高压电缆终端局部放电检测方法研究

高压电缆终端局部放电检测方法研究

0高压电缆局部放电检测原理目前，应用于电能电缆的绝缘检测方法主要包括直分量法、直流电压叠加法、交流叠加法、损失电流测量法、局部放电法等。鉴于电缆局部放电检测相关技术的发展,IEEE及CIGRE等权威机构均针对电缆的局部放电检测制定了相关的测试导则,有助于推动电力电缆局部放电检测的标准化和规范化。本文研制并同时使用基于高频(HF)和超高频(UHF)检测原理的局部放电信号传感器,对高压电缆终端进行在线连续局部放电检测。由于2种传感器的检测频段不一致,检测结果中均存在真实的局部放电及不同的干扰信号,而干扰信号往往与局部放电信号具有类似的时频特性,仅使用单一的传感器难以区别信号和干扰。通过比较和联合分析2种传感器的检测信号,能够有效分辨真实局部放电以及区分外部干扰,提高检测结果的可信度。1基于hf和uhf的高频电源测试对电缆进行局部放电检测,需要通过特定的信号传感技术,耦合得到由于绝缘劣化而产生的放电信息。目前,常用于电缆局部放电的检测方法主要有声发射法和电磁耦合法,其中电磁耦合法使用的传感器可以分成电容型、电感型、超高频、方向耦合和金属膜传感器等类型。基于HF和UHF频段信号检测原理的高频电流传感器和超高频传感器都属于非侵入式的电磁耦合类型方法,检测机构与高压没有直接的电气连接,不改变正在运行的电缆及附件的结构,适用于已投入运行电力电缆的在线检测。基于HF和UHF原理的局部放电检测原理如图1所示。1.1高频电流传感器的设计高频通常指频段位于3~30MHz范围内的信号,而局部放电电流在高频频段内具有较大的信号能量。如图1所示,电缆终端和电缆接头内发生局部放电,放电电流沿着接地线向大地传播,在电缆接地线上可检测出局部放电。基于HF方法的高频电流传感器(highfrequencytransformer)一般使用Rogowski线圈。在环状磁芯材料上围绕多圈的导电线圈,高频电流穿过磁芯中心而引起的高频交变电磁场会在线圈上产生感应电压。利用高频电流传感器套接电缆接地线的检测属于非侵入式的检测方法,被检测设备不需要停运,简单可靠。本文设计的高频电流传感器选择2~10MHz的带宽频段,既能抑制广播信号窄带干扰,也能有效地检测局部放电高频电流信号。高频电流传感器耦合得到的高频电流信号,通过积分电阻形成电压信号。该电压信号通常较为微弱,须经过前置放大器电路,放大到可采集的信号幅值范围,如图2所示。由于局部放电信号是宽频带信号,其频谱能量分布在整个频带上,而现场检测的最大干扰来自无线电广播的载波频率,窄带干扰的频谱主要集中在2MHz以下,采用FIR带通滤波,直接滤除无线电广播涉及的频谱段。在信号分析时采用200阶FIR带通滤波器,带宽为2~7MHz。对频谱滤波后的信号进一步使用小波消噪方法滤除背景白噪声,降低信号中的噪声带。1.2外置式电缆局部放电超高频检测在图1中,当电缆或者电缆附件内发生局部放电时,会激发并向周围空间辐射出频率达1GHz以上的超高频电磁波,UHF检测法采用超宽频带天线,感应局部放电激发的频率为300MHz~3GHz的超高频电磁波。图3为双臂平面等角螺旋天线,用于外置式电缆局部放电超高频检测。在电缆接头和电缆终端部位内的由于绝缘劣化而产生局部放电现象,向外界辐射出高频电磁脉冲,在电缆终端和电缆附件的非完全屏蔽部位向外传播,例如GIS电缆终端的环氧绝缘子处能够耦合到电缆接头内发生局部放电所泄漏的高频电磁脉冲,另外电缆附件的接地线有局部放电电流经过,也可作为传导路径向外界辐射出局部放电激发的超高频电磁波信号。原始超高频信号的主要频谱能量可达到1GHz以上,难以用常规的采集手段实现多工频周期的连续检测,故采用超高频信号包络检波的方法,通过检波电路,检测超高频脉冲的包络波形,并延拓信号的持续宽度,以满足设计的检测系统对采集信号的带宽要求。