基于局部放電頻譜分析的XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

徐國(guó)江

摘要：隨著信號(hào)采集技術(shù)、抗干擾技術(shù)、濾波技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電纜局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段日益完善，在實(shí)際應(yīng)用中也將會(huì)逐漸適應(yīng)各種各樣的復(fù)雜環(huán)境，從而在電力電纜線(xiàn)路的安全運(yùn)行中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

關(guān)鍵詞：XLPE電力電纜;局部放電;在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

引言

隨著電力電纜在城市電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，電纜的絕緣問(wèn)題愈顯突出。由于電纜通常是敷設(shè)在管溝或隧道中，到目前為止，還沒(méi)有較好的技術(shù)能夠掌握運(yùn)行中電纜的絕緣狀態(tài)。當(dāng)前，電纜線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)多數(shù)是監(jiān)測(cè)電纜的溫度。然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜故障多數(shù)源于施工時(shí)機(jī)械損傷和絕緣處理不當(dāng)，如制造中存在空隙、裂紋、受潮或損壞。最能夠反映電纜絕緣特征的是電纜的局部放電。運(yùn)行中的電纜總是與其他電氣設(shè)備相連接（如變壓器、GIS、開(kāi)關(guān)、電壓互感器、架空線(xiàn)等），這些設(shè)備也可能產(chǎn)生局部放電，要將電纜的局部放電信號(hào)從其他設(shè)備放電或干擾中區(qū)分出來(lái)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題，必須從研究電纜局部放電機(jī)理出發(fā)，摸清其放電傳播的物理過(guò)程，以其作為基礎(chǔ)，尋找有效區(qū)分電纜內(nèi)部放電和外部干擾的檢測(cè)技術(shù)。目的是模擬電纜運(yùn)行中的實(shí)際情況，利用局部放電傳感器，檢測(cè)電纜在內(nèi)部放電和外部干擾傳播時(shí)，找出傳播規(guī)律及特點(diǎn)，尋找到能準(zhǔn)確區(qū)分內(nèi)部放電和外部干擾的可行方案。

一、基于局部放電頻譜分析XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

（一）局部放電監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

XLPE電力電纜在運(yùn)行中，其局部放電脈沖的寬度，在1納秒至10納秒之間，其所表示的含義為：局部放電脈沖信號(hào)有瞬間即逝的特征，尤其以電纜為介質(zhì)的傳輸中，高頻脈沖信號(hào)的衰減程度會(huì)逐漸增加。所以，在XLPE電力電纜的終端處，很難采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)局部放電的信號(hào)進(jìn)行采集，或者已經(jīng)采集的信號(hào)，存在嚴(yán)重的失真現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在嚴(yán)重的誤差問(wèn)題，影響后續(xù)的相關(guān)工作。在本文的分析中，將寬頻帶局部放電傳感器的方式，應(yīng)用在監(jiān)測(cè)甚高頻頻段局部放電的工作中。另外，由于XLPE電力電纜的局部放電現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生在附件的周?chē)蛘呔蛻?yīng)該在相應(yīng)的位置，以接地的方式，安裝局部放電傳感器。通過(guò)這樣的方式，減小信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失，提高XLPE電力電纜局部放電監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

（二）在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

就傳感器來(lái)說(shuō)，其經(jīng)過(guò)了特殊的設(shè)計(jì)，即高頻帶羅戈夫斯基線(xiàn)圈型的放電傳感器，所以將其安裝在XLPE電力電纜中，能夠準(zhǔn)確的采集放電信號(hào)，并利用電磁耦合的原理，對(duì)XLPE電力電纜局部放電的特征，進(jìn)行準(zhǔn)確地提取與分析。受羅戈夫斯基線(xiàn)圈性能的影響，在監(jiān)測(cè)XLPE電力電纜放電電量的情況下，其不會(huì)與式品產(chǎn)生電氣關(guān)聯(lián)，所以其具有不會(huì)產(chǎn)生飽和、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，可以有效抑制外界的噪音，適合應(yīng)用在XLPE電力電纜的放電監(jiān)測(cè)中。在本文的分析中，將鎳鋅鐵氧體材料用于傳感器線(xiàn)圈的主要材料，其電阻率對(duì)高頻電流的影響較小，很適合應(yīng)用在1MHz至300MHz高頻電纜中[1]。

在設(shè)計(jì)XLPE電力電纜的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，以上述的內(nèi)容為基礎(chǔ)，繪制等效電路圖。并在這一基礎(chǔ)上，由于局部放電的傳感器線(xiàn)圈屬于環(huán)形，R1為內(nèi)環(huán)的半徑，而R2為外環(huán)的半徑。另外，傳感器羅戈夫斯基線(xiàn)圈的橫截面屬于矩形，面積用S表示，N表示線(xiàn)圈中的繞線(xiàn)匝數(shù)，l表示閉合回路的磁路長(zhǎng)度，并用M、Ls表示線(xiàn)圈的互感、自感，w表示工作的角頻率。通過(guò)上述的分析，就能夠得出傳感器的幅頻特性、傳感器的頻帶、上限頻率等公式。

