（机械电子工程专业论文）xlpe电缆局放在线检测的研究.pdf

摘要 x l p e 电缆是电力系统中主要的输送电设备。局部放电是造成电力电缆绝缘层 破坏的主要原因。对x l p e 电力电缆绝缘层的局部放电进行检测是及时发现故障隐 患，预测运行寿命，保障电力电缆安全可靠运行的重要手段。 本论文主要研究了x l p e 电缆局部放电在线监测系统的设计和现场干扰噪声的 消除两个部分，运用了信息科学中现代数字信号处理和计算机科学中的微机控制 等多项技术。 论文首先分析x l p e 电缆局部放电的研究现状、技术背景、特点及应用，为在 线监测系统的开发提供技术基础。其次提出了电缆局部放电在线监测系统的完整 逻辑框架设计、功能模块的实现原理及应用模式，重点设计了宽频电流耦合器、 放大电路以及数据采集模块；然后对电缆局部放电检测中的各种干扰噪声进行了 分析，针对不同的干扰采取了不同的抗干扰措施，采用基于级联二阶i i r 陷波滤波 器抑制周期性窄带干扰；运用小波变换方法抑制白噪声干扰，通过大量的仿真实 验以检验其滤波效果，选取了合适的小波阈值，滤波性能有了明显的改善。最后 将几种抗干扰方法合理组合，建立局放信号抗干扰结构化模型。通过仿真试验和 现场数据处理表明：本文提出的结构化模型适用于现场复杂条件下的干扰抑制。 关键词：电缆；局部放电；信号处理；小波变换 a b s t r a c t x l p ec a b l ei st h ep r i m a r yt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i st h em a i nc a a s ew h i c hd e s t r o ye l e c t r i cp o w e r sc a b l ei n s u l a t e d l a y e r , o n l i n em e a s u r e m e n to ft h ex l p ec a b l ei n s u l a t e dl a y e r sp a r t i a ld i s c h a r g ei s i m p o r t a n tm e t h o dt od e t e c th i d d e nt r o u b l e ，f o r e c a s te q u i p m e n tl o n g e v i t ya n de n s u r e e l e c t r i cp o w e rc a b l er u no nt h es a f es i d e t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c ho nd e s i g nx l p ec a b l eo n - l i n em e a s u r e m e n t s y s t e ma n de l i m i n a t el o c a l ei n t e r f e r e n c en o i s e s t h em o d e md i g i t a ls i g n a lp r o c e s si n i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dm i c r o c o m p u t e rc o n t r o li nc o m p u t e rs c i e n c ea r ea d o p t e di nt h e d i s s e r t a t i o n f i r s t l y , i no r d e rt og a i nt e c h n o l o g yf o u n d a t i o no nt h eo n - l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m ， t h er e s e a r c hs t a t u sq u o ，t e c h n o l o g yb a c k g r o u n d ，c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o n so f x l p ec a b l e sp da r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，l o g i c a lf r a m e w o r ko ft h ec a b l e sp do n l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m ， r e a l i z a t i o n st h e o r yo ff u n c t i o nm o d u l ea n d 印p l i c a t i o np a t t e r ni sp r o p o s e d w i d e f r e q u e n c yb a n d w i d t