高壓XLPE電纜絕緣檢測及評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1123

1、第二章 電纜絕緣狀態(tài)檢測及評估原理前已指出，我們研究的內(nèi)容是將局部放電試驗、交流耐壓試驗和定位技術(shù)整合在一起，更加科學(xué)地判斷被試電纜的絕緣狀態(tài)。本章著重闡述試驗設(shè)計及實現(xiàn)過程中用到的原理，具體包括：脈沖電流法測電纜局部放電、變頻諧振技術(shù)、放電量的校準、干擾抑制、電纜長度測量及故障定位。2.1 脈沖電流法測電纜局部放電2.1.1 脈沖電流法概述局部放電是絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象，這種放電一般發(fā)生在電纜的局部缺陷處，放電量很小，在放電初期基本不會影響電力電纜的絕緣能力，但如果這種放電長期發(fā)生，則會逐漸的損壞電纜的絕緣，縮短電纜壽命。由于局部放電時，電纜的絕緣電阻、介質(zhì)損耗和泄露電流

2、都不會有太大變化，因此，檢測以上參數(shù)是無法判斷出局部放電的。但在絕緣發(fā)生局部放電的時候，一般都會產(chǎn)生電脈沖、電磁波放射、光、熱、聲、噪普等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象就可以作為局放檢測的對象。根據(jù)檢測物理量的不同，其方法有：脈沖電流法（測試試樣兩端電荷的變化）、電橋法（測放電能量損耗）、無線電干擾電壓法（測放電產(chǎn)生的無線電干擾電壓），以及許多非電檢測法（測局部放電所發(fā)生的聲、光、熱以及放電生成物等）。其中脈沖電流法的靈敏度最高，而且可以測得放電量（視在放電電荷）、放電重復(fù)率及平均電流、放電能量等，是最基本最為廣泛應(yīng)用的一種方法。脈沖電流法對局部放電頻譜中的較低頻段（一般為數(shù)千赫茲至數(shù)百千赫茲或至多數(shù)兆赫茲，

3、局部放電信號能量主要集中在該段頻帶內(nèi)）成分進行測量，以避免無線電干擾，是一種選擇視在放電電荷作為測量局部放電量的方法。由于局部放電引起電荷轉(zhuǎn)移，在試驗回路中就產(chǎn)生高頻電流脈沖，電流脈沖流經(jīng)檢測阻抗就變成電壓脈沖，電壓脈沖的波形和幅值可以用示波器來測量。電壓脈沖波的大小正比于視在放電量q，這個量的單位是pC（微微庫）。這種方法最初由英國電氣研究協(xié)會（ERA）提出，從70 年代起就得到國際電工委員會（IEC）的推薦，現(xiàn)在在我國已被廣泛地采用。圖2-1 為脈沖電流法基本原理示意圖。L-單位長度電纜的電感 C- 單位長度電纜的電容 Cc-放電氣隙的電容 Cb-與氣隙串聯(lián)部分介質(zhì)的電容2.1.2 電纜中

4、局部放電測量對于電機線棒、套管、電容器以及絕緣材料等試樣，可以把試樣看作一個集中參數(shù)Cx，但對于長電纜就不能看作集中參數(shù)。長電纜中局部放電產(chǎn)生的脈沖電壓在終端可能產(chǎn)生反射或振蕩，這時局部放電等效電路就必需用分布參數(shù)來表示（如圖2-2 所示），局部放電的特性可以用分布參數(shù)的等效電路中出現(xiàn)的行波來表征，這種測量方法稱為行波法。L-單位長度電纜的電感 C- 單位長度電纜的電容 Cc-放電氣隙的電容 Cb-與氣隙串聯(lián)部分介質(zhì)的電容電纜缺陷處產(chǎn)生的局部放電脈沖將以一定的傳播速度沿電纜長度傳播，并在末端發(fā)生反射，反射后繼續(xù)傳播，。行波檢測法是測量電纜終端檢測阻抗上局部放電產(chǎn)生的脈沖電壓幅值，或脈沖電壓產(chǎn)生

5、的視在放電電荷。為簡化計算，可用電纜的特性阻抗ZC 來代替L 與C，等效電路如圖2-3 所示：當氣隙發(fā)生放電時，脈沖電流ib 同時通過兩側(cè)特性阻抗ZC，因此在電纜終端也就是特性阻抗兩端出現(xiàn)的電壓為：U0=ibzc2 設(shè)一次放電時間為 0 t ，則電壓波所圍的面積為: Q 相當于視在放電電荷。由此可見，A 正比于q。只要測出電纜終端電壓波所圍的面積就可計算出視在放電電荷。在內(nèi)部氣隙放電時，單個放電波形近似為一個方波如圖2-4 所示。這時在0 t 時間內(nèi)電壓幅值都保持為0 U ，因此上面式子可改寫為：在這種情況下，可以用電纜終端出現(xiàn)的電壓幅值來表示視在放電電荷7。2.1.3 局部放電測試回路根據(jù)測

