电缆局部放电在线检测技术

电缆局部放电在线检测技术

1脉冲电流法与传统测量方法的比较近年来，高频技术已广泛应用于在线测量电缆的局部放电。所谓超高频检测技术,即在超高频段(VHF,数百兆赫)下进行局部放电信号测量。事实上,放电产生的脉冲电流信号具有很短的上升时间,有文献表明可小于70ps。这就意味着放电信号对应的频带上限应该大于吉赫数量级,它是由不同的频率分量组成,具有很宽的频谱范围。而常规的局部放电测量多采用IEC-60270的脉冲电流法,其频带大多从几十千赫到几百千赫,在在线测量中,抗干扰问题一直未得到很好解决,这使得传统测量方法在很多情况下不适用。于是国外研究电力设备在线检测的焦点问题转移到了超高频测量上,特别是超高频技术在气体绝缘管道电缆(GIS)上成功运用之后,很多研究者尝试将这一方法拓展到其他的电力设备局部放电的在线监测上。2电缆及其连接中的局部负载的高频率测量2.1定位函数的选取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(TEM波)。由于电缆的同轴结构可以看作电磁波的波导,这种电磁脉冲可以沿着电缆传播。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。2.2局部放电的测量可靠、灵敏度高和抗干扰能力强的传感器单元是准确获取局部放电信号的重要环节,而从原理上来分不外乎从电场量直接获取或从磁场量耦合的方式检测,目前实验室或现场常用的主要有以下几种:(1)超高频电容耦合器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(如图1)。信号由耦合器上的BNC头取出,高频接地端是外金属屏蔽层。可以看出这种耦合器并不破坏绝缘层与外半导电层,对电缆本身传输工频信号影响不大。调整剥去护套的长度D,金属箔长度D2,以及金属箔和护套之间的长度D1可以获得最佳的传感器信噪比。以下给出的局部放电谱图均是基于这种传感器系统所得。为了检测其频率响应特性,利用惠普的网络分析仪(HP4195A),通过GPIB卡和PC机相连,可得耦合器对电缆(3m66kV)终端的频率响应(见图2)。在20~500MHz之间的频谱强度约为-20dB,由此可见该传感器在超高频段下的频率响应可以满足测量要求。(2)超高频电感耦合器这种耦合器从局部放电信号产生的磁场中获取能量,可以利用线圈技术耦合放电信号。对带有屏蔽铠装的电缆,由于屏蔽铠装层使得放电脉冲电流的切向分量产生轴向附加磁场(如图3所示),我们可以通过线圈中的净磁通的大小判断局部放电量。传感器频带上限约为400MHz,灵敏度小于10pC。采用这种方法测量对电缆的传输性能无影响,能测到不失真的脉冲信号;传感器可以绕着电缆沿任意方向放置;传感器对低频分量不灵敏,远处干扰源的高频干扰信号沿着电缆传输时,被衰减掉,灵敏度较高。但它只能用于绕包铠装电缆,且受高频信号衰减特性的限制,有效测量距离在10m左右,只能用于短电缆或电缆附件。(3)方向耦合传感器由德国柏林大学Strehl等人提出的方向耦合法也取得了比较好的效果。这种传感器利用传输线的原理,通过电磁耦合取得信号(见图4)。根据电缆中信号传输方向的不同,方向耦合器只在一个端口上感应出相应的信号。调整耦合器的参数(长度、宽度、与外套之间的距离)可以获得较好的灵敏度和信号耦合的方向性。在较高的频率下,传感器的方向性很好,A、B两端口的信号幅值之比可以达到1∶10(20dB)。这个比值越高,说明方向性越好,对于从一个方向过来的信号一般认为至少为1∶2。该方法的测量频带较宽,最高可达600MHz,测量的灵敏度较高,试验室条件下可以实现小于0.1pC的信号测量。2.3局部放电测试系统超高频带局部放电信号的检测不同于常规的1MHz以下的局部放电信号测量,要保证纳秒(ns)级的放电信号不失真地被采集,需要采用高速采样技术。对于我们所研究的局部放电的波形,根据采样定理,所用的采集系统的采样率应不小于被测量的最高频率分量的2.0~2.5倍。