高壓電纜絕緣介質(zhì)損耗角檢測(cè)方法研究

國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 張樹欣 方 祺 謝 偉

隨著高壓電纜鋪設(shè)長(zhǎng)度不斷增加，高壓電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的安全性也越來越重要。介質(zhì)損耗一般是指在絕緣材料電介質(zhì)中，由介質(zhì)電導(dǎo)與介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)所引發(fā)的電導(dǎo)損耗和極化損耗。介質(zhì)損耗角是高壓電纜介質(zhì)損耗檢測(cè)的重要指標(biāo)。介質(zhì)損耗角一般是指流過絕緣材料的電流與絕緣材料上所施加的電壓之間相位差的余角。

目前高壓電纜介質(zhì)損耗角的檢測(cè)主要是離線測(cè)試法，一般是指有計(jì)劃的對(duì)設(shè)備進(jìn)行停電試驗(yàn)、定期獲取電纜運(yùn)行狀態(tài)從而評(píng)估運(yùn)行計(jì)劃的方法。四川電力科學(xué)研究院通過串聯(lián)諧振裝置構(gòu)成異頻高壓電纜介質(zhì)損耗測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)35kV 及以下電力電纜的介質(zhì)損耗角的離線測(cè)量。離線測(cè)試法操作繁瑣且需要對(duì)電纜進(jìn)行斷電，不能真實(shí)的反映電纜運(yùn)行情況下的介質(zhì)損耗角值。

英國格拉斯哥卡里多尼亞大學(xué)提出基于泄露電流分離的相對(duì)介損耗角測(cè)量方法，通過矢量差將護(hù)層環(huán)流進(jìn)行抵消從而分離泄露電流，通過相對(duì)介損參數(shù)對(duì)電纜絕緣情況進(jìn)行評(píng)估，從而避免了電壓信號(hào)獲取的問題；重慶大學(xué)采用阻抗可調(diào)的補(bǔ)償裝置產(chǎn)生補(bǔ)償電流，由于補(bǔ)償電流與電纜泄露電流的容性分量相同，相位相反，因此可實(shí)現(xiàn)泄露電流的電阻和電容分量分離，從而計(jì)算介質(zhì)損耗角[1]。

這些方法都是從某一個(gè)方面對(duì)高壓電纜介質(zhì)損耗角進(jìn)行了檢測(cè)，但是真正將高壓電纜介質(zhì)損耗角檢測(cè)方法理論應(yīng)用于實(shí)際、并做出了相應(yīng)產(chǎn)品的則相對(duì)較少。目前高壓電纜介質(zhì)損耗角檢測(cè)精度低，測(cè)試結(jié)果受到泄露電流分離困難、電壓信號(hào)難以獲取、傳感器角差、電壓電流信號(hào)的同步、環(huán)境溫度濕度及信號(hào)處理方法不當(dāng)?shù)挠绊懀形葱纬上到y(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)[2]。

1 高壓電纜絕緣介質(zhì)損耗角檢測(cè)分析

介質(zhì)損耗是作為絕緣材料的電介質(zhì)在較高電壓電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗，也叫介質(zhì)損失。介質(zhì)損耗按其性質(zhì)可分為漏導(dǎo)損耗、極化損耗和局部放電損耗三種基本的形式。介質(zhì)損耗會(huì)使絕緣溫度上升，促使絕緣材料老化，溫升嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致絕緣的熱擊穿而失去絕緣性能?？梢娊橘|(zhì)損耗的大小是衡量絕緣性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)高壓電纜絕緣介質(zhì)損耗角進(jìn)行分析，可利用高壓電纜的等值向量圖進(jìn)行分析（圖1）。

