局部放電信號在電纜中的傳播對波形影響的分析

陳錫陽， 桂峻峰， 高勝友， 夏云峰， 黃健華

(1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東東莞523008;2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044;3.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京100084)

0 引言

局部放電是電纜絕緣故障的常見先兆特征，目前對于電纜局部放電的試驗，可遵照的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 3048.12電線電纜電性能試驗方法之12:局部放電試驗(等效于IEC 60885－3整根擠包電纜局部放電試驗)。該標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意義在于放電量的測量和標(biāo)定，在規(guī)定電壓和給定靈敏度下測量電纜的放電量是否超過規(guī)定值［1］。一旦試驗發(fā)現(xiàn)超標(biāo)放電，需要確定放電的部位和類型。根據(jù)放電的特性區(qū)分不同的故障類型，具有重要的意義。常用的方法通常是基于放電量q、放電發(fā)生的相位φ和放電重復(fù)率n構(gòu)成的譜圖，依據(jù)其統(tǒng)計特征進(jìn)行放電類型的識別。寬頻帶采樣的局放檢測方法逐漸開展，獲取放電信號波形并根據(jù)其時域特征進(jìn)行識別的方法，也有一定的研究［2，3］。但這些方法沒有考慮到脈沖傳播路徑對原始放電波形的影響，即由于電纜中的局部放電可能存在于任何位置，在固定的檢測點獲得的信號波形，必然攜帶有從原始位置傳播到檢測點的路徑所含的未知信息，這將給正確識別帶來困難。

本文首先進(jìn)行了脈沖波形在交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜中傳播的仿真研究，然后通過試驗驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)電纜本身的傳播特征，由檢測信號反推放電原始波形，即可利用波形特征進(jìn)行放電的模式識別。

1 電纜中脈沖傳播的仿真研究

研究電纜中脈沖信號傳播規(guī)律，可用均勻傳輸線模型來模擬電力電纜。導(dǎo)線本身的電阻R和電感L分布在導(dǎo)線的整個長度上，導(dǎo)線對地的電容C和絕緣電導(dǎo)G也都按分布參數(shù)考慮，如圖1所示。線路的傳輸特性，實質(zhì)上就是由這四個基本參數(shù)決定的。

圖1 電纜參數(shù)模型

從傳輸線的傳輸規(guī)律得出傳播公式:

式中:l為傳輸線路的長度(m);γ為傳輸線的傳播常數(shù)，它反映了傳輸線固有的傳輸規(guī)律。γ的值取決于傳輸線的基本參數(shù)和傳輸頻率，表達(dá)式為［4］:

式中:γ是一個復(fù)數(shù)，可按實部和虛部寫作α+jβ，即包含固有衰耗常數(shù)(用α表示)和固有相移常數(shù)(用β表示)。α反映了線路上單位長度的行波正弦分量的幅值的減少，即能量損耗方面的傳輸規(guī)律，β反映了信號傳播過程中相位的變化。

等效阻抗Z和導(dǎo)納Y可按下式計算:

式中:ρ為電纜導(dǎo)體電阻率(Ω·m);Rin、Rout分別為外徑和內(nèi)徑(m)。計算Y時需要根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)考慮多層串聯(lián)，C0為每層幾何電容，介電常數(shù)ε0為頻變復(fù)介電常數(shù)。

針對型號為YJV22－3×95，額定電壓為8.7/15 kV的電纜進(jìn)行了仿真計算，該電纜為三相，每相導(dǎo)線的參數(shù)為外徑Rout=33 mm，內(nèi)徑Rin=5.5 mm，電阻率 ρ=1.75×10－8Ω·m，XLPE 初始相對介電常數(shù)ε=2.5，隨著頻率按指數(shù)規(guī)律下降，忽略絕緣層的電導(dǎo)。計算出傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系如圖2。

圖2 傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系

由圖2可見，信號在傳播過程中的衰減和相移都與頻率有關(guān)，而局部放電脈沖為寬頻帶信號，包含豐富的頻率成分，經(jīng)過傳播到達(dá)測量點，由傳感器獲得的信號必然包括了傳播路徑的信息。在放電位置未知時，所附帶的傳播路徑信息也是不確定的，因此不能簡單地根據(jù)測量信號的波形特征進(jìn)行放電類型的模式識別。