he l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gt r a n s d u c e r , a m p l i f i e rc i r c u i ta n dd a t a g a t h e r i n gm o d u l ea r em a i n l yd e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h i r d l y , b a s e do na n a l y z i n gv a r i e t yo fi n t e r f e r e n c en o i s ei nd e t e c t i o no fc a b l e s p d ，d i f f e r e n ta n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n ta r ea d o p t e da i ma td i f f e r e n ti n t e r f e r e n c e t h ec a s c a d e2 n do r d e ri i rl a t t i c en o t c hf i l t e ri s a d o p t e dt o r e s t r a i np e r i o d i c a l n a l t o w b a n di n t e r f e r e n c ea n dt h ew a v e l e tt r a n s f o r mi sa d o p t e dt or e s t r a i nw h i t en o i s e l o t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ed o n et ov e r i 母f i l t e r i n ge f f e c to fd i f f e r e n tm e t h o d s p e r f o r m a n c eo ff i l t e r g a i n d i s t i n c t i m p r o v e m e n tb y s e l e c t a p p r o p r i a t ew a v e l e t c o e 师c i e n t l a s t l y , s t r u c t u r a l m o d e li se s t a b l i s h e d b yr e a s o n a b l yc o m b i n i n g s e v e r a l m e a s u r e m e n to fa n t i i n t e r f e r e n c e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dl o c a l ed a t ap r o c e s s i n d i c a t et h a ts t r u c t u r a lm o d e lp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o ni sa p p l i c a b l ef o ri n t e r f e r e n c e r e s t r a i ni nc o m p l e xl o c a l ec o n d i t i o n k e yw o r d s ：c a b l e ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；w a v e l e tt r a n s f o r m 第1 章绪论 1 1x l p e 电力电缆在线检测现状和研究局部放电检测的必要性 1 1 1 电力系统在线检测发展概况 电力行业是基础产业，一旦发生故障，影响国民经济生产和人民生活，小则 引起用户长时间停电，严重时可能引起发电、输电设备损坏，如果电厂发电机、 变压器、导管、互感器、避雷器等出现故障，影响发电厂的正常运行和供电，甚 至使整个电网瘫痪，从而影响系统的稳定与设备安全。电力设备故障给电力企业 带来的经济损失是下可忽视的，一方面造成售电量减少，另一方面，故障后的维 修要投入大量的人力、物力、财力。其次还给相关行业带来经济损失，如影响企 业生产、居民生活，以及影响交通、信息等行业的正常运转。因此研究一种实用 的电气设备绝缘在线监测系统，使得我们能及时发现潜伏隐患，掌握设备的运行 状态及有效使用寿命，以便采取相应的措施，实现有计划、合理地进行检修，可 以减少因突发故障而造成的损失，达到提高供电可靠性的目的“。 为了提高电力系统运行的可靠性，提高电力行业经济效益，为国民经济的发展 服好务，国内外投入了大量的精力开发研究电力系统在线监测技术。