超高频技术检测高压电力电缆及接头中局部放电的研究.pdf

2 0 0 2年第 3 期 N O3 20 02 电 线 电 缆 E1 e c t r i c W i r e 8 Ca b l e 2 0 0 2年 6月 J u n 2 0 0 2 超高频技术检测高压 电力 电缆及接头 中 局部 放 电的研 究 王 凯 ， 杨娟娟 ， 徐 阳 ， 曹晓珑 ， 钟 力 生 ( 西安交通大学 电力设 备电 绝缘 国家 重点实验窄 ， 陕西 西安 7 1 0 0 4 9 ) 摘 要 ： 本 文 介 绍 了超 高频 技 术 检 测 高 压 电 力 电 缆 及 接 头 中 局 部 放 电的 特 点 ， 对 超 高 频 电 容 耦 合 器 做 了一 定 的 研 究 ， 并 给 出 了试 验 系统 和 结 果 ， 此 外 简 介 了国 内外 在 这 方 面的 发 展 现 状 。 关键词 ： 高压 电力电缆；局 部放 电；超 高频 ；传感器 ；抗干扰 中图分类号 ： TM2 0 6 ；T M2 4 7 9 文献标识 码 ： A 文章 编号 ： 3 1 _ 1 3 9 2 ( 2 0 0 2 ) 0 3 0 0 3 5 0 4 S t u d i e s o n t h e VHF d e t e c t i o n o f P D i n HV c a b l e a n d j o i n t W ANG Ka i e t a l ( Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，S t a t e Ke y I , a b o r a t o r y o f El e c t r i c a l I n s u l a t i o n f o r El e c t r i c P o we r Equ i p ment Xi an 71 00 49Sha a nxi Pr ovi nc e，( 、 bi na) Ab s t r a c t ：Th e f e a t u r e s o f t h e VHF d e t e c t i o n o f P D i n HV c a b l e a n d j o i n t a r e p r e s e n t e d Th e s t u d y o f VHF c ap a c i t i v e c oup l e r a s wel l a t he a s s o c i at e d t e s t s ys t e m an d r e s ul t s ar e de s c r i be d l h e l at e s t de v el opme nt s i n t hi s s e c t or at home a nd a br oa d a r e br i e f l y p r e s e nt e d Ke y wor ds：HV p owe r c abl e；p ar t i a l di s c ha r g e：VHF：t r a ns duc e r；i n t e r f e r e nc e r e s i s t a n c e l 引 言 近年 来超 高 频 技 术开 始 应用 于 在线 测 量 电缆 中 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 7 0 p s _ 1 。 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 I E C 一 6 0 2 7 0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 ( GI S ) 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 及接 头 中局部 放 电的超高频 测量 2 1 电缆 及 接头 中局 部放 电超 高 频 检 测 的原 理 收稿 日期 ： 2 0 0 1 1 1 1 0 作者 简介 ： 王 凯 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 河 南 商丘人 ， 在读 硕士 研 究 生 作者地 址 ： 陕 西省西 安市成宁西 路 2 8号 7 1 0 0 4 9 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 ( TE M 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 引， 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 超 高 频传 感 器 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 B NC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 D ， 以及 金 属 箔 和 护 套 之 间 的长 度 D 可 以获 维普资讯 http:/ 2 0 0 2年第 3期 N o3 2 002 电 线 电 缆 E l e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 2年 6月 J u n ， 2 0 0 2 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 ( HP 4 1 9 5 A) ， 通过 GP I B 卡 和 P C 机 相 连 ， 可 得 耦 合 器 对 电 缆 ( 3 m 6 6 k V) 终 端 的 频 率 响应 ( 见 图 2 ) 。