（无线电物理专业论文）电力电缆局部放电定位方法的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，国内、外电力电缆制造技术迅速发展，全球电力电缆投运回路的数 量迅猛增长，要确保电力电缆运行可靠、减少停电次数和时间，为确保电网安全 可靠运行，对电力电缆的检测技术受到了国内外众多专家的注意，对电力电缆局 部放电的在线测量及定位技术就是其中的研究热点之一。 本文对电力电缆局部放电机理及局放信号在电缆中的传输特性进行分析研 究，建立了具有集肤效应电缆模型，利用m a t l a b 进行仿真分析，仿真结果表明： 影响局放信号在电缆中传输的主要因素有电缆的长度、等效电感以及等效电容， 随着这些值的增大，局放信号幅值衰减越严重，而且高频分量比低频分量衰减更 快，产生的延时更长。 通过对相关函数的理论分析，将相关时延估计算法引入电缆局放定位技术中， 提出了直接相关时延估计法。应用m a t l a b 对该方法进行仿真研究，结果表明： 直接相关时延估计法计算简单，直观。当信噪比为3 d b 时，此方法能对不同长度 电缆的局放信号进行时延估计，当信噪比降低时，该方法时延估计值精度不高甚 至无法估计。所以直接相关时延估计法对电力电缆局放定位受噪声干扰影响较大， 分辨率不高且不稳定。 为了取消了直接相关时延估计法的受限制条件，提高电力电缆局放定位的精 度，引入基于小波包变换的相关时延估计法并进行仿真计算，结果表明：在信噪 比为1 0 d b 时，基于小波包变换的相关时延估计法对长、短电缆的局放都能准确定 位，说明该方法受信号衰减影响很小。能应用于电力电缆局部放电定位测量中， 但随着信噪比的下降，其时延估计越来越差。 关键词：电力电缆局部放电相关分析小波包变换 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fp o w e r c a b l ea th o m ea n da b r o a d ，t h ea m o u n to fo p e r a t i o nc i r c u i ti sg r o w i n gf a s t i no r d e rt o e n s u r et h es a f e t yo ft r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，t h ed e t e c t i o nt e c h n i q u eo fp o w e rc a b l e c a u s e st h ea t t e n t i o no fm a n ye x p e r t sf r o mh o m et oa b r o a d t h e r e f o r e ，o n eo ft h eh o t r e s e a r c h e si st h eo n e o nt h eo n l i n ed e t e c t i o no fp o w e rc a b l ep a r t i a ld i s c h a r g ea n di t s l o c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rs t u d i e sa n da n a l y z e st h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi t sd i s c h a r g e m e ：c h a n i s ma n dp ds i g n a l s i tb u i l d sc a b l em o d e lw i t hs k i ne f f e c ta n da p p l i e sm a t l a b t ot h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n a l y s i si st h a tt h ef a c t o r sa f f e c t i n g d i s c h a r g ea r et h el e n g t ho fc a b l e ，t h ee q u i v a l e n ti n d u c t a n c ea n de q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e w i t ht h o s ev a l u e si n c r e a s i n g ，p da m p l i t u d ea r e n u a t e sb a d l ya n dh i 【g h 行e q u e n c y c o m p o n e n ta t t e n u a t e sf a s t e rt h a nt h el o w o n ea n dt h et i m e d e l a yi sl o n g e r t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，a