同本在这方 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，并且已经将这一技术运用到生产突践，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，如西安交通大 学、重庆大学、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。 1 1 2x l p e 电缆在线检测现状 x l p e 电力电缆由于其自身的优点，已经在电力行业得到空前的应用发展，成 为电力安装和使用部门的新宠，其用量f 在不断增长。电缆的使用，一方面推动 了我国电力事业的发展，解决了架空线路无法解决的技术难点；另一方面，x l p e 电缆在敷设中，难免会损伤护层，电缆头制作时对护层、接地线、屏蔽线的处理 不当，运行中受潮或者受腐蚀而产生水树( 由一系列的沿电场方向排列的含水微孔 构成) ，以及电缆因运行环境周围的建筑施工，人车流量的影响而造成随机破坏等 原因，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，将会造成停电事故，影响人民生活，国民生产，对国家、企业、 个人造成损失。为了避免这些事故的发生，各电缆及其附件生产企业除了要严格 把好j “：品质量关外，文要配合产品使用部门以及科研部门搞好电缆的检测措施， 提高电缆运行的可靠性。 长期以来，对电7 i 设备采用定期试验维修的方法，这种离线试验方法在过去为 电力事业作出了重要的贡献，但我们也时常碰到，经过试验维修，合格的设备投 入生产后不久就出现事故，电缆作为一种特殊的设备，在试验时使用直流酬压试 验等方法，本身就会对其造成损伤，加快了电缆的老化，影响电缆的绝缘特性， 虽然直流耐压试验仍然是一种有效的发现故障的方法，但我们直在不停的寻求 新的试验方法。在线检测技术的发展，为电缆的检测提供了新的思路。 目前，x l p e 电力电缆的在线检测技术主要有直流分量法、直流叠加法、辔占法、 超低频( 0 ，1 1 t z ) 叠加法。 1 直流分量法 直流分量法以水树效应引起的n a 级的直流电流为老化判据，蹦于榆测运行中 电缆的水树状劣化，能反映电缆绝缘劣化的绝对量。因为大量实验数据表明：该 方法对电缆水树枝长度、直流泄漏分量、交流击穿电压等绝缘特性有较好的相关 性，对发现集中性缺陷，该方法很好。该方法已经使嗣于在线检测，在使用时， 要排除护套电阻和外屏蔽地电势引起的杂散电流的影响，因为测量的电流很小， 所以在抗干扰方面要求较高。 2 赢流叠加法 直流叠加法测量电缆的直流绝缘电阻值，能反映劣化的绝对量。但是由于在 直流电压下绝缘层水树会呈现出“极性效应”，电缆绝缘的正反向绝缘电阻不同， 为此有人提出了“改进直流叠加法”。该方法应用比较广泛，但绝缘电阻与电缆的 寿命的相关性并不好，护套电阻和屏蔽地电势引起的杂散电流对测量有影响，但 比对直流成分法的影响小。使用时常常在g p t 处叠加低压直流，监测出绝缘电阻， 宜用于在线监测。直流分量法和直流叠加法是以测量电缆绝缘电阻来反映电缆的 绝缘情况，用于检测运行中电缆的水树状劣化，能反映电缆绝缘劣化的绝对量。 这利t 方法原理较简单，也易于实现，对电缆水树枝长度、直流泄漏分量、交流击 穿电压等绝缘特性比较灵敏，有效检测集中性缺陷。 ：3 t 9 6 法 辔d 法即测量绝缘介质损耗角f 切值，与电容型设备绝缘的瑶万测量相似。这 一方法应用较多，能够在运行电压f 监测电缆绝缘的劣化，但只反映普遍性的缺 陷，不能反映局部放电量，更不能反映具体的缺陷部位，个别局部缺陷不会引起 整根电缆t 9 8 的显著变化，对局部缺陷无法反映，精度比较低。 4 超低频( 0 1 h z ) 强加法 低频叠加法由于叠加电压较低，不会对绝缘造成损伤，低频叠加电压的响应 电流出现峰值的原因_ 能与水树枝含水微孔中的离子电离及复合过程有关，浚方 法具有较高的灵敏度，不存在空问电荷产生的干扰，原理类似与于直流叠加法， 只是叠加低频信号的结果和叠加直流信号的结果有所不同。 1 1 3 局部放电检测法 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，x l p e 电缆的许多故障实际上是由于局部放电 引起的，但x l p e 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x l p e 电缆的局部放电是无法检测的。 局部放电是绝缘介质内部发生的局部的重复击穿和熄灭现象。这种放电发生 在绝缘的局部缺陷处，放电量很小，在局放发生的初期是不会影响绝缘能力的， 但是设备在电压作用下长期发生局部放电会慢慢损坏绝缘，缩短绝缘的使用寿命。 绝缘发生在局部放电时一般伴随一些如电脉冲、电磁波放射、光、热、声、 噪音等现象，这些伴随局放存在的现象为局放的检测提供了依据。根据检测量的 不同，测量局放的方法有：脉冲电流检测法、超声波法、行波法。 局部放电检测法不但能检测出缺陷处发生的局部放电，并可测出缺陷的具体 部分，是一种很好的在线监测方法，但是，由于局部放电信号很微弱，而干扰信 号又比较多，有的干扰信号比需要的局放信号还强，甚至超过其很多倍，所以该 方法需要对干扰信号进行有效的处理。 