基于暫態(tài)地電壓的XLPE電纜接頭局放在線檢測方法

王平 黃偉鋒 胡明健 麥華仁 淡文剛

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣東省廣州市 510335 2.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司 廣東省廣州市 510335）

（3.廣州市揚(yáng)新技術(shù)研究有限責(zé)任公司 廣東省廣州市 510540 4.武漢中開維電氣有限公司 湖北省武漢市 430077）

隨著城市交通事業(yè)快速發(fā)展，當(dāng)前地鐵交通覆蓋范圍在不斷擴(kuò)大，110kV 及35kV 供電系統(tǒng)在地鐵供電系統(tǒng)中占有重要位置，110kV 的電力主要通過110kV 電纜從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司的輸電系統(tǒng)獲取電源，送給地鐵系統(tǒng)的主變電所，主變電所35kV 出線開關(guān)柜經(jīng)過環(huán)網(wǎng)電纜向各個部門輸送獨(dú)立電源，然后變電所能夠?qū)╇娫催M(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，確保接觸網(wǎng)能夠獲取電力供應(yīng)，再借助不同開關(guān)將電力資源進(jìn)行分配，能夠保障電纜向供電區(qū)域變電所進(jìn)行有效供電。

本文根據(jù)電纜中間附件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了高頻放電脈沖在其中的傳播特性和暫態(tài)地電壓的成因，基于此提出了基于暫態(tài)地電壓的局放信號耦合方法，并結(jié)合高速信號采集和特征識別法，實(shí)現(xiàn)了局放脈沖的可靠檢測，最后，利用目前的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)，構(gòu)建了電纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以使運(yùn)維人員實(shí)時(shí)監(jiān)視電纜的運(yùn)行狀態(tài)，避免因絕緣擊穿而導(dǎo)致的線路故障。

1 局部放電脈沖在電纜附件中傳播特性

圖1 為XLPE 電纜絕緣接頭的交叉互聯(lián)線的接線示意圖，絕緣筒置于接頭兩側(cè)的金屬屏蔽層中間，在電氣上將其斷開。三相電纜金屬屏蔽經(jīng)交叉互聯(lián)線在交叉互聯(lián)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)交叉換位。

電纜線芯和屏蔽層導(dǎo)體尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ns級脈沖中的高頻成分，同時(shí)電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，連接點(diǎn)也較多，因此這些部件傳播放電脈沖可以等效為一個電阻、電容和電感的混合電路。等效電路如下：

其中C2 為右側(cè)金屬屏蔽層與線芯之間的分布電容，C1 為左側(cè)金屬屏蔽層與線芯的分布電容，R1 和R2 分別為兩側(cè)屏蔽層接地電纜體電阻及接地電纜與焊接點(diǎn)電阻之和，L1 和L2 分別為兩側(cè)接地電纜的等效電感，C3 和C4 分別為兩側(cè)接地電纜對地的分布電容。

如圖3所示，由局部放電激發(fā)的電荷經(jīng)C1、C2 耦合后會在距離屏蔽層最近的位置積聚并迅速形成在屏蔽層表面擴(kuò)散流向地的脈沖電流。由于電纜終端屏蔽接地線存在不連續(xù)處（如接地電纜連接點(diǎn)、屏蔽殼與絕緣環(huán)的邊緣、應(yīng)力錐連接處等），這些不連續(xù)處對高頻信號表現(xiàn)為波阻抗，從而出現(xiàn)脈沖電壓信號，這一瞬態(tài)脈沖信號就被稱為暫態(tài)地電壓（TEV）。

2 暫態(tài)地電壓傳感器的設(shè)計(jì)

結(jié)合1 中的分析，當(dāng)局放發(fā)生時(shí)，TEV 信號主要出現(xiàn)在電纜接頭的屏蔽殼體上，可以利用電容傳感器來耦合該信號，實(shí)現(xiàn)局放脈沖的檢測。傳感器的等效電路如下：

