高壓電纜諧振耐壓局部放電測量技術研究

張西子

（華北電力大學〈北京〉 中國 北京 102206）

0 引言

目前在國際和國內(nèi)已有越來越多的XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣的電力電纜替代原有的充油油紙絕緣的電力電纜。但在交聯(lián)電纜投運前的試驗手段上由于被試容量大和試驗設備的原因，仍沿襲使用直流耐壓的試驗方法。近年來國內(nèi)外的很多研究機構(gòu)的研究成果表明直流試驗對XLPE交聯(lián)聚乙烯電纜有不同程度的損害。因此，使用非直流的方法對交聯(lián)電纜進行耐壓試驗就越來越受到人們的重視。但是，由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗變壓器很笨重、龐大、且大電流的工作電源現(xiàn)場不易取得，所以采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗設備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運輸。

研究發(fā)現(xiàn)，電纜的局部放電量與其絕緣狀況密切相關，局部放電量的變化預示著電纜絕緣可能存在危害電纜安全運行的缺陷，因此準確測量電纜局部放電量是判斷電纜絕緣品質(zhì)的最直觀、理想、有效的方法。

1 研究方法

了解到局部放電的原因，本文采用高壓電纜諧振耐壓局部放電測量的方法，具體如下：

將電纜在諧振條件下加壓運行，電纜缺陷部位將在一定電壓下產(chǎn)生局部放電脈沖。該脈沖將以一定的傳播速度沿電纜長度傳播，并在末端發(fā)生反射，反射后繼續(xù)傳播。將該脈沖信號進行采集并經(jīng)放大器放大，利用編寫的軟件來顯示，采用行波測距的方法，通過獲取故障點放電電壓入射波和反射波到達測試端的時間差，算出故障點距離。從而進一步定位故障發(fā)生地。

2 局部放電檢測

目前在局部放電的電測法中得到大量應用的是耦合電容法。

耦合電容法又叫ERA法。其基本原理是：產(chǎn)生一次局部發(fā)電時，試品Cx兩端產(chǎn)生一個瞬時的電壓變化DU，此時如經(jīng)過一個耦合電容Ck耦合到一個檢測阻抗Zd（阻值50歐姆）上，回路中就會產(chǎn)生一個脈沖電流I，脈沖電流I流經(jīng)檢測阻抗產(chǎn)生的脈沖電壓予以采集，放大和顯示等處理，就可以測定局部放電的一些基本量。

耦合電容法主要利用局部放電頻譜中的較低頻段部分，一般位數(shù)kHz至數(shù)百kHz（至多數(shù)MHz），以避免無線電干擾。一般均配有脈沖峰值表指示脈沖峰值，并有示波管顯示脈沖大小，個數(shù)與相位。放大器增益很大，其測試靈敏度相當高，而且可用已知電荷量的脈沖注入校正定量，從而可測出放電量q。

通過對測量實際的分析，我們選用頻帶為100Hz～60MHz，增益為40dB的放大器來將采集到的局部放電信號進行放大。

3 局部放電故障點的定位

3.1 行波法測距

輸電線路行波法故障測距原理是利用故障點到達測量點的距離與行波的傳播時間成正比的原理,通過測量行波的傳播時間來確定故障點到測量點距離的測距方法。

L為R點和點之間線路的總長度，在F點發(fā)生故障后，暫態(tài)行波分別向R，S運動，到達R，S后將檢測到兩個波頭，設在R點測到兩個波頭之間的時間差為ΔT，行波速度為V。

當發(fā)生故障時,經(jīng)小波變換檢測到與初始行波波頭同極性第二個行波波頭，即故障點初始行波經(jīng)終端反射回到故障處再次回到檢測端的波頭，由此可以得到R點到故障點之間的距離為：

x=L-0.5*v*T

3.2 具體步驟

3.2.1 信號的處理

由于測試導線固有的高頻干擾等，對波頭識別和有用信息的讀取帶來干擾，造成故障點誤判，測距誤差較大。所以需要對原始信號進行有效的數(shù)據(jù)處理，以消除噪聲干擾，提取信號突變點的位置信息。信號的處理主要采用小波變換的方法。

3.2.2 故障點的定位

1）檢測波形峰值

對檢測系統(tǒng)采集到的局放原始信號，設定合理的檢測閾值，軟件自動找出局放信號中所有過閾值的波峰及波谷。

2）入射-反射脈沖的配對

根據(jù)行波理論，電纜終端開路時，入射脈沖和反射脈沖極性相同，且入射脈沖的幅值大于反射脈沖。基于該理論，首先提取完整局放波形中的最大峰值（波峰或波谷），以此峰值所在的脈沖作為一個入射波，并以入射波時刻為起點，截取一定時間段內(nèi)的波形，截取波形的時間長度為（L為電纜長度，V為電纜中波速)。然后在完整的局放波形中消去已經(jīng)截取的子波，在剩余波形中再次搜索峰值（波峰或波谷），求取峰值最大值，重復上述步驟，依此方法完成一個完整局放波形的分割。在分割得到的每個子波中，搜尋與入射波脈沖最為相似的脈沖作為反射波 （入射波與反射波極性相同，入射波幅值大于反射波）。為便于區(qū)分，入射波、反射波以及波形其余部分用不同顏色標識，并標識出入射波及反射波的峰值。這樣，每個子波中包括入射波及反射波，這樣的一個波形作為一個定位波形，用戶可以選擇查看。

上面給出一個完整局放波形的波形分割及脈沖匹配方法，針對大量的局放測試波形，軟件均按照上述方法進行波形分割及脈沖匹配處理。

3）選取合理的定位波形

每個完整的局放信號波形在經(jīng)過2.1.2中所述的方法完成子波形切割、脈沖自動配對后，可以形成若干個定位波形。由于局放信號波形隨機性較大，軟件自動生成的脈沖配對結(jié)果不一定準確。為提高脈沖配對準確度，需要在軟件自動配對的基礎上進行人工篩選，最終確定準確的配對結(jié)果。

再根據(jù)行波理論及經(jīng)驗最終確定用于定位計算的脈沖配對波形，并選擇合理的入射及反射脈沖，軟件自動測量選取的入射、反射脈沖之間的時間差值，根據(jù)下式計算故障原位置：

上式中L為電纜長度，v為電纜中波速，Δt為入射波與反射波峰值之間的時間差。

3.2.3 放電量的判別

雖然故障點放電量大小不能直接測得，但是其數(shù)值可以反映在波形幅值上。預先通過實驗得到放電量與幅值之間的關系作為校準波形，與所測得波形相比較，便可得到故障點放電量。校準波形如下圖所示：

4 結(jié)論

利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過調(diào)節(jié)輸出頻率，使回路中電抗器和試品電容發(fā)生串聯(lián)諧振，是當前高壓試驗的一種新方法。我們配合諧振耐壓系統(tǒng)設計出了局部放電檢測裝置，將這種對電纜高壓檢驗的先進方法與電纜的局部放電檢測相結(jié)合，在對電纜的進行耐壓檢驗的過程中實現(xiàn)對局部放電的檢測與定位。

該測量系統(tǒng)能同時進行耐壓試驗和局部放電檢測，及其發(fā)現(xiàn)電纜的大、小故障，提高電纜供電可靠性。

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