如果放电脉冲的宽度小到1ns,即其频率分量可达到1GHz,要真实地采集这部分信号,要求采集系统的采样率至少应该在2GS/s以上。利用数字示波器(如TekTDS3052)或高速采集卡可以实现这一要求。试验中以图1的超高频传感器和数字示波器为主体构成了局部放电超高频检测系统(见图5)。图中,T为100kV无局放试验变压器,给整个测量系统提供工频高压;R为保护电阻,起限流和阻高频作用,主要用于消除高压侧的高频干扰;WT为水电阻终端,用于防止电缆终端放电;C1和C2为两个超高频电容传感器;N为针电极,作为局部放电源;P1和P2为保护器,用以保护后面的测量回路;A为超高频放大器(10MHz~500MHz);SC为数字示波器(TDS3052,采样率5GS/s),它和PC机通过GPIB卡相连,可以实现相互联通,试验所用的电缆是6mXLPE电缆,电压等级为66kV。当电压增加到4.6kV时,可以在示波器上看到采集到的局部放电信号(见图6)。其中为了能够从计算机看到采集的信号,我们采用了Labview作为实现通信的接口软件,最后所得的数据是利用Matlab做了频谱分析。2.4传感器的内压接口抗干扰一直是局部放电在线检测的关键性问题,这对于获取有效信号,防止误判断,避免重大事故的发生有重大意义。常见的用于电缆局部放电检测的抗干扰方法有以下几种:(1)脉冲反射技术利用脉冲反射技术我们可以进行电缆中局部放电的定位,这已经是比较成熟的理论了。如果知道电缆的长度,电磁脉冲的传播速率,以及放电脉冲和反射脉冲经过传感器的时间间隔,就可以对其进行定位。(2)传播时间分析在电缆接头的两端放置两个传感器(如电容耦合器),我们可以区分是接头内部放电还是外部放电(外来干扰或放电),如图7所示。图7区分了对应于各段的长度Ls,Lj、对应于方向耦合器各端口P1,P2,P3,P4的信号电压的最大幅值及其传播时间。假设内部放电只发生应力锥以内。如果有一个干扰脉冲沿着电缆传播,那么在传感器A和传感器B两处得到的信号存在时延ΔtnΔtn=2Ls+Ljv(1)Δtn=2Ls+Ljv(1)式中,v为脉冲在电缆中的传播速率,大约等于真空中的50%或60%。而对于内部放电,最大可能的时间延迟是ΔtpD=Lj/v。这样我们可以通过时间延迟的不同把干扰信号和真实信号区分开。但要注意考虑到系统可检测脉冲的上升时间以及放电脉冲的上升时间,这样就有一个Ls需要满足的判据:Ls>trv/2。(3)极性鉴别对于图3采用的电感耦合器,如脉冲传播的方向不同,电感耦合器感应的信号就会有差别。如果把两个耦合器分别放置在一个电缆接头的两边,可以通过比较所得信号的极性来区分是电缆接头内部的放电,还是外来的干扰。假定不考虑信号在端部的反射(如果电缆比较长,反射信号衰减得很快),两个信号的极性相反,则应该是属于内部放电;反之则可认为是外来的干扰。(4)方向耦合法方向耦合法实际上是利用方向耦合器来区别感应信号的方向(如上所述),这样可以对传感器获取的信号作初步的判断。如果在电缆接头处放置两个方向耦合器就可以区分信号源是来自“接头内”,“左边”,还是“右边”。譬如,若图8中传感器对应于方向耦合器A和B,那么如果P1∶P2>2∶1,而P4和它们相比很小,就可以认为是从传感器A左边来的放电信号;如果P2∶P1>2∶1,和P3∶P4>2∶1,则可以认为是接头内的放电;而如果从一个传感器的两个端口得到的信号小于1∶2关系,就可以认为是噪音信号。2.5局部放电检测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入了使用,譬如在德国柏林6.3km380kV电缆上投入使用的局部放电检测系统,利用方向耦合器作为传感器,测量频带高达到几百兆赫,最高达600MHz。在美国则利用光电隔离系统较好的解决了长距离传输的问题。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