局部放電信號在地埋電纜中的特性分析

劉天璇

摘要：隨著高壓電力系統(tǒng)的發(fā)展，XLPE材質(zhì)的地埋電纜得到廣泛應(yīng)用。電纜局部放電信號信息豐富，如何提取有用的信息進(jìn)行檢測，需要對局部放電信號在電纜中的特性進(jìn)行分析。為查找電纜中參數(shù)和特性的關(guān)系，文章首先對電纜傳播特性的原理進(jìn)行闡述并提出假設(shè)；其次，使用PSCAD作為模擬軟件，選擇合適的模式搭建仿真模型；再次，向電纜中注入一個(gè)由多頻率正弦信號組成的方波脈沖信號，觀察分析相關(guān)參數(shù)變化情況；最后，驗(yàn)證信號傳播與電纜長度關(guān)系的結(jié)論。關(guān)鍵詞：XLPE電纜：局部放電信號；方波脈沖信號；信號傳輸；模擬仿真

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重。交聯(lián)聚乙烯（Cross-LinkedPolyethylene，XLPE）電力電纜已經(jīng)成為電力輸送的主要設(shè)備，其絕緣問題日益顯著，如果電纜鋪設(shè)的環(huán)境較為惡劣以及電纜本身的局部缺陷都將大大影響電纜壽命，致使電纜絕緣老化，線路故障頻發(fā)。電力電纜的壽命主要由其絕緣性能決定，電纜的絕緣老化最主要是由局部放電引起，因此，通過檢測在線電纜的局部放電隋況，即可得出電纜的絕緣情況。

由于地埋電纜局部放電信號信息豐富，本文通過構(gòu)建仿真模型對局部放電信號的研究，得到相關(guān)特征參數(shù)，并從中提取有效信息，分析局放信號的特征來檢測電纜絕緣情況。1 原理簡述

由于電纜局部放電信號的豐富信息，通過分析局部放電信號的參數(shù)，本文假設(shè)線路較長，信號波長與線段長度比較短，用電纜的分布參數(shù)模型進(jìn)行分析[1-5]，如圖l所示。

圖中，L0代表單位長度電纜的電感，R0代表單位長度電纜的電阻，C0代表單位長度電纜的對地電容，G0代表單位長度電纜的電導(dǎo)。其中： 綜上，新的二次參數(shù)特性阻抗z：（均勻傳輸線上任一點(diǎn)的電壓和電流之間的關(guān)系）為

阻抗是復(fù)數(shù)，因此，電壓和電流的絕對值的比率決定了其相對值。電壓和電流之間的相位差確定其振幅的大小，因此，各自的特征參數(shù)表示如下：

由公式可知，Zc代表幅值，φc表示幅角。Zc反映電纜上的部分特性。在一般計(jì)算中，脈沖信號的基本信息用傳輸常數(shù)γ來描述。在γ中包含兩個(gè)常數(shù)，分別是固有衰耗常數(shù)。，固有相移常數(shù)β0α反映了匹配連接線路中能量損耗的傳輸規(guī)律，β反映了信號傳播過程中發(fā)生的相位變化。

因此，線路的傳輸規(guī)律表示如下，l表示電纜的長度。

由此分析得出：（1）。增大，信號的衰減變大。（2）在？小于l的情況下，局部放電信號的衰減會有一定的規(guī)律。衰減程度和電纜的長度有關(guān)系，線路越長，衰減的情況就更加明顯，信號的相位移動(dòng)也就更加嚴(yán)重。

2 仿真建模及結(jié)果分析

2.1仿真建模

PSCAD作為模擬仿真的常用軟件，有廣闊的應(yīng)用空間。本次模擬亦使用PSCAD軟件，該軟件具有很多模型，如Bergeron模式、Frequency Dependent （Phase）模式和Frequency Dependent （Mode）模式。根據(jù)己知的Bergeron模式，集中參數(shù)是電阻模型，只能在基波條件下使用，其他R、L、c中的2種模型由參數(shù)的分布確定，然后在高次諧波情況下，考慮使用2種模型。由于設(shè)計(jì)可以按照需求自主選擇模型，其參數(shù)也可做相應(yīng)的調(diào)整。綜合比對FrequencyDependent （Phase）模式的仿真結(jié)論最為精準(zhǔn)。正因?yàn)槿绱?，選擇該模型進(jìn)行分析[6-9]。 本文將電纜簡化為導(dǎo)體層、絕緣層和外皮的基本模型。采用相應(yīng)參數(shù)，選取長度為500 m的國標(biāo)電纜，電纜的半徑為22 mm，絕緣半徑為39.5 mm，表皮的半徑是44 mm。 模型的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。同樣，本文也通過測量常用的電纜給出相應(yīng)的參數(shù)，如表1所示。

2.2仿真結(jié)果及分析判斷

電纜的長度為500 m，設(shè)電纜的缺陷位置為c點(diǎn)，距離B端150m，距A端350m，給予一個(gè)上升沿為300 ns的脈沖信號在C點(diǎn)予以注入，在電纜的兩端進(jìn)行監(jiān)測，搭建的電路如圖3所示。 在線路兩端的仿真結(jié)果如圖4-5所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為幅值。

為了研究局部放電脈沖的高頻部分的信號傳播特性，利用圖3的仿真電路圖，將電纜改為無損傷的電纜，從B點(diǎn)注入脈沖，得到的仿真圖形如圖6-9所示。

由圖7和圖9可看出，第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖的幅值具體衰減過程[10]。First pulse在110 MHz左右達(dá)到了頻譜最大值，Second pulse的頻譜峰值在25 MHz左右，通過對圖6-圖9的對比，我們可以得到，局放信號在傳播過程中，頻率越高的部分，衰減的越快[11]。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論，分別選取500 m、1000 m、2000 m、5000 m的4根電纜在A端注入脈沖，B端測量，測

由圖10可以看出，電纜長度的增加，反射波的時(shí)間也會延長，即電纜越長，反射所需時(shí)間越久[12]。 隨著電纜的長度增加，脈沖的相應(yīng)特性也有變換，脈沖的幅值衰減和寬度變化情況如圖11-12所示。

由圖11、12可以明顯得出，脈沖電壓幅值與脈沖寬度與電纜長度成反比[13]。在實(shí)際電纜傳輸環(huán)境中，電纜長度比上述測試模型中還要長，因此，高頻衰減也更嚴(yán)重。對于長電纜，選擇低帶寬的測量系統(tǒng)來對首脈沖和第二個(gè)脈沖進(jìn)行識別，這樣使得能夠有足夠的分辨率來對信號進(jìn)行識別，由此可以看出，整個(gè)檢測系統(tǒng)的帶寬選擇對電纜的局部放電現(xiàn)象判別極其重要。

3 結(jié)語

本文通過對電纜信號傳播的理論分析，完成了電纜中局部放電模型的搭建，并根據(jù)電纜長度的改變觀察信號傳播的變化。

對于較短的電纜，信號中的高頻分量與低頻分量相比，能更快地到達(dá)線路終端，信號損失較少，信號失真情況也較輕；在較長的電纜中，由于高頻信號到達(dá)線路終端時(shí)己基本消失，信號損失較多，只剩下了低頻信號，信號失真也較為嚴(yán)重。

綜上，局部放電信號在電纜中的高頻衰減情況應(yīng)結(jié)合實(shí)際，根據(jù)選擇合適的帶寬來克服這種情況。

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