基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測方法

徐善章 韓 昊 陳世炯

(國網(wǎng)烏魯木齊供電公司城北變電運(yùn)檢中心)

0 引言

低壓電纜作為電力系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,其安全和穩(wěn)定運(yùn)行對于供電質(zhì)量和用戶正常用電至關(guān)重要。然而, 長期以來, 低壓電纜局部放電問題一直是電力系統(tǒng)中的一個(gè)隱患, 可能引發(fā)電纜老化、絕緣破壞甚至火災(zāi)事故。因此, 對低壓電纜的局部放電進(jìn)行準(zhǔn)確有效的檢測具有重要意義。

基于頻域反射法的局部放電檢測方法由于其非侵入性、高精度和實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注。該方法利用了電纜兩端的電壓波形以及局部放電信號(hào)在電纜中的傳播特性, 通過頻譜分析和特征提取技術(shù), 能夠準(zhǔn)確判斷電纜是否存在局部放電現(xiàn)象, 并定位放電源位置。因此, 基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測方法被認(rèn)為是一種可靠、高效的局部放電檢測手段。

本文旨在針對低壓電纜局部放電問題, 研究基于頻域反射法的局部放電檢測方法, 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性和可靠性。首先, 介紹了局部放電的定義和危害, 以及現(xiàn)有的局部放電檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)。然后,詳細(xì)闡述了基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測原理和實(shí)現(xiàn)步驟。接著, 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置和測試方案, 并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并提出了未來改進(jìn)和優(yōu)化的方向。通過本文的研究, 我們期望能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中低壓電纜局部放電檢測提供一種可靠、準(zhǔn)確的方法, 提高電纜的故障診斷效率, 保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 局部放電

1.1 局部放電的定義

局部放電是指在電氣設(shè)備或材料中, 由于電場強(qiáng)度超過其斷電強(qiáng)度而引起的局部放電現(xiàn)象。當(dāng)電介質(zhì)中存在缺陷或不均勻性時(shí), 電場集中在缺陷周圍, 導(dǎo)致局部電壓升高。當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí), 缺陷處的電場強(qiáng)度可能會(huì)超過電介質(zhì)的斷電強(qiáng)度, 從而引發(fā)局部放電。局部放電通常表現(xiàn)為瞬態(tài)的電流脈沖, 伴隨著局部區(qū)域的發(fā)光、聲響和熱效應(yīng)。局部放電可導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞、能量損耗和安全隱患。因此, 檢測和監(jiān)測局部放電對于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1.2 局部放電的危害

(1) 設(shè)備損壞: 局部放電產(chǎn)生的電弧和高溫可以損壞電氣設(shè)備中的絕緣材料和導(dǎo)體。這可能導(dǎo)致設(shè)備故障、短路和火災(zāi)。

(2) 能量損耗: 局部放電會(huì)引起電能的損耗,因?yàn)榉烹娺^程中會(huì)有電流通過設(shè)備或材料, 導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化為熱能, 從而降低系統(tǒng)的效率。

(3) 系統(tǒng)不穩(wěn)定: 局部放電會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào),干擾其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行, 從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或停機(jī)。

(5) 安全風(fēng)險(xiǎn): 局部放電可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸,對人員和設(shè)備造成嚴(yán)重的安全威脅。

(6) 絕緣老化: 長期存在的局部放電會(huì)導(dǎo)致絕緣材料的老化和退化, 使其失去原有的絕緣性能, 增加設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 現(xiàn)有的局部放電檢測方法分析

目前常用的局部放電檢測方法包括電壓法、電流法及超聲波法。

電壓法是通過檢測設(shè)備或系統(tǒng)中的局部放電產(chǎn)生的電壓脈沖來進(jìn)行診斷。該方法具有響應(yīng)速度快、檢測范圍廣的優(yōu)點(diǎn), 可以檢測到不同類型和位置的局部放電。然而, 電壓法在低放電水平下的檢測效果較差, 并且對設(shè)備的干擾信號(hào)相對敏感。

電流法則是通過監(jiān)測設(shè)備或系統(tǒng)中的局部放電引起的電流脈沖來檢測局部放電現(xiàn)象。該方法可以提供更準(zhǔn)確的定位信息, 并且對設(shè)備自身干擾信號(hào)的影響較小。然而, 電流法在低放電水平下的靈敏度較低,并且容易受到外部信號(hào)的干擾。