6、試回路的特點，行波檢測法可分為“直測法”和“平衡法”兩種。所謂直測法，指直接測量局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流在檢測阻抗兩端響應(yīng)的脈沖電壓，有并聯(lián)法（檢測阻抗與耦合電容器串聯(lián)）與串聯(lián)法（檢測阻抗與電纜Cx 串聯(lián)）兩種。平衡法須要兩個檢測阻抗，一個與耦合電容器串聯(lián)，一個與電纜Cx 串聯(lián)，主要特點在抗外來干擾的能力強。Ck耦合電容器；Zd檢測阻抗；Zm阻塞阻抗；PDD測試儀器；HV高壓電源其中，阻塞阻抗Zm 亦稱高壓濾波器，它可抑制從試驗電源側(cè)竄進試驗回路的干擾，也可阻止試樣的局部放電脈沖通過試驗電源泄露掉。既有效地抑制來自電網(wǎng)的干擾，又較好地提高局部放電的檢測靈敏度。以上三種測試回路大同小異，不論哪種

7、測試回路，都是由電纜、耦合電容器（隔離電容器）Ck 以及檢測阻抗Zd 組成。耦合電容的作用是將試樣局部放電產(chǎn)生的脈沖信號耦合到檢測阻抗上去。在并聯(lián)測試回路中耦合電容器Ck 又起隔離工頻高壓的作用，使檢測阻抗處于低電位。耦合電容器在試驗電壓下不允許產(chǎn)生局部放電，而且殘余的電感要足夠小，以免在測試回路中產(chǎn)生振蕩。檢測阻抗的作用是取樣，當試樣產(chǎn)生局部放電時，測試回路中就有脈沖電流，于是檢測阻抗兩端就會出現(xiàn)脈沖電壓，這個電壓的幅值與波形是與局部放電的大小、快慢以及測試回路的各參數(shù)，特別是檢測阻抗有關(guān)。2.1.3.1 檢測阻抗檢測阻抗，也稱為輸入單元，主要作用是取得局部放電所產(chǎn)生的高頻脈沖信號，對試驗電

8、壓的工頻及其諧波的低頻信號則予以抑制。檢測阻抗是連接試品與儀器主體部分的一個關(guān)鍵部件，對儀器的頻率特性與靈敏度有直接關(guān)系。常用的檢測阻抗有RC 型和RCL 型兩種如圖2-6 所示：電容Cd 主要由至儀器主體連接電纜的電容、放大器輸入電容等組成。當試樣產(chǎn)生局部放電時，試樣兩端有電荷變化為qa，如果試樣兩端不接測試回路，則試樣兩端的電壓變化為x=qacx (2-5)在上述測試回路中試樣兩端的電壓變化為由于這個脈沖電壓的上升時間很短，在上述測試回路中Ck、Zd 上電壓初始值都可以看作與其電容量成反比，這時檢測阻抗兩端的電壓初始值為式中， CT=Cx1+CdCk+Cd ,Cx 為試樣的電容（pF），C

9、k 為耦合電容（pF），Cd 檢測阻抗的電容（pF），qa 視在放電電荷（pC）從式（2-7）可以看出以下幾點：1） 當測試參數(shù)已定之后，Ud 與qa 成正比，因此可以用檢測阻抗兩端的電壓來代替放電量。2） 當試樣的電容量增大時，Ud 減小，因此對于大電容量的試樣如電容器、長電纜等若要測得較小的放電量就需要測試儀器具有更高的靈敏度。3） 在測試儀器的靈敏度一定時，增大Ck 或減小Cd 可以提高測試靈敏度。但Cd受引線分布電容所限，在調(diào)諧回路中還受調(diào)諧條件所限。在串聯(lián)回路中，增大Ck 就會抬高檢測阻抗兩端的工頻電壓，從安全和放大器正常工作的要求出發(fā)不允許在檢測阻抗兩端出現(xiàn)高的工頻電壓。而且Ck

10、增大通過檢測阻抗的電流也要增大，因此檢測阻抗的容量也要相應(yīng)地增大7。2.1.3.2 放大器從檢測阻抗取得的局部放電信號是很微小的，例如當試樣電容為10-6F，放電量為10-12C 時，試樣兩端電壓變化約為1V，而且獲得的檢測脈沖信號中混有數(shù)值相對可能高得多的工頻電壓或其諧波分量。為了只放大局部放電脈沖信號，放大電路一般由高通濾波器及適當頻帶寬度的放大器組成。放大器對顯示的脈沖波形、響應(yīng)特性、靈敏度及噪聲性能等都有直接影響。放大器要低噪聲（信/噪比應(yīng)不小于2：1）、高放大倍數(shù)（增益在80dB 左右），頻帶要與測試回路的頻帶匹配。根據(jù)放大器的頻率特性，可將放大器分為兩類，如圖2-7（a）、（b）所

11、示：f1-頻帶下限頻率 f2-頻帶上限頻率 f0-諧振頻率 f-頻帶寬度1、寬帶及低頻放大器頻帶的下限頻率f1 一般為數(shù)kHz（3dB 點），以阻止工頻及其諧波電壓侵入。寬帶放大器的上限頻率f2一般取一至數(shù)十MHz（3dB點）；而低頻放大器的f2一般為（100300）kHz（3dB 點）。寬帶放大器一般與RC 型檢測阻抗相配，而低頻放大器一般與RCR 型檢測阻抗相配8。寬帶放大器由于易受外界噪聲影響，限制了它的廣泛應(yīng)用。僅在少數(shù)場合（例如行波法定位）下獲得應(yīng)用。低頻放大器受外界干擾的影響較小，易獲得高增益，靈敏度仍較高，故成為脈沖電流法測試儀主要采用的放大器類型。2、 調(diào)諧放大器又分為窄頻帶與

