電力電纜局放定位中波速確定方法研究

孫永杰，馬宏忠

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜，由于具有較高的機(jī)械性能、熱老化性能、耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的能力和優(yōu)良的電氣性能，廣泛應(yīng)用于110 kV以下電纜，成為城市供電網(wǎng)絡(luò)的主體。如何預(yù)防電力電纜故障發(fā)生和保障供電可靠性，已成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。局部放電是電力電纜早期絕緣劣化的一個(gè)標(biāo)志［1］。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者、IEC、IEEE以及CIGRE等國(guó)際電力權(quán)威機(jī)構(gòu)一致推薦局部放電是作為XLPE絕緣電力電纜絕緣狀況評(píng)價(jià)的最佳方法［2，4，8］。監(jiān)測(cè)電纜局放并準(zhǔn)確定位放電點(diǎn)，是預(yù)防絕緣故障發(fā)生發(fā)展的有效措施。目前電纜放電定位廣泛應(yīng)用的時(shí)域反射法［5，6］，原理是設(shè)法取得局放信號(hào)及其反射信號(hào)的時(shí)間差，或者放電脈沖傳播到電纜兩端的時(shí)差結(jié)合局放脈沖在電纜中的傳播速度進(jìn)行定位。各文獻(xiàn)給出XLPE絕緣電纜的脈沖傳播速度范圍為0.160～0.190 m/ns，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距通常取0.170 m/ns。目前電纜定位誤差主要是脈沖在電纜上傳輸速度取值偏差帶來(lái)的。實(shí)際中，同一規(guī)格電纜由于不同廠家的絕緣材料配料比例、生產(chǎn)工藝的差異，其傳輸波速是有區(qū)別的。電纜投運(yùn)后絕緣老化，運(yùn)行環(huán)境變化，比如溫度和干濕度都會(huì)造成電纜分布參數(shù)的微小變化，勢(shì)必影響到局放脈沖的傳播。目前對(duì)于絕緣老化影響波速的趨勢(shì)還不明確，所以參考波速不具有通用性，同時(shí)會(huì)造成放電點(diǎn)定位結(jié)果誤差較大。

1 電纜中局放脈沖傳播特征

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)局放脈沖幅值為mV級(jí)，持續(xù)時(shí)間幾十ns到幾百ns，頻率從幾 MHz到幾十 MHz［7］，頻率范圍較大，而電纜中的低頻和高頻成分的傳播特性是不同的。經(jīng)過(guò)電纜傳輸后，放電脈沖幅值會(huì)下降，上升和下降沿變得不再陡峭，波峰變得扁平。

電力系統(tǒng)分析可知，均勻傳輸線路的二次參數(shù)由一次參數(shù)推導(dǎo)得到，包括特性阻抗和傳播系數(shù)。特性阻抗定義為給定參數(shù)的無(wú)限長(zhǎng)傳輸線路上行波電壓與電流之比。特性阻抗的表達(dá)式為:

式中R，L，G，C分別表示單位長(zhǎng)度電纜的電阻，電感，電導(dǎo)和電容。電纜的特性阻抗是指均勻長(zhǎng)線，在發(fā)射端的某一頻率下的阻抗。均勻傳輸線的特性阻抗除了和電纜本身參數(shù)有關(guān)，還與線路中傳播的信號(hào)頻率相關(guān)，不同頻率成分的信號(hào)傳播的特性阻抗不同。這一點(diǎn)從特性阻抗表達(dá)式可以看出。

研究表明，傳播系數(shù)γ反映線路固有的傳播規(guī)律，表明了信號(hào)傳輸過(guò)程中發(fā)生了什么變化。傳播系數(shù)定義為:

其中α是衰減常數(shù)，是線路傳輸衰減程度的度量;β是相移常數(shù)，表征輸出與輸入信號(hào)間的相位變化。從傳輸系數(shù)表達(dá)式可見(jiàn)，信號(hào)的不同頻率成分傳輸系數(shù)是不同的。頻率越高的成分傳輸過(guò)程中衰減越快，相移越嚴(yán)重。

文獻(xiàn)［8］給出電力電纜中衰減常數(shù)和相移常數(shù)隨著信號(hào)頻率的變化趨勢(shì)。從圖1中可以看出，衰減常數(shù)隨著頻率的上升迅速增加。從圖2可見(jiàn)，相移和頻率幾乎呈正比關(guān)系。