对x l p e 电力电缆绝缘的检测，国际上一致摒弃进行传统的直流耐压试验。替 代的试验方法有工频高压试验法、超低频法( v l f ) 和衰减振荡电压法。工频高压试 验虽能很好的反应绝缘缺陷，但对试验设备的容量要求很高；而后两种方法发现 绝缘缺陷的有效性却不如工频高压试验。由于测量局部放电( p d ) 是发现绝缘早期 故障的最有效的方法之一，因此在没有高压试验设备的条件下也可用电网相电压 或线电压对敷设后电缆进行绝缘试验，采用变频串联谐振法提供试验电源，再用 高频磁芯电流耦合器进行p d 测量可使交接验收试验更加完善“1 。 局部放电的测试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 物理量的测量来表征局部放电的状态。因此测试的方法很多，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) ，以及许多非电检测法( 测局部放电产生的声、光、热以及 放电生成物等) 。其中，脉冲电流法的灵敏度最高，而且可以分别测得放电量( 视 在放电电荷) 、放电重复率以及平均电流、放电能量等，是最基本最为广泛采用的 一种方法。 传统的脉冲电流法是8 0 年代初发展起来的一种测试方法，以其安全、可靠、 接线简单等优点显示了强大的生命力。脉冲电流法采用线性耦合器采集电缆中的 电流行波信号。它是将线性电流耦合器穿过低压侧地线，通过磁耦合来检测电缆 故障击穿时在接地线中产生的局部放电脉冲电流信号，成功地实现了仪器与高压 回路的耦合，省去了与电缆之间的串联电阻与电感，简化了接线。山于测量旧路 与高压回路无直接的电气连接，对记录仪器和操作人员来说，特别安全、方便， 且电流耦合器耦合输出的脉冲电流波形也比较容易分辨。”。 近些年来，随着电子技术的发展，计算机辅助测试系统和数字信号处理、自 动模式识别等技术在局部放电测量中得到了j 。泛应用，这大大推动了局部放电测 量技术的发展。但是，由于这些新技术的应用都是与传统的绝缘检测技术相结合 的，因此必然受到传统绝缘检测技术测量频率低、测量频带窄、信息量少，且易 受外界电磁干扰的影响制约，依然有许多问题没有解决。传统的脉冲电流法与计 算机辅助测量系统等数字化技术相结合使局部放电测量得到了发展，但是，这些 技术还足以传统的局部放电检测为基础，因而未能彻底改进放电检测技术。 目前，x l p e 电力电缆局部放电测量的发展，经历了个从实验室到制造r ， 再到运行现场的过程，各国科学家和工程技术人员正力图使局部放电测量成为 x l p e 电力电缆的一个在线检测项目。为此，面临着下面几个问题要加以解决。 ( 1 ) 发展适合于现场测量和在线榆测的疗法和仪器。 ( 2 ) 有效地消除干扰以提高测量灵敏度。 ( 3 ) 用计算机自动控制测量过程并对数据进行采集，储存和分析。 因此，寻找新的局部放电检测方法和仪器，即摆脱传统方法测量频率低、测 量频带窄、信息量少等因素的制约，成为近年来局部放电研究的热点。超宽频带 和超高频带检测技术就是对传统方法的一个突破。 1 1 4x l p e 电力电缆局部放电的意义 由于交联聚乙烯( x l p e ) 电缆具有绝缘性能好、易于制造和安装方便、供电安 全可靠、有利于美化城市与厂矿等优点，在6 0 年代初问世以来的4 0 余年中得到 了迅速发展。在中低压领域几乎替代了油浸纸绝缘电缆，并已在超高压电压等级 中获得应用。近十年来，我国城市电网中大量采用x l p e 电力电缆输配电。长期的 实践证明，局部放电是造成电力电缆绝缘破坏的主要原因。首先，在局部放电的 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 或熔化；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 电导利损耗，由此产生恶性循环，导致绝缘体破坏。第三，在局部放电过程中会 产生许多活性生成物，这些生成物会腐蚀绝缘体，使得介质性能劣化。第四，局 部放电有可能产生x 射线和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”。“。 国内外运行经验和研究成果表明：x l p e 电力电缆性能早期劣化或使用寿命很 大程度上取决于x l p e 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，即树枝引发初期，其局部放电量约0 1 p c ：当树枝发展 到介质击穿临界状态时，其局部放电量达到1 0 0 0 p c 左右”1 。因此，对x l p e 电力电 缆绝缘的局部放电进行检测是及时发现故障隐患，预测运行寿命，保障电力电缆 安全可靠运行的重要手段。 1 2 高压电缆的局部放电 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。 关于电缆局部放电定位，早期就有对电缆实行扫描式检测查找局部放电点的 措施和技术，现在集中推广应用的是7 0 年代发展起来利用局部放电脉冲在电缆上 传播的特性，用i o m h z 以上高速扫描示波器进行定位测量的方法。