12、中頻帶兩種方式。窄頻帶放大器主要在無線電干擾電壓法（RIV 法）中應(yīng)用。因頻帶窄（約10 kHz），中心頻率f0 可調(diào)節(jié)，以避開外干擾大的頻域，故有實用意義。但其包絡(luò)線范圍大，分辨率差，其脈沖分辨時間可達200s 以上，而且脈沖極性不能判別，我國應(yīng)用較少8。中頻帶調(diào)諧放大器是針對窄帶放大器的分辨率太低所進行的改良，隨著f 頻帶展寬至100kHz 左右，脈沖分辨率有改善，但仍不能判別放電脈沖波的極性。在實際測量中，由于測試裝置對脈沖信號總是要有一定的時間響應(yīng)，致使最終測得的脈沖電壓幅值與檢測阻抗和放大器的頻率響應(yīng)都有關(guān)。2.2 變頻諧振技術(shù)單位長度圓形單芯電纜的電容8式中：0真空介電常數(shù)，0 =

13、8.86×1012 (F/m)； 絕緣材料的相對介電常數(shù)，擠塑絕緣常用絕緣材料的（相對）介電常數(shù)見表2-1；e D 絕緣外徑（不包括外半導(dǎo)電屏蔽層厚度）；c D 線芯導(dǎo)體外徑（包括線芯表面半導(dǎo)電屏蔽層厚度）。與其它電工產(chǎn)品相比，電纜的電容量很大。采用傳統(tǒng)的工頻試驗變壓器笨重、龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場不易取得，因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗設(shè)備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備（50Hz），但存在自動化程度差、噪音大等缺點。因此現(xiàn)在大都采用調(diào)頻式串聯(lián)諧振試驗設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)數(shù)（Q 值），并具有自動調(diào)諧、多重保護，以及低

14、噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優(yōu)點。綜合國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗頻率范圍是個比較重要的問題。國際大電網(wǎng)會議第21、09工作組發(fā)布的試驗導(dǎo)則，建議頻率范圍為30300Hz。串聯(lián)諧振亦稱電壓諧振。串聯(lián)變頻諧振試驗的工作原理如圖2-8所示。（1） 變頻電源：頻率在30300Hz連續(xù)可調(diào)的功率源。（2） 勵磁變壓器：用于給電感、電容諧振系統(tǒng)提供能量的變壓，特點是變壓器的鐵芯特性能適應(yīng)較寬頻率下的電壓響應(yīng)，與變頻源配套使用。（3） 諧振電抗器：用于同試品電容進行諧振，以獲得高電壓（大電流）的電抗器。規(guī)格有：30H/20kV/2A、40H/40kV/3A等，一般配13個可根據(jù)需要串并

15、組合（4） 電容分壓器：用于精確測量試品端所加電壓值。圖中，交流220V、50Hz 電源經(jīng)變頻器輸出30300Hz 頻率可調(diào)的電壓，輸入勵磁變壓器T，升壓至02000V，再經(jīng)諧振電抗器L (可以是串并聯(lián)組合的電抗器) 和被試電纜Cx，構(gòu)成高壓主諧振回路，電容分壓器為純電容式，用來測量試驗電壓，其中，C1 、C2 分別為電容分壓器的高壓臂和低壓臂。串聯(lián)變頻諧振試驗原理的等效電路如圖2-9所示。R為高壓試驗回路等效電阻，C為被試電纜、電容分壓器及引線分布電容等綜合電容之和，簡稱為試品電容。在這樣的R、L、C串聯(lián)回路中，當變頻電源的頻率f 逐步升高時，諧振電抗器的感抗XL = 2fL 逐步增大，而試

16、品電容的容抗XC = 1/ (2fC) 隨著頻率f 的增大，反而逐步減小。當達到電容中的某一頻率時，回路中的感抗與容抗相等(XL = XC)，電感中的電磁場能量與試品電容中的電場能量相互來回反饋補償，試品所需的無功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功損耗。此時，電路達到諧振狀態(tài)，諧振頻率為 f = 12LC (2-9)設(shè)回路電流為I，則勵磁電壓 UT = IR (2-10)試品電容的容抗產(chǎn)生的電壓,即試驗輸出電壓為 UC = I XC = I/(2fC) (2-11)品質(zhì)因數(shù)Q 即試品所獲得的容量與勵磁變壓器輸出容量之比，在串聯(lián)諧振回路中可用試品電容上的電壓值與勵磁變壓器的輸出電壓值之比

17、代替，則品質(zhì)因數(shù)Q為試驗輸出電壓為 UC=Q UT (2-13)由上述可知，只要適當增大諧振電抗器的電感量L，就可以在較小的勵磁電壓UT下，使被試電纜Cx上產(chǎn)生幾十倍于UT的試驗輸出電壓。串聯(lián)諧振耐壓試驗的優(yōu)點：串聯(lián)諧振時諧振式電流濾波電路，能改善電源電壓波形畸變，獲得很好的正弦電壓波形，有效防止諧波尖峰對被試品的傷害。在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當被試品的絕緣弱點被擊穿時，電路立即失諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的數(shù)十分之一（1/Q）。而采用并聯(lián)諧振或試驗變壓器方式做耐壓試驗，擊穿后的電流立即上升幾十倍以上。兩者相比，擊穿電流相差數(shù)百倍，所以，串聯(lián)諧振耐壓既能有效地找出絕緣弱點，又不存在大短路電流燒

