局部放電指紋庫在XLPE電力電纜測(cè)試中的應(yīng)用

章銘杰

(上海華普電纜有限公司，上海201111)

0 引言

由于電線電纜制造工藝的局限性，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜中可能存在各種缺陷，如:微孔、雜質(zhì)、氣泡、半導(dǎo)電層表面突起或凹陷等，這些缺陷點(diǎn)會(huì)造成局部場(chǎng)強(qiáng)集中。在外電場(chǎng)作用下，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過缺陷處的耐電強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部放電，所產(chǎn)生的放電脈沖電流會(huì)成為電纜在日后運(yùn)行中極大的隱患。目前局部放電測(cè)試被公認(rèn)為是較好反映XLPE電力電纜質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。筆者通過提取XLPE電力電纜局部放電特性指紋，建立局部放電指紋庫，對(duì)XLPE電力電纜各種缺陷的放電指紋進(jìn)行對(duì)比，能夠準(zhǔn)確地對(duì)XLPE電力電纜的局放源進(jìn)行故障診斷。

1 電力電纜局部放電檢測(cè)中的經(jīng)驗(yàn)圖譜

在傳統(tǒng)局放測(cè)試中，測(cè)試人員通過看示波器上的放電圖形，大致判斷一部分放電故障的類型。一般而言，XLPE電力電纜中的缺陷，按其局部放電位置可以分為三種:(1)絕緣與內(nèi)屏蔽層間存在缺陷;(2)絕緣層中存在缺陷;(3)絕緣與外屏蔽層間存在缺陷。絕緣與內(nèi)屏蔽層間缺陷主要是由于導(dǎo)線或內(nèi)層半導(dǎo)體的突出、毛刺等造成的，其放電圖譜與圖1a相似;絕緣層中的缺陷主要指的是絕緣介質(zhì)內(nèi)部的氣隙或雜質(zhì)，其放電圖譜與圖1b相似;絕緣與外屏蔽層間缺陷主要是由于外屏蔽層有伸入到絕緣層的突出點(diǎn)和毛刺造成的，其放電圖譜與圖1c相似，且隨電壓上升變化不大。

圖1 局部放電圖形

通過觀察示波器上的放電圖形來判斷局放源，要求測(cè)試人員有足夠的局部放電圖形識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，否則容易造成主觀上的判斷偏差，更何況實(shí)際測(cè)試中會(huì)碰到很多似是而非的放電圖形，畢竟實(shí)際生產(chǎn)中碰到的放電故障要更復(fù)雜，種類更多，有時(shí)還會(huì)有復(fù)合的故障。當(dāng)你碰到那些非典型的放電圖形時(shí)就無法準(zhǔn)確判斷故障類型了，顯然靠經(jīng)驗(yàn)判斷是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

2 XLPE電力電纜局部放電特性

2.1 局部放電統(tǒng)計(jì)參數(shù)

現(xiàn)在市面上的許多數(shù)字式局部放電測(cè)試儀都能用于XLPE電力電纜局部放電測(cè)量、分析和診斷，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，可以方便地顯示放電圖形和存儲(chǔ)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到各種局部放電基本參數(shù)及各種分布函數(shù)，并由此計(jì)算出描述局部放電各種分布狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即指紋特征。采用這些參數(shù)可以定性和定量地分析XLPE電纜局部放電的特性。

為了描述XLPE電纜的局部放電特性、診斷識(shí)別放電類型，國(guó)際和國(guó)內(nèi)大量文獻(xiàn)介紹了多種表征局部放電特性的物理參數(shù)。根據(jù)各參數(shù)的屬性，可以分為三種類型:基本參數(shù)、時(shí)間分布參數(shù)和相位分布參數(shù)。每種放電參數(shù)從不同的角度來描述絕緣中的局部放電信息，只有將這些參數(shù)結(jié)合起來，才能全面地了解XLPE電力電纜中的放電情況。

局部放電基本參數(shù)包括:視在放電量PD、放電重復(fù)率N、放電相位角φi。

時(shí)間分布參數(shù)包括:平均放電量 qmean(t)、最大放電量qmax(t)、放電電流 I(t)、最大放電能量Wmax(t)、平均放電能量 Wmean(t)、放電功率P(t)、放電次數(shù)Nq(t)、放電二次率D(t)等。

