交流高壓電纜局部放電的在線監(jiān)測

1、交流高壓電纜局部放電的在線監(jiān)測陳敬德，1140319060；指導老師：李旭光（上海交通大學電氣工程系，上海，200240）摘要：在XLPE電纜投入運行后，由于絕緣的老化變質(zhì)、過熱、機械損傷等，使得電纜在運行中絕緣裂化，為了防止由于絕緣劣化造成電纜運行事故，需要對電纜的運行狀態(tài)進行即時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)控制著電纜及其附件的質(zhì)量。局部放電是目前比較有效的在線監(jiān)測方法，局部放電檢測目前相應(yīng)有電磁耦合法、超高頻法和超聲波法、光學測量法等，本文將著重論述這些方法各自的優(yōu)勢與不足，同時對目前發(fā)展起來的PD混沌監(jiān)測方法進行討論。關(guān)鍵詞：XLPE電纜；在線監(jiān)測；局部放電；混沌法0 引言隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展以及舊

2、城改造工程的進行，電力電纜在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。電力電纜的基本結(jié)構(gòu)包括線芯、絕緣層、屏蔽層和保護層四個部分。其中線芯即導體，是電力電纜中傳輸電能的部分，是電纜的主要結(jié)構(gòu)。絕緣層將線芯與外界電氣上隔離。屏蔽層包括導體屏蔽層和絕緣屏蔽層，一般存在于15kV及以上電纜中。保護層是用來防止外界的雜質(zhì)和水分的滲入和外力的破壞1氣性能優(yōu)越，具有擊穿電場強度高、介質(zhì)損耗小、載流量大等優(yōu)點因而得到了廣泛的應(yīng)用。 在線檢測電纜故障的方法有很多，如直流分量法、損耗電流諧波分量法、局部放電法等，其中，局部放電法是目前用于現(xiàn)場比較有效的在線檢測方法。XLPE電纜發(fā)生局部放電時一般會產(chǎn)生電流脈沖、電磁輻射、超聲波

3、等現(xiàn)象，根據(jù)檢測物理量的不同，局部放電檢測相應(yīng)有電磁耦合法、超高頻法和超聲波法等，其中，電磁耦合法由于傳感器靈敏度高、安裝方便，且與電纜無電氣連接，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方法 。本文主要論述了XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測的一些基本方法的優(yōu)勢與缺陷，并對電纜局部放電的混沌監(jiān)測方法進行了討論2。電力電纜按照電壓等級分類有低壓電纜(35kV及以下輸配電線路)、中低壓電纜(35kV及以下)、高壓電纜(110kV及以上)、超高壓電纜(275800kV)、特高壓電纜(1000kV及以上)。按照絕緣材料電力電纜可以分為塑料絕緣電纜和橡皮絕緣電纜。其中油紙絕緣電纜應(yīng)用歷史最長。它安全可靠，使用壽命長，價格低

4、廉。主要缺點是敷設(shè)受落差限制。塑料絕緣電纜主要用于低壓電纜，常用的絕緣材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯。橡皮絕緣電纜彈性好，適合用 于移動頻繁彎曲半徑小的敷設(shè)地點。 我國早期使用的多是油紙絕緣電纜，但自1970 年以來，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜得以廣泛應(yīng)用，并逐漸取代了油紙絕緣電纜的地位。XLPE電纜電1 PD在線監(jiān)測的意義以及技術(shù) 難點局部放電，是絕緣介質(zhì)中的一種電氣放電,這種放電僅限制在被測介質(zhì)中一部分且只使導體間的絕緣局部橋接，這種放電可能發(fā)生或可能不發(fā)生于導體的鄰近。電力設(shè)備絕緣中的某些薄弱部位在強電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會引起絕緣

5、的穿透性擊穿，但可以導致電介質(zhì)（特別是有機電介質(zhì)）的局部損壞。若局部放電長期存在，在一定條件下會導致絕緣劣化甚至擊穿。對電力設(shè)備進行局部放電試驗，不但能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)制造與安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及其嚴重程度。因此，對電力設(shè)備進行局部放電測試是電力設(shè)備制造和運行中的一項重要預防性試驗。基于對發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的各種電、光、聲、熱等現(xiàn)象的研究，局部放電檢測技術(shù)中也相應(yīng)出現(xiàn)了電檢測法和光測法、聲測法、紅外熱測法等非電量檢測方法。但每種方法都有自身的優(yōu)勢與局限性。抑制噪聲、提高傳感器的靈敏度是推廣XLPE電力電纜局部放電在線監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵，如何分析局放測試數(shù)據(jù)、