18、傷故障點的隱患。發(fā)生閃絡(luò)擊穿時，因失去了諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧立即熄滅。且諧振電壓再建立時間較長，很容易在再次達到閃絡(luò)電壓前斷開激勵電源。2.3 放電量的校準在局部放電測量中測試儀器上出現(xiàn)的信號（脈沖幅值），究竟代表多大的放電量，需要通過放電量的校準才能確定。電測法局部放電檢測系統(tǒng)的定量校正是根據(jù)視在放電量的定義，如果定量校正試品Cx產(chǎn)生的局部放電量，可以用幅值為U0的方波電壓源串聯(lián)小電容C0組成人工模擬支路并將產(chǎn)生的放電量q0注入與Cx兩端，此注入的電荷量為q0 =U0C0，這時在局部放電檢測儀的顯示器上可測得脈沖高度H0，則放電量的分度系數(shù)為 K0 = q0

19、 /H0 (2-14)經(jīng)過校正后，應(yīng)保持檢測系統(tǒng)連接回路不變以及系統(tǒng)的放大倍數(shù)等其它參數(shù)都不改變，即保持檢測系統(tǒng)分度系數(shù)不變。曲調(diào)校正用的人工模擬支路后，對試品按試驗規(guī)程施加試驗電壓。當試品產(chǎn)生放電時，在顯示器上讀得的脈沖高度為H ，則試品的視在放電量為 q 0 = K0 H (2-15)國家標準GB7354-87局部放電測量推薦了直接法和平衡法測量回路的直接校正電路，如圖 所示。如果將人工模擬支路產(chǎn)生的放電量q0注入檢測阻抗Zd兩端稱為間接校正，采用間接校正方法得到的分度系數(shù)進行放電量標定時，實際的放電量是分度系數(shù)K0、回路衰減系數(shù)Kl以及脈沖高度H 三者的乘積，其中回路衰減系數(shù)Kl通常以測

20、量方式求得，其方法是：采用間接校正回路測得分度系數(shù)K ，采用直接校正回路測得分度系數(shù)K ，則Kl = K/ K 且 Kl >1 (2-16)2.3.1 直接校準將已知電荷量 Q0 注入試品兩端稱為直接校準，其目的是直接求得指示系統(tǒng)和以視在放電量Q 表征的試品內(nèi)部放電量之間的定量關(guān)系，即求得換算系數(shù)K。這種校準方式是由GB/T7354-2003 推薦的。直接法和平衡法測量回路的直接校準電路，如圖2-10 所示，其方法是：接好整個試驗回路，將已知電荷量q0=U0C0 注入試品兩端，則指示系統(tǒng)響應(yīng)為LN。取下校準方波發(fā)生器，加電壓試驗，當試品內(nèi)部放電時，指示系統(tǒng)響應(yīng)為LX，此時可換算系數(shù)為：

21、KH=LxLN10(N1-N2) (2-17)式中：N1 為局部放電儀放大器測量時的倍率檔位（15），N2 為局部放電儀校正時的檔位（15）（此時倍率為每檔10 倍，第5 檔為放大倍數(shù)最大，否則應(yīng)為N2- N1）。則測試的視在放電量Q 為： Q= U0C0KH (2-18)式中：Q 為視在放電量，pC；U0 為方波電壓幅值，V；C0 為電容，pF；KH 為換算系數(shù)。為了使校準保證有一定的精度，C0 必須滿足：式中：Cm 為測量阻抗兩端的等值電容。2.3.2 間接校準將已知電荷量 Q0 注入測量阻抗Zm 兩端稱為間接校準，其目的是求得回路衰減系數(shù)K1，并由校準脈沖相比較而直接讀出放電量值。直接法

22、和平衡法測量回路的間接校準電路，如圖2-11 所示。圖2-11 中的是高壓對地的總雜散電容，其值隨試品和試驗環(huán)境的不同而變化，是個不易測得的不定值。因此，通常以測量的方式求得回路衰減系數(shù)K1，其方法是：接好整個試驗回路，將已知電荷量Q0 注入測量阻抗Zm 兩端，則指示系統(tǒng)響應(yīng)為 。再以一等值的已知電荷量Q0 注入試品Cx 兩端，則指示系統(tǒng)響應(yīng)為 。這兩個不同的響應(yīng)之比即為回路衰減系數(shù)K1，即： K1='>1 (2-21)則視在放電量： Q= U0C0K1 (2-22)直接校準時，加電壓試驗的校準方波發(fā)生器需脫離試驗回路，不能與試品內(nèi)部放電脈沖直觀比較。間接法校準時，校準方波發(fā)生器

