高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法研究與應(yīng)用

摘 要：隨著電力電纜在電力系統(tǒng)中越來越廣泛應(yīng)用，其供電的可靠性也越來越受到相關(guān)部門和用戶的關(guān)注，局部放電是導(dǎo)致電纜附件發(fā)生故障的主要原因之一，而高壓電纜附件局部放電與內(nèi)部絕緣狀況有密切關(guān)系。文章探索了一種新的監(jiān)測(cè)高壓電纜絕緣質(zhì)量的局部放電方法，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)該方法的硬件系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行分析。仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析了高壓電纜內(nèi)局部放電超聲波傳播的特性，其結(jié)果表明，文章研究方法對(duì)高壓電纜局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是可行的，可以為實(shí)現(xiàn)局部放電故障點(diǎn)定位提供了前期準(zhǔn)備工作。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；局部放電；絕緣；超聲法；虛擬儀器

1 概述

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，高壓電纜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。高壓電纜的基本結(jié)構(gòu)主要包括四個(gè)部分，分別為纖芯、絕緣層、屏蔽層和保護(hù)層[1]。在這四部分中，線芯是高壓電纜中電流傳播的載體，是高壓電纜的重要組成部分[2]。絕緣層起到的是將線芯與隔離的作用。而屏蔽層分為導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層，主要存在于15千瓦以上的高壓電纜中[3]。保護(hù)層則是保護(hù)高壓電纜以防止電纜外雜質(zhì)和環(huán)境中水分的滲入以及外力對(duì)電纜的損壞。

當(dāng)高壓電纜頻繁產(chǎn)生局部放電時(shí)，最終使高壓電纜的附件絕緣體被擊穿[4]。就目前來看，對(duì)高壓電纜的局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是檢測(cè)高壓電纜安全性能最為廣泛和有效的方法[5]。

為此，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)該方法的硬件系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行分析。仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析了高壓電纜內(nèi)局部放電超聲波傳播的特性，其結(jié)果表明，本文研究方法能有效對(duì)高壓電纜局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2 高壓電纜附件局部放電在線檢測(cè)的意義

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各大中小城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力消費(fèi)水平逐年增長(zhǎng)。到今年年底，我國電力裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到百萬千瓦。明年預(yù)計(jì)將增加1億千瓦，整個(gè)社會(huì)能耗將接近百萬千瓦小時(shí)。電力裝機(jī)容量迅速增加的同時(shí)，電網(wǎng)建設(shè)和改造在全國范圍內(nèi)廣泛實(shí)施，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在年底傳輸線電路總循環(huán)長(zhǎng)度將達(dá)數(shù)千公里。

隨著電網(wǎng)不斷擴(kuò)張以及土地資源日益緊張，特別是在大中城市，土地成本越來越高，與此同時(shí)，環(huán)境要求不斷提高，與架空線路相比，地下電纜供電可靠性提高，布線不受建筑的空間影響，常用于美化城市和優(yōu)化工業(yè)布局，具有很多優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。如《上海世博會(huì)》在上海電力行動(dòng)計(jì)劃中的重點(diǎn)是根據(jù)目前線材取代電纜，減少異物損壞電纜和電纜本身風(fēng)化，具有較高安全性。

近年來，根據(jù)全國主要城市電力電纜的搶修記錄、事故現(xiàn)場(chǎng)照片和故障電纜等材料進(jìn)行分析，表明導(dǎo)致電力電纜運(yùn)行故障的原因主要有外力破壞、電纜附件制造質(zhì)量、電纜敷設(shè)安裝質(zhì)量和電纜本體制造質(zhì)量，如圖1所示。

