频域微分法在电力电缆评估应用中的关键要素

1、    频域微分法在电力电缆评估应用中的关键要素    李卫+宋哲+苏煜+戴庆源+苏伟基+周娅摘 要 本文简述了当前电力电缆绝缘老化评估的必要性和检测技术的现状，重点针对非破坏性的频域微分法用于电缆绝缘老化评估的测试流程、技术特点，讨论了应用过程中的频率带宽影响、衰减、接线方式、应用量程和注意事项。【关键词】电缆 老化评估 频域微分 非破坏性1 背景技术电力电缆已经成为城市输配电的重要电力设备，尤其是地埋电缆，由于存在故障现象无法靠人工直接观测，现有的技术手段要么未能全面覆盖投运的电缆，要么检修周期长，捕捉故障或绝缘缺陷存在失效性差的问题，导致隐患累积，

2、故障加重，产生局部老化现象。目前针对老化的检测方法不多，我局主要依赖介质损失测量，但现场测试介质损失面临着现场数据波动大的难题，且介质损失的一个重要不足在于它只能体现电缆的整体老化特征，对于自然老化的电缆测试效果明显，或制造工艺导致的介质绝缘强度不满足要求的可以直接用介质损失进行测量，但对于因绝缘缺陷或局部故障累加导致的局部老化现象，则难以提供位置信息。2 频域微分技术频域微分技术实质上为一种宽频域阻抗向量测量法，其典型特征是：无破坏性、老化跟踪灵敏度较好、稳定度好、有跟踪局部老化的能力。频域微分法的测试流程如下：（1）获得电缆的阻抗向量频谱；（2）计算阻抗向量频谱上的谐振频率点和谐振阻抗峰值

3、；（3）对电缆进行长度微分，建立微分方程式并与测试数据进行对比，分析整体老化趋势；（4）頻域-时域变换，获得沿单位长度的电缆阻抗连续特征；（5）与历史数据进行对比测试，寻找关键点的发展趋势；（6）直接寻找阻抗时域图谱上的突变点或异常点。频域微分法是建立在阻抗向量测试的基础上，通过算法实现电缆单位长度微分建模的技术，其微分的效果主要取决于测试的频率带宽，频域带宽越大，则理论上微分的效果越好，但硬件的要求增高。因此可以认为频域微分法与频率建立了非常重要的关联，由于测试过程是完全非破坏性的，通过实际测试发现宽频域阻抗向量法的稳定性优于介质损失测量，这主要得益于宽频域阻抗向量的连续特性和模型识别，使得

4、个别干扰信号的频率点可以得到一定程度的抑制，但实际应用过程中也存在一些经验成分，下面将进行讨论。3 频域微分法的应用特点讨论频域微分法的关键在于对谐振点的捕捉和建模，在国外针对航空运输设备的电缆检测，已经大量采用微分频域法，且其测试频率已经达到千兆赫兹级别，可发现厘米级精度的绝缘缺陷。由于电力电缆实际检修过程中最终需要靠故障定点系统确定缺陷或故障位置，即使是采用频域微分法也只是给出缺陷点与测试点直接的电缆长度，并不是真实的地面直线距离。由此，笔者分析了频域微分技术在电缆缺陷、老化评估应用中的一些注意事项。3.1 测试频率带宽测试带宽越大，理论上的局部缺陷或老化的精度越高。但由于硬件限制，频率上

5、升后带来的成本会显著上升，考虑到实际应用中合理的定位精度要求，一般认为1-2%的精度已经能够满足要求。更精确的定位，需要故障定点设备如脉冲声测或烧穿类设备结合。由此针对电力电缆的应用，一般几十兆赫兹已经满足要求。3.2 测试频率密度频域微分法采用扫频测试，除了带宽要求外，还需考虑扫频测试的密度，即频率布进值，理论上布进值越小，扫频精度越高，但为了防止邻近频率之间的干扰，应适当增加邻近频率的间隔时间，这样会影响现场测试效率。同时步进值一般应和扫频的总带宽联合考虑，如总带宽大的，可以适当增大步进值，总带宽小的，可以减少步进值，因此扫频的步进值不是越小越好，一般考虑带宽范围内的扫频点数更为合适。3.

6、3 高频信号的衰减补偿随着频率升高，信号的衰减呈递增趋势。尤其是针对融性设备，频率增高后，分布参数影响增大，加上肌肤效应，信号的传输路径发生了变化，因而在硬件的设计和信号的采集时应充分考虑信号衰减给测试构成的影响。3.4 现场测试的接线方式频域微分法的另一个显著优势是非破坏性，输出试验电压低，但同时也构成了另一个现实问题，即在开展现场测试时邻近带电运行电缆可能给被试电缆传播耦合电压，从而造成过电压串扰，引发人身和设备安全。为有效杜绝该问题，一般应将被试电缆远端连接低负荷阻抗或直接短路处理，从而给邻近电缆的耦合电压形成自然的放电通道，使得过电压串扰得到抑制。3.5 应用量程频域微分法相对于其他测

7、试技术的另一突出特点是即可测试分米级超短电缆，也可测试数十公里级别的超长电缆，但针对电力电缆，考虑到成本和实用价值，一般采用几十米到20公里以内的配置为佳。影响该配置的主要条件为硬件指标，包括试验输出频率、采集频率和精度等。4 小结频域微分法在老化评估和多点缺陷定位领域获得了成功的应用，但故障性质的区分仍然需要进一步研究，且局部老化的跟踪还需要对比测试。由于测试需要停电，当前频域微分法的应用受到一定限制，笔者建议除了开展专门的老化评估测试外，还可将频域微分技术与破坏性试验结合应用，在破坏性试验前后进行对比测试，评估其破坏性并提供有损伤的位置信息。同时从原理分析，频域微分方法移植到在线运行设备领域仍然具有可行性，笔者将继续开展该领域的研究。参考文献1张建，张方荣，尹娟，高兴琼，王苏.一种电缆故障检测分析方法发明专利z.国家知识产权局，2011.2岳城亮.基于tdr和tdc的航空电缆故障检测仪设计d.燕山大学，2014.3陈善海.脉冲-回波电缆故障检测仪j.电子技术，1990（01）.4lira700 simulate射频波谱老化仿真系统z.成都高斯电子技术有限公司，2014.5杨孝志，陆巍，吴少雷，俞飞.电力电缆故障