p p l y i n gt h ec a l c u l a t i o n m e ：t h o do fr e l a t e dt i m e d e l a ye s t i m a t i o nt ot h el o c a t i o nt e c h n o l o g yi np o w e rc a b l ep d ， i tp r o p o s e st h em e t h o do fd i r e c ta n dr e l a t e dt i m e d e l a ye s t i m a t i o n t h er e s u l to fa p p l y i n g m a t l a bt ot h es i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fd i r e c ta n dr e l a t e d t i m e d e l a ye s t i m a t i o ni ss i m p l ea n di n t u i t i v e w h e ns i l l i s - 3 d b ，t h i sm e t h o d c a ne s t i m a t e t h et i m ed e l a yo fp ds i g n a l sw i t hd i f f e r e n tl e n g t h so fc a b l e w h e ns n l r e d u c e d ，t h ev a l u e o ft h i sm e t h o dt i m e d e l a ye s t i m a t i o ni sn o th i g ho re v e nc a nn o te s t i m a t e d t h e r e f o r e ， l o c a t i n gt h ep o w e rc a b l ep dw i t ht h i s m e t h o dh a sg r e a ti n t e r f e r e n c ee f f e c ta n dt h e r e s o l u t i o ni sn o th i 曲a n ds t a b l e i no r d e rt oc a n c e lt h er e s t r i c t e dc o n d i t i o n so ft h i sm e t h o da n di m p r o v ep r e c i s i o no f p o w e rc a b l ep d ，t h i sp a p e r c a r r i e so u tt h es i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nw i t ha p p l y i n gw a v e l e t p a c k e tt r a n s f o r mt od i r e c ta n dr e l a t e dt i m e d e l a ye s t i m a t i o n t h er e s u l ts h o w s w h e ns n r i s 10 d b 。t h em e t h o db a s e do nw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mc a nr e l o c a t ep r e c i s e l yt h es h o r t o rl o n gp o w e rc a b l ep di ni t sd e t e c t i o n s h o w i n gt h el i t t l ee f f e c to ns i g n a la t t e n u a t i o n i t c a nb ea p p l i e dt ot h ed e t e c t i o no fp o w e rc a b l ep dr e l o c a t i o n ，b u ti t st i m e - d e l a y e s t i m a t i o ni sg r o w i n gw o r s ea n dw o r s e k e y w o r d s ：p o w e r c a b l e p a r t i a ld i s c h a r g e c o r r e l a t i o na n a l y s i s w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期：逆丑： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期逆珥协 同期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究电力电缆局部放电的意义和目的 近3 0 多年来，国内、外电力电缆制造技术迅速发展，全球电力电缆投运回路 的数量迅猛增长，截止2 0 0 4 年底，我国电力装机总容量达到4 4 亿千瓦，据初步统 计分析，2 0 0 5 年投产机组约为6 8 4 0 万至7 0 0 0 万千瓦之间，全国装机容量将达n 5 1 亿至5 2 亿千瓦，发电量约为2 5 万亿千瓦时左右，预计至u 2 0 2 0 年，将增加到9 4 亿千 瓦，全社会用电量将达到约4 6 0 0 0 亿千瓦时。