另外，檢測電纜局放通?？刹捎酶哳l電流傳感器(HFCT)在屏蔽層接地線上獲取信號。放電脈沖從發(fā)生處到被測量的整個路徑的傳播特性，應(yīng)該是電纜特性與HFCT特性的結(jié)合。假設(shè)電纜長度為4 m，并用掃頻方法獲取HFCT的特性，二者的結(jié)合幅頻特性如圖3所示。

圖3 電纜(4 m)與高頻電流傳感器結(jié)合的幅頻特性

2 試驗研究

對脈沖在電纜中的傳播進(jìn)行了試驗:在長為4 m電纜一端加信號，試驗采用的輸入信號為信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，寬度為25 ns，上升沿為2.5 ns。通過電纜一相的芯線對地注入，電纜另外二相芯線對地短接，通過電流傳感器獲取屏蔽層接地線中的電流信號，該測試回路接線與現(xiàn)場實測局放時一致。用雙通道示波器采集輸入信號和輸出信號，所用示波器為RIGOL 6102，采樣率2.5 GHz，實測輸入和輸出信號波形如圖4a、4b所示。

對信號做Fourier分析，可得傳播路徑(包括電纜和傳感器)的傳遞函數(shù)幅頻特性如圖5所示?？梢姡囼灲Y(jié)果與圖4中根據(jù)仿真分析所得基本一致。

3 局放信號傳播過程中的波形變化

同樣的原始放電信號，由于放電位置不同，到達(dá)測量點就有不同的傳輸距離，對放電距離l=0、10、100、1000 m分別進(jìn)行了仿真分析，如圖6所示。

可見隨著傳播距離增加，幅值和波形都有較大的變化，顯然已不適宜直接利用波形的特征進(jìn)行放電類型的識別。只有在確定放電位置以后，根據(jù)電纜本身的傳播特征，反推放電原始波形，解除放電脈沖傳播路徑對測量波形的影響因素，才能正確使用波形本身的信息進(jìn)行類型識別。

圖4 試驗所得信號波形

圖5 試驗所得脈沖在電纜中的傳遞函數(shù)(幅頻特性)

圖6 不同傳播距離的局放信號波形

4 結(jié)論

(1)電纜中的局部放電理論上可能存在于任何位置(電纜接頭或者本體)，而測量只能在有限的幾個點進(jìn)行，由于傳播過程的影響，所測信號攜帶有傳播路徑的信息。不同位置的放電，脈沖傳播的距離和途徑不同，即使原始的放電屬于同樣類型、有相似的波形特征，測量點的傳感器拾取的信號波形也有較大的區(qū)別，因此不適合采用波形特征判斷放電類型。

(2)本文通過仿真和試驗兩種方式對信號在電纜中的傳播進(jìn)行了研究，結(jié)果基本一致，可以用于分析傳播路徑對局放信號的影響，包括幅值和相移兩個方面，據(jù)此可了解信號傳播路徑附加于所測信號上的信息。

(3)如果能夠確定放電點的位置，即知道了放電脈沖波形傳播的距離，就可以根據(jù)電纜本身的傳播特征，反推放電原始波形，即解除了放電脈沖傳播路徑對測量波形的影響因素，保留放電信號本身的固有特征，根據(jù)這些特征就可以進(jìn)行放電類型的識別。

［1］GB/T 3048.12—2007 電線電纜電性能試驗方法［S］.

［2］鄭 重，談克雄，王 猛，等.基于脈沖波形時域特征的局部放電識別［J］.電工電能新技術(shù)，2001，25(2):20-24.

［3］司文榮，李軍浩，黎大健，等.基于寬帶檢測的局放脈沖波形快速特征提取技術(shù)［J］.電工電能新技術(shù)，2008，32(2):21-25.

［4］Tozzi M，Cavallini A，Montanari G.C.PD Detection in extruded power cables:An approximate propagation model［J］.IEEE Trans on DEI，2008，15(3):601-607.

［5］Richard Cselkó，István Berta.Challenges of partial discharge diagnostics of low-voltage cables ［J］.Journal of Electrostatics，2013，71(1):558-563.

［6］Su Ming-Shou，Chen Jiann-Fuh，Lin Yu-Hsun.Phase determination of partial discharge source in three-phase transmission lines using discrete wavelet transform and probabilistic neural networks［J］.Electrical Power and Energy Systems，2013，51(2):27-34.

［7］Pommerenke D，Strehl T，Heinrich R.Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems［J］.IEEE Trans on DEI，1999，6(6):814-824.