6、識別局放源類型乃至精確定位局放源，需要更多的現(xiàn)場檢測經(jīng)驗和理論研究。2 傳統(tǒng)PD在線監(jiān)測方法由于電纜故障主要發(fā)生在電纜附件位置，而本體較少發(fā)生故障。因此，電纜在線檢測主要檢測電纜接頭位置。在線 PD 檢測的主要問題有三:一是傳感器很難接觸到帶電導體甚至不易接觸到金屬護套;二是傳感點分布在長電纜上，因此它們檢測的信號在傳輸過程中容易變形扭曲;三是干擾信號的存在。 測量局放的輻射場常用敏感的場傳感器。這些傳感器通常放在靠近電纜接頭的外半導電層上，常用銅或鋁導體作為內(nèi)置傳感器，半導電層在導體和絕緣之間起一個連接和均勻電場的作用，防止電場的加強，防止造成局放或早期故障。內(nèi)置傳感器的缺點在于不夠便攜，而

7、便攜式的傳感器必須安裝在電纜的外部，并通過電感耦合或電容耦合的方法與電介質(zhì)耦合。這樣的傳感器安裝最大問題在于它不僅僅捕捉內(nèi)部信號，也捕捉外部干擾。常用的在線 PD 檢測手段有:高頻電流法，電容耦合傳感器，聲發(fā)射法，超高頻 UHF 法，甚高頻 VHF 法等。此外還有一些不太常用的手段，例如定向偶合法、偏振光測量法等。2.1電容耦合法電容耦合法也是電測法的一種，其具體的方法是從距離接頭比較近取一段電纜，把電纜的外護套絕緣層去電，電極是在外半導電層的表面裹上一導電體，這樣就構(gòu)成了容性電機，在發(fā)生放電時，就可以通過耦合，然后測量脈沖電流信號。就可以如圖 2.1 所示。我們可以看到，兩個阻抗（同軸電纜和

8、絕緣層）是并聯(lián)在一起，這種測量方法的最大優(yōu)點就是不會損壞外半導電層和電纜絕緣層，而且對電纜信號傳輸幾乎沒有干擾。傳感器的信號噪聲比與剝?nèi)プo套的長度、金屬箔和護套之間的長度以及金屬箔長度這三者之間是有關(guān)聯(lián)的，通過調(diào)整可以得到理想的信噪比值3。中心導體圖2-1電容偶合法示意圖 常用的電容耦合傳感器有內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式和外置式的相比較外置式的更有優(yōu)勢，外置式的電極可以做在護套表面，對電纜的絕緣沒有影響，這樣也會使安裝比較方便，這樣外置式的既可以用 在在線局放檢測也可以用在現(xiàn)場局放監(jiān)測。在國內(nèi)有些科研單位已經(jīng)研發(fā)出了電容耦合傳感器，根據(jù)電容耦合的原理，西安交通大學開發(fā)了可以通過監(jiān)測電纜附件的傳感器

9、，該傳感器為位置式，并通過實驗對 220 千伏交聯(lián)聚乙烯電纜進行了局部放電測量。這一傳感器的生產(chǎn)過程是:一、用刀具剝開屏蔽層和電纜外護套，把一導體環(huán)放到屏蔽層和外護套之間，并用絕緣材料固定住導體環(huán)，使之緊貼外半導體層，然后用法蘭連接導體斷層。其帶寬也不錯，可以到500MHZ。有一些研究院、電力設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和高校也進行了這方面的研究，例如華中科技大學，國家電網(wǎng)科學研究院、興迪公司等，有的產(chǎn)品通過實驗也取得了不錯的結(jié)果4。國外對電容耦合傳感器技術(shù)比國內(nèi)成熟很多。美國麻省理工大學開發(fā)出了內(nèi)置VHF 傳感器。其加工過程是：剝開100mm寬的金屬屏蔽層，然后用40mm寬的薄金屬裹在電纜的外半導電層，這樣

10、薄金屬與半導電層構(gòu)成耦合電容，當發(fā)生放電時，信號通過薄金屬和屏蔽層傳輸出，它在正常運行時帶寬為 300MHz，抗干擾效果也比較好。還有就是韓國也是根據(jù)這一理論開發(fā)出一種檢測儀，它攜帶方便抗干擾效果好，靈敏度高，已到達1pC,帶寬為200kHz-300MHz，現(xiàn)場使用效果較好。2.2電感耦合法 根據(jù)電感耦合理論，現(xiàn)在已開發(fā)出多種傳感器，羅斯（Rogowski）線圈是在其中最具有代表性。在電纜發(fā)生放電時，會產(chǎn)生頻率較高的電流信號，信號通過導線傳輸，一邊以電流信號傳輸也轉(zhuǎn)化為電磁波，不斷的向各個方向輻射能量，正是根據(jù)電磁耦合這一原理，研究出了羅斯線圈傳感器。羅斯線圈傳感器結(jié)構(gòu)圖 2-2 與羅斯線圈傳