由于电缆中脉 冲波传播的速度对确定的电缆绝缘型式是已知的常数，所以测出放电脉冲与其经 远端反射后的脉冲波之间的时延，就可算出放电点离电缆远端的距离。 抗干扰问题，不仅存在于电缆工厂对电缆产品的出厂质量检验或研究性实验 中，更是运行电缆线路中绝缘监控局部放电检测首先遇到的问题，也是其他电工 产品测量局部放电普遍存在的问题。目前，据国外许多报导，j 下在应用近代快速 模数( a d ) 转换技术和计数器、数字滤波器以及均值器等数据处理技术，可望出 现新一代的抗干扰且能精确测量局部放电的技术和仪器。 1 2 1 高压电缆的局部放电的测量特点与检测方法 电缆局部放电测量的特点( 或说电缆的局部放电测量与其他产品局部放电测 肇的不同处) 丰要为：( 1 ) 为检查与控制塑利电缆在挤塑过程中工艺质鼍，在生产 线上用扫描法对产品进行连续的局部放电检测。( 2 ) 长电缆在产生局部放电时，放 电脉冲波沿电缆长度传播时会发生衰减和终端反射。 进行高压电缆局部放电测量时，榆测仪器和检测方法的选择主要决定于高压 电缆所用的介质材料以及电缆的长度。油纸绝缘祁塑料绝缘中，局部放电的产k 发展以及对绝缘的危害显然是一i 相同的，因此对局部放电测量的要求也不。样。 油纸绝缘电缆，根据所用浸渍荆和加压方式又町分为粘性浸渍型电缆、充油 电缆、充气电缆和压力电缆等类型。油纸绝缘电缆局部放电的产生主要是由于浸 渍剂的真空处理不完善以及存浸渍过程巾残留的气隙而造成的。例如，粘性浸渍 型电缆，它的浸渍剂在浸渍时( 温度较高) 粘度低而在运行时粘度大，基本上不流 动。因此，浸渍之后就不可避免地会在绝缘层中产生气隙，并且分布在靠近载流 芯绝缘层的气隙较多。电缆绝缘中的电场按圆柱形分布，近载流芯处电场强度最 高，而气体的介电常数又比浸渍纸的小，使气隙上场强比油纸中更高，而气体击 穿场强又比浸渍纸的击穿场强低得多，因此气隙先击穿，即电缆中产生局部放电。 在局部放电作用卜，浸渍激发生分解放出气体使气隙扩火，放电产生的离子撞击 次一层纸带，赶走纸带中所含的浸渍剂，局部放电穿过纸带隙孔不断向外发展。 在局部放电的持续作用下，浸渍剂一方而聚合形成更高分子量的x 蜡；另一方面 分解出自由碳离子，碳离子被吸附在放电道路上逐渐形成碳粒通道，于是，形成 一个具有载流芯电位的尖端，伸入纸绝缘层内部而产生沿纸带表面的切向电场。 次切向电场的强度随碳粒通道深入纸绝缘层内部的程度加深而增大。一般而南， 沿纸带表面的击穿强度只有沿垂直纸带方向的0 1 0 0 5 倍。显然，局部放电的 进一步发展导致沿纸面的移滑放电。此外，局部放电作用于纸绝缘面上，浸渍剂 分解，形成x 蜡和碳粒。这些连续形成的树枝状导电碳粒使绝缘层内部的电场强 度增加，进而又使放电加剧，浸渍剂分解气体更多，这些气体沿纸带表面移动， 逐渐聚集成较大的气泡，于是局部放电从层纸带的间隙经纸面及另一层纸带间 隙，多方地向外发展。随着放电通道的扩大和延伸，放电电流逐渐增大，浸渍剂 分解进一步加速，放电痕迹愈明显，最后导致电缆的整个绝缘层击穿。对于充油 电缆丽言，除i 二述情况外，如果油的真空处理不完善( 含气或含杂) ，则存高电场 作用下，油中将产生局部放电。局部放电时油分解出气体进而义加剧放电，这种 恶性循环延续下去最终导致电缆绝缘击穿。对于纸绝缘电缆，因为它的垃j 很低， 除了i i i i i 量局部放电的仪器进行测量外，还可通过测量孵j u 来粗略的判断局部 放电的情况“1 。 塑料电缆都是由挤塑制成。挤塑过程中形成的各种缺陷是塑料电缆产 三局部 放电的根源。塑料电缆在制造过程中形成的缺陷对局部放电有较大影响的有两类， 一类是气隙，另一类是杂质。气隙存在的形式有：( 1 ) 内层半导体屏蔽挤包较松而 产生鼓起的气泡；( 2 ) 挤出绝缘过程中，半导体屏蔽中的气体向外逸出而在靠近半 导体屏蔽处的绝缘中形成小气泡；( 3 ) 挤压绝缘层时，由于收缩或绝缘中化气而在 绝缘层中形成气泡；( 4 ) 外屏蔽层某处包挤不紧；( 5 ) 绝缘料中有杂质粒子，在挤 出绝缘时由于温度较高，它分解出气体( 多数情况下，粒子的潮气受热而化成水气， 在绝缘中形成气泡) 。而杂质有：( 1 ) 在内半导体屏蔽层的外表面形成某些小刺。 ( 2 ) 绝缘中混有一些细小的裂片。( 3 ) 有时在绝缘中混有一些纤维之类的杂质。这 些缺陷很容易导致局部地方电场集中，引起电缆中某处的局部击穿，即产生局部 放电。在局部放电作用下塑料绝缘逐渐产生树枝状的放电痕迹，很快造成整个塑 料电缆的击穿。研究表明，塑料电缆中的缺陷尺寸大小决定了放电量大小，从而 决定了电缆的工作寿命。对于塑料电缆，当存在局部放电时，其电老化寿命l = 当 占 ( k 为常数，决定于塑料电缆中缺陷大小：e 为电缆绝缘承受的电场强度；n 决定 于电缆介质材料的种类。) 。由此可见，为了控制和检查塑料电缆的制造工艺质量， 改进电缆结构及选择电缆料的配方都必须进行局部放电的测量。塑料电缆运行经 验也表明塑料电缆的放电量对寿命影响极大，通过对运行中塑料电缆局部放电的 测量，不但可以评价电缆以后的绝缘性能，还可以帮助分析电缆的其他问题。