圖1 高壓電纜絕緣等值相量圖

在圖1中，介質(zhì)損耗因數(shù)定義為疊加于電纜主絕緣上的系統(tǒng)電壓與流過主絕緣的泄漏電流的夾角θ的余角δ 的正切值|tgδ|，tgδ 是反映絕緣介質(zhì)損耗的特征參量，是評(píng)價(jià)設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)。只取決于絕緣的介質(zhì)特性，而與絕緣材料的尺寸無關(guān)。測(cè)量絕緣整體的介質(zhì)損耗角正切值可較好地判斷高壓電纜整體的受潮和劣化變質(zhì)等缺陷以及發(fā)展性的局部缺陷。在絕緣性能良好的情況下，高壓電纜絕緣的體積電阻可認(rèn)為無窮大，即是R ≥1/(ωC），電纜絕緣可看作一組電容的串聯(lián)。

1.1 影響絕緣介質(zhì)損耗角檢測(cè)的影響因素

影響tgδ 在線檢測(cè)精度的因素有很多，主要可分為測(cè)量系統(tǒng)外部的影響因素和測(cè)量系統(tǒng)本身精度和固有誤差兩個(gè)方面。

1.1.1 外部影響因素

高壓電纜運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾：在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境中，充斥著諸如線路的電暈信號(hào)、相鄰設(shè)備的電場(chǎng)干擾和局部放電信號(hào)、電力系統(tǒng)內(nèi)部的高頻保護(hù)和載波信號(hào)等多種干擾信號(hào)。按其波形特征可分為：連續(xù)的周期性的干擾信號(hào)，主要有電力系統(tǒng)的高頻保護(hù)和載波通信信號(hào)，系統(tǒng)外的無線通信信號(hào)和電網(wǎng)電壓的高次諧波分量；非周期性的脈沖干擾信號(hào)，主要有線路直接注入的電暈信號(hào)，其他設(shè)備的局部放電信號(hào)、硅整流信號(hào)。周期性干擾信號(hào)是在線檢測(cè)中影響精度的主要因素之一。

頻率的波動(dòng)：電力系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，系統(tǒng)頻率一般可在50Hz±0.2Hz 范圍內(nèi)波動(dòng)。頻率的波動(dòng)將直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣過程中同步采樣被破壞，并引起如諧波分析法、正弦波參數(shù)法等tgδ 計(jì)算算法中的誤差。

環(huán)境因素的影響：環(huán)境溫度對(duì)在線監(jiān)測(cè)的介損測(cè)量結(jié)果有較大的影響，主要體現(xiàn)在溫度、濕度等對(duì)高壓電纜tgδ 的影響。對(duì)于一個(gè)絕緣良好的設(shè)備，實(shí)測(cè)表明在線檢測(cè)其tgδ 的結(jié)果仍會(huì)呈周期性的變化，其原因主要在于電流傳感器的變送特性隨溫度變化而變化。因而對(duì)于設(shè)備的tgδ 的檢測(cè)值的分析和判斷要與環(huán)境條件相結(jié)合，不能孤立的由 的數(shù)值判斷其絕緣的狀況。

1.1.2 介質(zhì)損耗角檢測(cè)系統(tǒng)本身精度和固有誤差的影響

電流傳感器和電磁式電壓互感器(PT)的固有角差：作為信號(hào)采集裝置的首要環(huán)節(jié)，能否獲取真實(shí)穩(wěn)定的原始信號(hào)是在線檢測(cè)系統(tǒng)研究中十分關(guān)鍵的一步。電流傳感器一般具有一定的角差，而電磁式PT 在提取電壓信號(hào)時(shí)，以0.5級(jí)PT 為例，允許的角差變化范圍為士20’，因此角差成為影響tgδ 在線檢測(cè)的主要誤差之一。其中電流傳感器的角差應(yīng)主要考慮角差的溫度穩(wěn)定性，而PT 的角差變化主要由二次側(cè)負(fù)載的變化引起。具體應(yīng)對(duì)方法是在盡可能提高傳感器角差穩(wěn)定度的基礎(chǔ)上測(cè)定角差平均值，利用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。

檢測(cè)系統(tǒng)本身電子電路產(chǎn)生的噪聲干擾：檢測(cè)系統(tǒng)A/D 采樣轉(zhuǎn)換、放大、濾波等環(huán)節(jié)的硬件電子電路在工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生符合正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)噪聲信號(hào)并被疊加在有用信號(hào)中。對(duì)于噪聲的影響將運(yùn)用離散小波變換的方法進(jìn)行消噪處理。