11、感器等效電路圖 2-3。圖2-2羅斯線圈結(jié)構(gòu)圖在圖 2-3 中，M 是原邊與副邊之間的互感，由羅斯線圈等效電路圖可以清晰的看到，左邊即為電流傳感器，在線路之間也會形成相互干擾，用Cs表示，羅斯線圈自感用 Ls 表示，線圈的等效電阻 Rs 表示，C0,R0 為線圈的取樣阻抗。在實際應(yīng)用中，磁芯的選擇也很重要，不同的磁芯對生產(chǎn)出的傳感器影響很大，我們通常使用的是鎳鋅鐵氧體，用其做出的電感耦合器靈敏度高，可達 3PC，工作帶寬大，其頻率帶可從 20KHZ到100MHZ4。圖2-3羅斯線圈等效電路根據(jù)羅果夫斯基（Rogowski）線圈原理生產(chǎn)的電磁耦合傳感器也分為內(nèi)置式傳感器和外置式傳感器。外置式和內(nèi)

12、置式也是有一定不同，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是兩傳感器的大小有所差異；二是在安裝時放置的位置不同；外置式的傳感器在尺寸方面比內(nèi)置式大，靈敏度方面內(nèi)置式比外置式要好，外置式的抗干擾性也不如內(nèi)置式，其安裝的位置在電纜接頭內(nèi)部，與屏蔽層的導體相連接，安裝相比內(nèi)置式簡單方便。由于外置式傳感器安裝比較復雜，所以在設(shè)計時大多設(shè)計成開口，這樣的設(shè)計也方便我們攜帶，如圖 2-4 所示，同時開口式的設(shè)計在一定程度上改善了安裝難度，直接打開口，套在電纜本體外部，這樣通過電纜的電流就可以通過傳感器檢測到信號5。由圖中我們可以看到，外置式傳感器一般做的不夠精巧，測量的精度不高，而且對外界的電磁環(huán)境比較敏感，會因為周圍環(huán)

13、境的干擾而信號失真。如果在以后能夠解決這些問題，還是比較有很大的工程實際應(yīng)用前景的。圖2-4 外置式羅斯線圈傳感器目前，我國對羅果夫斯基（Rogowski）線圈傳感器的產(chǎn)品研發(fā)以及在工程實際上的應(yīng)用很廣泛。以下科研單位和高校都開展過相關(guān)的研究，并設(shè)計出一些實驗性產(chǎn)品，如國家電網(wǎng)電力科學研究院，華中科技大學和西安交通大學，武漢大學，重慶大學等6。在部分區(qū)域電力公司也對這類局放傳感器進行了實際工程運用，收集了一些現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，像國家電網(wǎng)北京電力公司和南方電網(wǎng)云南分公司都有試運行，實際運行的效果還是有參考價值的。2.3超聲法和超聲傳感器在非電量局部放電測量的方法中超聲法是研究的比較早的一種，目前已經(jīng)

14、成功應(yīng)用在局部放電監(jiān)測的工程實際中。超聲法的核心器件就是超聲傳感器，大多采用的是壓電晶體傳感器，它的工作原理是把接收到的超聲信號轉(zhuǎn)換成電量，在傳感器的外端連接分離放大器，把聲音信號放大，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊，再通過光纖將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡里，然后在與采集相連接的工控機上顯示波形數(shù)據(jù)。因為局部放電產(chǎn)生的超聲信號特別小，這樣在傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)上衰減會對原始信號影響較大，這樣導致該方法并沒有得到推廣，最近幾年，由于技術(shù)的進步，傳感器的性能和信號分離放大器的性能也大幅進步，例如長沙鵬翔科技生產(chǎn)的PXPA/PXPB 系列聲發(fā)射前置放大器，其體積較小，抗撞擊，噪音低，高帶寬，還有光纖技術(shù)的發(fā)展這些技術(shù)的

15、共同發(fā)展也使超聲法的測量靈敏度有了大幅提升，也使超聲法測局部放電重新得到關(guān)注。在電纜中，發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的聲音信號頻帶很寬，超聲傳感器和相連接的分離放大器就放置在需要監(jiān)測的電纜附近，當有局放發(fā)生就會檢測到信號7。而且，超聲傳感器它有設(shè)定好的接收信號的帶寬帶，這也使外界的環(huán)境或者電纜和其他設(shè)備運行產(chǎn)生的干擾影響降到最低，保證了檢測精度，所以超聲監(jiān)測法在電纜運行現(xiàn)場有很好的應(yīng)用。而且由于超聲信號的波速很小，這樣我們還可以進行故障點定位。超聲法也有它的不足，電纜外表的絕緣層對高頻波聲波的吸收能力較強，這樣就導致了原始超聲信號里高頻波大幅衰減，這一原因限制了超聲法的推廣，大多還是用來監(jiān)測電纜接頭。近

