陳錫陽(yáng)， 桂峻峰， 高勝友， 夏云峰， 黃健華

(1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東東莞523008;2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044;3.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 引言

局部放電是電纜絕緣故障的常見先兆特征，目前對(duì)于電纜局部放電的試驗(yàn)，可遵照的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 3048.12電線電纜電性能試驗(yàn)方法之12:局部放電試驗(yàn)(等效于IEC 60885－3整根擠包電纜局部放電試驗(yàn))。該標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意義在于放電量的測(cè)量和標(biāo)定，在規(guī)定電壓和給定靈敏度下測(cè)量電纜的放電量是否超過(guò)規(guī)定值［1］。一旦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)放電，需要確定放電的部位和類型。根據(jù)放電的特性區(qū)分不同的故障類型，具有重要的意義。常用的方法通常是基于放電量q、放電發(fā)生的相位φ和放電重復(fù)率n構(gòu)成的譜圖，依據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行放電類型的識(shí)別。寬頻帶采樣的局放檢測(cè)方法逐漸開展，獲取放電信號(hào)波形并根據(jù)其時(shí)域特征進(jìn)行識(shí)別的方法，也有一定的研究［2，3］。但這些方法沒有考慮到脈沖傳播路徑對(duì)原始放電波形的影響，即由于電纜中的局部放電可能存在于任何位置，在固定的檢測(cè)點(diǎn)獲得的信號(hào)波形，必然攜帶有從原始位置傳播到檢測(cè)點(diǎn)的路徑所含的未知信息，這將給正確識(shí)別帶來(lái)困難。

本文首先進(jìn)行了脈沖波形在交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜中傳播的仿真研究，然后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)電纜本身的傳播特征，由檢測(cè)信號(hào)反推放電原始波形，即可利用波形特征進(jìn)行放電的模式識(shí)別。

1 電纜中脈沖傳播的仿真研究

研究電纜中脈沖信號(hào)傳播規(guī)律，可用均勻傳輸線模型來(lái)模擬電力電纜。導(dǎo)線本身的電阻R和電感L分布在導(dǎo)線的整個(gè)長(zhǎng)度上，導(dǎo)線對(duì)地的電容C和絕緣電導(dǎo)G也都按分布參數(shù)考慮，如圖1所示。線路的傳輸特性，實(shí)質(zhì)上就是由這四個(gè)基本參數(shù)決定的。

圖1 電纜參數(shù)模型

從傳輸線的傳輸規(guī)律得出傳播公式:

式中:l為傳輸線路的長(zhǎng)度(m);γ為傳輸線的傳播常數(shù)，它反映了傳輸線固有的傳輸規(guī)律。γ的值取決于傳輸線的基本參數(shù)和傳輸頻率，表達(dá)式為［4］:

式中:γ是一個(gè)復(fù)數(shù)，可按實(shí)部和虛部寫作α+jβ，即包含固有衰耗常數(shù)(用α表示)和固有相移常數(shù)(用β表示)。α反映了線路上單位長(zhǎng)度的行波正弦分量的幅值的減少，即能量損耗方面的傳輸規(guī)律，β反映了信號(hào)傳播過(guò)程中相位的變化。

等效阻抗Z和導(dǎo)納Y可按下式計(jì)算:

式中:ρ為電纜導(dǎo)體電阻率(Ω·m);Rin、Rout分別為外徑和內(nèi)徑(m)。計(jì)算Y時(shí)需要根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)考慮多層串聯(lián)，C0為每層幾何電容，介電常數(shù)ε0為頻變復(fù)介電常數(shù)。

針對(duì)型號(hào)為YJV22－3×95，額定電壓為8.7/15 kV的電纜進(jìn)行了仿真計(jì)算，該電纜為三相，每相導(dǎo)線的參數(shù)為外徑Rout=33 mm，內(nèi)徑Rin=5.5 mm，電阻率 ρ=1.75×10－8Ω·m，XLPE 初始相對(duì)介電常數(shù)ε=2.5，隨著頻率按指數(shù)規(guī)律下降，忽略絕緣層的電導(dǎo)。計(jì)算出傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系如圖2。

圖2 傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系

由圖2可見，信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減和相移都與頻率有關(guān)，而局部放電脈沖為寬頻帶信號(hào)，包含豐富的頻率成分，經(jīng)過(guò)傳播到達(dá)測(cè)量點(diǎn)，由傳感器獲得的信號(hào)必然包括了傳播路徑的信息。在放電位置未知時(shí)，所附帶的傳播路徑信息也是不確定的，因此不能簡(jiǎn)單地根據(jù)測(cè)量信號(hào)的波形特征進(jìn)行放電類型的模式識(shí)別。

