改進(jìn)電磁耦合法在振蕩波局部放電試驗(yàn)中的應(yīng)用*

李夢(mèng)滔，張國(guó)志，萬(wàn)子逸，周濤，萬(wàn)航，周凱

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650000；2．四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

振蕩波測(cè)試技術(shù)(Oscillation wave test system, OWTS)在國(guó)內(nèi)發(fā)展已有十多年歷史，振蕩波耐壓與振蕩波局部放電試驗(yàn)裝置也被廣泛地應(yīng)用到電力現(xiàn)場(chǎng)中以評(píng)估電纜的絕緣水平與缺陷情況[1]。

OWTS在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，研究者也開(kāi)展過(guò)較多研究。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)比了振蕩波與交流電壓下多種缺陷的局部放電單次波形與局部放電相位圖譜，發(fā)現(xiàn)兩者之間各項(xiàng)特征有較多相似性。文獻(xiàn)[4]提出基于希爾伯特黃變換對(duì)振蕩波下的不同局部放電信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，文獻(xiàn)[5-6]考慮局部放電的時(shí)頻特征提出不同的方法增加振蕩波系統(tǒng)缺陷定位的準(zhǔn)確性。上述大量研究證實(shí)了OWTS可代替交流對(duì)電纜及其它大容量試品進(jìn)行局部放電試驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)缺陷定位工作。振蕩波因其較強(qiáng)帶負(fù)載能力往往用于長(zhǎng)電纜測(cè)試中，然而，電纜中信號(hào)衰減極大地限制了系統(tǒng)的測(cè)試能力，提高局部放電傳感器的靈敏度是增加振蕩波測(cè)試距離的有效途徑。目前國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的振蕩波局部放電的測(cè)試方法一直采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1575-2016[7]推薦的脈沖電流法。該方法能夠有效耦合出小容量試品中的局放信號(hào)，而對(duì)于大容量的長(zhǎng)電纜試樣的耦合效率并不高，因此脈沖電流法應(yīng)用于振蕩波測(cè)試存在一定局限性。在振蕩波測(cè)試系統(tǒng)中，更靈敏的測(cè)試方法仍有待研究。

為提高振蕩波系統(tǒng)局部放電檢測(cè)的靈敏度，本文提出利用高頻電流傳感器套接電纜屏蔽層外進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)理論模型分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析比較電流耦合法與傳統(tǒng)脈沖電流法的特點(diǎn)，并確定適用于長(zhǎng)電纜的局部放電測(cè)試方法。

1 振蕩波局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 脈沖電流法

振蕩波電源利用試品電容Cx與電感諧振Lx共同組成了串聯(lián)諧振回路，原理如圖1所示。開(kāi)始階段高壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，直流電源直接作用在試品兩端，對(duì)電容充電，充電電壓為振蕩波的初始振蕩峰值；充電完成后高壓開(kāi)關(guān)閉合，直流電源通過(guò)限流電阻接地，試品與諧振電感構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，試品兩端承受阻尼振蕩電壓。其振蕩頻率f由諧振電感Lx和試品電容Cx決定。

圖1 振蕩波系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

當(dāng)振蕩電壓超過(guò)缺陷處局部放電起始電壓，電纜內(nèi)部將產(chǎn)生局部放電，局放信號(hào)沿著纜芯和屏蔽層橫向傳播，需要特定的傳感器將信號(hào)耦合出來(lái)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1575-2016[7]推薦采用電容分壓器作為耦合電容，串聯(lián)接入檢測(cè)阻抗Zm耦合出電纜中的局部放電信號(hào)。檢測(cè)阻抗Zm通常由耦合電抗Lm與分壓電阻Rm構(gòu)成，電容分壓器可等效為電容值為C0的耦合電容，Z和Cx分別為電纜的等效阻抗與對(duì)地等效電容，測(cè)試回路等效圖如圖2所示。