16、年來，國內(nèi)有些單位已使用超聲傳感器開展了對電纜在線監(jiān)測8。例如長沙鵬翔科院有限公司，華北電力科學研究院，南方電網(wǎng)廣東公司等。2.4光學測量法在前面我們介紹到，在局部放電測量分為電測法和非電測法，而我們以上介紹的電容耦合法即為電測法，電測法和超聲法對測試的環(huán)境比較敏感，另外也是因為流過被測設(shè)備的信號很小，環(huán)境中的電磁波或者噪聲隨著被測一起通過放大器放大后，有可能會對收集的信號產(chǎn)生很大影響，超聲法還有信號在傳輸過程中衰減的問題，這些都會影響局放的監(jiān)測準確度；以上的這些問題也使人們把視角轉(zhuǎn)移到光學傳感器上，這也是在線監(jiān)測研究的新方向9。光學測量法的測量原理是利用法拉第磁光效應(yīng)，磁光效應(yīng)是一束線偏振光

17、在磁場作用下通過磁光材料時它的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角正比于磁場沿著偏振光通過材料路徑的線積分。磁光效應(yīng)應(yīng)用范圍很廣，如強磁場測量、磁光材料檢測，因此在電力電纜的在線監(jiān)測就是應(yīng)用了磁光效應(yīng)，當電纜電路由于故障或者缺陷時，電纜回路周圍的磁場就會發(fā)生變化，我們通過把監(jiān)測出的信號變成偏振面旋轉(zhuǎn)角 的變化，然后通過計算，再將 的變化轉(zhuǎn)化為可以測量的光強的變化，這樣來實現(xiàn)對局放信號的監(jiān)測。法拉第磁光效應(yīng)1845 年由 M.法拉第發(fā)現(xiàn)10。當線偏振光在介質(zhì)中傳播時，這時如果在加一外界磁場，且磁場方向于光的傳播方向同向，這樣光的振動方向?qū)a(chǎn)生一個角度為的偏轉(zhuǎn)，且磁感應(yīng)強度 B 光穿越介質(zhì)的長度 l 的積和角

18、度成正比且有:y=VBl (2-1)在式（2-1）中，B 為電磁感應(yīng)強度，l 為光穿越介質(zhì)的長度， V 為費爾德常數(shù)，V 的大小與介質(zhì)本身特性及光波頻率相關(guān)，除此之外，實驗時所加的光的波長和實驗環(huán)境溫度對 V 也會有影響11。它實際上是物質(zhì)與光波之間的相互作用。用經(jīng)典電子論處理介質(zhì)色散的方法，可導出磁光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角公式為：f=-1edn2mldllb (2-2) 其中：e 為電子電荷和質(zhì)量，l為光波波長，dndl為無磁場時介質(zhì)的色散，B 為磁場強度在光傳播方向上的分量，l 為晶體長度11。如式(2-3)，并由（2-4）麥克斯韋方程組1mr=-mw0r+e(E+P)-gr+3e02圖2-5法拉第

19、磁光效應(yīng)原理式子（2-7）就是法拉第和費爾德磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)(2-3)角公式。V 就是費爾德常數(shù)，一般是通過實驗來得到。s(e0ea+1)P+te0ebP´h)=0在測量時，對外界環(huán)境的電磁和噪聲的干擾影響不大，不過技術(shù)方面還不夠成熟，還有必要深入sH=0研究。ns´(aP+ibP´h)=H m0c 2.5 UHF法和UHF傳感器2.5.1超高頻(Ultra High Frequency)檢測法的基n-s´H=(e0ea+1)P+te0ebP´h=本原理0c超高頻法是根據(jù)在發(fā)生局部放電時發(fā)出電磁波(2-4) 信號。當電纜本體或附件發(fā)生局部放電時會產(chǎn)

20、生特高頻電磁波，我們根據(jù)這一特點，人們開發(fā)出了通E 代表電場強度， H 為一束光照入后偏轉(zhuǎn)的過監(jiān)測高頻電磁波來實現(xiàn)對電纜的在線監(jiān)測12。另角度,由公式（2-3）和（2-4）可得 外還可以通過對電磁波的監(jiān)測還可以對發(fā)生放電的法拉第磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度，即: 位置進行定位。在發(fā)生放電時產(chǎn)生的放電脈沖時間很短，這樣電纜中產(chǎn)生的信號頻率就可能達到 GHz-Eypq=arct=L+(-n-n)數(shù)量級，這樣超高頻法最大的優(yōu)點就是現(xiàn)場發(fā)生的em0Hir´hExl放電干擾對測量的影響就會很小，提高了測量的準(2-5)兩個偏轉(zhuǎn)角的相位差和法拉第磁光效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系為:確度。還有一點，超高頻比較適合對電纜接