例 如，局部放电测量也成为对塑料电缆很有效的非破坏试验方法。塑料电缆绝缘中 这些微小的缺陷用一般的绝缘试验方法( 例如耐压或垃j 试验) 是检测不出来的。 1 2 - 2 电缆附件的局部放电测量 这里所指的电缆附件是电缆的中间连接头和终端头。从电缆事故的统计结果 看，有不少是事故发生于电缆附件。因为电缆附件的电场分布不均匀，电场集中 的地方容易产生局部放电，电缆端头的放电包括内部放电和表面放电两种。非电 测量法对于检测表面放电时很有效的。光学法及超声波法都可用，并且可以定位， 但灵敏度低。电测法既可测内部放电又可测表面放电，并且从放电波形以及q u 特性是可以将内部放电与表面放电区分开来。如果端头表面放电不严重，可在放 电处涂刷碳化硅半导电漆，以消除表面放电，这样便可顺利的测出内部放电。 1 3 局部放电超高频与超宽频带检测技术的发展 近十几年来提出的局部放电超高频与超宽频带检测技术，将超宽频带检测技 术引入局部放电测量中，不仅可以提高在线检测的可靠性，而且还大大丰富了局 部放电的信息量。 1 3 1 局部放电研究发展方向 ( 1 ) 现代信号分析技术在局部放电检测中的应用：脉冲电流法是目前国际上 唯一有标准的局部放电测量方法，尽管测量频带窄、信息量少，但依据阁际电【 委员会i e c 2 7 0 标准进行测量，所得数据具有可比性，目 j 是不町替代的。随着科 学技术的发展，信号分析技术越来越多地应用到局部放电检测中，如：神经网络、 指纹分析、专家系统、模糊诊断等，对那些按 e c 2 7 0 标准测量得到的放电数据， 进行模式识别和绝缘剩余寿命评估，推动了局部放电检测技术的发展。 ( 2 ) 研究放电过程的物理本质：超高频局部放电检测给我们提供了一条新的 途径一一可以通过检测远高于传统测量频率的局部放电信号来对电力设备进行绝 缘诊断。超高频局部放电测量的前提条件是认为在所测量的频率范围内一定包含 放电特征频率峰，但到目前为止尚未能给出各类典型绝缘系统及其老化过程的放 电特征峰的位鼍和变化规律，这就需要在超宽频带的频率范围内对局部放电的本 征特征进行研究，因此超宽频带局部放电榆测技术孕育而生。利用超宽频带检测 技术研究电力设备的局部放电，克服了传统的脉冲电流法测量频率低和超高频测 量频带窄的缺点，可以较全面地研究局部放电的本征特征，有助于推动局部放电 检测理论和技术的发展、提高绝缘诊断的准确性和可靠性。 1 3 2 超宽频带局部放电检测的优点 超高频局部放电检测实际是种高频窄带检测技术，如果被测试品的特征放 电频率不在所检测频带范围内，则无法利用所得信号进行有效的绝缘渗断。采用 超宽频带局部放电检测技术可以在足够宽的频率范围内对局部放电进行检测，避 免遗漏放电特征峰。 研究典型绝缘系统及其老化过程中的超宽频带局部放电特性，就是为了了解 各种典掣局部放电类型在超宽频带中的特征、了解各种电力设备绝缘结构的局部 放电在超宽频带中的特征，最终建立电力设各局部绝缘系统放电指纹库。 在超宽频带范围内研究干扰信号，是为了更好地识别干扰信号。各种不同类 型的干扰信号在频域上出现的位置不同，通过超宽频带技术得到典型干扰的特征 指纹，建立相应的指纹库，一方面可以有针对性地进行f 扰抑制，另一方面可以 更清晰地区分干扰信号或局部放电信号，提高局部放电检测水平。 1 3 3 在线监测中信号处理技术的发展 由于电缆所处的现场信号非常复杂，干扰多，而局部放电信号通常是很微弱 的电信号，必须经过电子电路的放大，必然受到现场各种噪声源的干扰。因此信 号处理技术的关键是提高信噪比，将几乎被完全淹没的放电信息尽量不失真地提 取出来。实现在线监测的关键问题是如何从强干扰( 包括载波通信等周期性干 扰，也有外部放电、可控硅等脉冲干扰) 中检测出微弱的随机的放电信号。通过传 感器进入监测系统与局部放电信号混叠在一起的干扰信号，按照波形特征，可分 为三大类“：周期性干扰信号、脉冲性干扰信号和白噪干扰。周期性干扰信号又 分为连续性和脉冲性两种，如广播、通信、谐波等对监测信号的干扰一般呈正弦 波，为连续性干扰：而可控硅设备在可控硅开、闭时产生的脉冲干扰信号则周期 地出现在工频的某相位上，为周期性脉冲干扰。脉冲性干扰与周期性脉冲型干扰 则不同，它是由电气设备的局部放电、开关操作及电焊操作等引起的无规律的随 机性干扰。白噪干扰是由电气设备及监测系统等运行过程中发热而引起的。鉴于 以上干扰的存在，必须对采集到的信号进行适当的分析处理，否则就几乎无法得 到所需的局部放电信息，更不能对电缆绝缘状况正确评价，也就无法从本质上揭 示绝缘破坏的机理。 随着计算机的广泛应用，现在对于局部放电在线检测系统的构成人们基本有 这样的共识：硬件通用化，干扰抑制应软化“。“1 。硬件通用化即采取宽频带并具有 足够增益的检测手段，数据采集采取高速、大容量采集技术。干扰抑制的软化即 借助计算机使用各种有效的信号处理方法，如数字滤波、小波分析、相关技术和 神经网络等来抑制干扰并识别内部放电脉冲。从现有的国内外文献看，局部放电 在线检测系统研究的重点仍是干扰的抑制方法“。 目前针对周期性连续干扰的研究较多，方法大多是采用数字滤波，如利用基 于s 算法的时域自适应滤波方法来抑制周期性干扰，这种方法可以从周期性干 扰中提取局部放电信号，但对脉冲干扰表现出不稳定性。