圖2 脈沖電流法局部放電測(cè)試回路

電流檢測(cè)包括光伏陣列輸出電流、蓄電如圖2所示，當(dāng)原邊被測(cè)電流Ip產(chǎn)生的磁通量與霍爾元件輸出信號(hào)控制的副邊電流Is通過(guò)副邊線圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡時(shí)，副邊電流Is即能精確地反映原邊電流。Is可通過(guò)采樣電阻R將電流量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，供信號(hào)處理電路采集。

在檢測(cè)阻抗支路上，耦合電容C0與耦合電感Lm構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，諧振頻率f0=1/2π ，當(dāng)局部放電中心頻率fp與回路諧振頻率f0接近時(shí)，即f0≈fp，該支路的阻抗最小，大部分的局部放電電流能夠從該支路通過(guò)。為提高該方法的測(cè)量精度，通常希望耦合電容C0不小于試品電容Cx。然而在振蕩波測(cè)試系統(tǒng)中，被測(cè)對(duì)象通常為長(zhǎng)電纜，其等效電容通常在50 nF以上，而測(cè)試用的耦合電容通常為1 000 pF，即Cx遠(yuǎn)大于C0。使得在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，局部放電信號(hào)被耦合進(jìn)測(cè)試回路的效率不高，使得該測(cè)試方法的靈敏度存在局限性。同時(shí)，該方法的測(cè)試系統(tǒng)直接接入到高壓回路中，容易受到線路中的低頻信號(hào)干擾，使測(cè)量得到的局部放電信噪比較小。

1.2 改進(jìn)電磁耦合法

利用高頻電磁傳感器(HFCT)感應(yīng)回路中的局部放電是一種較為常用的檢測(cè)手段。HFCT基于Rogowski線圈(羅氏線圈)原理制成，其本質(zhì)是一種I/V轉(zhuǎn)換器型的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，等效電路如圖4所示。

圖3 HFCT結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 HFCT等效電路圖

其中M是線圈的互感；Rt為電纜線路等效電阻；Rs是線圈的等效電阻；Ls是線圈的自感；Cs是線圈的等效雜散電容；Rc是線圈的積分電阻。

HFCT的傳輸系數(shù)可表示為：

(1)

HFCT傳輸阻抗可表示為：

(2)

HFCT在測(cè)量局部放電中應(yīng)用廣泛，但較少應(yīng)用在振蕩波測(cè)試系統(tǒng)中，按照傳統(tǒng)HFCT的套接方式，可分為圖5兩種情況。當(dāng)HFCT套接在地線回路中，如圖5(a)所示，回路中的諧振電流將被感應(yīng)出來(lái)，同時(shí)地線中存在大量噪聲干擾，使測(cè)試出來(lái)的信號(hào)信噪比不高，難以實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)電纜絕緣缺陷發(fā)生放電時(shí)，纜芯與屏蔽層上的脈沖信號(hào)往往是大小相反，因此當(dāng)HFCT套接在纜芯上時(shí)，如圖5(b)所示，將同時(shí)感應(yīng)到纜芯與屏蔽層上的局放信號(hào)，兩者信號(hào)相互抵消使得測(cè)量得到的信號(hào)較小。

圖5 HFCT兩種常用接法

本文利用HFCT的測(cè)試方法在圖5(b)的方式上進(jìn)行改進(jìn)，電纜屏蔽層采用單端接地，即套接HFCT端的屏蔽層不接地，如圖6所示。當(dāng)缺陷處產(chǎn)生局部放電時(shí)，纜芯和屏蔽層上的脈沖電流信號(hào)將同時(shí)傳至HFCT位置，由于HFCT的位置恰好在屏蔽層末端，屏蔽層上的局部放電能立即放射回來(lái)。對(duì)于末端懸空的屏蔽層，反射電流信號(hào)將與入射電流信號(hào)方向相反，因此，原信號(hào)將被完全抵消，該位置處的HFCT將不會(huì)測(cè)到屏蔽層上的電流。

