頻域振蕩法在電纜局部老化跟蹤中的應(yīng)用

田軍明 詹紅生 方堃 劉瀟

摘要 頻域振蕩法是一種通過(guò)描述頻域阻抗特征的缺陷診斷方法，在電纜應(yīng)用中具有無(wú)破壞性，重復(fù)性好，缺陷識(shí)別準(zhǔn)確度高，具備老化跟蹤定位的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本篇通過(guò)分析頻域振蕩波譜法的原理及在XLPE電纜中的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)，討論了頻域振蕩波譜應(yīng)用到電力高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的可行性。

【關(guān)鍵詞】頻域振蕩 頻域阻抗 缺陷 識(shí)別 老化定位

1 電纜故障定位的技術(shù)背景

電纜運(yùn)維管理工作中最為關(guān)鍵的任務(wù)即故障查找。一旦發(fā)生停電事故，快速查找、挖掘和修復(fù)工作位置稱為檢修維護(hù)人員的首要任務(wù)。然而在故障查找中可能不可避免采取破壞性的手段，如高壓局放試驗(yàn)，直流燒穿試驗(yàn)等，用于故障定位的方法有時(shí)域反射波和聲學(xué)法等。

時(shí)域反射波是常見(jiàn)的電纜故障定位方法，通過(guò)給被試電纜施加上升沿或下降沿陡變的脈沖電壓，然后分析其反射電壓或電流的波形的時(shí)間差來(lái)計(jì)算故障位置。時(shí)域反射波是一種硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分析方法直觀，易懂的技術(shù)，但由于反射波易受衰減，因此對(duì)于反射波的識(shí)別容易混淆，尤其是應(yīng)用于長(zhǎng)距離電纜的故障定位時(shí)。

聲學(xué)法一般和脈沖高壓源或直流源配合使用，目的是將故障點(diǎn)進(jìn)行高壓激勵(lì)，使其產(chǎn)生放電信號(hào)，其中伴隨放電的聲噪被地面的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備捕捉到。聲學(xué)探測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)精確的定位，但是往往和時(shí)域反射波譜法配合使用，后者用于粗略定位，再聲學(xué)法在已鎖定區(qū)域進(jìn)行故障偵測(cè)。以上兩種方法都伴隨著電纜的絕緣損失，也可能導(dǎo)致故障點(diǎn)以外的其他絕緣薄弱點(diǎn)的劣化程度加深。

2 電纜的老化檢測(cè)方法

老化和故障的概念不同，是指絕緣介質(zhì)的變化。通常老化采取介質(zhì)損失參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，但其檢測(cè)數(shù)據(jù)為電纜的整體平均指標(biāo)，只能反映綜合健康狀態(tài)。受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度影響，介質(zhì)損失測(cè)量的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，因此實(shí)際應(yīng)用中并不是優(yōu)選技術(shù)手段。

隨著電纜故障率的增多，電纜的局部老化逐漸受到重視，典型為中間接頭的老化。由于中間接頭的電場(chǎng)分布極不均勻，發(fā)熱較其他位置偏高，因此老化速度加快，而這種老化有時(shí)候無(wú)法通過(guò)局放試驗(yàn)表現(xiàn)出來(lái)。由于中間接頭的材料占整個(gè)電纜的長(zhǎng)度比非常微小，接頭老化對(duì)整體介質(zhì)損失的貢獻(xiàn)量非常小，很難通過(guò)整體介質(zhì)損失參數(shù)反映局部區(qū)域的老化。

頻域阻抗法是一種通過(guò)微分向量分析的模式實(shí)現(xiàn)局部老化識(shí)別和定位的方法，近年來(lái)通過(guò)應(yīng)用逐步得到了認(rèn)可，現(xiàn)就頻域阻抗法在電纜檢測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。

3 頻域阻抗及其振蕩特性

頻域阻抗分析法是一種等效阻抗元素的分析方法，由于電纜絕緣老化或劣化都會(huì)對(duì)本體等效元素產(chǎn)生影響，因此頻域阻抗分析法既可以表征缺陷，又可用于老化分析。

電纜的頻域阻抗具備頻域周期特性（如圖1），隨頻率增高呈現(xiàn)非線性衰減趨勢(shì)，根據(jù)老化或劣化程度不同，衰減趨勢(shì)和阻抗的連續(xù)性特征也因此不同，根據(jù)該現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)局部老化或劣化的定位。關(guān)于捕捉老化缺陷位置的方法可以采用線性頻域變換，短時(shí)傅里葉（ STFT）等算法，這里不做深入分析。

電纜的老化或缺陷定位可通過(guò)微分阻抗的非連續(xù)點(diǎn)，或典型的突變點(diǎn)獲得，計(jì)算方法參考（1）式。

由（1）的算法，只要獲得了波速v和阻抗非連續(xù)點(diǎn)的頻率點(diǎn)f，即可獲得老化位置。

由圖2可見(jiàn)，57米為端點(diǎn)，11米處有個(gè)突變點(diǎn)，即老化點(diǎn)。通過(guò)將整個(gè)頻譜范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性分析后，可獲得多點(diǎn)老化定位信息，并可根據(jù)不同時(shí)間段多次測(cè)試結(jié)果得到任意局部位置的變化趨勢(shì)。

4 討論

頻域阻抗法解決了電纜局部老化無(wú)法探測(cè)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位的問(wèn)題，但其自身的技術(shù)原理決定了并不能直接用于老化狀態(tài)的識(shí)別?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中應(yīng)盡可能安排多次測(cè)試的對(duì)比跟蹤，以便及時(shí)處理正在加速老化的區(qū)域。頻域阻抗法的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是，不限于老化的區(qū)域，其可以是中間接頭，端頭或電纜本體的其他任意位置。從與故障定位的特性進(jìn)行比較，頻域阻抗法由于自身的非破壞特性，并不能發(fā)現(xiàn)激勵(lì)高壓下的放電故障信號(hào)，由此頻域阻抗法與常規(guī)的故障定位技術(shù)并不沖突，反而可以根據(jù)實(shí)際需要互補(bǔ)利用。

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