另外，檢測(cè)電纜局放通常可采用高頻電流傳感器(HFCT)在屏蔽層接地線上獲取信號(hào)。放電脈沖從發(fā)生處到被測(cè)量的整個(gè)路徑的傳播特性，應(yīng)該是電纜特性與HFCT特性的結(jié)合。假設(shè)電纜長(zhǎng)度為4 m，并用掃頻方法獲取HFCT的特性，二者的結(jié)合幅頻特性如圖3所示。

圖3 電纜(4 m)與高頻電流傳感器結(jié)合的幅頻特性

2 試驗(yàn)研究

對(duì)脈沖在電纜中的傳播進(jìn)行了試驗(yàn):在長(zhǎng)為4 m電纜一端加信號(hào)，試驗(yàn)采用的輸入信號(hào)為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，寬度為25 ns，上升沿為2.5 ns。通過(guò)電纜一相的芯線對(duì)地注入，電纜另外二相芯線對(duì)地短接，通過(guò)電流傳感器獲取屏蔽層接地線中的電流信號(hào)，該測(cè)試回路接線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)局放時(shí)一致。用雙通道示波器采集輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，所用示波器為RIGOL 6102，采樣率2.5 GHz，實(shí)測(cè)輸入和輸出信號(hào)波形如圖4a、4b所示。

對(duì)信號(hào)做Fourier分析，可得傳播路徑(包括電纜和傳感器)的傳遞函數(shù)幅頻特性如圖5所示?？梢?，試驗(yàn)結(jié)果與圖4中根據(jù)仿真分析所得基本一致。

3 局放信號(hào)傳播過(guò)程中的波形變化

同樣的原始放電信號(hào)，由于放電位置不同，到達(dá)測(cè)量點(diǎn)就有不同的傳輸距離，對(duì)放電距離l=0、10、100、1000 m分別進(jìn)行了仿真分析，如圖6所示。

可見隨著傳播距離增加，幅值和波形都有較大的變化，顯然已不適宜直接利用波形的特征進(jìn)行放電類型的識(shí)別。只有在確定放電位置以后，根據(jù)電纜本身的傳播特征，反推放電原始波形，解除放電脈沖傳播路徑對(duì)測(cè)量波形的影響因素，才能正確使用波形本身的信息進(jìn)行類型識(shí)別。

圖4 試驗(yàn)所得信號(hào)波形

圖5 試驗(yàn)所得脈沖在電纜中的傳遞函數(shù)(幅頻特性)

圖6 不同傳播距離的局放信號(hào)波形

4 結(jié)論

(1)電纜中的局部放電理論上可能存在于任何位置(電纜接頭或者本體)，而測(cè)量只能在有限的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，由于傳播過(guò)程的影響，所測(cè)信號(hào)攜帶有傳播路徑的信息。不同位置的放電，脈沖傳播的距離和途徑不同，即使原始的放電屬于同樣類型、有相似的波形特征，測(cè)量點(diǎn)的傳感器拾取的信號(hào)波形也有較大的區(qū)別，因此不適合采用波形特征判斷放電類型。

(2)本文通過(guò)仿真和試驗(yàn)兩種方式對(duì)信號(hào)在電纜中的傳播進(jìn)行了研究，結(jié)果基本一致，可以用于分析傳播路徑對(duì)局放信號(hào)的影響，包括幅值和相移兩個(gè)方面，據(jù)此可了解信號(hào)傳播路徑附加于所測(cè)信號(hào)上的信息。

(3)如果能夠確定放電點(diǎn)的位置，即知道了放電脈沖波形傳播的距離，就可以根據(jù)電纜本身的傳播特征，反推放電原始波形，即解除了放電脈沖傳播路徑對(duì)測(cè)量波形的影響因素，保留放電信號(hào)本身的固有特征，根據(jù)這些特征就可以進(jìn)行放電類型的識(shí)別。

［1］GB/T 3048.12—2007 電線電纜電性能試驗(yàn)方法［S］.

［2］鄭 重，談克雄，王 猛，等.基于脈沖波形時(shí)域特征的局部放電識(shí)別［J］.電工電能新技術(shù)，2001，25(2):20-24.

［3］司文榮，李軍浩，黎大健，等.基于寬帶檢測(cè)的局放脈沖波形快速特征提取技術(shù)［J］.電工電能新技術(shù)，2008，32(2):21-25.

［4］Tozzi M，Cavallini A，Montanari G.C.PD Detection in extruded power cables:An approximate propagation model［J］.IEEE Trans on DEI，2008，15(3):601-607.

［5］Richard Cselkó，István Berta.Challenges of partial discharge diagnostics of low-voltage cables ［J］.Journal of Electrostatics，2013，71(1):558-563.

［6］Su Ming-Shou，Chen Jiann-Fuh，Lin Yu-Hsun.Phase determination of partial discharge source in three-phase transmission lines using discrete wavelet transform and probabilistic neural networks［J］.Electrical Power and Energy Systems，2013，51(2):27-34.

［7］Pommerenke D，Strehl T，Heinrich R.Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems［J］.IEEE Trans on DEI，1999，6(6):814-824.