便攜式電纜局部放電檢測系統(tǒng)的研制

楊凱， 錢勇， 段玉兵， 延野， 舒博

(1.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002)

0 引 言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜由于具有鋪設方便、運行維護簡便和絕緣性能優(yōu)良等特點，被廣泛地應用于電力輸配電網(wǎng)中。由 XLPE電纜或電纜接頭絕緣擊穿等問題引起的停電事故也為供電安全帶來了巨大隱患。局部放電是造成XLPE電纜絕緣劣化的主要原因[1]。針對電纜中局部放電信號的帶電檢測，能夠及時地判斷電纜的絕緣狀態(tài)，對減少停電事故發(fā)生、提高供電可靠性有重要意義。

目前在局放檢測技術中應用較為廣泛的有高頻電流法、特高頻法和超聲波法[2-7]。過去基于其中單一方法研制的檢測系統(tǒng)，工作時容易受現(xiàn)場干擾信號影響，檢測結(jié)果可靠性有待提高。本文基于以上三種檢測技術原理，研制了一套新型便攜式電纜局放帶電檢測系統(tǒng)。新系統(tǒng)同時具備三種檢測技術所需的信號采集、調(diào)理模塊與診斷軟件，能夠提供三種技術下的電纜局放診斷分析結(jié)論，實現(xiàn)更有效地排除現(xiàn)場干擾，提高局放檢測的準確性。

1 電纜局放檢測原理

1.1 高頻電流(HFCT)檢測法

如圖1所示,高頻電流法利用高頻電流傳感器檢測局部放電的脈沖電流信號。高頻電流傳感器由在環(huán)狀磁芯材料上纏繞多匝導電線圈制成，通常安裝在電纜接地線上。電纜內(nèi)部發(fā)生局部放電時，會產(chǎn)生高頻脈沖電流沿著接地線向大地傳播。當脈沖電流穿過傳感器磁芯中心時，引起的交變電磁場會在線圈上產(chǎn)生感應電壓。高頻電流法通過分析感應電壓信號特征，獲取電纜內(nèi)局部放電的診斷信息。高頻電流傳感器安裝方便，測量回路與被測電纜之間沒有直接的電氣連接，但是往往受現(xiàn)場電磁干擾比較嚴重[8-10]。

圖1 高頻電流傳感器工作原理圖

1.2 特高頻(UHF)檢測法

由于電纜內(nèi)部的絕緣強度和擊穿場強都很高，發(fā)生局部放電時小范圍擊穿過程非?？?，局放脈沖電流上升時間通常小于1 ns，因此會激發(fā)出頻率高達幾吉赫的特高頻電磁波。電磁波通過電纜接頭附近的電磁泄露處向外界傳播。特高頻法依據(jù)傳感器檢測到來自電纜內(nèi)部的電磁波信號，實現(xiàn)對電纜內(nèi)局部放電的診斷分析。特高頻法能有效地避開諸如電暈干擾等較低頻段外來信號干擾，具有較高的靈敏度和較強的抗干擾能力[11-14]。

1.3 超聲波(AE)檢測法

電纜內(nèi)部發(fā)生局部放電時，放電沖擊振動會產(chǎn)生20 kHz以上的超聲波信號向周圍傳播。超聲波法在設備外部放置超聲傳感器來檢測局部放電的聲信號。超聲傳感器可以將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，且電信號能量與聲信號能量間存在一定比例關系。該方法的特點是現(xiàn)場檢測完全避開電氣方面的干擾，操作簡單方便，但準確性易受周圍環(huán)境噪聲或設備機械振動聲的影響。此外由于超聲波信號在電纜常用絕緣材料中傳播時衰減較快，超聲波法的檢測范圍有限[15-17]。