23、可接在試驗回路并能與試品內(nèi)部放電脈沖進行直觀比較。2.4 干擾抑制在局部放電測量中，往往由于外部干擾信號的影響而使測試結(jié)果產(chǎn)生誤判斷，甚至?xí)箿y試無法進行，因此有效地消除和抑制干擾是局部放電測量的重要環(huán)節(jié)。局部放電測量時的干擾主要有以下幾種形式13：a 電源網(wǎng)絡(luò)的干擾。b各類電磁場輻射的干擾。c 實驗回路接觸不良、各部位電暈及試驗設(shè)備的內(nèi)部入電。d接地系統(tǒng)的干擾。e 金屬物體懸浮電位的放電。干擾的抑制措施：（1） 各個通道間盡可能拉開一定的距離，特別要避免通過高阻相連。 例如多路信號傳遞時本可共用一個集成片子，為避免不同通道間干擾最好分別選用幾個片子1。（2） 采用單點接地。多點接地時容易在地

24、線回路上有環(huán)流引起共模干擾。各個部件、單元均自成回路，不要共用地線，特別是數(shù)字電路和模擬電路的地線更需分開，以防止相互間的共模干擾1。（3） 隔離。信號通過一定的隔離措施再傳遞到另一單元，以避免各單元間的相互干擾。常用的隔離方式有：隔離變壓器、光電耦合器、光電光纖信號傳輸。（4） 高壓引線選用較粗的銅導(dǎo)線，在接線處均套上均壓罩，以保證在被試品上發(fā)生局部放電是高壓導(dǎo)線無電暈放電。（5） 為了防止電源噪聲流入到測量回路來，以及被試品局放脈沖流到電源去，在電源和測量回路間接入一個低通濾波器。它不但可以濾去從電源來的高頻干擾信號，而且還可以改善電壓波形和阻止試樣中局放信號被變壓器入口對地分布電容所短路

25、。（6） 屏蔽技術(shù)。通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來，使屏蔽體內(nèi)外的“場”相互隔離。另外，工控機采用屏蔽機箱。機箱的屏蔽材料一般采用銅板、鐵板、鋁板、涂鋅板等，厚度約為2.20.8mm。這些金屬板對電場、高頻磁場和電磁場的屏蔽效能都很大，可達到160dB1。（7） 平均技術(shù)。這是用軟件即數(shù)據(jù)處理的方法抑制干擾，主要是隨機性干擾。采用平均技術(shù)需確定采樣率、每次采樣樣本的容量以及樣本數(shù)，而這些采樣值的采樣周期必須是嚴格相同的。（8） 濾波技術(shù)。使用各種帶通濾波器可有效地消除和抑制連續(xù)的周期性干擾。帶寬和中心頻率的選擇視干擾信號的頻帶而定。窄帶抗干擾性好，能抑制通頻帶以外的干擾信號，

26、但也容易造成信號某些頻率成分的過分丟失；寬帶雖可測得信號的頻率成分比較豐富，但又不利于抑制干擾。除了硬件濾波外，還可利用數(shù)字濾波技術(shù)抑制干擾，主要針對連續(xù)的周期性干擾，可用于局部放電脈沖信號的監(jiān)測中。詳細介紹見第四章小波去噪技術(shù)。抑制干擾措施很多。有些干擾，在變電所現(xiàn)場要完全消除往往是不可能的。實際試驗時只要將干擾抑制在某一水平以下，能有效測量試品內(nèi)部的局部放電就可以了。2.5 電纜長度測量與局部放電定位電力電纜長度測量與局部放電定位的主要方法是行波法，它切實可靠，在我國許多電纜廠已廣泛應(yīng)用。行波法基本原理：向待測電纜注入一低壓脈沖，通過接收阻抗不匹配點（故障點和電纜尾端）的反射回波來實現(xiàn)長度

27、測量和故障點定位。在電纜檢測端注入校正脈沖波，利用檢測儀監(jiān)視波的傳播情況，見圖2-12。在時間t1 注入校正脈沖，此時檢測儀出現(xiàn)一個波形，為注入脈沖，該脈沖沿電纜全長傳播到遠端，反射，再沿電纜傳播到檢測端。在t2 時檢測儀上出現(xiàn)第二個波形。此后脈沖波會繼續(xù)反復(fù)傳播，以等間隔在t3，t4，出現(xiàn)波形，直到逐步衰減到不能識別為止。顯然，時間間隔t2-t1（或t3-t2 等等）相當于脈沖波傳播經(jīng)過兩倍電纜長度的時間量，由此可檢測出電纜的長度L。 L =V ×(t2 t1) / 2 (2-23)其中V 為電纜中行波的傳播速度，僅與電纜的絕緣介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)， v=300/rms（對于交聯(lián)聚乙烯絕緣

28、r =2.3）；t2-t1 為兩倍電纜時間。在檢測到電纜局放時，如果能對局部放電源進行定位，那么局部放電活動測量的實效性就會大大提高。定位有單端定位和雙端定位兩種方法，定位原理同上述的長度測量。2.5.1 電纜局部放電單端定位法當局部放電發(fā)生時，局放脈沖從放電點向電纜兩側(cè)傳播。其中一個入射波經(jīng)過沿電纜線的衰減和畸變后直達測量端，由檢測回路響應(yīng)后，經(jīng)檢測阻抗進入檢測裝置放大并顯示，稱為直達脈沖，另一個反向傳播的放電脈沖先到達遠端發(fā)生反射，反射波沿電纜全長L 傳播到達測量端經(jīng)檢測回路顯示，稱為反射脈沖，如圖2-13 所示：如果直達脈沖和反射脈沖都能被識別，就可很容易地確定局部放電位置。設(shè)直達脈沖到