2 本文電纜局放定位波速確定原理

不同頻率的信號(hào)在電纜中傳播速度不同;相同的信號(hào)在不同電纜參數(shù)下傳播的波速也是有區(qū)別的。為了進(jìn)行電纜故障定位，需要確定局放脈沖傳播速度。

2.1 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定波速

文獻(xiàn)［5］指出頻率和溫度上升導(dǎo)致絕緣介電常數(shù)減小，電容下降而波速上升。并且給出波速的溫度補(bǔ)償系數(shù)。鑒于理論波速誤差因素多，補(bǔ)償計(jì)算過(guò)程繁瑣，本文提出基于試驗(yàn)確定局放脈沖在電纜中傳播速度的方法。原理是分別對(duì)不同長(zhǎng)度的電纜人工設(shè)置放電或者使用脈沖發(fā)生器輸入放電脈沖信號(hào)，記錄放電脈沖在電纜中傳播的時(shí)間，由此得出電纜長(zhǎng)度與傳播時(shí)間關(guān)系的數(shù)據(jù)，然后再對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，選取合適的擬合參數(shù)，就可以得到電纜中局放傳播的波速表達(dá)式。為精確放電打下基礎(chǔ)。實(shí)際操作中，波速確定可以結(jié)合電纜廠家的出廠試驗(yàn)來(lái)完成。參考XLPE電纜的低壓脈沖測(cè)試法［9］，選取適當(dāng)長(zhǎng)度電纜，用局放脈沖代替低壓脈沖測(cè)試局放信號(hào)在電纜中的波速。確定電纜波速試驗(yàn)時(shí)，可以用局部放電標(biāo)準(zhǔn)電荷發(fā)生器產(chǎn)生放電脈沖輸入被試電纜，在電纜終端的高速示波器上可以得到放電脈沖的時(shí)域圖形，可以在示波器讀出放電脈沖的輸入和示波器測(cè)得電纜終端的輸出信號(hào)的時(shí)差。分別取不同長(zhǎng)度的電纜進(jìn)行多次試驗(yàn)，適量的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析擬合，可以得到本型號(hào)試驗(yàn)電纜的局放波速表達(dá)式。

2.2 局放脈沖傳輸時(shí)間確定

局放脈沖波形由于在傳輸過(guò)程中的衰減而發(fā)生畸變，高頻率成分比低頻率成分衰減快，長(zhǎng)電纜衰減更嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)電纜傳輸后幅值減小，脈沖波形變寬，也不具有陡峭的上升沿。長(zhǎng)線路的傳輸后脈沖波峰不明顯。在線進(jìn)行定位時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲和干擾影響，加之放電信號(hào)持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)，如果以放電脈沖上升沿起始點(diǎn)或峰值對(duì)應(yīng)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)用來(lái)確定時(shí)差，有一定的困難。另一方面也會(huì)增加試驗(yàn)結(jié)果的誤差。電纜終端測(cè)得的局放脈沖起點(diǎn)或峰值不太明顯，會(huì)發(fā)生漂移，波峰也有向后延緩的趨勢(shì)，見(jiàn)圖3。

2.3 互相關(guān)時(shí)延估計(jì)

互相關(guān)函數(shù)［1，10］在工程中的應(yīng)用是從噪聲中檢測(cè)出系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)并且給出信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的時(shí)間?；ハ嚓P(guān)函數(shù)圖給出了輸入波形和輸出波形的相似程度關(guān)系，在輸入輸出信號(hào)波形最相似的地方函數(shù)出現(xiàn)峰值，此處對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)偏移量即信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的時(shí)間?；ハ嚓P(guān)函數(shù)圖形見(jiàn)圖4。

設(shè)輸入信號(hào)為f1（t），輸出信號(hào)比輸入信號(hào)時(shí)間上延遲Δt，為f2（t－Δt）。信號(hào) f1（t）和 f2（t－Δt）的互相關(guān)函數(shù)定義［1］為:

當(dāng)Δt=τ時(shí)，互相關(guān)函數(shù)正相關(guān)最大。此處橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)時(shí)延τ。對(duì)電纜首端輸入局放脈沖和終端輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，可以得到脈沖信號(hào)在電纜中的傳播時(shí)間?；ハ嚓P(guān)分析用于時(shí)延估計(jì)精度較高，抗干擾能力強(qiáng)。文獻(xiàn)［10］結(jié)果表明，相關(guān)性時(shí)延估計(jì)方法用于變壓器局放信號(hào)時(shí)延估計(jì)與理論信號(hào)時(shí)延的誤差可控制在幾十皮秒以內(nèi)，能滿足精確定位局部放電的要求。

3 仿真與數(shù)據(jù)擬合

利用MATLAB中的分布式電纜模型，加入局放脈沖進(jìn)行仿真。選擇電纜參數(shù)，設(shè)定電纜長(zhǎng)度進(jìn)行傳輸仿真，并結(jié)合互相關(guān)函數(shù)求信號(hào)傳輸時(shí)延，得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行曲線擬合，即可確定波速表達(dá)式。

輸入放電脈沖采用經(jīng)典的單指數(shù)震蕩衰減脈沖仿真信號(hào)［11］:

參數(shù)取幅值 A為1 mv，衰減常數(shù) τ 取0.1 μs，振蕩頻率 fc取10 MHz。采樣頻率取 1 GHz。時(shí)域波形見(jiàn)圖 5。從圖中放電脈沖時(shí)域波形可以看出，脈沖上升沿（0.1 A ～ 0.9 A）時(shí)間約 20 ns，波尾（A ～0.1 A）時(shí)間約為 600 ns，滿足 IEC 60270［12］規(guī)定之要求。

以額定110 kV單芯銅導(dǎo)體電纜YJV型電力電纜為例，電纜參數(shù)分別為:導(dǎo)體標(biāo)稱截面積240 mm2，導(dǎo)體外徑18.50 mm，內(nèi)屏蔽（內(nèi)半導(dǎo)電層）厚度1.0 mm，XLPE絕緣層厚度19.0 mm，外屏蔽（外半導(dǎo)電層）厚度1.0 mm，疏繞銅絲屏蔽截面2.0 mm2，外護(hù)套厚度3.3 mm，電纜外徑71 mm，單位長(zhǎng)度電容132 e－9F/km，電感0.462 mH/km，電阻0.075 4 Ω/km。不考慮 G。

Simulink中建立分布參數(shù)電纜的局放脈沖傳播仿真模型，見(jiàn)圖6。圖中左側(cè)為放電脈沖信號(hào)發(fā)生部分，中間為分布式電纜模型，右側(cè)為測(cè)量和結(jié)果顯示部分。

圖5 單指數(shù)震蕩衰減脈沖

圖6 傳輸仿真模型

用前述單指數(shù)震蕩衰減脈沖進(jìn)行仿真。分別設(shè)定電纜長(zhǎng)度，從100 m到5 000 m，間隔100 m，仿真后對(duì)輸入和輸出信號(hào)求互相關(guān)函數(shù)，得到各個(gè)長(zhǎng)度下電纜的傳播時(shí)間，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

對(duì)表格1的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次多項(xiàng)式擬合，得到電纜長(zhǎng)度l與傳輸時(shí)間τ的表達(dá)式為:

可以看出這個(gè)表達(dá)式在電纜長(zhǎng)度較小的時(shí)候，是不適合的。時(shí)間取值小于3.176 ns時(shí)，電纜長(zhǎng)度是負(fù)值。可見(jiàn)有不合理的數(shù)據(jù)。電纜長(zhǎng)度從500 m開(kāi)始，到5000 m，取值進(jìn)行擬合，得到新的表達(dá)式:

在正常試驗(yàn)電纜長(zhǎng)度范圍內(nèi)，放電脈沖波速約為0.165 8 m/ns。可以看出這個(gè)表達(dá)式比較切合實(shí)際。

表1 電纜長(zhǎng)度與傳輸時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從局放信號(hào)的頻率特性入手，分析了影響交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜局放傳輸波速的因素，指出電纜中信號(hào)的傳播特性與信號(hào)頻率的關(guān)系，提出利用互相關(guān)分析求取局放信號(hào)在電纜中傳輸時(shí)間，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。進(jìn)而確定電纜中局放脈沖傳輸波速。所得結(jié)果符合實(shí)際波速，無(wú)適用性限制，波速確定方法具有針對(duì)性，精確性，為精確定位放電點(diǎn)打下基礎(chǔ)。

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