21、頭的監(jiān)測，因為在安裝超高頻傳感器時其位置一般與電纜故障點的位置較近，這樣能夠降低信號的衰減，更d=2q 有效的對電纜進行監(jiān)測。(2-6)對公式（2-6）進行泰勒展開可得:em0ldnq=VLHi2mcdl(2-7)放大濾波圖2-6外置型UHF傳感器檢測原理圖圖 2-6 為外置型 UHF 傳感器檢測原理圖，一系列研究通過分析發(fā)現(xiàn)：用特高頻法監(jiān)測電纜時，傳感器信號頻段的選取對測量的準確度影響很大，合適的傳感器將會降低干擾信號，信噪比也有一定提升。所以傳感器的性能將決定超高頻法測量精度的關(guān)鍵。2.5.2超高頻傳感器超高頻傳感器根據(jù)現(xiàn)場安裝位置的不同分為外置式和內(nèi)置式。(1) 外置式外置式傳感器它在現(xiàn)

22、場安裝時比較簡單方便，比較節(jié)省安裝時間，并且對其他電氣設(shè)備幾乎沒有影響，抗干擾能力較強，但是在測量的靈敏度方面效果不夠優(yōu)越。在我們實際應(yīng)用中，最常用的外置傳感器是天線傳感器，如圖2-7所示。在文獻中，在監(jiān)測電纜局部放電時采用了振子天線傳感器，其結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝比較容易，其不足就是：一、測量頻帶不寬，需要安裝可調(diào)阻抗來加寬振子天線傳感器的頻帶13。二、傳感器安裝到外面，必然會受到環(huán)境中電磁和噪聲的干擾，這樣為了測量準確的數(shù)據(jù)就對我們在測量時頻帶的選擇要求較高，西安交通大學研制了等臂對數(shù)螺旋天線，可以用于測量局部放電發(fā)生時泄漏的電磁波和定位局放源，頻帶在3001500MHz之間。扼流裝置圖2-7

23、天線傳感器(2) 內(nèi)置式與外置式相比內(nèi)置式的靈敏度更加優(yōu)秀，在現(xiàn)場安裝方卻比外置式的要求更高。電容耦合傳感器是我們比較常用的內(nèi)置式傳感器，外置式的傳感器在尺寸方面比內(nèi)置式大，靈敏度方面內(nèi)置式比外置式要好，外置式的抗干擾性也不如內(nèi)置式，其安裝的位置在電纜接頭內(nèi)部，與屏蔽層的導體相連接，安裝相比內(nèi)置式簡單方便14。圖2-8是英國劍橋大學Pommerenke D等開發(fā)出的方向耦合傳感器，它的工作原理是：在電纜雙端安裝上傳感器，因為發(fā)生局部放電的位置不同那么電信號傳播的方向也不同，方向耦合器輸出的信號在一個端，根據(jù)實際的情況，修改部分參數(shù)，傳感器的靈敏度可以達到很高。脈沖源A圖2-8方向耦合傳感器2.

24、6小結(jié)本節(jié)的主要內(nèi)容是詳細的介紹了五種局放檢測方法和根據(jù)相應(yīng)開發(fā)出的的傳感器，并且把內(nèi)置式和外置式的做了安裝、測量精度、抗干擾和對運行電纜安全等方面的比較，各有優(yōu)劣，在高壓電纜局部放電檢測中應(yīng)用必須要解決傳感器安裝后的防水性能以及后續(xù)檢測電路的過電壓保護措施15;電感耦合傳感器與電容傳感器相比較，在安裝上，前者對電纜更加安全，也便于安裝，在部分電力分公司已在線試運行，技術(shù)比較成熟，也有很廣泛的應(yīng)用市場，但是國內(nèi)這方面的技術(shù)與國外比還差很多，如果大面積采用經(jīng)濟性將制約其發(fā)展；超聲傳感器已經(jīng)投入到現(xiàn)場運行，但是主要還是用做故障定位，而對局放量的大小無法準確測量；光學傳感器是最新研究的方向，它抗干擾

25、強，測量精度高、能夠較遠距離測量、電能需要少等優(yōu)點，是很有發(fā)展前景的傳感器，但時安裝和生產(chǎn)成本較高，這也限制了它的推廣應(yīng)用16。UHF傳感器抗干擾性能好，靈敏度高，它的不足在于無法對故障源進行定位。經(jīng)過仔細比較，最終決定采用技術(shù)上較成熟的電感耦合傳感器技術(shù)，并進行在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，同時研究如何解決抗干擾問題。3傳統(tǒng)PD在線監(jiān)測方法的比較分析3.1測試方法對檢測靈敏度的影響局放信號耦合方式在局部放電在線測試中是很重要的環(huán)節(jié)， 改變信號的取樣方法， 就會對測試效果產(chǎn)生很大的影響。比如用高頻電流傳感器對一根故障電纜進行測試時，我們進行了對比試驗，驗證改變測試帶寬和接線方式對測試背景的影響有多大。把兩