數(shù)據(jù)采集卡A/D 轉(zhuǎn)換的量化誤差：被采樣的模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，由A/D 芯片完成對(duì)模擬信號(hào)的離散、量化為數(shù)字信號(hào)。A/D 的數(shù)字化過程是由一定位長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)碼來表示一定的電壓值，在信號(hào)輸入的Umin～Umax 范圍內(nèi)，連續(xù)的輸入電壓信號(hào)只能由有限個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼來表示，從而存在量化誤差。對(duì)于一個(gè)正弦信號(hào)，量化誤差體現(xiàn)為相角誤差和幅值誤差。

軟件運(yùn)算時(shí)的有限字長(zhǎng)效應(yīng)：在通用計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)各種算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)有一定的字長(zhǎng)限制，由于對(duì)計(jì)算結(jié)果的近似表示帶來的誤差，在算法中如果誤差不能處于可控制范圍內(nèi)將直接導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的錯(cuò)誤。由于電纜絕緣狀態(tài)良好時(shí)的tgδ 值一般較小，在20℃、系統(tǒng)頻率50Hz 情況下大約為0.05%。任何一種干擾因素如果不加以抑制，都將嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的精度。

1.2 絕緣介質(zhì)損耗角常用的檢測(cè)方法

目前電力設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)方式的發(fā)展趨勢(shì)是：依靠以在線檢測(cè)為主要技術(shù)手段的電力設(shè)備的狀態(tài)檢修取代電力設(shè)備的定期停電維修，這已經(jīng)成為大家的共識(shí)。針對(duì)高壓電纜絕緣的tgδ 檢測(cè)技術(shù)，其基本原理可見圖2。

圖2 常用介質(zhì)損耗角檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)后期的信號(hào)處理與分析環(huán)節(jié)，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字測(cè)量成為主流的方法?，F(xiàn)在高壓電纜介質(zhì)損耗角檢測(cè)方法可分為絕對(duì)法和相對(duì)測(cè)量法。高壓電纜介質(zhì)損耗角絕對(duì)測(cè)量法一般是指以電纜電壓互感器二次側(cè)電壓信號(hào)為參考信號(hào)，測(cè)量電纜上的電壓信號(hào)與流過電纜泄露電流的相位差，從而得到介損值。目前高壓電纜介質(zhì)損耗絕對(duì)測(cè)量法可分為傳統(tǒng)的介質(zhì)損耗角測(cè)量方法及應(yīng)用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的介質(zhì)損耗角數(shù)字測(cè)量方法。

傳統(tǒng)測(cè)量方法：包括電橋法、瓦特表法和諧振法。其中瓦特表法測(cè)量精度太低，因此己被淘汰。諧振法僅適用于低壓高頻狀態(tài)下的介質(zhì)損耗角檢測(cè)。因此電橋法是適用于高壓電纜介質(zhì)損耗角檢測(cè)的方法。電橋法作為所采用的電纜介質(zhì)損耗角試驗(yàn)方法，被大量運(yùn)用于介質(zhì)損耗角離線測(cè)試中。其原理是利用電橋平衡原理，調(diào)節(jié)測(cè)試回路中電阻和電容的數(shù)值，從而利用橋臂阻抗關(guān)系得到介質(zhì)損耗角因素為所調(diào)電容值。

數(shù)字測(cè)量方法：其原理是基于傳感器從試品上取到的信號(hào)電壓和電流，經(jīng)前置處理裝置數(shù)字化后送至數(shù)據(jù)處理單元，從而算出電壓電流之間的相位差，進(jìn)而得到介質(zhì)損耗角。數(shù)字測(cè)量法采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。介質(zhì)損耗角的數(shù)字測(cè)量法可分為硬件法和軟件法。硬件法基于電壓過零比較器，易受硬件本身影響，抗干擾能力差。近年來介質(zhì)損耗角檢測(cè)軟件法發(fā)展迅速，包括傅里葉變化法、過零點(diǎn)比較法、正弦參數(shù)法、自由矢量法、諧波分析法及異頻電源法等。但由于軟件法需將電壓電流信號(hào)假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因此僅適用于高壓電纜介質(zhì)損耗角離線檢測(cè)，而不適用于帶電檢測(cè)在線監(jiān)測(cè)。