在 2 0 5 0 0 M H z之 问 的频 谱 强 度 约为 一2 0 d B， 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 。 O l O 胃 -2 0 - 3 0 馨 -4 0 6O 6 0 图 l 超高频 电容传感器 示意 图 图 2 电 容 传 感 器 频 率 响 应 ( 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 4 0 0 MHz ， 灵 敏 度 小于 1 0 p C。 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 1 0 I T I 左 右 ， 只 能用 于 短 电缆 或 电缆 附 件 。 ( 3 )方 向 耦 合 传 感 器 L 4 由 德 国 柏 林 大 学 S t r e h l 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 问 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 3 6 感应 电流 局 鄂 放 电 信 号 图 3 超 高频 电感传 感器示 意图 号 幅 值 之 比 可 以达 到 1：1 0 ( 2 0 d B) 。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 l： 2 。该 方法 的 测 量 频 带 较 宽 ， 最 高 可 达 6 0 0 MHz ， 测 量 的 灵 敏 度 较 高 ， 试 验 室 条 件 下 可 以实 现 小 于 0 1 p C 的信 号测 量 。 V 八 图 4方 向 耦 合 器 不 意 图 RF 、 R 终 端 输 入 阻 抗 ( 5 0 n) 2 3放 电信 号 的采 集 超 高 频 带 局 部 放 电 信 号 的 检 测 不 同 于 常 规 的 1 MHz 以 下 的 局 部 放 电信 号 测 量 ， 要 保 证 纳 秒 ( n s ) 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 1 n s ， 即其 频 率 分 量 可达 到 1 GHz ， 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 2 G S s 以上 。 利用 数 字 示 波 器 ( 如 Te k T DS 3 0 5 2 ) 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 5 局 部放 电超 高频监测 系统框 图 图 中 ， T 为 1 ( ) ( ) k V 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 T 维普资讯 http:/ 2 0 O 2年 第 3期 N o3 2 002 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e 8 Ca b l e 2 0 0 2年 6月 J U F I ， 2 0 0 2 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 ； C 。 和 C 为 两 电 缆 个超 高频 电容传感 器 ； N为 针 电极 ， 作为 局部放 电 源 ； P 和 P 为保 护 器 ， 用 以保 护 后 面 的测 量 回路 ； A 为 超 高 频 放 大 器 ( 1 0 MHz 5 0 0 MHz ) ； S C 为数 字 示 波 器 ( TD S 3 0 5 2 ， 采 样 率 5 G S s ) ， 它 和 P C 机 通 过 GP I B卡 相连 ， 可 以实 现 相互 联 通 ， 试 验 所 用 的 电 缆是 6 r n XL P E 电缆 ， 电压 等级 为 6 6 k V。 当 电 压 增 加 到 4 6 k V 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 L a b v i e w 作 为 实 现 通 信 的 接 口 软 件 ， 最 后 所 得 的 数 据 是 利 用 Ma t l a b做 了频 谱 分析 。 7 O 曼 。 善 一 s _ 1 2 0 x 0 0 慕 0 1 、 一一 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 85 0 4 0 0 时间n s 图 6采 集 到 的 局 部 放 电 信 号 的 时 域 、 频 域 图 2 4 超 高 频 干扰 抑 制技 术 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 _ s 。 ( 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 L ， L 、 对 应 于 方 向耦合 器各端 口 P ， P 。 ， P 。 ， P 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 f 图 7 ( 1 ) V 式 中， 为脉 冲在 电缆 中的传播速率 ， 大约等于真空 中 的 5 0 或 6 0 。而 对于 内部放 电 ， 最 大 可 能 的时 间延 迟是 A t p 1 ) 一L 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 L 需 要 满 足 的 判据 ： L v 2 _ 4 。 ( 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 P ： P 2：1 ， 而 P 和 它 们 相 比很 小 ， 就 可 以认 为 是 从 传 感 器 左 边 来 的放 电信 号 ； 如 果 P 。