超聲波法利用局部放電產(chǎn)生的聲波信號(hào)進(jìn)行檢測, 并通過分析聲波的頻率、振幅和時(shí)域特征來判斷局部放電的存在。該方法非常敏感, 可以檢測到微弱的局部放電信號(hào), 并且能夠提供較準(zhǔn)確的位置信息。然而, 超聲波法的檢測結(jié)果可能受到環(huán)境噪聲的影響, 而且需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理。

不同的局部放電檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。合理選擇合適的檢測方法, 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求, 可以提高對局部放電的準(zhǔn)確性和可靠性, 并幫助及早發(fā)現(xiàn)和預(yù)防電力設(shè)備和系統(tǒng)中的潛在故障。

2 頻域反射法

頻域反射法是一種用于局部放電檢測的方法。該方法基于局部放電所產(chǎn)生的高頻信號(hào)在系統(tǒng)中傳播并發(fā)生反射的原理來進(jìn)行診斷。頻域反射法通過發(fā)送一個(gè)高頻脈沖信號(hào)到被測設(shè)備或系統(tǒng)中, 然后檢測并分析反射回來的信號(hào)。當(dāng)存在局部放電現(xiàn)象時(shí), 局部放電所產(chǎn)生的高頻信號(hào)會(huì)在系統(tǒng)中反射, 并以不同的時(shí)間延遲返回到檢測器。該方法可以提供較高的精確度和分辨率, 能夠定位和區(qū)分不同位置的局部放電源。由于采用了高頻信號(hào)的檢測, 可以檢測到微弱的局部放電信號(hào), 使得故障的早期診斷成為可能。此外, 該方法對干擾信號(hào)的抑制能力較強(qiáng), 可以有效降低測量誤差。然而, 頻域反射法也存在一些缺點(diǎn)。首先, 該方法對設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求較高, 需要具備足夠的反射特性。其次, 頻域反射法需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析, 需要專業(yè)的儀器和技術(shù)支持。此外,由于頻域反射法是一種間接檢測方法, 可能存在信號(hào)衰減和變形的問題。頻域反射法作為局部放電檢測的一種方法, 具有高精確度、高分辨率和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn), 但也需要考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)要求以及信號(hào)處理的復(fù)雜性。

3 基于仿射變換交叉項(xiàng)抑制的改進(jìn)算法

傳輸線是一種用于傳輸電信號(hào)或數(shù)據(jù)的導(dǎo)線或電纜。它通常由導(dǎo)體、絕緣層和外部保護(hù)層組成。傳輸線可以用于傳輸不同類型的信號(hào), 包括電力、音頻、視頻和數(shù)字信號(hào)。它們廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中,如電力系統(tǒng)、電信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。傳輸線的設(shè)計(jì)和特性可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整, 以滿足特定的傳輸要求, 如阻抗匹配、信號(hào)保真度和傳輸速率等。在信號(hào)波長遠(yuǎn)小于電纜長度時(shí), 電纜傳輸線模型可用下圖1 的等效電路表示。

圖1 電纜分布參數(shù)等效電路

為了實(shí)現(xiàn)對電纜缺陷的準(zhǔn)確定位, 時(shí)頻域反射法使用示波器采集電纜中阻抗不連續(xù)點(diǎn)的反射信號(hào), 并向電纜注入?yún)⒖夹盘?hào)。通過對信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析,可以獲得信號(hào)的時(shí)變頻譜特性, 并了解不同時(shí)間和頻率下的信號(hào)能量聚焦情況。為此, 本文選擇了具有高斯包絡(luò)的線性可調(diào)頻信號(hào)作為參考信號(hào), 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

根據(jù)上式設(shè)置參考波形, 數(shù)據(jù)參數(shù)見下表1所示。

表1 仿真電纜參數(shù)設(shè)置

對于多分量的調(diào)頻信號(hào), WVD 算法存在疊加原理不滿足的問題。在對無缺陷電纜進(jìn)行WVD 分布求取時(shí), 如圖2 所示, 交叉干擾明顯, 容易導(dǎo)致判斷失誤。以前, 同偽wigner 分布和偽wigner 平滑化分布一樣, WVD 分布平滑化和f 輸入抑制交叉干擾的事多。但是, 上述方法還不能完全消除交叉干擾, 消除交叉時(shí)容易影響自動(dòng)入口, 導(dǎo)致定位分辨率降低。此外,視窗處理會(huì)導(dǎo)致主葉寬度增加, 時(shí)間和頻率的交叉相關(guān)函數(shù), 造成定位盲, 影響精確定位缺陷。