2 系統(tǒng)硬件框架

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

便攜式電纜局部放電檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由傳感器、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊與帶診斷軟件的便攜主機組成。信號調(diào)理模塊分為前置處理單元和主板兩部分。總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)共有四個信號采集通道，分別是兩個HFCT通道、一個UHF通道與一個AE通道。傳感器采集到的四路初始信號先經(jīng)前置處理單元濾波與放大后，被送入主板進行二次處理，其中的兩路通道信號可以被同時送入采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后被傳輸給便攜主機完成診斷分析。檢測人員可以通過外部的雙擲開關切換，實現(xiàn)任意2種局放診斷技術對電纜局放的同時檢測。

2.1 傳感器

本系統(tǒng)有三種傳感器分別支持高頻電流信號、特高頻信號和超聲信號的采集，主要設計參數(shù)如下：高頻電流傳感器基于羅哥夫斯基線圈設計，采用鉗型結(jié)構(gòu)，檢測頻段為300 kHz～30 MHz，檢測時安裝在電纜接地線上。特高頻傳感器采用矩形微帶天線的設計結(jié)構(gòu)，檢測頻段為300 MHz～1.5 GHz，檢測時將特高頻傳感器緊貼在電纜接頭上。超聲傳感器采用壓電式超聲波接收器，檢測頻段為20 kHz～80 kHz，檢測時讓探頭端靠近電纜及其附件。圖3中從左到右依次為超聲、高頻電流、特高頻傳感器實物。

圖3 三類傳感器實物圖

2.2 信號調(diào)理模塊

2.2.1前置處理單元

傳感器采集到的局部放電信號，由于普遍存在幅值過小、含有大量干擾信號等原因，需要借助調(diào)理模塊對其進行濾波、檢波、放大等一系列處理后，才能被后續(xù)模塊有效地利用。前置處理單元由分別對三類檢測信號實現(xiàn)以上處理功能的三種硬件子單元組成。

以特高頻前置處理子單元為例，由于采集到的特高頻信號頻率過高，且通常經(jīng)歷過多次反射和折射，包含大量諧振與干擾信號，所以必須對其進行濾波和檢波的處理。濾波環(huán)節(jié)采用由電感與電容組成的無源帶通濾波器。檢波環(huán)節(jié)采取基于芯片AD8318設計的檢波電路。AD8318內(nèi)部為典型的連續(xù)檢波對數(shù)放大器(SDLA)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，一共有9級聯(lián)級，芯片對每級的輸出信號分別進行檢波(DET)，并將結(jié)果送至加法器，最后再對加和輸出信號進行低通濾波，實現(xiàn)信號的準確提取。AD8318能夠在1 MHz至8 000 MHz的寬頻段內(nèi)檢出輸入信號的包絡信息，動態(tài)范圍為60 dB，對高于-60 dBm的信號能夠有效地檢波，靈敏度高。

圖4 芯片AD8318的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

前置處理子單元的信號放大環(huán)節(jié)基于反相運算放大器電路原理，并綜合考慮信號的頻率范圍設計。例如特高頻前置處理子單元的放大環(huán)節(jié)選用帶寬較寬的運算放大器AD811與工作頻帶為400 MHz至4 000 MHz的ADL5521及相關電路共同組成。

圖5 基于AD8138的單端轉(zhuǎn)差分電路

此外，整個信號調(diào)理模塊采用了差分線路方式傳輸信號，以大幅提高線路抗干擾能力。如圖5所示為基于芯片AD8138實現(xiàn)的將一路輸入信號轉(zhuǎn)化為兩路差分輸出信號的變換電路。

2.2.2主板

主板負責為信號調(diào)理模塊的各子單元提供不同等級的工作電壓，并對前置處理后的信號統(tǒng)一實現(xiàn)通道切換和差分轉(zhuǎn)回單端處理。