电力装机总容量快速增加的同时，电 网建设与改造在全国大范围展开，据统计2 0 0 1 年全国年度全国新增输电线路总计 1 4 3 0 2 4 6 公里，2 0 0 1 年年底全国输电线路回路总长度达到了7 8 1 8 5 4 公里【1 j 【2 j 1 3 j 。 一般认为电力电缆在正常环境中的寿命为2 0 3 0 年1 4 j 。然而由于电力电缆的制 造工艺、产品质量、安装运行环境，以及电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下，敷 设环境与使用状态会极大的影响电缆的寿命。长期同土壤、水分、潮气接触，绝 缘易受到腐蚀渗透，再加上电缆制造或安装时的局部缺陷，都有可能使得电缆在 运行中出现故障，甚至导致电缆本身或其附件的击穿，一旦出现电缆击穿事故， 小则引起用户长时间停电，严重时整个社会进入瘫痪状态。如果故障得不到及时 排除，将会造成严重的经济损失和社会影响。因此如何准确、快速、经济地探测 到电缆故障点，多年来一直是国内外有关工程技术人员所研究的热点。 电力电缆在电、热、机械外力、水、油、有机化合物、酸、碱、盐及微生物 作用下，常常发生老化。实际上老化的原因很复杂，常常是多因素的，高压电力 绝缘电缆的绝缘破坏事故约占高压电气设备事故的4 0 左右1 4 】。因此，分析老化原 因，掌握老化现象与类型是非常重要的。从实际线路归纳电力电缆的老化原因和 老化形态，一般认为局部放电、电树枝、水树枝的发生，是影响电缆及其附件绝 缘性能降低的主要原因，且频度较高。 国内外运行经验和研究成果表明：电力电缆性能早期劣化或使用寿命很大程 度上取决于其绝缘介质的树枝状老化，而局部放电测量是定量分析树枝状劣化程 度的有效方法之一【5 】【6 1 。所以局部放电测量是电缆绝缘监测工作的关键，电力电缆 局部放电量与其绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在 着可能危及电缆安全运行的缺陷。首先，在局部放电过程中，电离出来的电子、 正负离子在电场力的作用下具有较大的能量，当它们撞到绝缘内空气隙的绝缘壁 时，足以打断绝缘材料高分子的化学键，产生裂解。其次，在放电点上，介质发 热可达到很高的温度，使得绝缘材料在放电点被烧焦或融化；温度升高还会产生 热裂解或促使氧化裂解；同时温度升高会增大介质的电导和损耗，由此产生恶性 循环，导致绝缘体破坏。在局部放电过程中还会产生许多活性生成物，这些生成 2 电力电缆局部放电定位方法的研究 物会腐蚀绝缘体，使得介质性能劣化。局部放电还有可能产生x 射线或y 射线，这 两种射线具有较高的能量，能够促使高分子裂解。除此之外，连续爆破性的放电 以及放电产生的高压气体都会使绝缘体产生微裂，从而发展成电树枝。在运行电 压下，局放能存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的界面上，当绝缘中存 在微孔或绝缘层与内、外半导电层间有空隙时，将由于局部放电侵蚀绝缘而使绝 缘性降低，以至发生老化形态，表现为绝缘击穿，以至于使得整个电网进入瘫痪 状态。因此，对电力电缆绝缘的局部放电进行在线检测是及时发现故障隐患、预 测运行寿命及保障电力电缆安全可靠运行的重要手段。 1 2 电力电缆检测技术的国内外发展现状 因为电力电缆在电力系统中起着重要的作用，它能否正常运转已经影响到整 个电力系统的安全和稳定，因此有必要研究它的维修对策。为了提高高压电气设 备运行的可靠性，确保电力系统的正常稳定工作，各国都在竟相发展故障检测及 维修技术【7 j 。这项技术曾经历过故障维修( b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e ，b m ) 和定期维 修( t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ，t b m ) 的阶段。到上世纪5 0 年代，美国通用电气公司 等提出要从以时间为基准的维修方式发展到以状态为基准的维修方式，即状态维 修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ，c b m ) 。日本等国在7 0 年代左右也转向采用状态 维修。c b m 的基础就在于在线监测及诊断技术，既要通过各种检测手段来正确诊 断被试设备的目前状况，又要根据本身特点及变化趋势等来确定相应的运行维修 政策。 目前在我国，电力电缆的维修方式正在向状态维修c b m 方向发展，而在线监 测和故障诊断技术则是状态维修的重要依据，同时也是提高电力电缆运行可靠性 的基础。