圖2 疊加信號(hào)時(shí)頻分析結(jié)果

單獨(dú)分析交叉項(xiàng)和自項(xiàng)的特征差異, 結(jié)果見下圖3 所示。

圖3 自項(xiàng)與交叉項(xiàng)特征差異

通過對自項(xiàng)和交叉項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)分析, 可以觀察到它們在特征上存在明顯的差異。自項(xiàng)的能量分布更為集中且平滑, 交叉項(xiàng)表示正振蕩和負(fù)振蕩的頻率特性。利用這個(gè)差異, 在WVD 時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換后對矩陣進(jìn)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換, 以便進(jìn)行更好的分析。為了消除交叉項(xiàng)干擾, 提高算法的定位精度, 同時(shí)不影響自項(xiàng)分辨率, 我們提出了一種基于仿射變換的交叉項(xiàng)抑制算法。該算法適用于各種改進(jìn)的WVD, 可以大幅提高電纜故障定位的精度。

通過細(xì)致的變換, 可以明確時(shí)間和頻率分布的特征差異。將時(shí)間頻率分布投影在與坐標(biāo)軸平行的方向上, 可以分析單一的時(shí)域或頻域。從每一列中提取有效的特征, 根據(jù)每個(gè)特征選擇低通濾波方法進(jìn)行傅立葉變換, 去除有交叉頻率字的區(qū)域, 同時(shí)宣布自動(dòng)terme 結(jié)束。圖4 (a) 顯示了交叉消除效果。這種方法對交叉項(xiàng)和自治項(xiàng)各自的特征進(jìn)行了分析和處理,但去除交叉項(xiàng)對自治項(xiàng)幾乎沒有影響。仿射變換后的矩陣反轉(zhuǎn)和仿射變換步驟可以得到如圖4 (b) 所示的沒有交叉項(xiàng)的時(shí)間頻率分布。

圖4 交叉項(xiàng)去除結(jié)果

該方法不僅可以完全消除交叉項(xiàng)的影響, 還不會(huì)對自項(xiàng)分辨率造成影響。其效果主要取決于斜率的精確度和低頻濾波的影響。此外, 該方法還可以適用于多種改進(jìn)形式的WVD 分布, 以獲得最佳的實(shí)測效果。具體的流程如圖5 所示。

圖5 交叉項(xiàng)去除算法流程示意圖

4 改進(jìn)算法的電力電纜缺陷仿真驗(yàn)證

仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表2 所示, 本文所提出的方法在抑制交叉項(xiàng)的同時(shí)能夠提高定位準(zhǔn)確度, 并且具有一定的抗噪聲干擾能力。此外, 該方法也適用于不同形式的時(shí)頻分布, 具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。由于實(shí)際上電纜可能存在多種缺陷, 本文分析電纜多種缺陷的位置。1000m 的電纜, 可以模擬受濕氣影響的直徑0.2m 的兩個(gè)缺陷部分。障礙區(qū)間的容量是通常的1.2 倍。缺陷截面的初始位移分別為300m 和600m。這種偽維格納分布的詳細(xì)變換可以用于前后頻率交叉相關(guān)的處理,其結(jié)果如圖6 所示。

表2 不同算法定位精度

圖6 多缺陷定位結(jié)果對比

5 結(jié)束語

通過對基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測方法的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 我們得出了以下結(jié)論: 首先, 基于頻域反射法是一種有效的低壓電纜局部放電檢測方法。通過測量電纜兩端的傳輸信號(hào)的頻域反射系數(shù), 可以準(zhǔn)確地判斷電纜中是否存在局部放電缺陷, 以及缺陷的位置和嚴(yán)重程度。其次, 該方法具有高精度和高靈敏度的特點(diǎn)。通過采集高頻信號(hào)和進(jìn)行頻譜分析, 可以在微弱的局部放電信號(hào)中提取出有用的信息, 從而辨別出缺陷所在位置和缺陷類型。此外, 該方法還具有快速和實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢, 能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜中的故障, 避免進(jìn)一步的損壞和事故發(fā)生。最后, 基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測方法具有良好的適用性和可行性。不僅可以用于不同類型和規(guī)格的低壓電纜, 還可以應(yīng)用于各種工況和環(huán)境條件下的檢測任務(wù)。綜上所述, 基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測方法是一種可靠、有效且實(shí)用的手段,對于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)具有重要意義。