基于向量分析法的三相交聯(lián)電纜局部放電 檢測與分析識別技術(shù)

羅 翔，蔡金錠，張孔林

（1.福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007；2.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,福建 閩侯350108）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)的不斷升級改造，高壓XLPE 電纜由于其容易敷設(shè)、運(yùn)行維護(hù)簡便、耐高溫和絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)已經(jīng)成為電力電纜的主流并被廣泛運(yùn)用，但不良的制作工藝以及周圍環(huán)境的影響很容易導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)的產(chǎn)生，從而在長期運(yùn)行中發(fā)生局部放電[1-2]。目前所采用的局放診斷技術(shù)[3-11]主要是基于放電電流脈沖的診斷原理或在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，在對單根電纜進(jìn)行檢測時有不錯的效果，而對于三相交聯(lián)電纜局部放電的檢測就不太理想，主要原因是由于三相間存在信號的串?dāng)_問題[12-14]。本文介紹了一種基于向量分析法的高壓電纜局部放電診斷技術(shù)，通過現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例分析說明了即使在干擾比較嚴(yán)重的情況下，該方法不僅能夠有效地降低串?dāng)_信號的影響，還能實(shí)現(xiàn)局放信號的分離并判斷放電點(diǎn)的相位。

1 串?dāng)_問題對電纜局放檢測的影響

一般現(xiàn)場長度超過1 km 的電纜，多數(shù)需要采用三相金屬護(hù)套交叉互聯(lián)的方式以減小三相金屬護(hù)套中的感應(yīng)電壓和環(huán)流，三相金屬護(hù)套須在中間接頭處通過交叉互聯(lián)電纜相互連接[15]，串?dāng)_信號的存在對局放檢測造成極大的困難，如圖1所示。除此之外，由于互感和分布電容的存在，外界干擾信號有時會通過電磁耦合的作用將能量轉(zhuǎn)移到線路上，這樣就會改變線路上原來信號的大小。這就要求對于三相交叉互聯(lián)電纜的局放檢測，不僅需要識別不同的局放信號和外界干擾信號，還需要抑制串?dāng)_信號的影響并準(zhǔn)確判斷局放源的位置。

圖1 三相交聯(lián)電纜中局放脈沖傳播過程Fig.1 PD pulse propagation of three-phase cross-bonded cables

2 脈沖衰減理論

一般地，電纜可等效為同軸傳輸線，沿線分布有電阻R、電感L、電導(dǎo)G、電容C，見圖2，它們與傳輸信號電壓和電流的大小無關(guān)，而與線路的材料、結(jié)構(gòu)及電流頻率有關(guān)。

圖2 電纜的參數(shù)模型Fig.2 Parameter model of cable

由電纜的參數(shù)模型可得特性阻抗Z和傳播常數(shù)γ為

式（2）中α和β分別表示衰減常數(shù)和相移常數(shù)，反映了傳輸線固有的傳播規(guī)律。

電纜中脈沖信號的傳輸方程為

由式（2）和式（4）可以看出，信號的頻率越大，γ就越大，衰減常數(shù)α也就越大，且隨著傳輸距離x的增加，信號幅值近似按指數(shù)e?αx衰減。電纜中局部放電信號的高頻分量會隨著傳輸距離的增加而嚴(yán)重衰減[16]，變化特征表現(xiàn)為幅值逐漸減小、寬度逐漸擴(kuò)展，如圖3。

圖3 局放脈沖信號的衰減特性Fig.3 PD pulse attenuation characteristic

3 基本原理

本文介紹的基于向量分析法的局放檢測與分析識別技術(shù)是在傳統(tǒng)高頻檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上利用3PARD 圖即三相幅值相位關(guān)系圖來實(shí)現(xiàn)局放的分離和識別，其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of detection system