所谓的电力电缆在线监测是指电缆在不停电、不脱离系统的运行状态下， 利用技术手段对设备绝缘等状况进行自动、连续的或定时的绝缘特性检测和监督， 目的足为了了解和掌握被监测设备是否处于正常运行状态，以便确定该设备是否 需要检修，如何维修1 8 j 。日本在这方面做得比较好，己经在许多方面取得了巨大成 绩，发表了大量的有关在线检测技术的论文，并且己经将这一技术运用到生产实 践，取得了良好的技术和经济效益。 国内在线检测技术的研究主要集中在高校和几个电力实验研究所，如重庆大 学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学、武汉高电压研究所、上海电缆研 究所等，特别是重庆大学高电压技术与电工新技术教育部重点实验室的研究成果 居于国内外领先水平，已经将这一技术成功应用到西南地区电力系统，已经成功 实现了变压器气相色谱分析、变压器局部放电、避雷器泄漏电流、互感器泄漏电 流及绝缘介损、变压器套管泄漏电流及绝缘介质损耗、发电机绝缘介质损耗、电 第一章绪论 力电缆绝缘、电力系统谐波、以及发电机转子振动检测等等1 1 1 9 1 0 】，取得了良好的 效果。 ( 1 ) 目前，常用的电力电缆绝缘在线检测方法有： 1 ) 直流法：可分为直流叠加法】和直流分量法1 】【1 2 j ； 2 ) t a n & 的在线检；1 9 1 , t j t l 】【1 1 1 3 ) 工频泄漏电流法l 1 j 4 ) 低频叠加法【1 】【l i l 5 ) 交流叠加法【1 2 】【1 3 1 6 ) 谐波分量法【1 2 】【1 4 】 以上几种方法是以电缆的绝缘电阻、泄漏电流或者介质损耗为测量对象，据 此判断绝缘状况。和其他设备一样，电力电缆的许多故障实际上是由局部放电引 起的，但电力电缆发生局部放电时，其绝缘电阻、泄漏电流和介质损耗往往不会 发生改变，因此，这些方法对电力电缆的局部放电是无法检测的。 ( 2 ) 局部放电检测法 电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示 着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行的缺陷。因此国内外许多专家、学 者及一些国际电力权威机构一致推荐局部放电试验作为电力绝缘电力电缆绝缘状 况评价的最佳方法【l 引。局部放电的测量是以局部放电所产生的各种现象为依据， 通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电的过程除了伴随着 电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、发光、发热以及出 现新的生成物等【l 们。与这些现象相对应，局部放电的测量方法可分为电气测量法 和非电测量法两大类。非电测量法主要包括超声波检测法、光测法、红外检测法、 化学检测法等。这些方法的优点是测量中不受电气的干扰，抗干扰能力强。但灵 敏度往往低于电气法，也难以进行很精确的定量分析，更无法得到常希望得到的 视在放电量，因此至今主要用作局部放电的定位和辅助测量。目前普遍采用的是 电气测量法，电测法主要有脉冲电流法( 测试样两端电荷的变化) ，电桥法( 测放电 能量损耗) ，无线电干扰电压法( 测放电量产生的无线电干扰电压) 。 下面简单介绍几种局部放电在线检测的电测法： 1 ) 电容耦合法【1 7 】【1 8 】： 电容耦合法又称脉冲电流法，传统的电测法是i e c 6 0 2 7 0 所推荐的电容耦合法， 取一段靠近接头的电缆，剥去部分的外护套，将金属箔贴在外半导电层作为电极。 这样被测量的同轴电缆的阻抗与绝缘层的阻抗并联。这种耦合器并不破坏绝缘层 和外半导电层，对电缆本身传输工频信号影响不大。通过调整剥去护套的长度、 金属箔长度、以及金属箔和护套之间的长度，可以获得最佳的传感器信噪比。该 方法结构简单，便于实现。但是在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起 4 电力电缆局部放电定位方法的研究 的局部放电信号，因此这种方法的使用推广受到了很大限制。 2 ) 差分法： 差分法是日本东京电力公司和日立电缆公司共同开发的一种检测方法【l 引，常 用于110 k v 及以上等级的电力电缆局部放电信号采集。差分法是在绝缘连线盒两边 的护套上各贴一对金属箔电极，通过这些电极进行局部放电信号的采集和校验脉 冲的输入。图1 1 为差分法局部放电在线检测示意图，图1 2 为从电缆中间接头位置 采集信号的检测等效电路图。图中c o 为回路杂散电容；c l 为外护套线芯与金属箔电 极间的电容；c 2 为金属护套处线芯与金属箔电极间的电容；c 3 、c 4 为外接电容， c 3 = c 4 ，z a 为外接阻抗，z d z c 2 = z c 2 。从图1 2 可以看出，差分法类似于i e c 6 0 2 7 0 法中的桥式连接法，当绝缘连接盒一侧的电缆发生局部放电时，另一侧的电缆可 以充当耦合电容，将局部放电脉冲耦合至高阻抗z d 上，形成的电压波经放大后输 入示波器，频谱分析仪等仪器进行分析处理。在差分法实验中，信号采集、检测 的频率范围约为3 1 2 m h z 。