3 高壓電纜附件局部放電檢測(cè)的發(fā)展概況

局部放電一直是高壓電纜附件絕緣非破壞性試驗(yàn)的重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目。20世紀(jì)50年代，通用電氣公司提出以時(shí)間狀態(tài)作為基準(zhǔn)測(cè)試方法，即狀態(tài)檢測(cè)。如，日本轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢測(cè)是在20世紀(jì)70年代左右。高壓電纜附件狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)操作的電壓測(cè)試方法，可用于高壓電纜附件絕緣狀態(tài)的電壓測(cè)試，它可以大大提高測(cè)試的真實(shí)性的和敏感性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。1979年，德國家主要電纜工廠同漢諾威大學(xué)西林研究所合作，提出了長(zhǎng)電纜及其附件局部放電測(cè)試的科學(xué)方法，并于1980年得到批準(zhǔn)。1982年，國際電工委員會(huì)17工作組采納其為標(biāo)準(zhǔn)草案，1985年，經(jīng)各國分委會(huì)多數(shù)表決，同意將該草案作為電纜及其附件的局部放電測(cè)試方法。

4 高壓電纜附件局部放電在線檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的高壓電纜附件局部放電測(cè)量多采用低頻段測(cè)量，通常在幾十到幾百之間，容易受背景干擾影響，抗干擾能力差。理論研究表明，電力電纜局部放電脈沖包含頻譜范圍廣泛。因此，選擇高信噪比的頻譜測(cè)量可以有效地避免干擾。目前，國內(nèi)外已將電纜局部放電測(cè)量的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到高頻和超高頻測(cè)量上。

特別是超高頻檢測(cè)技術(shù)在電力變壓器領(lǐng)域成功應(yīng)用后，許多研究人員試圖深入研究這種電纜的局部放電在線檢測(cè)方法。進(jìn)行局部放電在線檢測(cè)的高壓電纜附件研究的同時(shí)，引入抗干擾措施，控制局部放電功率。局部放電測(cè)量的抗干擾措施由于受外部干擾信號(hào)影響，使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷，甚至無法測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，有效地消除和抑制干擾是局部放電測(cè)量的一個(gè)重要組成部分，在現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)主要采用內(nèi)部放電干擾測(cè)試設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生電暈放電、干擾的接頭接觸不良，接地系統(tǒng)干擾，測(cè)試電源、儀器電源干擾和背景噪音等問題，這些干擾源在戶外和室內(nèi)的一些相關(guān)功率與電源無關(guān)，甚至有時(shí)很難找到來源進(jìn)行消除，因此，為消除或抑制這些干擾，保證測(cè)量的可靠性，提高測(cè)量的靈敏度，常避開高峰用電時(shí)間，于晚上做局部放電測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

5 高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

文章所提出的基于超聲法和虛擬儀器的局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的硬件系統(tǒng)包括高壓電纜內(nèi)部附件前端聲發(fā)射傳感器、高壓電纜內(nèi)部附件聲發(fā)射放大器、四組同步超聲波數(shù)據(jù)采集卡、利用虛擬儀器技術(shù)的人機(jī)界面以及對(duì)高壓電纜電流傳播數(shù)據(jù)庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由高壓電纜內(nèi)部附件的超聲波聲發(fā)射傳感器將通過采集卡得到的局部放電超聲信號(hào)通過聲發(fā)射放大器放大，然后經(jīng)過四組同步超聲波數(shù)據(jù)采集卡傳送給上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而完成高壓電纜局部放電超聲信號(hào)的采集、放大、分析和監(jiān)測(cè)。

5.1 高壓電纜內(nèi)部附件超聲波發(fā)射器及放大器的選擇

高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的關(guān)鍵是將電纜局部放電的信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行區(qū)別，并在區(qū)別的過程中盡量對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行控制和屏蔽。在電力系統(tǒng)中，除了在電流傳播過程中產(chǎn)生的電流載波和高頻保護(hù)信號(hào)，其余的大部分由于不良接觸等產(chǎn)生的放電信號(hào)其脈沖頻率大多高于300kHz。因此，文章研究的基于超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只有采用低頻率的聲波信號(hào)才能保證其工作質(zhì)量，所以采用的是PXR04型超聲信號(hào)發(fā)射傳感器。