由圖1 可知，當(dāng)某相上出現(xiàn)一個信號脈沖時,其他兩相上將會出現(xiàn)相應(yīng)的串?dāng)_脈沖，此時分別截取某一時域范圍內(nèi)（通常為1 μs）三相上各自脈沖的電壓幅值，如圖5所示。與電力系統(tǒng)三相分析類似，將所測得的脈沖幅值分別映射到相隔120°的坐標(biāo)軸上（式（5）～式（7）），從而形成3PARD 圖中三個坐標(biāo)軸各自的坐標(biāo)。最后再將三個幅值向量進(jìn)行疊加（式（8）），則在3PARD 圖上就會形成一個點(diǎn)，如圖6。

對于不同的局放源，由于傳播路徑的唯一性和差異性，在三相上將產(chǎn)生不同的幅值，因此也會在圖上產(chǎn)生不同的點(diǎn)。由于每個局放源發(fā)出的脈沖傳播到信號采集裝置之間都具有各自相對固定的傳輸函數(shù)（路徑、速度、衰減特性等），因此理論上在三相交聯(lián)電纜上同步進(jìn)行三相采樣測試時，由同一個信號源發(fā)出的脈沖必定是相同的可重復(fù)的。但由于受外部噪聲的干擾和放電波形變化的影響，同一個局放源發(fā)出的脈沖經(jīng)過向量疊加后在圖中都聚集為一個脈沖群，且不同放電類型之間存在的差異性就使得不同脈沖群之間有明顯的區(qū)域分別。若檢測到的脈沖組電壓幅值相同（例如三相上同時耦合的外部干擾信號），則經(jīng)過向量疊加后脈沖群將集中在3PARD 圖中的原點(diǎn)或其附近；若局放源在L1 相上,根據(jù)脈沖的衰減特性可知，在L1 相上檢測到的脈沖的電壓幅值必然是最大的，而在其他兩相上的串?dāng)_脈沖幅值必定會顯著降低，因此從圖中看脈沖群將更靠近L1 坐標(biāo)軸，且三相脈沖幅值的差異性越大則脈沖群與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離越大。

圖5 脈沖組波形Fig.5 Triplet of PD pulses

圖6 向量加法原理Fig.6 Principle of adding vectors

在現(xiàn)場檢測時可以選中特定的脈沖群，然后再轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)的PRPD(幅值相位關(guān)系圖)譜圖進(jìn)行分析，此時顯示的PRPD 譜圖只是對該特定脈沖群有貢獻(xiàn)的脈沖的譜圖，而不再是所有信號的混疊，從而能夠直接判斷局放的類型。

4 現(xiàn)場檢測分析

基于向量分析法的局部放電診斷技術(shù)開展了大量的現(xiàn)場測試與數(shù)據(jù)收集分析工作。下面以圖7 中某220 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜線路的現(xiàn)場實(shí)際局放檢測為例介紹其現(xiàn)場應(yīng)用情況。其中局放測試系統(tǒng)的測試頻率選為2 MHz，三個通道1.1、1.2、1.3 分別對應(yīng)于電纜的A、B、C 三相的信號，并在該電纜的1#終端、2#終端接頭處分別進(jìn)行了局部放電測試。

圖7 測試線路示意圖Fig.7 Testing cable diagram

4.1 2#終端檢測情況

在2#終端處進(jìn)行檢測，觀察原始信號波形圖及幅頻特性，發(fā)現(xiàn)放電位置距離測試位置非常接近，因此可判斷放電位置為終端或終端附近。圖8 為2#終端處檢測到的A、B、C 三相原始信號譜圖，從圖中可以看到，由于現(xiàn)場存在噪聲及干擾，所有的信號混合在一起，部分局放信號已經(jīng)被淹沒，很難鑒別局放的類型。

圖8 2#終端處原始信號圖譜Fig.8 The original signal pattern of 2# terminal

利用3PARD 方法對檢測到的信號進(jìn)行分離，如圖9所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)4 類信號，每類信號對應(yīng)A、B、C 相上的PRPD 譜圖如圖10所示。

