用于XLPE电力电缆局放检测的宽频带电磁耦合法的研究.pdf

2 0 0 2年第 2 期 No2 2 00 2 电 线 电 缆 El e c t r 】 c Wi r e Ca b l e 2 0 0 2年 4月 Ap r ， 2 0 0 2 用于 XL P E电力电缆局放检测的 宽频带 电磁耦合 法的研究 段乃欣 ， 罗俊华 ， ( 1 西安变通大学 电气工程学院 陕西 西安 7 1 0 0 4 9 邱毓 昌 ， 夏明通。 2 甘肃长通电缆( 集 团) 公 司， 甘肃 白银 7 3 0 9 0 0 ) 摘要 ： 对用于 XL P E 电力 电缆局部放 电检测 的宽频带电磁辐 合法进行 了研 究， 针对带铁 氧体磁 芯 的罗哥 夫斯 基 线 圈型 电流辐台 器， 讨论 了几 十主要 参数对其传递 函数的 幡额特 性的影 响。模拟 实验 和电鲍局放 删量袁 明， 应甩此 电流耦合 器采桂洲 X L P E电缆的局赦 是可行 的。 美键词 ： X L P E电力电缆； 局部放 电 ； 宽额带 ； 电流辐合 器 中图分类号 ： T M2 4 7 9 ； TM 2 0 6 文献标识码 ： A 文章 编号： 3 1 1 3 9 2 ( 2 0 0 2 ) 0 2 0 0 2 4 0 3 St u dy of t h e wi de b a n d e l e c t r o m a g n e t i c c o up l i ng m h od u s e d t o de t e c t pa r t i al d i s c h a r g e i n XLPE po we r c a bl e s DUA a i x i n e t a I ( Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 4 9 ， S h a a n x i Pr o v i n c e ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e w d e b a n d e l e c t r o ma g n e t i c c o u p l i n g me t h o d u s e d i n PD t e s t o n XLPE p o o we r c a b l e s i s s t u d i e d Th e Ro g o v s k i c o i l wi t h HF ma g n e t i c c o r e i s u s e d a s c u r r e n t t r a n s d u c e r t o d e t e c t PD o n c a b l e s S o me f a c t o r s a f f e c t i n g t h e t r a n s e r c h a r a c t e r s t c s o f Ro g o v s k i c o l t a r e d i s c u s s e d I a b o r a t o r y e x p e r me t t s s h o we d t h a t i t i s f e a s i b l e t o u s e t h i s me t h o d t o d e t e c t PD i n XLP E p o we r c a b l e s Ke y wo r d s ：XLP E p o we r c a b l e ；p a r t i a l d i s c h a r g e ；wi d e b a n d；c u r r e n t t r a n s d u c e r 1 前言 长 期实 践 证 明 局部 放 电是 造 成 XL P E 电力 电 缆绝缘 破 坏的 主要 原 因 ， 因此 对 X L P E 电 力电缆 绝 缘 的 局部放 电进 行检 测是 及 时发 现 故障 隐 患 ， 预测 运行寿命 ， 保障其可靠运行的重要手段。 近 年来 ， 超 宽频 带检 测技 术 被 引 到 XL P E 电 缆的局放 检测 中 ， 丰 富了局放 的信息 量 ， 提高 了在线 检 测的可靠 性 。 目前 瑞士 已有 研究 人员 用宽 频带罗 哥夫斯基线圈作为电流传感器， 成功用于现场局放 检测“ 本 文针对 这种 电流传感 器 ， 对其进 行 工作 原 理 的分析 和 实验 研究 ， 以期 今后 将这 一 方 法用 于 电缆 线路 的局放测 量 2 宽频带电流耦台器原理 宽频带 电流耦 台器 是带高 频磁 芯材料 的罗哥 夫 斯基 线圈 ， 也 就是 一 种带 有 高频 磁 芯的 穿 心式 电流 互感器 ， 它的等效 电路如图 l 口 。其基本原理是使 电 缆外屏蔽层的局放脉冲电流 i 通过 电流耦合器， 然 收稿 日期 ： 2 0 0 1 1 0 1 3 作 者简介 ： 段乃欣 ( 1 9 7 8 1 、 男 ， 陕西 西安 ， 硕士研 究 生 作者地址 ： 陕西省西安市成宁酉路 2 8号 7 1 0 0 4 9 后通过测量次级绕组 中的脉冲信号 “ 。 ， 来判断 电缆 是 否有 局部放 电。 工 且 图 1 电流耦台器 的等效 电路凰 图 1中L、 R 为线圈的自感和等效电阻， c 为 杂散 电容， 为线 圈互感 ， R为 自积分电阻， 它与 L 形成 自积 分 电路 ， 在 R 上得 到 电压 “ 。 ( f ) 。对 等效 电 路进 行 电路 分析 ， 我 们 可 得 到在 满 足 自积 分条 件 下 的一段 频 带的传递 函数 G( s ) 为 G( 5 )= R N ( 1 ) 式 中， 为线 圈 匝数 。 应用高频小信号并联谐振 回路理论： 对 图 1 作 进一步分析可以得到电流传感器的频带： 下 限频率 为 一 一 1 川 2 丌 工， + RR 2 丌 工 上限 频率 为 维普资讯 2 0 0 2年第 2期 No2 2 002 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e C a b l e 2 0 0 2年 4月 ADr ， 2 0 02 一 1 工 作频 宽 B W 为 B W f h f 一 1 ， | ， R( 2 1 f ， | + RR C 2 z Rc R R 三 十 R R e ( 4) l 吣 B W 一 一 丽1 可以看 出 为 了使工 作频带尽量宽， 应使 尽 可 能 小 而 厂 尽 可能 大 由式 ( 2 ) 、 式 ( 3 ) 可 见 应 使 ， | 尽 量 大， 而 R 和 尽 量 小 ， 因此 在 线 圈尺寸 一 定 的情况下， 应选用磁导率 高的磁性材料并增大线 圈 匝数 ， 并 通 过选用 粗一 点 的导线 以减 小 R， 同 时 我们 应 该看 到 ， 虽然 减 小积 分 电阻 和 增加 线 圈 匝 数 会增大频带 但由式 ( 1 ) 可见 ， 它们也会使灵敏 度 降低 。因此 ， 选 定磁 性材料后 ， 有 一个 最佳 的积分 电阻 R及线圈匝数 使电流传感器达到较宽的工 作频带 ， 且保 持一 定的 响应灵 敏度 。 3 宽频带电流耦合器的设计 如上分 析 电流传 感 器 的频 率 特性 是 由线 圈 的 磁芯材 料 、 匝数 、 积分 电阻等参数 决定 的 。本文采 用 镍 锌材 料 的磁 芯 ， 它 的高 频损 耗 小 ， 应用 频 带 宽 ， 适 用于宽带 测量 的要求 口 。同时通 过改 变 绕线截 面 积 和匝数 ， 设 计 了 3个不 同的线圈 ， 还 设 计 了一个 以 锰 锌铁 氧体材 料 为磁 芯的线 圈 ( 共有 3 9匝) ， 如表 1 所示 衰 1 四千 电藏耦台器的主要参散 l k I - z l O k Il 0 日 l l L z加 l H l 伽岫1 GIa 囊 辜 图 0 四个 电蘸耦台器的幅频特性曲线 对 四 个 线 圈 使 用 同 样 的 积 分 电 阻 ， 用 AWG2 0 4 1产生 一原边可调的电流， 使其 穿过传感 器的 几何 中心 测 量 其感 应 电压 即可 得 到它 们 的 幅 频特性 ， 如 图 2所示 。 从 图 2可 以看 出： 传 感 器 A 具有 较 高 的 灵 敏 度 但频 带较 窄 ， 这 是 由 于其 匝数 少 。传 感 器 B 的 3 d B带宽 为 1 7 k Hz 1 8MHz ， 而传 感 器 C 的 一3 d B带 宽为 1 4 k Hz 1 8MHz ， 这是 由 于传 感 器 C较 传感器 B的导线截面积大所致。 而传感器 D由于使 用 了锰锌 铁 氧体 作磁 芯 ， 因此 它 的一3 d B带 宽 可达 2 k Hz 1 4 MHz 带 宽较小 。 可见 传感 器 C 具有最 佳 的 幅频 特性 。 4 模拟试 验及 电力电缆 的局部放 电测量 由于传感器 C具有最佳幅频特性 ， 因此用它进 行 如 下的试验 研 究。 4 1 模 拟试 验 利用 T e x AWG2 0 2 l任意 波形发 生 器产生 一窄 脉 冲 ， ( 此 脉冲模 拟局 放 时的脉 冲 电流) ， 作 为原边 信 号 ， 再 用 T e k TD S 2 1 0示 波 器 同时 观察 线 圈 传感 器 的原边 和 副边信 号 ， 如图 3所示 。 由图可 以看 到 ： 当 有 宽度 为数 十纳秒 的 脉 冲信 号 流过 线 圈 中心 时 输 出 可以较好 地反映 这 一脉 冲。 由于线 圈本 身是感 性 的 ， 因此感 应到 的脉 冲伴随 着一定 的振 荡 。 。L 一 r 。 一 f I I )R f ，2： V 2 图 3 模 拟试验 的原边信 号( 1 ) 及副边感应 的 信号( 2 ) 4 2电缆 局放 测量 本文还在实验室对线圈进行 了电缆局放检测的 试验 ： 将 一段 长度 为 4 I T 的 X L P E 电力 电缆 一端 的 应 力 锥 做点 位 移 ， 加 压 时 由于终 端 处 的 电场不 均 匀度增加而产生局部放电。