圖3 中，C1 為電容傳感器與屏蔽殼體之間的分布電容，C3 為前置放大電路的信號耦合電容，C2 為處理模塊內(nèi)部走線的分布電容，R 為放大回路的輸入阻抗。當(dāng)設(shè)置C1 為15pF，C3 為100pF，C2 為2pF，R 為1kΩ 時(shí)，對于頻率大于10mHz 的信號，可以計(jì)算得u0≈0.6ui，即耦合系數(shù)為0.6。

圖1：絕緣接頭交叉互聯(lián)示意圖

圖2：電纜接頭局放脈沖信號傳播等效圖

圖3：TEV 信號耦合模塊電路圖

圖4：電纜運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器的適用性，在具有人工缺陷的電纜接頭上進(jìn)行實(shí)際測試。

可調(diào)無局放交流電壓源的變比為1:250，限流電阻為30Ω/50W，無感取樣電阻值為10Ω/50W。測試時(shí)逐步升高電壓，觀察示波器和傳感器的檢測結(jié)果。

該電容耦合傳感器可以在幾乎不失真的情況下耦合出局放信號，這位后面的信號處理和識別電路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 信號處理電路和信噪識別策略

由現(xiàn)場的實(shí)際局放波形來看，局放產(chǎn)生的脈沖信號的主要頻率可達(dá)幾十到上百M(fèi)Hz，而且信號微弱，因此需要頻帶較寬的低噪聲前置放大電路對該信號進(jìn)行預(yù)處理，再送給高速A/D 采樣電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪和識別，從而提取出真正的局放信號。

為了精確的區(qū)分干擾和局放信號，需要采用較高的采樣頻率實(shí)現(xiàn)波形的精細(xì)復(fù)原，同時(shí)，為了提高檢測的精度，需要高分辨率的A/D芯片（12bits以上），同時(shí)滿足這兩個條件的芯片很難實(shí)現(xiàn)，為此，采用兩路A/D 來實(shí)現(xiàn)：一路采用8bits/1GHz 進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)快速采樣，結(jié)果用于傅里葉分析、小波變換提取信號特征，與局放波形庫中的標(biāo)準(zhǔn)局放脈沖特征進(jìn)行比對，識別有效放電脈沖出現(xiàn)時(shí)間，用于時(shí)域開窗；另外一路采用12bits/100 MHz 的A/D 采樣模塊進(jìn)行局放脈沖的幅值采樣。這樣利用兩路采樣信號的處理結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，相當(dāng)于“時(shí)域開窗”，實(shí)現(xiàn)局放信號的可靠提取。

由于采樣速率較高，一般的單片機(jī)無法實(shí)現(xiàn)如此高的信號處理要求，因此該項(xiàng)目采用FPGA 來構(gòu)造高速并行信號處理模塊。

為了檢驗(yàn)整個處理過程的可靠性，采用Q/GDW 11063-2014 暫態(tài)地電壓局部放電檢測儀中推薦的測試方法對設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)：

用標(biāo)準(zhǔn)局放校準(zhǔn)儀做為脈沖信號發(fā)生器，給測試系統(tǒng)提供局放模擬信號，輸出信號的上升沿時(shí)間為10ns 的周期性脈沖波形。金屬板通過50Ω 匹配電阻接地。TEV 傳感器測量金屬表面的信號并通過zigbee 將結(jié)果發(fā)送給手持終端。標(biāo)準(zhǔn)局放校準(zhǔn)儀輸出的放電脈沖幅值范圍為10pC～1000pC，設(shè)備檢測結(jié)果用dB 來表示，檢測結(jié)果與輸入的關(guān)系為：

Ao——設(shè)備檢測的輸出結(jié)果

S——設(shè)備信號傳輸系數(shù)

P——外加模擬局放量

由于脈沖校準(zhǔn)儀模擬輸出放電量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，因此采用離散點(diǎn)進(jìn)行測試，從整個數(shù)據(jù)來看，輸入和輸出屬于單調(diào)遞增的關(guān)系，因此其他放電量的對應(yīng)結(jié)果可以采用插值的辦法推算出來。