29、達檢測儀的時間為t1，反射脈沖到達檢測儀的時間為t2，則由兩個脈沖的時間差T可確定局放位置： Lend=v×T2 (2-24)其中， V 為電纜中行波的傳播速度， 僅與電纜的絕緣介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，v=300/rms（對于交聯(lián)聚乙烯絕緣r =2.3）；T =t2-t1 為直達脈沖與反射脈沖到達檢測儀的時間差。2.5.2 利用同步收發(fā)儀進行電纜局部放電雙端定位局部放電單端定位法步驟簡單，操作簡便，但在實際應(yīng)用中，由于反射的脈沖太弱，或存在其他反射脈沖、噪音以及波形失真帶來的干擾，使用這種簡單的單端測量方法，比較難實現(xiàn)局放點的定位。因此，如果第二個脈沖（反射脈沖）能夠明顯強于噪音信號，定位就會

30、容易得多。在測量時，為了增強反射脈沖，使之能夠從背景噪音中突顯出來，可以使用同步收發(fā)儀。該儀器包括一套放電觸發(fā)單元和一個脈沖發(fā)生器，其基本工作原理是利用放電觸發(fā)單元探測到一個小的脈沖后，再利用脈沖發(fā)生器注入一個很大的脈沖，這樣便可確保在電纜的測量端能夠檢測到一個“反射”的脈沖。這種定位方法非常簡單，只要局部放電脈沖清晰，且使用同步收發(fā)儀時方法規(guī)范，定位結(jié)果就會清晰明確。2.6 本章小結(jié)本章主要論述了電纜絕緣檢測及評估系統(tǒng)的設(shè)計原理。介紹了檢測長電纜局部放電的行波法，給出了三種常見的局部放電檢測回路，討論了不同類型的檢測阻抗和放大器特性。詳細說明了串聯(lián)變頻諧振試驗的工作原理并總結(jié)了利用串聯(lián)變頻諧

31、振電源進行耐壓試驗的優(yōu)點。描述了校準放電量的直接校準方法和間接校準方法。討論了局部放電測量中的干擾形式及抑制措施。最后基于行波測距原理進行了電纜長度測量及局部放電點定位的研究。第三章 檢測及評估系統(tǒng)硬件設(shè)計該系統(tǒng)用于檢測高壓電纜內(nèi)的絕緣層的局部放電情況，通過現(xiàn)場預(yù)防性實驗，對電纜絕緣缺陷進行檢測和評估。主要由交流耐壓試驗和局放檢測兩種手段完成，即在交流耐壓實驗的基礎(chǔ)上，通過局部放電檢測數(shù)據(jù)，對電力電纜的絕緣狀況進行評估，并對薄弱環(huán)節(jié)進行定位。3.1 檢測及評估系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)的基本功能框圖如圖 3-1 所示：圖中，變頻諧振電源及其附屬設(shè)備用于向被試電纜提供試驗電壓，電容式分壓器屬于變頻試驗設(shè)備

32、的一個組成部分。在試驗電壓允許的范圍內(nèi)，分壓器能夠提供100V300V的試驗電壓輸出，用于測量或反饋控制。 基本參數(shù)如下：變頻電源，額定輸入：三相AC380V±15%，50Hz；額定輸出：單相，0350V連續(xù)可調(diào)，50kW150kW，正弦波，不穩(wěn)定度1%；頻率要求：范圍30300Hz，調(diào)節(jié)細度0.1Hz，不穩(wěn)定度0.01Hz；滿載連續(xù)工作時間60min。勵磁變壓器低壓側(cè)：額定容量15kVA；額定電壓350V/400V/450V；額定電流111A143A；局部放電10pC(額定電壓下，高壓側(cè)出口處測量)；諧振工作制下，連續(xù)運行60min。調(diào)諧電抗器：額定電壓120kV；額定容量2400

33、kvar；品質(zhì)因數(shù)50(50Hz)； 局部放電10pC。電容式分壓器：額定電壓120kV；電容量標稱值2500pF；分壓比標稱值600：1；局部放電10pC。電纜試品為交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)。檢測阻抗為局部放電的取樣部件。檢測裝置包含兩部分：高頻信號放大器主要對檢測阻抗上測得的信號進行高頻帶通濾波放大，使信號能夠達到測量電路允許的電平范圍，并且不出現(xiàn)明顯的失真或時間延遲；低通有源濾波主要對檢測阻抗上測得的信號進行低通濾波，以得到較好的工頻信號。數(shù)據(jù)采集單元將測量結(jié)果上傳至上位計算機并接受上位計算機的控制。后臺分析與評估軟件是系統(tǒng)的核心部分，完成與采集單元的通信，對采集單元傳過來的信號進行分

34、析處理，得到需要的信息，生成必要的譜圖，并在此基礎(chǔ)上進行定位分析。下面著重講述檢測阻抗設(shè)計、信號調(diào)理電路設(shè)計和數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計，后臺分析與評估軟件在第四章中專門進行論述。3.2 檢測阻抗設(shè)計3.2.1 RC 檢測阻抗概述檢測阻抗的類型及參數(shù)除了和整個儀器的通頻帶（或頻率響應(yīng)）和檢測脈沖波形等有關(guān)外，與放大器的匹配同樣是重要的，對于電容量較大的電纜更是如此?？紤]到RCL 檢測阻抗檢測到的信號呈衰減振蕩以及與寬頻帶放大器的匹配問題，本設(shè)計采用RC 檢測阻抗。接RC 檢測阻抗的測試回路如圖3-2 所示。當電纜上的局部放電很快消失后，檢測阻抗上的電壓Ud 不能馬上消失，Cd 上電壓經(jīng)電阻d R 放電