对缺陷电缆同时用 电磁 耦合法和 电容耦合法检测局放信号。试验中还分别 用示 波器 的通 道 1和通道 2记 录放 电波形 和一 个与 外施电压同相位的电压信号 ， 以定性地 观察放 电相 位 。试 验 电路见 图 4 。试验结 果见 图 5和 图 6 。 2 5 0 0吨 “埔 一一一 维普资讯 2 0 0 2 年第 2期 NO 2 20 02 电 线 电 缆 E t e c t r i c Wi r eC a b l e 2 0 0 2年 4月 Ap r 2 0 0 2 图 4 测量 电缆局放的实验电路 l 。 ： 2口o my 图 5 示渡器记录 的图形 9 8 l 8 0 2 7 0 3 6 0 t ) 图 6 局放仪记录的图形 从 图 6可 以看 出 ： 正 半周 放 电 在 9 O 。 附 近 ， 而 且 放 电幅值很 大 ， 负半 周 在 2 7 0 。 附 近有 幅值 很 小 且重 复率较高的放电 同时从线圈感应到的波形 图( 图 5 ) 中 ， 我 们 也 可 以看 到 正半 周 9 0 。 附 近有 幅值 较 高 的脉 冲 ， 但 在 负半 周 2 7 0 。 附 近就 只能 看 到一 些 超 出 噪音 的很 小的 凸起 ， 从 相位 上来 看 ， 这些 凸起 可能 反 映 了负半周的局部放 电， 因此本文认为下一步的工 作应该是采取措施去除噪音， 以利 于分辨幅值与噪 音差不多的局放脉冲信号 。从总体上来看图 5和图 6 由于用 示 渡器记 录 的只是 一个周期 的实时采样 结 果， 相 当于 z 一 Q三维图 中的某一个 t 时记录的结 果 。 因此 ， 比较 可知 ， 这一试 验 中 ， 用 电磁耦 合法 与用 I E C - 2 7 O法 的检测 结果 是一 致 的。 由于 I E C 一 2 7 0法 难 以用 于 长电缆 线 路 的现 场 局放 检测 ， 因 此 电磁耦 合法所具有的方便、 灵敏、 安全、 频带宽等优势将使 其在 这一 方 面得 到较好 的应用 。 5 结束语 对于用宽频带罗氏线圈作为电流传感器来测量 X LP E 电力 电缆 局 放 的方 法 ， 要 综 合 考 虑 影 响 电流 传感器的幅频特性及灵敏度的各种因素 ， 以设计 出 具有较好的幅频特性的宽频带罗哥夫斯基线圈型电 流耦合器。 本文中传感器 C的一3 d B带宽为 1 4 k H z 1 8 MHz ， 可 以满足 测量 的要求 。在对 缺陷 电缆 局 放的初步实验中， 宽频带电磁耦合法与传统的 I E C 2 7 0法测 得 的结果 表现 出一定 的一 致性 。若 对 传感 器的信号进行高速数据采集 和相应的数据处理 ， 则 有望 得 到更多 、 更 丰 富 的局放信 息 。 参 考文献 ： 1 T h H e l z ma n n ，T h A s c h w a n d e n O n s i t e p a r t i a l d i s c h a r g e r r I e a s u nt s o ip r e mo ul d e d c r 。 s s b o n di n g ”i m s o f 1 7 0 kV X L P E a n d E P R c a b l e s口 I E E E T r a a c d o n s o n P o w e r D e l i v e r y1 9 9 8，1 3 ( 2 )：3 3 0 3 3 5 2 压乃耿等 空睚寨己烯电蟪敷设后舶局部放电检测lJ 供用 电 2 0 0 1 1 8 ( 4 ) ： 1 2 1 4 1_ 3 李怀迁， 冯允平， 邱毓昌 G I S内部局部放电检礴的研究【 】 高 压 电 器 1 9 9 2 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 6 2 1 4 武秀玲t 诧伟慈 高额电子线路 M西安： 西安电子科技大学 出版 牡 t 1 9 9 4 5 王会宗 磁性材料及其应用 M 北京： 国防工生出版社， 1 9 8 9 中国电器工业协会电线电缆分会和上海电缆研究所特别声明 经壹实， 近来某些展览商为达到其商业 目的 ， 擅 自冒用中国电器工业协会 电线电缆分会、 上海电绳研究 所以及 电线电绳 杂志、 中国电线电缆网 等名义进行推广展 览的宣传活动， 对此我们发表严正声明要求立 即停止这种严重的侵权行为。同时敬告行业广大厂商认清和辨别真伪 ， 谨 防受骗上 当。 中国电 器I业协 会 电线 电缆 分会 和 上海 电缆研 究所 将继 续 秉承服 务 于行 业的 一贯 宗 旨， 奎 全 力为 行 业做好服务。 由中国电器工业协会电线电绳分会和上海电绳研竞所主办的各项行业会议和展览活动 ， 皆有专 门行文给各单位， 同时在 电线电缆 杂志、 电线电缆报 、 电线 电缆行业通讯 、 中国电线 电缆网 等行 业主 要媒 体 上都 可查询 ， 敬请 留意 2 6 维普资讯