝缘管型母线典型故障大概为以下几种：生产过程中存在内部气泡导致的气隙放电缺陷；运行过程中潮湿或降雨导致水分渗入缺陷；安装过种中连接不紧密导致的悬浮电位放电缺陷；运行过程中由于潮湿污秽导致的沿面放电缺陷；材料工艺导致的沿面放电或气隙放电缺陷。因此，开展绝缘管型母线的局部放电检测及评估方法研究具有重要意义。

由于绝缘母线与电缆结构相似，目前主要依据《DL/T 1253-2013电力电缆线路运行规程》、《Q/GDW 11316-2014电力电缆线路试验规程》等相关规定，并结合已投运绝缘母线的运行特性，对交接试验、例行试验、诊断性试验给出诊断建议方法[1-6]。对绝缘管型母线的带电检测，尚未形成相关的行业标准或企业标准。

2 绝缘管型母线的局部放电特征分析

本文通过在在实验室搭建绝缘管母悬浮放电、沿面放电、电晕等模型，研究不同种类缺陷引发的局部放电信号的时域、频域及统计特征，以及不同检测技术有效性分析。绝缘管母内部绝缘缺陷模型设计如图1所示。

图1 绝缘管母内部绝缘缺陷模型设计

2.1 试验过程及局部放电信号分析

实验室平台搭建如图2所示，对带有缺陷的绝缘管母进行局部放电检测试验。本次实验中共用到6个传感器。在地上放置一个普通UHF 传感器用于检测环境干扰，绝缘管母接口处放置一个普通UHF 传感器用于检测绝缘管母内部的局部放电信号，地上放置一个全向UHF 传感器用于确定更宽频带的特高频信号，绝缘管母管壁表面粘一个超声传感器用于检测超声波信号，接地线处接一个高频传感器用于检测较低频率的信号。传感器的位置如图3所示。对装置施加电压进行试验，缓慢升高试验电压，记录4种单一的缺陷模型的起始放电电压。继续缓慢升高试验电压，分别采集不同放电强度下的稳定局部放电信号。

图2 绝缘管母局放平台搭建

图3 试验平台及各传感器分布

2.2 电晕放电样品特征分析

图4为示波器上显示的信号波形。其中，CH1（黄）为1号普通UHF 传感器采集的环境干扰信号，CH2（红）为2号普通UHF 传感器采集的绝缘管母局放信号，CH3（蓝）为全向UHF 传感器采集的局放信号，CH4（绿）为超声传感器采集信号。采用MATLAB 软件对数据进行进一步处理和分析，得到信号的时域波形和频域波形图。如图5和6所示。

图5 信号时域波形图（横坐标为时间ns，纵坐标为幅值mV）

图6 信号频域波形图(横坐标频率MHz，纵坐标单频点幅度)

对比放置在相同位置的1号普通特高频传感器和全向特高频传感器采集的信号（a）、（b），全向传感器整体灵敏度较高，获取的信号幅值较大，尤其对于低频段的信号采集能力较为突出。由于全向特高频传感器距离绝缘管母距离较远，而2号普通特高频传感器紧贴绝缘管母放置，因此无法通过信号强度大小比较两传感器的灵敏度。仅从采集信号的频谱特征来看，普通UHF 传感器采集信号的频段范围为500～1500MHz，而全向传感器采集信号的频段范围为100～400MHz，全向UHF 传感器在普通UHF传感器无法检测到的0～500MHz 范围内表现优异。

位于绝缘管母管壁中段的超声传感器始终未检测到局放信号，分析原因如下：该绝缘管母样品放电量较小，放电位置距离传感器较远，信号在管母内部衰减严重。因此无法检测到相应的局放信号。由于经过大量试验发现始终无法检测到超声信号，因此将CH4（绿）换为高频传感器采集信号，保持CH1（黄）、CH2（红）、CH3（蓝）不变。示波器上显示的信号波形如图7所示。由图7中CH4（绿）的波形可以看出信号的频率较低。

图7 示波器波形图

2.3 沿面放电样品特征分析

图8为示波器上显示的信号波形。其中CH1（黄）绝缘管母右侧普通UHF 传感器采集信号，CH2（红）为绝缘管母右侧全向UHF 传感器采集信号，CH3（蓝）为高频传感器采集信号，CH4（绿）为紧贴绝缘管母管壁的超声传感器采集信号。

图8 示波器波形图

图9分别为普通UHF 传感器和全向UHF 传感器检测信号的频谱图。对比相同位置下普通UHF 传感器和全向UHF 传感器采集信号在频谱上的差异可知，全向UHF 传感器整体灵敏度较高，采集到的信号幅值是普通传感器的10倍左右。由频域波形图可以看出，绝缘管母的局放特高频信号主要集中在100～500MHz 频段范围内。

2.4 悬浮放电样品特征分析

为了进一步研究绝缘管母局放特高频信号的频段范围，在绝缘管母上模拟了悬浮放电，并在信号输出端口连接低通滤波器和高通滤波器，观察不同UHF 传感器采集信号的时频特征。首先在CH1（黄）、CH2（红）输出端口分别接一个高通滤波器再连入示波器。各通道波形图如图10所示。其中CH1（黄）为普通UHF 传感器采集信号，CH2（红）为全向UHF 传感器采集信号，CH3（蓝）为HF 传感器采集信号，CH4（绿）为超声传感器采集信号。

图10 示波器显示波形图

由于高频与特高频信号没有对应的脉冲，因此换用低通滤波器进行进一步检测研究。在CH1（黄）、CH2（红）端口分别接一个低通滤波器再接入示波器。各通道波形图如图11所示。

图11 示波器显示波形图

2.5 气隙放电样品特征分析

分析图12、13可知，气隙放电下全向UHF 传感器在低频段（500Hz）检测灵敏度较高，采集信号的幅值约为普通UHF 传感器采集信号的十倍。由当前的大量试验可知，绝缘管母局部放电的频段范围主要集中在100～500MHz，因此若采用普通UHF 传感器对绝缘管母局部放电进行检测和诊断，不利于绝缘管母绝缘状态监测和风险评估。

图12 时域波形图（横坐标为时间ns，纵坐标为幅值mV）

图13 频域波形图（横坐标时间ns，纵坐标单频点幅度）

2.6 三维图谱分析

通过信号处理得到4种典型缺陷下UHF 局部放电信号的三维谱图。不同缺陷类型的局部放电获得的三维谱图表现出明显不同的特点和显著差异。通过对缺陷模型局放UHF 信号进行连续50个工频周期采样，获取多周期内的脉冲幅值及相位信息，统计放电次数，形成不同类型局部放电特征的φ-Q-N 图。根据φ-Q-N 图得到各种缺陷模型放电三维图谱如图14所示。

图14 三维PRPD 谱图

综上所述， 全向UHF 传感器在低频段（500Hz）检测灵敏度较高，采集信号的幅值约为普通UHF 传感器采集信号的十倍，因此绝缘管母局部放电检测宜采用全向特高频传感器进行检测。