由于系統(tǒng)自帶電源為輸出21 V的鋰電池包，而大部分芯片的穩(wěn)定工作電壓為+5 V、+12 V等，因此需要先對21 V電壓進行多種降壓變換后再利用。PTN78020WAH芯片能提供高效的直流電壓降壓處理，其輸入電壓范圍為+7 V至+36 V，輸出電壓范圍為+2.5 V至+12.6 V，通過調(diào)節(jié)四號管腳串聯(lián)電阻值可以控制輸出電壓大小。調(diào)節(jié)阻值R與輸出電壓VO的關系如下：

(1)

以獲取+5 V的輸出電壓為例，計算可知電阻應取21 kΩ，圖6為主板上21 V轉(zhuǎn)5 V的變壓電路。

圖6 基于PTN78020WAH芯片的變壓電路

圖7 ADG1434內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

主板的通道切換環(huán)節(jié)負責在四條檢測通道信號中選擇兩條送入下個模塊。其核心芯片ADG1434的原理結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。根據(jù)外部雙擲開關的操作情況，主板會為芯片的IN1至IN4引腳提供不同的電平信號，進而控制芯片在八路差分輸入信號中選通其中一半作為輸出。

主板最后再將四路差分信號重新合并為兩路單端信號送入信號采集模塊。整塊主板實物如圖8所示。

2.3 信號采集模塊

信號采集模塊核心部件是NI USB-5133采集卡，能夠?qū)⑤斎氲哪M信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，采樣率達到100 MS/s，提供帶寬達50 MHz的8位分辨率雙同步采樣通道。本系統(tǒng)中，采集卡一端連接在主板的輸出口，另一端連接到機箱表面的USB口，通過USB線將數(shù)字信號最終傳輸至便攜主機。

在放電信號的分析過程中，不僅需要知道信號的幅值大小，還要知道放電所處的工頻相位。系統(tǒng)設計有外同步模塊，能夠提取外界工頻電壓，經(jīng)變換產(chǎn)生占空比為50%的工頻方波信號作為同步信號。同時啟用采集卡的局放信號通道和同步信號通道，便可以確定放電信號所處的工頻相位。

為了便于現(xiàn)場檢測，將前置處理模塊與信號采集模塊集成于主機箱中(圖9左)，將傳感器和便攜主機裝入配件箱中(圖9右)。主機箱與配件箱均帶有拉桿和滑輪，整套系統(tǒng)攜帶方便，操作靈活，能良好應對現(xiàn)場檢測的各種復雜情況。

圖9 檢測系統(tǒng)完成圖

3 系統(tǒng)軟件分析

便攜主機上的局放診斷軟件能夠?qū)碜圆杉ǖ男盘栠M行分析，將XLPE電纜絕緣狀態(tài)的診斷結(jié)果提供給使用者。軟件界面包括工具欄，系統(tǒng)信息區(qū)和圖形顯示區(qū)。軟件具有連續(xù)采樣和實時診斷兩種工作模式。

連續(xù)采樣模式下，系統(tǒng)采集原始信號顯示時域波形，提供信號直觀觀測窗口。

實時診斷模式下，系統(tǒng)采集一段時間內(nèi)的放電信號數(shù)據(jù)進行分析。達到指定分析時長后，系統(tǒng)自動生成局放信號特征圖譜和診斷報告。特征圖譜如圖10所示，可以用于判斷放電信號的放電類型。特征圖譜主要包括：幅值相位分布，平均放電量相位分布，放電次數(shù)相位分布，放電幅值分布，放電能量分布。診斷報告基于大量的試驗樣本數(shù)據(jù)比對提供診斷結(jié)論，并生成文檔儲存在主機中。

圖10 局放信號特征圖譜

4 結(jié)束語

基于高頻、特高頻和超聲法研制的新型電纜局部放電檢測系統(tǒng)，靈活結(jié)合多種檢測技術手段，相比于過去基于單一技術的局放檢測系統(tǒng)，具有更強的抗干擾能力，提高了現(xiàn)場局放檢測的效率與檢測結(jié)果的可靠性。

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