26、個高頻電流傳感器:一個為高通 300 K，另一個為高通1. 6 M,先將它們套接在耦合電容和檢測阻抗的連接線上，如圖3-1所示;后又將它們套在故障電纜屏蔽層接地線上17，如圖3-2所示。分別向試驗系統(tǒng)注入5pC標定脈沖信號，在前者接線方式中，系統(tǒng)檢測背景噪聲都約為1.7 pC;后者接線方式中，高通300 K的背景噪聲約為34pC，高通1. 6M的背景噪聲約為 5 pC。上述試驗，證實了HFCT具有較高的靈敏度，同時取樣方式的改變對靈敏度影響較大。圖3-1 HFCT套在耦合電容和檢測阻抗連接線上圖3-2 HFCT 套在故障電纜接地線上3.2 各種信號耦合方式的比較每種測試方法都有它的優(yōu)點和局限性

27、，只有揚長避短測試效果才能有效發(fā)揮。為此我們對各種XLPE 電力電纜局放在線測試的信號耦合方式作了比較，見表1。表1 局放在線監(jiān)測耦合方式比較3.3 各種信號耦合方式的組合由于現(xiàn)場環(huán)境的復雜性， 使得每種XLPE電力電纜局放在線測試方式都有它的局限性。在實際測試工作中要盡量避開現(xiàn)場干擾對測試的影響，采用合適的測試方法。比如在環(huán)境比較干燥，周圍沒有電磁干擾的情況下，采用外置式電容耦合法就比較有效;又比如在現(xiàn)場沒有電磁屏障時，采用UHF的效果非常好23。然而測試現(xiàn)場干擾情況往往是非常復雜的，為了能有效地進行局放測試，根據(jù)現(xiàn)場情況和條件，建議采用多種耦合方式組合進行測試，比如常用的組合方式是將UHF

28、和HFCT結(jié)合使用，UHF的頻段較高，可避開無線電廣播干擾， 但容易受空間隨機脈沖干擾影響;HFCT 容易受廣播干擾影響，但是受外界的隨機干擾影響較小，而且UHF局放檢測的靈敏度也較高，兩者組合正好能互補。圖 3-3為各種信號耦合方式的組合示意圖，合理地組合運用多種測試方法，能取得更好的測試效果24。圖3-3 各種信號耦合方式的組合示意圖 1耦合電容 2檢測阻抗 3HFCT 4UHF 5AE 6方向傳感器 7外置電容耦合金屬貼片 8內(nèi)置電容帶狀傳感器 9絕緣墊圈 10多模感溫光纜的混沌監(jiān)測方法討論4.1混沌動力學特性及特征量混沌理論是數(shù)學、物理、動力學等基礎(chǔ)學科的4 PD聯(lián)合，是在19 世紀才

29、發(fā)展起來的新研究領(lǐng)域和方法。 混沌現(xiàn)象的內(nèi)在隨機性最大特征是對系統(tǒng)運行初始幅值變動的敏感依賴， 表明客觀事物是不僅僅是隨機性和確定性的運行，還是一種常見的無序混沌運行方式。4.1.1 混沌系統(tǒng)狀態(tài)特征量混沌運行極為復雜且無序，狀態(tài)特征量的選取也十分困難，對初始狀態(tài)的敏感依賴使的 Lyapunov 指數(shù)譜、關(guān)聯(lián)維、分數(shù)維等特征量是衡量混沌系統(tǒng)復雜性的重要參數(shù)。對初始條件的敏感依賴是混沌運動的基本特征，兩個靠近的初始值運行軌跡會隨著時間的推移逐漸遠離，Lyapunov指數(shù)可以對這種現(xiàn)象進行準確描述。關(guān)聯(lián)維數(shù)是依據(jù)著名的G-P 算法衍生出來的，認為通過時間序列就能夠計算出吸引子的關(guān)聯(lián)維，構(gòu)建好矢量之

30、后滿足距離定義下，使用兩個矢量最大分量差定義之間距離，并規(guī)定矢量距離小于已定正數(shù) r ，這些矢量就是關(guān)聯(lián)量，關(guān)聯(lián)維對于選擇重構(gòu)相空間嵌入維數(shù)有著非常重要的作用。4.1.2局放時間序列的混沌特性動力學系統(tǒng)的非線性混沌設(shè)計需要根據(jù)特征量來判斷。電器設(shè)備局放是指電器設(shè)備內(nèi)部絕緣的弱點在外施電壓下產(chǎn)生的局部的非貫通的氣隙重復擊穿和熄滅現(xiàn)象，局部放電在絕緣內(nèi)部氣隙或者氣泡中存在，即便空間很小，但是產(chǎn)生的電場強度仍然很大，放電能量很小，不會對電氣設(shè)備的短時絕緣強度造成影響，但是電氣設(shè)備在長期運行電壓下長期存在的局部放電現(xiàn)場和由此產(chǎn)生的不良效應(yīng)會緩慢的破壞絕緣并最終擊穿整個絕緣，緩慢的破壞積累成為突發(fā)性故障