圖6 HFCT改進(jìn)接法

利用改進(jìn)電磁耦合法，能夠有效測(cè)到纜芯中的局部放電信號(hào)，該方法未與高壓電路直接連接，能較大程度減小干擾信號(hào)。

2 兩種測(cè)量方式的對(duì)比

為對(duì)比長(zhǎng)電纜中傳統(tǒng)脈沖電流法與改進(jìn)電磁耦合法的測(cè)試效果，在實(shí)驗(yàn)室分別搭建了兩種測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試對(duì)象為YJLV8.7/10-35三相同芯電纜，電纜長(zhǎng)度為500 m，等效電容為86.5 nF，檢測(cè)阻抗裝置配合500 pF耦合電容進(jìn)行測(cè)試。HFCT的傳輸系數(shù)與傳輸阻抗如圖7所示。

圖7 HFCT性能測(cè)試曲線

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得到該HFCT的-6 dB帶寬為218.31 MHz，上下限頻率分別為2.5 MHz和220.66 MHz。最大靈敏度為5.83 V/A。

2.1 脈沖校準(zhǔn)測(cè)試

將校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器接入電纜首端，電纜另一端懸空放置。通過(guò)調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器的輸出檔位，依次輸入電荷量值2 000 pC、1 000 pC、500 pC、250 pC、100 pC、50 pC、25 pC、10 pC，分別接入檢測(cè)阻抗測(cè)試回路與HFCT傳感器進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得不同測(cè)試系統(tǒng)的峰峰值如圖8所示。

圖8 兩種測(cè)試回路的脈沖校準(zhǔn)

從圖8的測(cè)試結(jié)果可以看出，HFCT的測(cè)試靈敏度更高，在注入電荷較大時(shí)，HFCT能夠耦合出更大的電壓值，而當(dāng)注入電荷小于100 pC后，檢測(cè)阻抗已不能明顯的測(cè)出脈沖信號(hào)，而HFCT測(cè)測(cè)量精度能夠達(dá)到10 pC。由此說(shuō)明，對(duì)于大容量的被試品，脈沖電流法的測(cè)試靈敏度較低，難以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中20 pC的要求[8-10]。而HFCT的測(cè)量不受試品容量的限制，具有更高的測(cè)試精度。

2.2 振蕩波測(cè)試

實(shí)驗(yàn)對(duì)象500 m長(zhǎng)電纜中段250 m存在半導(dǎo)電層搭接不良缺陷，按照?qǐng)D1搭建了振蕩波局部放電測(cè)試系統(tǒng)，并分別用檢測(cè)阻抗測(cè)試回路與HFCT傳感器測(cè)量系統(tǒng)中的局部放電。當(dāng)外施振蕩波電壓達(dá)到1.7U0時(shí)可以觀察到明顯局部放電信號(hào)，兩種測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種測(cè)試回路的實(shí)測(cè)效果

可以看出檢測(cè)阻抗回路由于直接與被測(cè)試品并聯(lián)，振蕩波電壓也被耦合進(jìn)測(cè)試回路，使得測(cè)量信號(hào)為高頻局部放電信號(hào)與低頻振蕩波電壓的疊加，經(jīng)末端反射回的第二次信號(hào)難以被觀察到，難以實(shí)現(xiàn)缺陷定位。相對(duì)而言，通過(guò)改進(jìn)電流耦合法測(cè)量得到的信號(hào)更為簡(jiǎn)單，僅存在局部放電信號(hào)，同時(shí)也能更為明晰地觀察到遠(yuǎn)端反射波信號(hào)。由此說(shuō)明，利用HFCT對(duì)振蕩波系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量具有更好的抗干擾能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文提出的改進(jìn)HFCT接法可以用于振蕩波局部放電測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中；

(2)對(duì)于長(zhǎng)電纜實(shí)驗(yàn)對(duì)象，脈沖電流法的測(cè)試靈敏度較低，而HFCT的測(cè)量不受試品容量的限制，具有更高的測(cè)試精度；

(3)HFCT測(cè)量基于非接觸式的電磁耦合法，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中更不易受線路中其他信號(hào)干擾，測(cè)試結(jié)果具有較高的信噪比。