1 9 8 8 年f e s e r 提出了基 于f f t 的阈值预置数字滤波技术，本质上讲它属于频域自适应滤波范畴，但这种 方法也会带来一定的负面效应。如用低通滤波器对信号滤波，在滤除噪声的同时 对信号的边沿细节有一定的平滑作用，使信号发生失真，较难获得理想效果。小 波分析属于调和分析，是一种时频域分析，具有多分辨率分析的特性，它巧妙地 利用了非均匀分布上的分辨率，通过平移的可变窗口观察非平稳信号，可以有效 地提取信号波形特征“。将小波分析、多分辨率分析以及自适应学习算法进行有 机地结合，可以得到有效的消除噪声的方法。本文将在第3 章和第4 章中详细论 述有关算法在提取局部放电脉冲信号方面的研究。 1 _ 3 4 实现超宽频带局部放电研究需要解决的关键技术 要实现超宽频带局部放电检铡，需要解决以下关键技术： ( 1 ) 研制超宽频带局部放电传感器。 ( 2 ) 研制超宽频带局部放电测试系统。 ( 3 ) 研究超宽频带局部放电信号的实时采集技术。 ( 4 ) 研究背景噪声的抑制技术和局部放电波形的提取技术。 只有解决了以上关键技术问题，才有可能研究各种典型绝缘系统及其老化过 程局部放电超宽频带特征，建立相应的特征指纹库，进而实现电力设备绝缘系统 局部放电的超宽频带榆测。 近年来，由于高速采样的数宁示波器和波形数字转化装置的商品化以及高速 摄影机的引入，使我们在超高频和超宽频范围内对局部放电检测成为可能。 1 4 本文主要研究内容 本课题的主要任务是在现有研究成果的基础上，对电缆局部放电在线检测中 的一些关键技术作了一些研究，丰要研究内容如下： ( 1 ) 本文论述了电缆局部放电在线检测的原理，并介绍r 两种适合于电缆在 线检测的方法。针对电缆局放在线检测系统的实现，本文给出了系统的结构图， 并对系统中电流传感器、放大电路的设计和数据采集、数据传输进行了研究。 ( 2 ) 针对周期性窄带干扰的抑制，考察并检验现有的几种较有效的抗干扰技 术，对其滤波效果作一对比，并对其中的基于级联二阶tt r 陷波滤波器的方法作 了较深入的研究。采用软件的方法来进行滤波器的实现，通过实验验证，具有较 好的滤波效果。 ( ：j ) 针对局放检测中白噪声干扰的时频特性，采用具有时频分析功能的小波 变换来进行干扰的抑制；广泛研究了可用于局放信弓提取的基于小波变换的多种 滤波方法，选出比较有潜力、实用性又较强的小波闽值法作深入的研究，并将其 推广应用于有冗余的小波变换( 二进小波b w t 和平稳小波变换s w t ) ，对其应用中的 关键问题( 如阈值确定等) 作了较深入的研究。 ( 4 ) 由于现场干扰的多样性，使得针对不同的干扰采取不同的抗干扰措施成 为合理而且必然的选择。但多种方法之间又会出现应用时的组合方法与具体实施 时的顺序安排问题。本文给出了个局放信号抗干扰分层处理模型，并进行了实 验验证，为进行现场数据处理准备了条件。 ( 5 ) 本文在前面研究成果的基础上上进行了数据处理软件的开发工作。 第2 章电缆局部放电在线检测系统实现研究 2 1 电缆局部放电在线检测方法 随着城乡电网发展，电力电缆的利用比重提高、要求提高，原有主要依靠定期 停电后进行绝缘预防性试验的方法已难以真实地反应出电缆在运行条件下的绝缘 状态。近年来不少研究者提出了一些新的带电检查的测试方法，这些方法对预先 发现电缆绝缘的下降状况，很有作用。目的国内外已采用的或较有前途采用的方 法有直流叠加法、直流成份法、电缆绝缘介损法、局部放电的在线检测等方法。 局部放电在线检测虽然实现起来比较困难，但由于其具有比其他方法更高的灵敏 度，所以近年来对局部放电在线检测的研究成为热点，发展了一些局部放电的在 线检测方法。金属箔电极法就是在这种情况下发展起来的比较适合电缆局放在线 检测的一种方法。 2 1 1 金属箔电极法 金属箔电极法是在绝缘接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2 1 是会属箔电极法的结构 示意图、电路原理图和等效电路图。从图2 1 ( c ) 可看到，当绝缘接线盒一侧的电 缆发生局部放电时，另一侧的电缆可充当耦合电容，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。 图2 1 ( a ) 中金属箔片a 、b 与金属护套层形成的电容c 5 、c 6 连接校准脉冲发生器， 为测量系统提供校准脉冲。该方法的优点是不必加入专门的高压源和耦合电容， 也无需改变电缆接线，且由于可等效为桥式电路，故能很好地抑制外界噪声。 图2 1 ( a ) 结构示意图 _ 2 一r 了_ _ ( _ _。1 ： 一 j _ _ 电磁耦合法主要应用了一个类似于传统的罗戈夫斯基线圈的电流耦台器。它采 用高频铁氧体磁性材料作磁芯，可以做成环状，也可以做成两个半圆环，经铰链 及忙箍形成一个圆环。经专门的设计可使其具有较宽的频带，以利于提高灵敏度 和更完整地采集放电信号。当高压设备发生局部放电时，在低压侧接地引线上会 有相应的脉冲电流流过。