若频率高于1 2 m h z ，则能量损耗将导致高频信号大幅 衰减，从而明显降低检测的灵敏度。该方法的优点是不必加入专门的高压电源和 耦合电容，也无需改变电缆连接线，且由于可等效为桥式电路，故能很好地抑制 外界噪声，差分法既简单又安全，适于现场试验及在线检测。据日本运行经验表 明：差分法配合神经网络识别装置可使整个测量系统对电缆中间接头的检测灵敏 度达n o 2 4 p c t 2 u j e 二 二缴 图1 1 差分法局放电在线检测图1 2 差分法检测等效电路图 3 ) 电磁耦合法【2 1 1 1 2 2 j ： 电磁耦合法是一种测量电气设备局部放电的有效方法。这种方法较早应用于 发电机、变压器的绝缘监测，而将电磁耦合法应用于电力电缆的局部放电检测是 近几年才开始的。其原理是，将罗戈夫斯基线圈放在电缆终端或连接头上，穿过 电缆屏蔽层的接地线，通过感应流过电缆屏蔽层的局放脉冲电流来检测局放。由 于宽频带电磁耦合法具有小巧灵活，操作安全，抗干扰性较强，能更加真实地反 映脉冲波形等特点，正在被广泛的研究和应用。为实现对电力电缆局部放电进行 第一章绪论 检测，首先必须用电流耦合器有效地提取放电信号，所以电流耦合器的设计是关 键环节，其中电流耦合器的原理见图1 3 。 图1 3 电流耦合器的示意图 图1 3 中，r 是自积分电阻，c s 是电路的等效杂散电容，为了使电流耦合器工 作频带足够宽，在线圈尺寸一定的情况下，应选用磁导率l 高的磁性材料并增大线 圈匝数n ，但增加匝数来提高带宽将会降低测量灵敏度。积分电阻r 对频带宽度， 传感器灵敏度均有影响，r 增大，会增加传感器的灵敏度，同时会减小频带宽度。 因此，选定磁性材料后，有一个最佳的积分电阻r 及线圈匝数n 的匹配，使电流传 感器达到较宽的工作频带，且保持一定的响应灵敏度。 电磁耦合法可用于1 0 k v 及以上电力电缆局部放电的在线检测，由电缆中间接 头处安装穿芯式高频电磁耦合传感器，采集信号并传输到局放信号分析仪。它要 求制作中间接头时将中间接头金属屏蔽连接用的铜带直接穿过高频电磁耦合传感 器，再与接头两端金属屏蔽层电气连接。由于电磁耦合法是将电力电缆接地线中 的局部放电电流信号通过电磁耦合线圈与测量回路相连，而不需要在高压端通过 耦合电容器来取得局部放电信号，因此适合用于电缆敷设后的交接验收试验和运 行中的在线监测。此外电磁耦合法是通过电磁耦合来测量局部放电电流，由于在 高压电缆和测量回路间没有直接的电气连接，从而能很好的抑制噪声。同时由于 外界干扰噪声信号与局部放电信号幅频特性不同，因此采集的信号经前置放大器 处理后，可用频谱分析法判断和识别。 4 ) 超高频法1 “j ： 目前超高频法是很受关注的一种局部放电检测方法，主要集中在两个方面： 一个是对g i s 进行局部放电的在线检测，一个是对大型电机的在线检测。 近年来超高频技术丌始应用于在线测量电缆中的局部放电。所谓超高频检测 技术，即在超高频段( v h f ，数百兆赫) 下进行局部放电信号测量。超高频法分超高 频电容耦合法和超高频电感耦合法，电力电缆绝缘系统内部的局部放电源可以看 成是一个点脉冲信号源，即由放电产生电磁扰动，并随时间变化而在空间产生的 电磁波。该电磁波是时间和位置的函数，是一种横向电磁波( t e m 波) 。在现场测量 时，超高频下距离传感器较远处的干扰衰减较快，且可以利用适当的方法进行识 6 电力电缆局部放电定位方法的研究 别，所以理论上超高频技术适用于电缆及其接头附件的在线检测。值得注意的是， 超高频下信号的衰减要比低频信号严重的多，一般只能在电缆中传输几百米，所 以在线监测时要安装多个传感器而且尽量安装在靠近电缆的接头或端部处。 国外在超高频方面的研究要比我们早一些，现在已经有成套的产品投人了使 用，譬如在德国柏林6 3 k m ，3 8 0 k v 电缆上投人使用的局部放电检测系统，利用方 向藕合器作为传感器，测量频带高达到几百兆赫，最高达6 0 0 m h z l 2 4 1 。而国内就目 前来说还处于起步阶段，该方法的进一步推广应用，还需要积累更多的现场测量 结果。此方法的局限性在于只能用于带有螺旋结构接地屏蔽电缆，而且超高频信 号在电缆中衰减非常严重。因此传感器与局部放电源的距离在1 0 米以内时才有较 好的灵敏度。可用于在线监测短电缆及电缆高压附件。 1 3 电力电缆的局部放电定位的现状 局部放电一直是电缆绝缘( 特别是塑料绝缘) 非破坏性电气检验的主要项目。从 5 0 年代后期开始，世界各国纷纷从事宽频带放大检测器的开发来对电缆绝缘进行 局部放电的检测。1 9 6 3 年，荷兰n k f 电缆厂f h k r e u g e r 博士发表了他1 9 5 7 1 9 6 0 年 试验研究的论文和“局部放电检测技术”一书，奠定了局部放电的测量技术基础( 提 出了局部放电对绝缘品质的影响，发明了平衡电桥测量方法、标准针电极放电源 以及可应用于电缆成品和半成品的局部放电测量方法等) 。此后，局部放电方法得 到不断的发展。两个重要课题也同时展开：一个是电缆局部放电点的定位；另一 个是局部放电测量的抗干扰问题。 电缆进行局部放电测量的目的首先是要了解电缆放电情况，以估计以后运行 时的绝缘性能；第二是如果发现了不允许的放电，则要找出放电点所在位置。