相位分布參數(shù)有:放電次數(shù)的相位分布 Hn(φ)、最大放電量的相位分布Hqmax(φ)、平均放電量的相位分布Hqn(φ)，還有放電脈沖幅值的譜密度H(q)、局部放電能量分布H(p)、局部放電三維分布Hn(φ，q)等。

利用上述各種參數(shù)通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，做成各種放電指紋圖譜，就能比較全面地描述其概貌，從而識(shí)別不同的放電類型，為診斷提供依據(jù)。常用的放電譜圖有以下幾種:

(1)q－φ譜圖。不同相位(外加工頻正弦電壓的相位)區(qū)間內(nèi)，發(fā)生的視在放電電荷的平均值(或最大值)的分布圖。這表示在外加電壓的不同相位上，放電量大小的分布情況。

(2)N－φ譜圖。不同相位區(qū)間內(nèi)放電次數(shù)總數(shù)的分布圖，這表示在外加電壓不同的相位上，放電次數(shù)的分布。

(3)N－q譜圖。放電量按大小依序排列，取等區(qū)間內(nèi)的放電次數(shù)的分布圖。這表示不同放電量的放電次數(shù)有多少。

以上幾種譜圖都是二維坐標(biāo)來描繪，都稱之為二維譜圖。

(4)N－q－φ譜圖。這是以上三種譜圖集合在一個(gè)三維坐標(biāo)上的譜圖，從這個(gè)譜圖可以同時(shí)看到N、q、φ三個(gè)參數(shù)的相互分布情況，確定了其中兩個(gè)參數(shù)后，就可以找到第三個(gè)參數(shù)值。

本文采用了Hn(φ，q)三維分布圖作為局部放電指紋截圖。

2.2 局部放電指紋的對(duì)比試驗(yàn)

為了進(jìn)行XLPE電力電纜的局部放電指紋對(duì)比統(tǒng)計(jì)，我們?cè)诠S進(jìn)行了XLPE電力電纜局部放電指紋提取，試驗(yàn)情況如下。

2.2.1 試驗(yàn)樣品

為了能反映實(shí)際情況，我們針對(duì)近年來生產(chǎn)的各種規(guī)格XLPE電力電纜進(jìn)行了跟蹤研究分析。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，有局部放電的就進(jìn)行局部放電指紋提取，然后再進(jìn)行局部放電故障定位，將放電故障點(diǎn)進(jìn)行解剖提取，在解剖后將故障點(diǎn)的情況記錄在該故障點(diǎn)的描述信息內(nèi)，以便指紋對(duì)比時(shí)能夠方便地查閱，這樣將故障點(diǎn)和局部放電指紋一一對(duì)照，就能驗(yàn)證局部放電指紋對(duì)比的有效性。

2.2.2 試驗(yàn)過程

在眾多的試驗(yàn)中我們列舉試驗(yàn)結(jié)果如下:

(1)1#試品為 8.7/10 kV-YJV-3 ×70mm2XLPE電纜。首先加15 kV工頻電壓，未見局放;然后以均勻的速度升壓，當(dāng)電壓升至30 kV時(shí)，試品出現(xiàn)放電，最大放電量為122pC，Hn(φ，q)分布圖見圖2。

定位找出故障點(diǎn)在電纜外端118 m處，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)該故障點(diǎn)為絕緣層內(nèi)一個(gè)淺表雜質(zhì)。

圖2 1#試品Hn(φ，q)三維分布圖

(2)2#試品為8.7/10 kV-YJV-3 ×50 mm2XLPE電纜。同樣，我們將試品直接加至工頻電壓15 kV觀察，未見局放;然后以均勻的速度升壓，電壓升至28 kV時(shí)試品開始放電，放電量為43pC，Hn(φ，q)分布圖見圖3。

通過定位找到脈沖故障點(diǎn)在電纜外端466 m處，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)該故障點(diǎn)為一個(gè)黑色雜質(zhì)在絕緣層內(nèi)。

(3)3#試品為8.7/10 kV-YJV-3 ×70 mm2XLPE電纜，加15 kV工頻電壓，未見放電;繼續(xù)升高工頻電壓至17 kV時(shí)試品開始放電，最大放電量為39pC，Hn(φ，q)分布圖見圖 4。