电磁耦合法的基本原理就是将接地引线穿过电流耦合器， 使磁芯线圈耦合到局放产生的脉冲信号。这种方法适用于发电机、变压器等电力 设备的局放检测。 电磁耦合法的最大优点是整套装置体积小、便于携带、适合于现场操作。若要 长期在线检测，可将传感器永久地安装在电缆线路的若干个接线盒处，操作人员 只需带上带有数据采集卡的手提式电脑，定期到现场进行数据的采集和分析即u j ： 还可以将若干个位置处的检测信号转换为数字或光信号，用通信的方式传输至总 控室进行实时监视与分析，以便及时发现问题。 将电磁耦合法应用于电缆的局放测量的具体做法是在预制电缆中间连接盒中， 将金属屏蔽带穿过电流传感器。由于高压电缆和测量回路问无直接电气联系，故 其安装简便，且能很好的抑制噪声。电磁耦合法可用于1 0 k v 及以上x l p e 电缆的 局部放电检测。 2 2 电缆局放在线检测系统设计 传统的电磁耦合法的测量频率一般为几十k h z 到几百k j - i z ，难以满足电缆局 放测量的要求，使测量的可靠性降低，对此本文在原有的电磁耦合法的基础上进 行了改进，运用近年来日益发展的采集技术和数据处理技术，设计了一套可用于 实际电缆局放在线检测的系统。 本文采用的电缆局放在线检测系统按照功能分为传感器、前置放大、数据采 集卡、数字滤波及系统服务等几部分。整个系统原理图如图2 2 所示。 电前数 数 五 流置据 字统 传放采 滤服 感大集 器器卡 波务 图2 2 系统原理图 电流传感器用电磁耦合的方法来检测电缆中的电流。前置放大器的作用是对 电流传感器送来的信号进行放大，然后将放大整理后的波形送至计算机插槽内的 数据采集卡。 数据采集卡包括a d 转换器、s r a m 和一些控制电路，其采样频率和采样长度 可由软件设定。采样频率最高可设置为7 0 m h z ；s r a m 的最大存储容量为1 2 8 k 字节。 与工频同步的触发信号由前置放大器单元给出，能够确保每次采样的起始相位相 同，同时采集系统两路信号有很好的时延一致性，可以实现不同通道信号的同步 采集，便于多周期分析。采样所得到的数据暂时存入s r a m 中，处理时由计算机读 入，并以数据文件的形式转存入硬盘。 数字滤波部分的作用是抑制连续周期性干扰和白噪干扰，本文分别采用级联 二阶i i r 格型陷波滤波器法和小波变换的方法抑制这两种干扰，提取放电信号， 提高了局部放电在线监测的灵敏度。 系统服务功能提供了友好的用户界面如显示、打印和报警等。 本文据此设计的系统结构图如图2 3 所示。 【电流传感器8 二 二 1 前置放大器8 【 。j 一二l 数字示波器8 函二= 一 主 控 室 l 作 现 场 图2 3 系统结构图 下面将对电流传感器、放大电路的设计、电缆局放的数据采集和数据通讯作 具体的设计。 2 3 宽频带电流耦合器的研究 为实现对x i ，p f 电力电缆局部放电进行检测，首先必须用电流耦合器准确、有 效地提取放电信号，所以电流耦合器的设计是关键环节。x t 。p e 电力电缆绝缘中的 局部放电脉冲仪为纳秒数量级，持续时问短，所包含的频谱很宽，因此适用于x l p e 电力电缆局部放电检测的耦合器应满足以f 要求：工作频带宽、瞬态响应好、线 性度好、输出失真小、工作稳定性好、灵敏度高。目前国内进行进行局部放电检 测所采用的耦合器，一般- i 作频带较窄，从几十千赫兹到几百千赫兹，已成功应 用于变压器局部放电的检测，但应用到x l p e 电力电缆局部放电测量时，效果不太 理想。考虑到x l p e 电力电缆的实际情况及电缆绝缘中局部放电的特点，本文提出 一种新的宽频带电流耦合器。 2 3 1 宽频带电流耦合器的原理 电流耦合器的结构如图2 4 所示，采用类似丁罗戈夫斯基线圈的结构，并采 用铁氧体磁性材料作磁芯，其等效电路图如图2 5 所示”。 髟勿髟歹形 ，b 一、 圈24 电流耦台器的结构示意图 i t ” 图25 自积分型电流耦合器的等效电路 它由积分电阻r 与线圈自感l 。组成自积分电路，在积分电阻月上得到电压 村。( f ) 。其中，m 为电流耦合器线圈的互感，l ，为线圈的互感，c ，为线圈的等效 杂散电容，r 。为线圈的等效电阻。根据等效电路，可以列出电路方程为： “，( ，) = m d i 西l ( t ) - ( 2 1 ) 州。吐警饯啪讽 ( 2 2 ) i ( f ) = c ，1 d u o 厂( t ) + t u o ( t ) ( 2 3 ) 上述式中有关参数的含义如图2 4 。 在满足电流耦合器自积分条件时，必须满足 u o ( t _ _ 2 c d u o ( t )( 2 4 ) r 5 d t 厶警 ( r 饯) 。 ( 2 5 ) 根据式( 2 1 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) ，忽略杂散电容c ，的影响，有 i ( f ) * l , t o ( f ) r ( 2 - 6 ) m 掣吐百d i ( t ) ( 2 7 ) 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) ，可以得到： m d i l