35、，故d U 按指數(shù)關(guān)系衰減，即式中d 為檢測回路的衰減系數(shù)，它是檢測回路時間常數(shù)d 的倒數(shù)，即d=1dd=1CtRd式中， C t 為調(diào)諧電容，即檢測阻抗兩端上的總電容。Ct=Cd+CK.CxCK.Cx RC 型檢測阻抗上的電壓是非周期性的單向脈沖，每個脈沖與絕緣內(nèi)部局部放電脈沖一一對應(yīng)。脈沖持續(xù)時間短、分辨率高。d 愈大，分辨率愈高。3.2.2 RC 檢測阻抗參數(shù)確定及其信號分析已知 Ck2500（pF），取Cd1（nF），R2（），被屏蔽盒包起來的檢測阻抗外形如圖3-3 所示：圖3-3 檢測阻抗外形（1） 低頻（30Hz300Hz）信號分壓比分別取頻率30Hz 和300Hz，分壓比為： K

36、300 =106000， K 30 =10K300 。故，在電壓等級為110kV 情況下，頻率分別為30Hz 和300Hz 時，檢測阻抗上分壓分別為：（2）局部放電脈沖信號其中， CT=Cx1+CdCk+Cd當電纜長為300 米時，當電纜長度為8 公里時，Cx = 0.17F / km 8000m = 1.36FCv = 1.9FUdm = q( pC)×5.3×10 4 (mV)3.3 信號調(diào)理電路設(shè)計從檢測阻抗上獲得的信號分兩路經(jīng)過檢測裝置，分別得到工頻和高頻脈沖信號，再傳給數(shù)據(jù)采集單元。檢測裝置包括局部放電脈沖信號提取電路和工頻信號提取電路。3.3.1 局部放電脈沖信

37、號提取采用隔離緩沖放大器和前置放大器來實現(xiàn)局部放電脈沖信號的提取。串聯(lián)變頻諧振電源的頻率范圍為30300Hz，在高壓試驗中，為避免工頻信號對局部放電脈沖信號的影響，需要將工頻及其諧波濾除，同時考慮定位和檢測靈敏度的需求，將放大器的截止頻率定為10kHz20MHz，放大倍數(shù)為30。其中隔離緩沖放大器主要實現(xiàn)電氣隔離功能，放大倍數(shù)設(shè)置為1，前置放大器放大倍數(shù)為30。試驗現(xiàn)場存在多種干擾，局部放電脈沖信號的提取受環(huán)境影響比較大，因此，在放大器的外圍加以屏蔽，減少外界環(huán)境的影響，同時選取低噪聲的放大器，避免放大器本身對局部放電信號的干擾。局部放電檢測放大器如圖3-4 所示：圖3-4 局部放電檢測放大器

38、3.3.2 工頻信號提取3.3.2.1 低通有源濾波器概述有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。一般由集成運放與RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時，由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。低通濾波器的特點是使低頻信號（或直流）成分通過、抑制或衰減高頻信號，主要用于削弱高次諧波或頻率較高的干擾和噪聲信號。低通濾波器的主要技術(shù)指標14：(1)通帶增益Avp通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖 3-5 所示。性能良好的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。(2)通帶截止頻率fp其定義與放大電

39、路的上限截止頻率相同，見圖3-5。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。3.3.2.2 二階低通有源濾波器參數(shù)設(shè)計二階LPF 的電路圖如圖3-6 所示，幅頻特性曲線如圖3-7 所示。（1）通帶增益當 f = 0 時，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益為Avp=1+RfR1（2）二階低通有源濾波器傳遞函數(shù)根據(jù)圖 3-6 可以寫出聯(lián)立求解3-10、3-11 和3-12 三式，可得濾波器的傳遞函數(shù) (3)通帶截止頻率將 s 換成jw，令w0 = 2 f 0 =1 (RC)可得當f=fp 時，上式分母的模解得截止頻率：變頻諧振電源的頻率范圍為30300Hz，本設(shè)計將截止頻率確定為

40、300Hz，通帶放大倍數(shù)為2.8，即fp =300Hz， A vp =2.8。選擇集成運放的型號為A741，取C = 4.3 F ，代入式子3-16得R = 45.65（取標稱值為45.3精度為1的金屬膜電阻），取 R1 =1K，由式子3-9得Rf =1.8K（直接取標稱值為1.8K精度為1的金屬膜電阻）。檢測裝置如圖3-8所示。圖3-8 檢測裝置圖3.4 數(shù)據(jù)采集單元3.4.1 數(shù)據(jù)采集概述當要對一個高頻信號（比如高達 100 MHz 的波形）進行采集和處理的時候，通常會設(shè)計一個高速或者超高速硬件采集電路，包括放大部分、濾波部分、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換部分等，這種電路的要求非常高，要求邊采集