對(duì)脈沖點(diǎn)進(jìn)行了定位，找出脈沖故障點(diǎn)在電纜外端224 m處，解剖發(fā)現(xiàn)該故障點(diǎn)為絕緣層內(nèi)靠近內(nèi)屏蔽附近有一個(gè)小的雜質(zhì)。

圖3 2#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖4 3#試品Hn(φ，q)三維分布圖

(4)4#、5#、6#試品在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有局放故障，我們同樣對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行了定位，將故障點(diǎn)取出，發(fā)現(xiàn)都是外屏蔽料嵌入絕緣層內(nèi)，它們的Hn(φ，q)分別見圖 5、圖6、圖7。

圖5 4#試品Hn(φ，q)三維分布圖

(5)7#、8#試品是由于材料問題造成的兩個(gè)故障點(diǎn)，通過故障定位發(fā)現(xiàn)是在同一根XLPE電力電纜線芯上相距43 m的兩個(gè)絕緣內(nèi)的氣泡，它們的Hn(φ，q)分別見圖8、圖9。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

在局部放電參數(shù)中，基本參數(shù)和分布參數(shù)可以直接得到，而統(tǒng)計(jì)參數(shù)要經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理后才能得到。局部放電的統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括偏斜度(Skewness)、峭度(Kurtosis)、互相關(guān)系數(shù)(Correlation coef-

圖6 5#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖7 6#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖8 7#試品Hn(φ，q)三維分布圖

圖9 8#試品Hn(φ，q)三維分布圖

ficient)和不對(duì)稱度(Asymmetry)等。偏斜度是描述一個(gè)隨機(jī)變量的概率分布是否對(duì)稱的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。峭度是描述一個(gè)隨機(jī)變量的概率分布集中于均值的程度，或者隨變量的增加速度，即分布函數(shù)的變化陡度。

當(dāng)PD測(cè)量完成后，數(shù)字局放儀能夠方便地記錄、存儲(chǔ)放電脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)，按記錄下的脈沖強(qiáng)度、脈沖數(shù)量、分布相位及時(shí)間序列等組合進(jìn)行分類。在不同的分布函數(shù)下，將每個(gè)放電源的幾何形狀按放電特有的序列繪制出來，這些特性都包涵多種統(tǒng)計(jì)算子。比如TE571就含有29種統(tǒng)計(jì)算子來描述PD測(cè)量特性，這些統(tǒng)計(jì)算子的總和就能構(gòu)成一個(gè)放電指紋。

將上述試驗(yàn)提取的指紋在指紋庫中做了對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 1#～8#試品局部放電指紋對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

另外，將以上雜質(zhì)、外屏蔽嵌入和氣泡局放等不同種類的缺陷放電指紋相互比較，相似度最高僅為71.6%。

從表1對(duì)比結(jié)果來看，指紋對(duì)比能夠明確區(qū)分局放源的類型，相似度越高就越能確定是同類型局放故障。局放指紋統(tǒng)計(jì)判斷的準(zhǔn)確度要遠(yuǎn)高于人工判斷，比如:3#試品和1#、2#試品對(duì)比，在示波器上看到的放電圖形只能都判斷為絕緣內(nèi)放電，但用指紋統(tǒng)計(jì)判斷就能明顯區(qū)分出3#與1#、2#試品放電的位置有明顯差異。

隨著指紋采集量的增大，找到高相似度指紋的概率也不斷提高，判斷的精確度就不斷提高。實(shí)際應(yīng)用中相似度90%以上就可算是一大類放電，隨著指紋庫的增大，還可將大類中分出小類，那時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況提高相似度的要求。只要匹配到高度相似的指紋，就能在不解剖電纜的情況下知道XLPE電纜中存在什么樣的故障，因?yàn)橹讣y信息已經(jīng)告訴你那是什么樣的故障了。

3 結(jié)束語

利用數(shù)字模型建立的指紋庫能夠較好地識(shí)別局部放電故障的性質(zhì)，能夠準(zhǔn)確地判斷出XLPE電力電纜局部放電的放電源頭，而且隨著指紋數(shù)據(jù)庫的不斷擴(kuò)大，指紋庫的智能度也不斷的提高。指紋庫的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在實(shí)際生產(chǎn)中能分析造成局放的原因，對(duì)提高XLPE電纜生產(chǎn)質(zhì)量有很好的幫助。

［1］Edward Gulski.Digital Analysis of partial discharge［J］.IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation，1995.822-837.