对 于运行中的电缆可以将放电严重的部分更换掉，确保线路安全运行。对于正在制 造中的电缆发现某段有严重缺陷后，一方面可以发现工艺中的问题，另一方面可 以去除不合要求的那段长度，不至于造成整盘电缆的报废。 在检测到电缆局放时，如果能对局部放电源进行定位，那么局部放电活动测 量的实效性就会大大提高。早期是对电缆实行扫描式检测查找局部放电点的措施 和技术，通常现在的故障定位系统是离线定位的时域反射计法( t r y ) ) 1 2 5 】，具体 原理为：放电故障会向电缆的两端传输脉冲，一个到达末端的脉冲( 直达脉冲) ， 另个到达首端后返回末端的脉冲( 反射脉冲) 。理想状态下，如果直达脉冲和反 射脉冲都能被识别，就可很容易地确定局部放电位置。即计算两个脉冲的时间差 ( a t ) ，就可确定局部放电位置。但在实际应用中，使用这种简单的单端测量方 法，很难实现局放点的定位。这是由于反射的脉冲太弱，或存在其它反射脉冲、 噪音以及波形失真带来的干扰。此外，现场还会受到外部干扰，使定位几乎变的 第一章绪论 7 不可能。因此需要开发在线故障定位方法。以便故障发生时，脉冲信号触发数据 可读记录卡来记录测量脉冲波形。如果发生多个故障，就会有多个脉冲，需要辨 认原脉冲和其他脉冲，定位多处故障点高压电缆局部放电故障定位技术是( t d r ) 方法的延伸，具有容许在线测量的附加功能，这样就不需要分量电缆与系统。也 没有电缆长度的测量限制。再次，局放信号衰减严重，容易受到干扰，故而对准 确测量信号造成了困难。所以，研究电力电缆的局放定位技术，首先要研究局放 信号在电缆中的传播特性以及局放检测的抗干扰措施。 1 、传播特性的研究 在宽频带电磁耦合法测量中，由于放电点产生的陡前沿脉冲信号到检测传感 器之间可能有一段传播路径，高频信号在电缆中传播时衰减相当严重，会导致传 感器拾取到的信号并非真实的局放脉冲信号，因此，掌握放电脉冲在电缆本体中 的传播规律，是区分内部放电信号或外部干扰信号，确定局部放电位置和放电严 重程度，以及识别局部放电模式的前提。西安交通大学的段乃欣等人通过对两段 不同长度电缆进行衰减实验，得出初步结论【2 6 j ：1 ) 、从陡上升沿波的传播特性来 看，电力电缆具有低通滤波特性，随着频率的增加，各频率成分的衰减倍率也迅 速增加，而且，各频率成分随传播距离的增加而进一步衰减。2 ) 、在利用宽频带电 磁耦合法进行电缆局放检测时，若局放发生在连接头或终端处，则此时的幅频特 性衰减并不严重，可以选用频率较高的传感器；而对于距离连接头或终端较远的 电缆本体的局放进行检测，由于幅频特性的衰减很严重，宜选用频率较低的传感 器，同时还要考虑在合适并且有效的位置安装传感器，否则，信号有可能在衰减 完时仍未被传感器拾取到。 2 、利用小波变换去噪及提取局放信号 在脉冲法电缆故障定位检测中不可避免地存在各种干扰，按时域特征可以将 干扰分为周期性窄带干扰、白噪声和脉冲型干扰三大类。其中白噪声干扰包括各 种随机噪声，如绕组热噪声、地网噪声、测量仪器的热噪声等。由于白噪声的频 谱和局部放电信号频谱相似，因此传统的傅立叶分析方法很难将其滤除【27 。为此， 必须采用有效的数字信号处理方法消除这些干扰的影响，提高定位精度。 小波分析是一种信号的时间一尺度( 时间一频率) 分析方法，它具有多分辨 率分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，在低频部分具 有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和 较低的频率分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分， 所以被誉为分析信号的显微镜拉7 。基于小波变换的去噪研究大多采用门限处理技 术，因此很多学者致力于门限函数的参数优化问题的研究。 电力电缆局部放电定位方法的研究 1 4 论文研究的主要内容 针对上述高压电力电缆局部放电的在线测量现状及其特点，本论文主要从以 下三部分进行研究： 第一部分：介绍电力电缆局部放电测量的目的和意义，阐述电力电缆局部放 电的机理及其特点，并提出国内外对电缆局部放电定位的方法及其发展现状。 第二部分：对局部放电信号在电缆中的传输特性进行深入的分析研究。并用 m a t l a b 建立电缆模型，对各个参数变化时信号传输的变化情况进行仿真分析。 第三部分：通过对相关函数的理论分析，将相关时延估计算法引入电缆局放定 位技术中，提出了直接相关时延估计法和基于小波包变换的相关时延估计法，并 对两种方法进行仿真运算比较，得到相关分析法在电缆局部放电定位中的应用情 况。并提出该方法的缺点与不足及今后的工作还需要进一步解决的问题。 1 5 本章小结 本章提出了电力电缆局部放电在线检测的意义和目的，分析了电力电缆局部 放电在线监测及定位研究的重要意义，并阐述了目前国内外相关研究的一些方法 及已取得的成果及其不足，进而引出本文研究的主要内容。 第二章局部放电的机理 9 第二章局部放电的机理 局部放电产生的机理是研究局部放电的基础，本章从局部放电产生的微观过 程入手，建立了局部放电等效电路模型，分析局部放电产生的原因及其分类。 