41、邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，比較困難，同時目前市場上成品價格很難承受。并且根據(jù)采樣定理，采樣頻率F 應(yīng)等于或大于被采樣信號的最高頻率f 的2 倍，即F2f?？紤]到實際恢復(fù)波形的低通濾波器不可能具有完全理想的特性，為了正確恢復(fù)信號，通常取F(2.55)f 或更高。當采樣的信號高達100 MHz 時，就應(yīng)該達到500 MHz 的采樣率15。3.4.2 DSO 充當數(shù)據(jù)采集單元本系統(tǒng)使用數(shù)字存儲示波器（DSO）充當數(shù)據(jù)采集單元。除了價格上的優(yōu)勢外，與一般意義上的硬件處理器相比沒有了A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換過程，使處理的精度和速度都有了明顯的提高。DSO 的幾個指標：（1） 通道數(shù)。本

42、系統(tǒng)需要同時顯示工頻和高頻局放脈沖信號，因此數(shù)字示波器應(yīng)不少于兩個通道。（2） 采樣頻率。定義為每秒采樣次數(shù)（S/s）。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丟失的概率就越小。為滿足局部放電點定位的要求，本系統(tǒng)要求采樣頻率不低于2GHz。經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，電纜當中電磁波的傳播速度約為真空光速的1/2-2/3 左右，基本在15cm-20cm/ns 之間，2GHz 的采樣率能夠保證測距精度在7.5cm-10cm 之間。（3） 帶寬。帶寬一般定義為正弦輸入信號幅度衰減到-3dB，即70.7%時的頻率。帶寬決定示波器對信號的基本測量能力，隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準

43、確顯示能力將下降，如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨高頻變化，幅度將出現(xiàn)失真，邊緣將會消失，細節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。決定示波器帶寬的一個有效的經(jīng)驗法則是“5 倍準則”，即將要測量的信號最高頻率分量乘以5，這能保證在測量中獲得高于2%的精度。本系統(tǒng)要求DSO 帶寬不少于200MHz。（4） 存儲深度。任何一個采集系統(tǒng)的存儲長度都是有限的，存儲長度長有利于得到更多的信號樣本，這對局部放電測量有兩方面的意義：一是記錄放電持續(xù)時間長的放電信號，二是可以在一次采集過程中記錄多次放電波形。但加大存儲長度并不意味著就可以提高測量精度，因為采樣點間的最小時間間隔是由采樣率決定的。如果假設(shè)實時采樣率為1GS/s，局

44、部放電持續(xù)時間為1s，則采集系統(tǒng)在一次采集過程中只需要采集1GS×1s=1000S，其余采集的樣點均為多余樣本，過多的多余樣本將影響后續(xù)信號處理工作。為解決上面的矛盾，我們考慮了兩種方案：一是選擇存儲深度可改變的示波器，當分析十分穩(wěn)定的信號時，選擇存儲深度小的檔位，要分析一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)流時，選擇存儲深度大的檔位；二是存儲深度固定，通過改變時基設(shè)置來改變采樣率，分析十分穩(wěn)定的信號時，時基選的大點，分析復(fù)雜的數(shù)據(jù)流時，時基選的小點，將波形拉寬。（5） 采樣方式。使用DSO 峰值檢測功能，實現(xiàn)波形的毛刺捕捉。采用峰值檢測的方法時，示波器將對信號波形的幅度連續(xù)地進行監(jiān)測，并由正負峰值檢測器將

45、信號的峰值幅度暫時存儲起來。當示波器要顯示采樣點的時候，示波器就將正或負峰值檢測器保存的峰值進行數(shù)字化，并將該峰值檢測器清零。這樣在示波器上就用檢測到的信號的正、負峰值代替了原來的采樣點數(shù)值。因此，峰值檢測的方法能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)由于使用的采樣速率過低而丟失的信號或者由于假象而引起失真的信號。峰值檢測技術(shù)起源于存儲深度不能滿足捕獲毛刺的需要，正常取樣方式時，要捕獲窄的毛刺，示波器必須將收集的全部采樣數(shù)據(jù)存儲在示波器中，對于快速掃描，單次掃描就涉及幾千個數(shù)據(jù)位，而慢速的掃描則需要幾千兆位或更大容量的存儲器。峰值檢測不像正常取樣所做的那樣，給出一個詳細的完整波形顯示，而是以最高的采樣率捕捉信號，簡單

46、的忽略某些采樣，只記錄發(fā)生在每個采樣間隔期間內(nèi)的最大最小的峰值，這樣就不用增加存儲深度還可以捕獲毛刺或偶發(fā)事件。（6） 擬合方式。數(shù)字示波器不是連續(xù)采集信號，它實際上是通過采集足夠的樣點，然后用內(nèi)插值法來決定連接采樣點間的其它點的值。常用的內(nèi)插值方法有：線性插值法和Sin(x)/x 內(nèi)插值法。線性插值法是直接用直線來連接兩個樣點，而Sin(x)/x 內(nèi)插值法是基于數(shù)學(xué)公式Sin(x)/x 來決定兩個樣點之間的其它點，這樣可以得到一條光滑的曲線，如果用Sin(x)/x 內(nèi)插值法來連接采樣點的，通常認為用2.5 倍奈奎斯特速率進行信號采集，可以較精確地重建波形。（7） 采樣時基。在數(shù)字信號采集中，存儲長度決定采樣長度與采樣間隔，采樣時間長度長，則采樣點間間隔大，反之，采樣時間長度