： P 。 2：1 ， 和 P 。： P 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 。 ( 下 转 第 页 ) 维普资讯 http:/ 2 O O 2年第 3 期 No3 2 002 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 2年 6月 J u n 2 0 0 2 产 品 型 号 火花试验 断裂伸 长率( ) 抗 张强度 MP a 罐硫 连硫 罐硫 连硫 罐硫 连硫 B X( 绝缘 ) 通过 通过 2 4 5 I E C5 3和 YZ ( 护套 ) 一 一 3 5 O 4 8 5 36 O 4 2 0 5 2 9 1 4 结 束 语 蓑 蒌 从表 4可知 ， 在不改变胶料配方的情况下 ， 适当 化工艺的参数 ， 这样可以正确、 简便和合理地应用连 选择合理 的连续硫化的工艺参数 ， 也 可达到罐式硫 续硫化工艺 ， 提高生产效率和产品的质量。 化工艺的要求 ， 并可获得满足要求的合格产品 ， 这也 一+ -+*+-+-+- + 一 + 一一 + 一-+- +一 +一 +一-+- +一-+- +一-+-+-+*+-+-+-+- * +一- +一+- +- +一 -。 -+ +一 +一 ( 上 接 第 3 7页 ) 2 5 目前 的发 展 状 况 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 3 k m 3 8 0 k V 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 6 0 0 MHz l 4 。 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 果 。 3 结束语 ( 1 )由于放 电信 号本身为 瞬态脉 冲信 号 ， 具有 很宽 的频带 ， 我们可 以选择适 当的频段在超高频 下 进行测量 ， 有利于提高信噪 比。 ( 2 )传感器技术 、 数据采集技术 、 抗 干扰技术是 实现超高频测量 的关键 ， 试验表 明选取几兆赫至几 百 兆赫 的 测 量频 段 是 比较 理想 的 。 ( 3 )光纤 系 统 或 上 下 位 机 的运 用 ， 在 一 定 程 度 上解决 了超高频信 号的长距 离传输 问题 ， 为在线监 测 提供 了可 能 性 。 参考 文献 ： 1 Ne u h o l d S M，B e n e d i c k t e r HRA 3 0 0 V me r c u r y s wi t c h p ul s e g e n e r a t o r wi t h 7 0 p s e c r i s e t im e f or i n v e s t iga t i o n o f U HF P D s ig n a l t r a n s mi s s i o n i n GI S c P r o c e e d i n g s o f 1 1 I S H Pa g e 5 7 8 S1 2 - 5 8 1 S1 2，I o n d on。UK1 9 9 9 2 成 永红 超 宽频 带局 部放 电检测技 术的 研究 D 西 安交通 大 学 博士学位论 文 ， 1 9 9 9 3 Ah me d NH， S r i n i v a s NNOn l i n e p a r t ia l d i s c h a r g e d e t e c t i o n i n c a b l e s J I E E E Tr a n s o n E l e c t r i c a l I n s u l a t i o n ， 1 9 9 8 ， 5 ( 2 )： 1 81 _ 1 88 4 P o mme r e n k e D，S t r e h l T，He i n r i c h R，Ka l k n e r W ， S c h mi d t F， W e i s s e n b e r g W Di s c r i mi n a t i o n b e t we e n i n t e r n a l PD a n d o t h e r p u l s e s u s i n g d i r e c t i on a l c o u pl i n g s e n s o r s o n HV c a b l e s y s t e ms J I EE E Tr a n s o n E l e c t r i c a l I n s u la t i o n， 1 9 9 9 ， 6 ( 6 ) ： 81 4 82 4 5 邱昌容 ， 王乃庆 电工设 备局 部放 电及其测 试技 术 M 北 京： 机械工 业出版社 ， 1 9 9 4 6 P o mme r e n k e D，Ke i t h Ma s t e r s o n A n o v e l c o n c e p t f o r mo n i t o r i n g p a r t ia l d i s c h a r g e o n EHV -c a b l e s y s t e m a c c e s s o r i e s U S i n g n o a c t i v e c o mp o n e n t s a t t h e a c c e s s o r ie s C Di e l e c t r i c Ma t e r i a l ， M e a s ur e me nt s a n d Ap pl i c a t i o ns Co n f e r e n c e Pub l i c a t i o n。 I EE 2 0 0 0 ( 4 7 3) 维普资讯 http:/