（三）傳感器的相關(guān)數(shù)值計(jì)算

通過(guò)以上的分析，能夠在理論的條件下，對(duì)傳感器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。例如：在線(xiàn)圈匝數(shù)為39時(shí)，且繞線(xiàn)的直徑為1毫米，其相關(guān)的參數(shù)為：（1）線(xiàn)圈自感Ls的計(jì)算值為0.435mH，而測(cè)量值為0.409mH;（2）線(xiàn)圈互感M的計(jì)算值為0.11mH，而計(jì)算值為0.010mH;（3）等效電阻的計(jì)算值為0.032Ω，測(cè)量值為0.040歐姆。為了可以對(duì)XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以在其中安裝局部放電信號(hào)放大器，并運(yùn)用接地技術(shù)，保證放大器的信號(hào)電流，能夠在其內(nèi)部形成回路，減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。

通過(guò)這樣方式，就能夠提高在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，規(guī)避信號(hào)失真的現(xiàn)象，即信號(hào)放大器的實(shí)際增益為41dB，因此3dB的帶寬就能夠達(dá)到70dB，進(jìn)而更好的滿(mǎn)足XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的相關(guān)需求。另外，運(yùn)用相關(guān)的理論知識(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將外界的噪聲進(jìn)行剔除，并優(yōu)化局部放電信號(hào)的提取方式，合理判斷XLPE電力電纜的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。在分形維數(shù)變化、局部放電脈沖信號(hào)頻譜的基礎(chǔ)上，就能夠通過(guò)分維尺度的規(guī)律，對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、提取，提高在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的靈敏度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)減少干擾的最終目標(biāo)。

二、基于局部放電頻譜分析XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

在本文的相關(guān)分析中，以35kV的XLPE電力電纜為例，并運(yùn)用甚高頻局部放電傳感器電磁耦合的方式，對(duì)線(xiàn)路的放電問(wèn)題進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，以便于踐行有針對(duì)性的分析，為后續(xù)的治理工作，奠定有價(jià)值的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。局部放電傳感器，可以安裝在XLPE電力電纜式品的中間位置，并在連接同軸電纜的過(guò)程中，均以50Ω為標(biāo)準(zhǔn)。基于這樣的方式，就能夠避免在電力運(yùn)行的過(guò)程中，高頻信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射而形成駐波的現(xiàn)象[2]。具體來(lái)說(shuō)，局部放電傳感器的頻帶寬在10kHz至28MHz之間，而信號(hào)采集器3dB貸款實(shí)際上為70MHz，這一數(shù)據(jù)在上文已經(jīng)提及。另外，RPS屬于數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其是基于分形維數(shù)變化、脈沖信號(hào)相似性而進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的。對(duì)此，基于局部放電頻譜，分析XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，主要體現(xiàn)在XLPE電力電纜絕緣性能方面，其主要內(nèi)容如下：

XLPE電力電纜的式品，其自身所存在的絕緣缺陷，會(huì)受到外施電場(chǎng)的激勵(lì)，而生成局部放電信號(hào)，但是采用數(shù)學(xué)的相關(guān)方式對(duì)其進(jìn)行處理，就會(huì)提高其特征的明顯性。如果XLPE電力電纜的絕緣缺陷，處于高電位的位置時(shí)，其局部放電脈沖的信號(hào)，基本上會(huì)產(chǎn)生在180度至270度的相位，或者產(chǎn)生在0度至90度的相位。在這兩個(gè)相位中，脈沖信號(hào)之間的差異，并沒(méi)有明顯的特征，同時(shí)其相互之間的正放電次數(shù)、負(fù)放電次數(shù)，也有著較強(qiáng)的相似性。經(jīng)過(guò)對(duì)XLPE電力電纜局部放電的實(shí)際測(cè)量，其式品局部放電信號(hào)頻譜，與計(jì)算之間的比較就是外界的噪聲信號(hào)相對(duì)較弱，主要集中在兩個(gè)峰值的位置，即24MHz與32MHz處。

三、基于局部放電頻譜分析XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)論

結(jié)合本文的相關(guān)分析，能夠得出基于局部放電頻譜，分析XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的相關(guān)結(jié)論，其內(nèi)容分為兩部分：

（1）采用高頻寬帶電瓷耦合試驗(yàn)的方式，對(duì)XLPE電力電纜的甚高頻信號(hào)段的范圍，進(jìn)行局部放電信號(hào)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，工作人員應(yīng)該選擇恰當(dāng)?shù)奈恢?，合理的安裝傳感器，基于這樣的方式減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的損失。另外，基于這樣的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)方式，還可以將中心頻率為20MHz高頻局部放電信號(hào)的特征量、信號(hào)波形等，進(jìn)行全面的、準(zhǔn)確的采集，為數(shù)據(jù)的分析提供有價(jià)值的條件，主要是因?yàn)樾盘?hào)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的靈敏度，高達(dá)1pC，可以滿(mǎn)足XLPE電力電纜局部放電的相關(guān)需求，保證結(jié)果的精準(zhǔn)性。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，XLPE電力電纜在運(yùn)行的過(guò)程中，存在著局部放電的現(xiàn)象，影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了能夠解決這一問(wèn)題，就應(yīng)該發(fā)揮局部放電頻譜的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)XLPE電力電纜的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。在這一基礎(chǔ)上，可以提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為相關(guān)的治理工作提供參考，保證XLPE電力電纜能夠安全運(yùn)行。所以，結(jié)合文本的分析發(fā)現(xiàn)，基于局部放電頻譜，對(duì)XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，其具有較強(qiáng)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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