31、。目前已經(jīng)能夠證實，局放是存在混沌特性的，在電纜數(shù)值化的進程中，局放時間序列的混沌特性是確定的，具體表現(xiàn)為，局放時間序列最大 Lyapunov 指數(shù)>0 ，關(guān)鍵維 D 為分數(shù)維，K熵>0 ，電纜局放混沌特征參量是可以作為電纜絕緣；老化估計特征量的，最大放電量時間序列關(guān)鍵維和電纜水樹以及絕緣老化狀態(tài)診斷等均能夠滿足要求。4.1.3局放時間序列的混沌特性動力學系統(tǒng)的非線性混沌設(shè)計需要根據(jù)特征量來判斷。電器設(shè)備局放是指電器設(shè)備內(nèi)部絕緣的弱點在外施電壓下產(chǎn)生的局部的非貫通的氣隙重復擊穿和熄滅現(xiàn)象，局部放電在絕緣內(nèi)部氣隙或者氣泡中存在，即便空間很小，但是產(chǎn)生的電場強度仍然很大，放電能量很小，

32、不會對電氣設(shè)備的短時絕緣強度造成影響，但是電氣設(shè)備在長期運行電壓下長期存在的局部放電現(xiàn)場和由此產(chǎn)生的不良效應(yīng)會緩慢的破壞絕緣并最終擊穿整個絕緣，緩慢的破壞積累成為突發(fā)性故障。目前已經(jīng)能夠證實，局放是存在混沌特性的，在電纜數(shù)值化的進程中，局放時間序列的混沌特性是確定的，具體表現(xiàn)為，局放時間序列最大 Lyapunov 指數(shù) >0 ，關(guān)鍵維D為分數(shù)維，K熵 >0 ，電纜局放混沌特征參量是可以作為電纜絕緣；老化估計特征量的，最大放電量時間序列關(guān)鍵維和電纜水樹以及絕緣老化狀態(tài)診斷等均能夠滿足要求。4.2混沌控制微弱信號檢測傳統(tǒng)意義上的測量檢測都是利用線性理論進行，但是混沌檢測的敏感性、不可測

33、性、分形性、有界性等特殊性質(zhì)使得初始值在運行周期中將產(chǎn)生巨大的變化，混沌檢測方法這是利用了混沌控制的這種顯著的放大效果來檢測微弱信號的。4.2.1基本原理使用混沌振子作為研究對象， 認為混沌體系的各種特性均能夠通過動態(tài)行為學行為表示出來?；煦缡欠蔷€性系統(tǒng)中的一種現(xiàn)象，應(yīng)用 Duffing 混沌振子方程構(gòu)筑就能夠勝任微弱信號的檢測。把待測信號視作周期測動力外加強迫項帶入系統(tǒng)方程，得到 Duffing 系統(tǒng)方程。x(t)+kx-x(t)+x3(t)=gcos(wt)+b （4-1） 式中：是策動力角頻率；是周期策動力幅值；k是阻尼比?；煦珞w系本征頻率和外加周期強迫相頻率之間的互動使得方程中包含著眾

34、多混沌特性，進行混沌檢測時，當混沌系統(tǒng)阻尼比k為定值時，調(diào)整混沌周期的策動力幅值，使得策動力初始幅值和相應(yīng)的分形值相同，使混沌系統(tǒng)在混沌系統(tǒng)處在從混沌狀態(tài)向大幅度周期運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變臨界狀態(tài)，之后混沌系統(tǒng)中加入待測信號，調(diào)整其和系統(tǒng)相同，于是系統(tǒng)因為幅值的敏感依賴特性轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨戎芷谶\行狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)策動力幅值，使混沌系統(tǒng)重新恢復混沌狀態(tài)，通過計算兩次調(diào)節(jié)之間策動力的幅值就能夠得到待測信號的幅值。4.2.2周期窄帶信號檢測同樣使用 Duffing 設(shè)計特定的混沌系統(tǒng)，外加信號穩(wěn)定時方程線性恢復力控制著系統(tǒng)運行情況， 恢復力一定時外加信號會對系統(tǒng)運行情況造成影響， 對檢測微弱脈沖信號敏感性和混沌判