2 1 局部放电的原因及其破坏 所谓局部放电，是指在电场作用下， 放电，而没有贯穿施加电压的导体之间， 电力设备绝缘系统中只有部分区域发生 即尚未出现击穿的现象。 产生局部放电的主要原因是电介质不均匀，绝缘体各区域承受的电场强度不 均匀，在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘 的特性。在电气产品中，常用的固体或液体绝缘总不可能做得十分纯净致密，通 常不同程度的包含一些分散性的异物，如各种杂质、水分、小气泡等。有些是在 制造过程中造成的，有些是在运行中绝缘物的老化、分解等过程中产生的。由于 这些异物的电导和介电常数不同于绝缘物，故在外施电压作用下，这些杂质附近 将具有比周围更高的场强。当外施电压升高到一定程度时，这些部位的场强超过 了该处物质的游离场强，该处就会产生局部放电。即使在介质中不含有异物，只 要是介质中的电场分布极不均匀的，也可能发生局部放电。例如埋在绝缘介质中 的针尖电极或电极表面的毛刺都有可能是产生局部放电的原因。电力设备中的局 部放电虽然仅限于局部范围，但每一次放电对绝缘介质都会有一些影响，这样就 会造成电介质绝缘强度逐步下降。通常，轻微的局部放电对介质的影响较小，绝 缘强度的下降过程较缓慢；而强烈的局部放电对介质的影响较大，绝缘强度很快 下降，这是造成高压绝缘损坏的重要因素。随着局部放电时产生的电子、离子往 复冲击绝缘物，会使绝缘物逐渐分解、破坏。因此，设计高压电力设备绝缘时， 要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对 运行中的电力设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行， 进行检修或更换。 局部放电对绝缘结构起着一种侵蚀作用，它对绝缘的破坏机理有以下几个方 面【2 引。带电粒子( 电子、离子等) 冲击绝缘，破坏其分子结构，如纤维碎裂，因而 绝缘受到损伤；由于带电离子的撞击作用，使该绝缘出现局部温度升高，从而 易引起绝缘的过热，严重时就会出现碳化；局部放电产生的臭氧( 0 3 ) 及氮的氧化 物( n o 、n o ，) 会侵蚀绝缘，当遇有水分则产生硝酸，对绝缘的侵蚀更为剧烈； 在局部放电时，油因电解及电极的肖特基辐射效应使油分解，加上油中原来存在 些杂质，故易使纸层处凝集着因聚合作用生成的油泥( 多在匝绝缘或其他绝缘的油 1 0 电力电缆局部放电定位方法的研究 楔处) ，油泥生成将使绝缘的介质损伤角t 9 6 激增，散热能力降低，甚至导致热击 穿的可能性。局部放电的持续发展会使绝缘的劣化损伤逐步扩大，最终使绝缘正 常寿命缩短、短时绝缘强度降低，甚至可能使整个绝缘击穿。 2 2 局部放电的分类 根据局部放电发生的位置和机理不同，可分为内部局部放电、表面局部放电 以及电晕放电三种。各种局部放电的起始条件、放电波形以及放电随施加电压的 变化规律各不相同。 2 2 1 内部放电 内部局部放电在介质内部或介质与电极之间的气隙内发生。固体绝缘中产生 气隙的原因很多，有的是在产品制造中就残留在绝缘结构中；有的是在使用中有 机材料进一步固化和裂解而放出气体形成的；有的是在使用中承受机械应力如振 动、热胀冷缩等造成的局部开裂。由于气体的击穿场强比固体介质低得多，气体 中的电场又比固体介质中高，因此往往在气隙的部位产生局部放电。图2 1 模拟一 个含有一个小气泡的绝缘体，图中c 是绝缘体中的小气泡；b 是与气泡串联的部分 介质；a 是其他部分介质。假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用 下气隙和介质的放电过程可以用图2 2 所示的等效电路来分析。 图2 1 含有单气隙的绝缘结构 图2 2 单气隙绝缘结构等效电路 其中c c 、r c 并联模拟介质内部的放电，c b 、r b 模拟与放电部分串联的介质， c a 、r a 模拟其他部分的介质。由于放电过程很快使等效电路中的电阻值远大于电 容的容抗，因此在分析局部放电现象时忽略等效电路中的等效电阻。 设外施工频电压为u = u 。s i n c o t 根据电流连续性原理可得：u ，e = u 。e ，式 中，u 。为气隙所承受的电压；以为与气隙串联部分绝缘所承受的电压；y c 为气隙 导纳；y b 为与气隙串联部分绝缘的导纳。忽略气隙和气隙串联部分的电导可以得 到气隙中的场强e ，与串联部分的场强e 。之比为： 第二章局部放电的机理 e c电 瓦一一f - , r c ( 2 - 1 ) 由于电介质的相对介电常数s ，一般较空气高，可以得到e 。 e b 的结论。所以 气隙是电场集中之处，易发生放电。长时间的放电会最终导致绝缘的击穿。据统 计11 0 k v 以上电压互感器损坏有5 0 是气隙放电引起的。 当外施电压升高时加在气隙上的电压u r 也升高。当u r 达到气隙击穿的数值 时，气隙开始放电正离子沿外电场方向e 外移动。形成了气隙内的电场e 肉，这时 在气隙上的实际场强为e c = e 外一e 内。相应气隙上承受的电压下降为：仉= 溉， 由于一的存在，放电停止。放电时气隙上的电压并不等于零，因为气隙的电导 不会是无穷大，所以每次放电时都有残压为u ，气隙放电时间很短，一次放电过 程为1 0 n s 的数量级。