圖9 2#終端處信號的3PARD 圖Fig.9 The 3PARD pattern of 2# terminal

信號1、2、3 符合表面放電的特征，信號1 為A 相產(chǎn)生的放電信號，并傳輸?shù)紹、C 兩相；信號2 為B 相產(chǎn)生的放電信號，并傳輸?shù)紸、C 兩相；信號3 為C 相產(chǎn)生的放電信號，并傳輸?shù)紸、B 兩相；信號4 為電暈放電信號。

圖10 2#終端每類信號對應(yīng)各相上的PRPD 譜圖Fig.10 Pulse PRPD patterns of three phase in 2# terminal

4.2 1#終端檢測情況

如圖11所示，1#終端處的信號同樣出現(xiàn)了信號相互混疊的情況。

圖11 1#終端處原始信號圖譜Fig.11 The original signal pattern of 1# terminal

用3PARD 方法進(jìn)行分離。從圖12 可以看到，檢測到的信號分為6 類，它們在各相上的PRPD 圖如圖13所示。

圖12 1#終端處信號的3PARD 圖Fig.12 The 3PARD pattern of 1# terminal

圖13 1#終端每類信號對應(yīng)各相上的PRPD 譜圖Fig.13 Pulse PRPD patterns of three phase in 1# terminal

從分離之后的譜圖可以看到，信號2、3、4 符合表面放電的特征。由于線路中存在阻抗，導(dǎo)致脈沖信號在傳播過程中隨著距離的不同而出現(xiàn)不同程度的衰減，因此可根據(jù)信號衰減的嚴(yán)重程度判斷信號2 為A 相產(chǎn)生的信號；信號3 為B 相產(chǎn)生的信號；信號4 為C 相上產(chǎn)生的信號；信號1、6、5 分別為A、B、C 相上的電暈放電。對1#、2#終端接頭處各類信號譜圖進(jìn)行比對分析，結(jié)果如圖14所示。

通過對兩個終端檢測結(jié)果的比較分析，可以看出在1#終端上的信號2、3、4、1 分別對應(yīng)2#終端上的信號1、2、3、4，為同一個放電源產(chǎn)生。從信號幅值上可以判斷，1#終端上的信號2、3、4 是從2#終端的信號1、2、3 傳入的，放電位置為2#終端。2#終端的信號4（電暈放電）由1#終端傳入，放電位置為1#終端。

該220 kV 電纜線路2#終端的檢測點(diǎn)上檢測到明顯的放電信號。A、B、C 三相均存在表面放電，放電位置可能來源于終端外部設(shè)施，如絕緣子、終端瓷套外表面，也可能來源于終端內(nèi)電纜絕緣表面。通過清除2#終端三相絕緣子及瓷套外表面的污垢，發(fā)現(xiàn)局放量有所減少，因此此次局放檢測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況基本相符。由于2#電纜終端可能還存在其他的放電類型，故還應(yīng)繼續(xù)對其進(jìn)行在線監(jiān)測。

圖14 1#、2#終端各類信號譜圖比對分析結(jié)果Fig.14 Comparison and analysis of pulse PRPD patterns of 1# and 2# terminals

5 結(jié)論

1) 由于三相電纜間還存在電磁耦合所引起的串音問題，因此使用該方法的前提是監(jiān)測系統(tǒng)必須對信號實(shí)行同步三相采樣。

2) 該方法可以在復(fù)雜的背景干擾下分離并識別出放電信號和放電類型，并判斷局放源的位置即來源于電纜的哪一相，降低相間互擾給電纜局放檢測帶來的影響。由于相關(guān)人員可以直接從分離后的PRPD譜圖直接判斷局放類型，因此大大提高了對局放譜圖的分析效率，將在高壓電纜的局部放電診斷和在線監(jiān)測中發(fā)揮重要的作用。

3) 仍需對我省大量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析和電纜缺陷局部放電模擬實(shí)驗(yàn)，摸索電纜局部放電檢測診斷方法，總結(jié)判斷故障、異常檢測規(guī)律，提出適用于現(xiàn)場操作的電纜局部放電診斷技術(shù)體系。

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