當(dāng)不加任何信號時(shí)，設(shè)備輸出為7dB,直到注入10pC 時(shí)，輸出為8dB,注入50pC 時(shí)輸出為15dB，由此可以看出設(shè)備的檢測靈敏度在10～20pC?？梢钥闯觯?0～1000pC 區(qū)間，設(shè)備輸入/輸出基本屬于線性關(guān)系。由于電纜接頭正常局放一般小于50pC，危險(xiǎn)局放值一般取300pC，因此該設(shè)備可以作為在線監(jiān)測設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜中間接頭的局放水平。

4 電纜接頭運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

電纜狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)由分布在各個電纜接頭中的電纜運(yùn)行狀態(tài)綜合傳感器、數(shù)據(jù)采集終端組成。電纜運(yùn)行狀態(tài)綜合傳感器負(fù)責(zé)采集電纜的局部放電量和溫度等參數(shù)，采集終端負(fù)責(zé)采集各個綜合傳感器的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存和上傳，并實(shí)現(xiàn)自身狀態(tài)監(jiān)測調(diào)整。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個系統(tǒng)以每個電纜接頭（群）為基本監(jiān)測點(diǎn)，每個基本監(jiān)測點(diǎn)包括若干個腕表式安裝在電纜接頭處的電纜運(yùn)行狀態(tài)綜合傳感器和一個數(shù)據(jù)采集終端。

電纜運(yùn)行狀態(tài)綜合傳感器用于檢測安裝位置電纜內(nèi)部的局部放電、表面溫度等信息，用于判斷電纜是否存在故障隱患以及隱患的發(fā)展情況，用于預(yù)測電纜的健康狀況。傳感器預(yù)留有源式RFID功能，用于保存和展示電纜基礎(chǔ)信息。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)利用局域無線網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)采集終端。

數(shù)據(jù)采集終端用于采集智能傳感器發(fā)送的局放等數(shù)據(jù)，終端利用NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送給設(shè)置于變電站的通信管理機(jī)。通信管理機(jī)進(jìn)行相關(guān)的分析、處理后可以在當(dāng)?shù)仫@示和報(bào)表打印，同時(shí)通過正向隔離裝置將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)采集平臺，確保數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)采集平臺的安全性，實(shí)現(xiàn)與大屏展示、報(bào)表服務(wù)、報(bào)警處理等模塊進(jìn)行安全的數(shù)據(jù)共享。

由于數(shù)據(jù)采集平臺屬于安全性更高的區(qū)域，因此通信前置機(jī)與數(shù)據(jù)采集平臺之間通過反向隔離裝置進(jìn)行隔離，確保平臺數(shù)據(jù)安全?？紤]到采集數(shù)據(jù)多為文件傳輸，測量物理量定義明細(xì)，數(shù)量不大，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩捎媚壳皣鴥?nèi)國際在電網(wǎng)自動化中常用的IEC8705-104 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于TEV 檢測高壓電纜中間接頭的傳感器以及由此傳感器構(gòu)成的電纜終端運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效的解決目前電纜接頭處于盲目運(yùn)行和檢修的狀態(tài)，提高了對運(yùn)行中電纜狀態(tài)的感知程度。主要結(jié)論有:

（1）設(shè)計(jì)的電纜局放信號耦合裝置可以有效耦合電纜內(nèi)部局部放電信號，傳輸特性可以滿足現(xiàn)場在線監(jiān)測需求，結(jié)合雙通道時(shí)域開窗和模式識別技術(shù)，可以準(zhǔn)確檢測出局放脈沖;

（2）基于TEV 檢測的電纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)利用移動物聯(lián)網(wǎng)平臺可以實(shí)時(shí)將運(yùn)行在地下的電纜接頭局放信息傳輸給監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)電纜絕緣隱患的及時(shí)預(yù)警，從而避免電網(wǎng)重特大事故的發(fā)生，對于電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重大意義。