35、據(jù)證明的可行性，調(diào)整恢復力，構(gòu)建周期窄帶信號模型。 混沌系統(tǒng)在外加強迫項周期策動力作用下呈現(xiàn)大尺度周期性運行的狀態(tài)，屬于有序系統(tǒng)，微弱周期信號注入混沌系統(tǒng)后改變系統(tǒng)運行狀態(tài)，據(jù)此實現(xiàn)信號檢測，要注意設(shè)置混沌系統(tǒng)周期策動力時頻率以及初相應(yīng)該和待測信號基本一致。4.2.3 周期窄帶降噪 特定混沌系統(tǒng)能夠?qū)φ瓗е芷谛盘栐肼曔M行有效的抑制，對局放信號不會產(chǎn)生任何形式的影響。首先構(gòu)造混沌系統(tǒng)模型，檢測局放脈沖周期窄帶干擾信號，進行頻譜分析，獲得窄帶信號頻率，確定窄帶干擾對照混沌模型子系統(tǒng)閥值，調(diào)整混沌狀態(tài)為無序混沌狀態(tài)和大周期相變臨界狀態(tài)，獲得某一窄帶干擾的初始相位，調(diào)整策動力和窄帶干擾基本相同，在系統(tǒng)

36、中加入局部待測信號， 計算最大李氏指數(shù)識別混沌系統(tǒng)的運行狀態(tài)，減去相位差重新計算李氏指數(shù)，重復上述步驟，直至全部干擾識別和抑制。4.3 雙耦合 Duffing 振子系統(tǒng)局放脈沖檢測 XLPE 電力電纜半導電層脈沖沿著電纜存在著頻散衰變現(xiàn)象，局放脈沖信號傳播距離很長之后會出現(xiàn)波形畸變，并且電纜運行現(xiàn)場干擾情況非常嚴重，導致局放檢測靈敏度不高。為了獲得更好的電纜局放檢測精度， 人們開始使用雙耦合Duffing 混沌振子方程進行局放檢測。 振子周期策動力以及初始值設(shè)置對脈沖激勵下的振子間瞬態(tài)同步突變結(jié)果有著嚴重的影響， 根據(jù)仿真研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 脈沖信號寬度和周期策動力周期基本一致時脈沖信號會激勵耦

37、合系統(tǒng)產(chǎn)生比較理想的瞬態(tài)同步突變現(xiàn)象。 振子間同步誤差會對檢測信號中的脈沖信號真實反映， 能夠?qū)γ}沖信號的寬度、幅值等特征產(chǎn)生較好的檢測效果。電纜中的局放脈沖上升時間很短并且寬度也很窄， 在電纜半導電層影響下局放脈沖會出現(xiàn)頻散衰變現(xiàn)象。 使用雙耦合 Duffing 混沌振子檢測信號，傳感器檢測信號在抑制周期窄帶和周期干擾之后還存在著局放脈沖、 白噪以及隨機脈沖干擾， 把檢測信號時間序列作為擾動放入第一個振子周期策動力中，使用四階龍格 - 庫塔算法計算，當初始值均小于零時正脈沖信號會激勵耦合系統(tǒng)產(chǎn)生理想的瞬態(tài)同步突變。 雙耦合Duffing振子系統(tǒng)瞬態(tài)突變現(xiàn)象對脈沖激勵敏感，但是對白噪聲免疫力很

38、強，可是有效抑制白噪音。周期策動力周期會影響檢測效果，脈寬與之相當?shù)木址琶}沖才能夠激勵其發(fā)生瞬態(tài)同步突變，但是實際檢測中脈沖沿電纜方向衰減導致了脈沖寬度差異，在應(yīng)用中需要構(gòu)建多組不同的雙耦合振子系統(tǒng)適應(yīng)不同脈寬的局放檢測。4.4小結(jié) 應(yīng)用混沌系統(tǒng)對初始相的敏感性依賴和雙耦合混沌振子系統(tǒng)同步瞬態(tài)突變對脈沖激勵的敏感性進行電纜局放的檢測巧妙的利用了混沌系統(tǒng)的性質(zhì)，獲得了更高的靈敏度和抗干 擾能力，在電纜局放檢測方面有著廣闊的應(yīng)用空間。 結(jié)論 本文著重論述了XLPE電纜局部放電的幾種常規(guī)的監(jiān)測方法，指出了它們的優(yōu)勢與缺點，在實際測試工作中靈活運用各種測試方法，主要的目的就是想方設(shè)法提高測試靈敏度，降

39、低現(xiàn)場干擾對測試工作的影響，有助于綜合分析電纜局放狀況。本文討論的混沌法局放檢測利用混沌系統(tǒng)的性質(zhì)獲得了更高的靈敏度和抗干擾能力，在XLPE局放檢測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 參考文獻1 孫波，黃成軍電力電纜局部放電檢測技術(shù)的探討J電線電纜， 2009(3):38- 41 2 朱曉輝，杜伯學，周風爭高壓交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測及檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀J絕緣材料, 2009，42(5):58- 633 XUET，GUIY，SHENGL，etalThe Effect of Accelerated WaterTreeAgeing on the Properties of XLPE Cable Insulat

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