2 高壓電纜絕緣介質(zhì)損耗角檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)硬件和軟件設(shè)計(jì)

高壓電纜按其絕緣性質(zhì)屬于容性設(shè)備，對(duì)高壓電纜介質(zhì)損耗角進(jìn)行檢測(cè)將建立在容性設(shè)備介質(zhì)損耗角檢測(cè)的基本原理的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)出高壓電纜介質(zhì)損耗角檢測(cè)的特性。具體來說，體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)接線上的差異、對(duì)傳感器系統(tǒng)的要求(單匝穿芯式)、對(duì)測(cè)量精度的要求等。尤其對(duì)于高壓電纜在絕緣良好的狀態(tài)下，其介損值要比一般容性設(shè)備小一個(gè)數(shù)量級(jí)(20℃，50Hz 時(shí)為0.5%左右)，為能比較準(zhǔn)確地測(cè)量絕緣良好狀態(tài)下的高壓電纜的介質(zhì)損耗角，須提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，這也直接導(dǎo)致本文重點(diǎn)將圍繞測(cè)量過程中的抗干擾技術(shù)展開，并將在硬件和軟件中各有體現(xiàn)。

根據(jù)容性設(shè)備介損在線檢測(cè)的基本原理，本文所采用的硬件系統(tǒng)的接線示意圖如圖3?？煽闯鲈谟布矫娴目垢蓴_措施主要體現(xiàn)在：選用單匝穿芯式并具有較高溫度穩(wěn)定性的電流傳感器系統(tǒng)進(jìn)行電流信號(hào)變送，選用高精度的電容式電壓互感器進(jìn)行電壓信號(hào)的變送；簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)的功能環(huán)節(jié)，盡可能的以軟件方式替代硬件功能環(huán)節(jié)，以其減少干擾信號(hào)的引入；對(duì)于己有的硬件系統(tǒng)采用完善的屏蔽和接地措施達(dá)到抗干擾的目的。

圖3 設(shè)計(jì)的介質(zhì)損耗角檢測(cè)硬件接線示意圖

軟件系統(tǒng)按功能環(huán)節(jié)的組成如圖4。軟件抗千擾措施的具體體現(xiàn)在于針對(duì)可能出現(xiàn)的干擾源，采取：針對(duì)系統(tǒng)諧波和可能出現(xiàn)的高頻周期性干擾，采用FIR 數(shù)字濾波器濾除；針對(duì)硬件系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，根據(jù)噪聲和有用信號(hào)在小波變換不同尺度上的不同特征，利用小波變換濾除；針對(duì)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生的波動(dòng)對(duì)同步采樣的影響，采用改進(jìn)的高階擬合算法，以波動(dòng)的系統(tǒng)頻率作為變量，對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行擬合，求得信號(hào)的特征參數(shù)，從而求得介損因數(shù)。該方法同時(shí)可進(jìn)一步消除諧波的影響。

圖4 軟件系統(tǒng)按功能環(huán)節(jié)的組成

2.2 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

高壓電纜介質(zhì)損耗帶電檢測(cè)是通過在三相電纜接地箱安裝電流傳感器，在與電纜相接不遠(yuǎn)處的盤柜上安裝電壓傳感器獲得電壓電流信號(hào)，從而將電壓電流信號(hào)傳入測(cè)量單元。在檢測(cè)的過程中需要使用到多種傳感器，介質(zhì)損耗檢測(cè)通常采用的傳感器為磁耦合傳感器，測(cè)量精度受激勵(lì)電流、二次負(fù)荷、線圈匝數(shù)、磁路長(zhǎng)度、鐵芯截面以及鐵芯材料影響。為提升傳感器測(cè)量精度，可采用新型傳感器解決傳感器角差所帶來的介質(zhì)損耗測(cè)量誤差。