第一次放电停止后假设气隙中产生的空间电荷没有泄漏，那 么加在气隙上的反向电压坼仍然存在当外加电压继续升高时，气隙电压达到 击穿电压的情况下，即u r 一u r = 坼。将发生第二次放电，随即产生2 u r 的反， 向电压，放电又停止，在u 达到峰值之前，假设有刀次放电相应产生反向电压为 一疗啡。电压过峰值后，外加电压幅值在减小，当u ，一u r t g ( 3 1 4 ) l 甜f - - 0 f 于f 或表示成“fo ) = 杉g 一一名7 f ，l ( f t i ) 广u i ( f ) = v i e 一h i 7 。c o s ( o ) i t ) 于f f l ( 3 1 5 ) l u j = 0t t f 或表示成扰，( f ) = v e 一卜7 lc o s ( o ) ，f ) l ( t t i ) 式中 扰，( f ) 一第i 个局部放电脉冲电压； ，一第i 个局部放电脉冲电压的幅值； z f 一第i 个局部放电脉冲电压脉冲峰值出现的时刻； i 一第i 个局部放电脉冲电压衰减常数； i 一第i 个局部放电脉冲信号的角频率； l ( t f j ) 单位阶跃函数。 图3 7 为用式( 3 1 4 ) 模拟的一组局部放电脉冲信号，是由函数 蹦( ，) = ke x p ( 一0 一，i ) r ) l ( t 一，i ) + 心e x p ( 一( f f 2 ) f ) l ( t t 2 ) + 圪e x p ( 一一t 3 ) r + e x p ( 一o t 4 ) r ) l ( t 一，4 ) + e x p ( 一o f 5 ) r ) l ( t t 5 ) + 圪e x p ( 一( ，一t 6 ) r ) l ( t t 6 ) 其中：k = 1 o x l0 - 3 y ，以= 7 0 1 0 一v ，k = 5 0 1 0 一v ， k = 6 0 1 0 - 3 v ，螺= 5 5 x 1 0 一v ，圪= 7 0 x l o 刁v 。 第三章局部放电信号在电力电缆中的传播特性 2 l 出现的时间分别为：t l = 4 5 1 0 7s ，t 2 = 5 5 1 0 s ， t 3 = 7 5 x1 0 7s ，f 4 = 8 0 10 7s ，f 5 = 9 8 1 0 7 s ，t 6 = 1 7 1 0 7s ， 电压衰减常数为f = 5 1 0 。7j 图3 7 模拟局部放电信号 从图3 7 看出，每个脉冲信号的衰减情况都一样，只是幅值不一样，本文就取 第一个脉冲信号做为后面的研究信号，即上升沿为1 5 0 n s ，幅值为v = 7 0 1 0 。3 v 的 模拟脉冲信号。如图3 8 所示。 图3 8 在c 点注入的脉冲信号图 在c 点上注入脉冲信号，在a 点和b 点上接收到的信号如图3 9 和3 1 0 所示，图 中横坐标为时间，纵坐标为幅值。 图3 9 仿真结果；c 点注入，a 点测量 电力电缆局部放电定位方法的研究 图3 1 0 仿真结果；c 点注入，b 点测量 注入点为c 的脉冲传播网络图由图3 1 1 给出。 p 1 p 2 p 3 t _ ， 一 、 图3 1 1 电缆中的脉冲传播网络图 由图3 1 l 的脉冲传播网络图可以看出，第一个脉冲经t l 时问到达b 点，第二个 脉冲会经t 2 先到达a 点，然后又在时间t 3 返回到达b 点，经过了几次反射，信号已 经衰减到可以忽略不计的程度，说明在局放定位中，测量前两个或三个脉冲是很 重要的。脉冲的时间序列给出了局放信号在电缆中传输的基本细节，从图3 1 0 中可 见，第二、三脉冲形成了双峰现象，这是因为设置的缺陷点c 靠近b 端，脉冲在c b 段传播的时问相对较短，从而导致的脉冲重叠现象。 为了研究局放脉冲本身的高频部分衰减，利用与图3 5 同样的设置，配置一根 3 5 0 米长，没有人造缺陷的电缆，如图3 1 2 所示，从a 点注入脉冲，在b 点测量得到 的第一、二个脉冲波形见图3 1 3 和图3 1 4 ， 图3 1 23 5 0 米没有缺陷的电缆 b 电缆 第三章局部放电信号在电力电缆中的传播特性 - 矿 ? 、h 图3 1 3 仿真结果：a 点注入， 3 1 4 仿真结果：a 点注入， b 点测得的首脉冲图b 点测得的第二个脉冲 由图3 1 3 和图3 1 4 可见，脉冲的上升沿在沿电缆传播过程中，高频分量的衰减 比低频分量要快得多。即各频率成分的衰减随着频率的增加而迅速增加。 为了进行更直观的比较，分别在五根不同长度电缆( 5 0 0 米、8 0 0 米、1 0 0 0 米、 2 0 0 0 米、2 5 0 0 米) 上。a 端注入脉冲，在b 端测量，将测量所得第一脉冲波形画在 图3 1 5 中( 测量波上数字表示电缆长度) 。 5 4 5 4 3 5 3 x1 0 3 00 6口8 时间( s ) 1 21 4 x1 0 。5 图3 1 5 仿真结果：不同长度电缆a 点注入，b 点测得的首脉冲 图3 1 5 结果表明，注入的脉冲信号在电缆中传输8 0 0 米后的幅值只是注入信号 的幅值的1 7 ；传输2 0 0 0 米后，其幅值已经很微弱了。脉冲宽度