2电缆终端在线实时检测本文设计的电缆终端局部放电检测装置如图4所示。外部进线的高压电缆进入变电站后,通过电缆终端连接到GIS筒体等站内电气设备。在一回路线的B相和C相的电缆终端接地线上各安装一个高频电流传感器,并在C相电缆终端和GIS结合部位附件安装一个超高频传感器,使用便携检测设备实现连续的数据采集,同时采集工频参考相位信号,并使用工频相位触发采样。本文研制的多通道在线连续监测装置,可对电缆终端进行连续在线检测,记录放电现象在一段较长时间内的变化趋势。便携检测设备以20MHz的采样频率和2M的采样深度进行数据采集,兼顾考虑了数据的有效性和数据的存储量,实现达5个工频周期的连续数据记录深度。3hf和uhf信号联合分析3.1高频电流和超高频传感器检测单独使用HF或UHF方法,都难以达到满意的检测判别效果,主要原因在于:a.高频电流传感器装设在电缆终端的接地线上,而一般变电站内接地线的连接结构较为复杂,容易感应到大量的来自电力电子开关器件和变压器等产生的脉冲型干扰信号,而且这些外界干扰多与工频具有周期相关性,而在波形上与局部放电类似,故难以判别该信号是否来自电缆终端;b.超高频传感器容易接收到电晕放电等电磁波干扰信号,在现场检测中发现,当检测地附近有架空线路经过绝缘子转接电缆,或者有强烈电晕的户外母线时,超高频检测信号中会有大量与工频相位相关的干扰脉冲群,难以辨别真正的局部放电信号。本文同时使用高频电流传感器和超高频传感器进行局部放电检测,通过比较2种方法的检测结果,提高放电脉冲信号判断的准确性和可靠性。在时域图上采用相同的时基,绘制2路经过滤波的高频电流传感器信号及1路超高频检波信号,如图5所示。分析比较同时检测的B、C两相高频电流传感器和超高频传感器信号的波形,根据各路脉冲信号的时域相位分布情况,分辨有3种类型的脉冲信号。a.第1类:如图5(b)所示,高频电流传感器检测到而超高频传感器没有检测到的脉冲,该类脉冲呈现与工频相关的周期特性,判断为站内其他设备通过接地线传导而侵入的干扰信号。b.第2类:如图5(c)所示,超高频传感器检测到而高频电流传感器没有检测到,在每一个工频周期出现一簇脉冲群,在实际检测中发现该脉冲由日光灯产生,判断为通过空间电磁传导的干扰信号。c.第3类:如图5(d)所示,高频电流传感器和超高频传感器在同一时刻均检测到脉冲。高频电流传感器检测到信号表明放电源与电缆终端有直接的电气连接,而并非来自空间的外部干扰;由于超高频信号频率很高,在空间中衰减很快,故超高频传感器检测到信号表明放电源只能来自电缆终端附近,而非远端的GIS或者变压器等电气设备。3.2放电脉冲的分布对图5(d)中第3类高频电流传感器及超高频传感器同时能够检测的信号作进一步分析。a.B、C两相的接地线上都能够检测放电脉冲电流,两者的发生时刻几乎完全一致,可判断B相和C相上检测到的放电来自同一个放电源。b.比较同一时刻发生的放电脉冲的幅值,C相高频电流传感器的信号比B相的大,可判断放电源离C相电缆终端较近;B相接地线上的脉冲信号通过与C相接地线连通的互联接地箱感应得到,故幅值较小。c.放电脉冲的分布与工频相位相关,发生时刻较为稳定;放电脉冲在工频正半周和负半周分布情况相似。为了进一步确定放电源的位置,使用2个超高频传感器通过时差法进行局部放电定位,比较三维角度上放电信号到达2个传感器的时间差,最后确定放电源信号来源于电缆终端的位置。4高频电流和超高频传感器在线检测本文研制基于HF及UHF联合检测方法的现场高压电缆终端局部放电检测装置,使用高频电流传感器检测流经电缆接地线的高频局部放电电流信号,超高频传感器感应空间辐射的电磁波信号,实现了对电缆终端绝缘状况的连续监测。检测系统使用的高频电流传感器及超高频传