XLPE電力電纜局部放電檢測診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李雯雯+高陽+許傲然

摘 要：文章設(shè)計(jì)開發(fā)了解決XLPE電力電纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、敷設(shè)安裝時(shí)易產(chǎn)生缺陷等一些問題的XLPE電力電纜局部放電檢測診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備基于超聲和超高頻方法的XLPE電力電纜絕緣缺陷診斷、定位功能，系統(tǒng)由復(fù)合傳感器、前置放大器及采集卡等構(gòu)成。與此同時(shí)，系統(tǒng)軟件是由LabVIEW語言和C語言等聯(lián)合開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、分析、識(shí)別等功能。最后進(jìn)行了局部放電實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)電纜尖刺缺陷，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用復(fù)合傳感器的超聲加超高頻檢測系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度比傳統(tǒng)的脈沖檢測更高，且可檢測頻譜范圍更寬。

關(guān)鍵詞：XLPE電力電纜；局部放電；超聲檢測；脈沖電流檢測；故障診斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.153

1 引言

作為構(gòu)成電力系統(tǒng)的重要組成部分，XLPE電力電纜的運(yùn)行可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著深入的影響。交聯(lián)聚乙烯電力電纜諸存在如環(huán)境復(fù)雜、敷設(shè)安裝時(shí)易產(chǎn)生缺陷等潛在性故障，出于對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜合分析與考慮，在能準(zhǔn)確無誤地抑制現(xiàn)場測量時(shí)所受到的干擾的前提下，通過對(duì)已敷設(shè)電纜進(jìn)行的局部放電檢測試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了XLPE電力電纜局部放電檢測診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備基于超聲和超高頻方法的XLPE電力電纜絕緣缺陷診斷、定位功能，系統(tǒng)由復(fù)合傳感器、前置放大器及采集卡等構(gòu)成。軟件系統(tǒng)在經(jīng)過LabVIEW語言和C語言等聯(lián)合開發(fā)后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析、識(shí)別等功能。

2 局部放電檢測系統(tǒng)

本文的設(shè)計(jì)主要依據(jù)XLPE電力電纜絕緣缺陷診斷、定位裝置，該種裝置是基于超聲法的，此裝置的硬件部分由復(fù)合傳感器、前置放大器、采集卡等構(gòu)成。

復(fù)合傳感器有超聲和超高頻兩種。超高頻傳感器的主要功能是通過基準(zhǔn)放電時(shí)間來缺陷定位，其探頭為電容圓板式，接收由局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)。超聲傳感器會(huì)輸出十分微弱的電壓信號(hào)，這種信號(hào)經(jīng)過較長電力電纜的傳輸，信噪比降低是肯定的。另外，超聲傳感器的輸出阻抗是高阻抗的。

前置放大器主要起到的作用是：（1）超聲傳感器輸出的電信號(hào)極其微弱，前置放大器起到了將其放大的作用；（2）超聲傳感器輸出的阻抗過高，前置放大器起到了將其減小再進(jìn)行輸出的作用。

本次試驗(yàn)采用了巴特沃斯型帶通濾波器，該種濾波器伴隨著每倍頻程6ndB的速度增大衰減，其中n代表濾波器的階數(shù)，因此，所要設(shè)計(jì)的帶通濾波器低通部分必須為4階，而高通部分要有8階。本項(xiàng)目使用了包含兩個(gè)運(yùn)算放大單元的THS4012運(yùn)算放大器，共三個(gè)。

3 軟件系統(tǒng)

局部放電超聲檢測與識(shí)別系統(tǒng)的軟件部分主要使用LabVIEW語言、C語言、R語言和MATLAB語言聯(lián)合開發(fā)，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、分析、識(shí)別等功能。

整個(gè)軟件系統(tǒng)從功能上看，主要可分為4個(gè)模塊：分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、譜圖繪制、統(tǒng)計(jì)參數(shù)提取。軟件的總體設(shè)計(jì)思路是：多次對(duì)XLPE電力電纜3種典型局部放電模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，繼而將每一次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果，如超聲波信號(hào)、超高頻信號(hào)和施加電壓信號(hào)由采集卡獲取，經(jīng)過軟件濾波、去噪等數(shù)據(jù)處理技術(shù)后，將局部放電超聲波信號(hào)的各種譜圖計(jì)算后并顯示出來。然后利用顯示的譜圖計(jì)算出其統(tǒng)計(jì)參數(shù)，將進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)的這種統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行特征提取，從而構(gòu)成典型缺陷放電特征指紋。針對(duì)不明確類型的放電情況，進(jìn)行采集、譜圖以及統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，將特征提取后得到的指紋值與上述每種放電的指紋值對(duì)比，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等工具自動(dòng)識(shí)別放電類型。

4 局部放電實(shí)驗(yàn)

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，外加電壓達(dá)到5.5kV時(shí)，超聲法首先檢測到局部放電信號(hào)，并且能夠得到隨著外加電源電壓的升高所測的放電超聲信號(hào)PRPD譜圖變化趨勢。

當(dāng)外加較小的電壓時(shí)，超聲波脈沖群主要集中于電源相位的負(fù)半周，尤其在峰值附近表現(xiàn)明顯，反之，電源相位的正半周存在的放電信號(hào)極少，但電源相位的正、負(fù)兩個(gè)半周放電信號(hào)幅值差距不大。

隨著施加電壓的升高，超聲波信號(hào)幅值逐漸增大，脈沖群出現(xiàn)次數(shù)逐漸增多，一般十幾個(gè)周期內(nèi)就出現(xiàn)一次超聲波脈沖群。超聲波脈沖群依然主要分布在施加電壓負(fù)半周峰值附近，然而，此時(shí)對(duì)應(yīng)外施電壓正半周峰值附近出現(xiàn)的脈沖群次數(shù)明顯增多，并且相應(yīng)的放電信號(hào)幅值將大于負(fù)半周。

隨著施加電壓的不斷加大，局部放電現(xiàn)象也越來越劇烈，一般情況下，幾個(gè)周期內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)一次超聲波脈沖群，并且對(duì)應(yīng)正半周放電脈沖幅值遠(yuǎn)大于負(fù)半周放電信號(hào)幅值。

5 結(jié)論

通過對(duì)比分析兩種方法試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）施加電壓較低時(shí)，超聲法先于脈沖電流法采集到放電信號(hào)，因此對(duì)于尖刺缺陷，超聲法比脈沖電流法靈敏度高；

（2）兩種檢測方法的有近乎一致的放電起始特征。在外加電壓的初始階段，放電信號(hào)大部分分布于電源相位的負(fù)半周，峰值附近的放電信號(hào)最為強(qiáng)烈；放電伴隨外加電壓的不斷升高開始進(jìn)入快速發(fā)展階段，而此時(shí)正半周放電信號(hào)激增，幅值大于負(fù)半周相應(yīng)的放電信號(hào)；

（3）根據(jù)不同電壓下的PRPD譜圖特征，可以得出：對(duì)比于脈沖電流法PRPD譜圖，超聲法PRPD譜圖的相位分布更為寬廣。

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