5.2 高壓電纜內(nèi)部附件超聲信號(hào)同步數(shù)據(jù)采集卡

本文研究方法選用的是PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡作為超聲信號(hào)同步采集模塊。主要原因是這種采集卡屬于高速4組同步聲波模擬量輸入卡，因此采用它所構(gòu)成的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可以達(dá)到四組通道局部放電信號(hào)的并行采集。

5.3 基于虛擬儀器的電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引入虛擬儀器技術(shù)中的人機(jī)界面化檢測(cè)方法對(duì)高壓電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)，該部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效完成了高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初始化設(shè)置，在高壓電纜日常工作中實(shí)現(xiàn)電流通道信號(hào)的在線顯示并迅速轉(zhuǎn)化為頻譜圖顯示，更好的將傳統(tǒng)的高壓電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，完成高壓電纜放電超聲波數(shù)據(jù)的采集、分析和監(jiān)測(cè)。

5.4 高壓電纜局部放電信號(hào)的處理

因?yàn)樵诟邏弘娎|工作過程中所產(chǎn)生的局部放電超聲波信號(hào)的頻率主要固定在同一頻段，因此，系統(tǒng)對(duì)于前期的信號(hào)處理主要采取的是較為便捷的巴德沃斯帶通濾波器，以去除該固定頻段外的噪聲，同時(shí)對(duì)高壓電纜局部放電的超聲波信號(hào)進(jìn)行頻譜特性分析。

6 高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了能夠更為精確的對(duì)本文研究方法進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)需要獲得高壓電纜內(nèi)部附件絕緣層的局部放電超聲波信號(hào)頻率范圍。實(shí)驗(yàn)前期，要在高壓放電實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)電纜的內(nèi)部附件絕緣層進(jìn)行放電測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)過程中逐漸對(duì)高壓電纜升壓變壓器進(jìn)行升壓，當(dāng)電壓升至6千瓦時(shí)，高壓電纜內(nèi)部附件中絕緣層破壞區(qū)域被電流擊穿，同時(shí)產(chǎn)生超聲波。在同樣條件下的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，將局部放電模擬器作為實(shí)驗(yàn)放電源進(jìn)行局部放電超聲波檢測(cè)。將實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的超聲波信號(hào)與高壓電纜內(nèi)部附件絕緣層局部放電超聲波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比并分析。

對(duì)兩者超聲波信號(hào)進(jìn)行分析后可以得出，區(qū)別該兩組信號(hào)的關(guān)鍵是其在傳播過程中的衰減速度。因?yàn)槌暡▽儆诼暡ǖ囊环N，滿足聲波的特性，即在不同的傳播介質(zhì)中具有相對(duì)固定的傳播屬性，利用該特性可以根據(jù)高壓電纜局部放電超聲波傳播不同距離所需要的時(shí)間差計(jì)算出距離差，對(duì)高壓電纜局部放電位置完成定位。

7 結(jié)束語

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)無法滿足其工作需要。探索一種新的監(jiān)測(cè)高壓電纜絕緣質(zhì)量的局部放電方法，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)該方法的硬件系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行分析。仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析了高壓電纜內(nèi)局部放電超聲波傳播的特性，其結(jié)果表明，文章研究方法對(duì)高壓電纜局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是可行的，可以為實(shí)現(xiàn)局部放電故障點(diǎn)定位提供前期準(zhǔn)備工作。

參考文獻(xiàn)

[1]孫建鋒，葛瑞，鄭力，等.2010年國家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析[J].中國電力，2011，44（5）：4.

[2]王昌長(zhǎng)，李福祺，高盛友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]孫曉龍，李寶樹，趙書濤.虛擬儀器技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力情報(bào)，2001，5（2）：5-9.

[4]丁玉劍.基于LabVIEW的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2007.

[5]李新，孫才新，廖瑞金，等.識(shí)別局部放電的新特征量——分維數(shù)的研究.高電壓技術(shù)，2000，26（1）：27-28.

作者簡(jiǎn)介：楊忠（1984-），男，漢族，貴州安龍人，碩士，工程師，研究方向：配網(wǎng)運(yùn)行、配網(wǎng)信息、模式識(shí)別。