电缆局部放电检测系统的研究
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【摘要】电缆是电力系统中重要的电气设备，其绝缘结构由于劣化，从而导致了局部放电的发生，如果不及时处理，可能引发大面积的停电事故，所以对其局部放电进行带电检测显得尤为重要;文章通过分析电缆中局部放电的特点，根据相应的信号特征开发了一套局部放电检测装置，并在现场得到了应用，证实了系统的实用性。
1.引言
电缆具有较好的电性能，同时结构简单，对工作环境的耐受力高，目前在电力系统中得到了较为广泛的应用，随着科技的发展，其应用于电力系统的电压等级也逐步升高[1]。电缆与传统的架空线路相比，主要特点是大多以直埋等方式设置在地下[2]，这样受外界的影响就大大减低了，不过其自身也存在一些问题，在制造的过程中在电缆材料内部可能存在着气泡等，在安装的过程中也可能受到一定的破坏;同时在地下长期埋设，受着水分等影响，同时承受着高电压，这个时候就可能出现局部放电现象[3-5]。局部放电的发展会导致击穿，所以对电缆局部放电的检测显得十分重要[6]。
2.电缆局部放电信号传播特性仿真
在对电缆进行局部放电检测之前，需要对影响其局部放电信号传播特性的参数进行分析。为了得到其原理，我们假设其长度很长，同时由于电缆局部放电信号含有丰富的信息[7]，其波长与线路长度相比非常短，因此在研究局部放电信号传播规律时，需要利用电缆的分布参数模型来分析[8]，下图为电缆的分布简化模型。
图1 电力电缆的分布参数模型
图1中，R0、L0、C0、G0分别为电缆单位长度的电阻、电感、对地电容和对地电导，上这些基本参数决定了电缆中的相应特性[9-11]。结合图1，可以得到一个新的二次参数特性阻抗Zc，Zc表示均匀传输线上任一点的电压和电流之间的关系。
（1）
可见，这个公式就决定了相应的参数之间的关系。由于阻抗是一个复数，电压和电流的绝对值之比决定了其相对值;电压和电流的相位差决定了其幅值的大小，这个参数就可以反映出相应的特性参数。Zc重新表述为：
（2）
那么，|Zc|和就是其中所含有的信息。Zc反映了电缆上一点的特性[12]。对于脉冲信号来说，可以用传输常数来描述。在传输常数中，包含两个常数：固有衰耗常数和固有相移常数。固有衰耗常数反映了处于匹配连接的线路上[13]，能量损耗方面的传输规律，固有相移常数则反映了信号传播过程中相位的变化。因此线路的传输规律可用式（3）表示，其中是电缆的长度。
（3）
根据上述的分析，我们得到了如下的结论：
（1）由电缆的一次参数所决定，越大，就说明了信号的衰减会越大。
（2）小于1，那么，局部放电信号将会呈指数规律衰减，并且其衰减程度取决于电缆的长度，线路越长，衰减情况越严重。
式（3）中的反映的则是信号传输的相移，它影响的是局部放电信号的相位，并且随着信号频率的升高，、均随之增大。经过上述分析，可以看出：电缆长度越长，局部放电信号在传播过程中的衰减越严重。局放信号的频率越高，则与之对应的、也越大，即信号的幅度衰减及相位移动也越严重。
3.仿真结果及分析
前面已经对相应的软件和模型有了较为详细的分析，在此利用PSCAD进行仿真分析，根据前面的表示，注入一个方波，本文采用一个脉宽为200ns的方波，电缆的长度为500米，在电缆的末端测量接受到的信号。其中搭建的电路图如2所示。
图2 仿真电路图
图3 标准方波脉冲
图4 电缆末端测到的电压波形
图3为一个外施的方波，在经过500m的电缆之后，在电缆终端测得的电压波形如图4所示，可以明显看出，此时的波形早已经不是当初的方波了，存在着较为严重的失真，根据前面的分析可以知道高频部分发生了较为严重的衰减，相对的低频分量则表现出较好的波形保持，这样最终造成了在电缆末端得到的信号发生了较为严重的失真。
上面的仿真是基于一定长度的仿真所进行的，为了更为深入的研究，采用不同的长度来研究局部放电信号传播规律与电缆长度之间的关系。选定三个相异长度的电缆，定义长度分别为200m、400m和1000m。在其末端注入方波，得到的首端波形如图5所示。
图5 信号衰减特性与长度的特性关系
通过上述的不同长度下的信号传播特性可以知道，拥有较短长度的电缆，其中的信号反射所要的时间越短。另外，电缆的长度越长，则测得的脉冲电压幅值越小，脉冲宽度越长。基于此，可以得知，当测量长度较短的高压电缆时，如果选择传感器的频带过低，则会造成测量上的误差，因此，那么选择合适频段的传感器就显得十分重要了。
根据前面的分析，本章将设计出电缆局部放电检测系统，由于采用Rogowski线圈电流传感器来测试电缆接地线中的电流不仅可以实现对局部放电的检测，同时其测量速度快速、准确检测，所以采用这种线圈作为电流传感器。整个检测系统的基本流程图如图6所示。
图6 电缆局部放电带电检测系统原理结构图
在现场一般不允许改变系统运行的接线方式，所以一般采用在设备接地线处，通过相应的传感器耦合出相应的电流，通过此电流来判断设备的运行状态，本文中设计的系统采用了宽频带Rogowski线圈电流传感器来测试电缆接地线上的电流，通过由于局部放电产生的电流是非常微小的，而且其频率范围分布及其广泛，那么就要求所使用的传感器具有非常好的灵敏度，而且现场的大量电气设备，同时运行电压很高，所以势必会产生较大的电磁干扰，这样也要求所使用的传感器具备较强的抗干扰能力，这些因素最终决定了所使用的传感器的相关性能参数。
4.现场测试及结果分析
利用设计的高压电缆局部放电带电检测系统分别对该110kV变电站及220kV变电站内的电缆出线进行了现场测试。
首先对110kV站进行排查，结果没有发现局部放电信号，电缆绝缘状况良好，未发现明显局部放电现象。
图7 现场测试
图8 电缆爆炸事故照片
现场测试结果进一步验证了便携式高压电缆局部放电带电检测系统的有效性，但在现场测试中也反映出了一些问题，如目前的局部放电电流传感器虽然是开口式，在现场测试时，无需打开接地线，可以直接卡在接地线上，具有一定的实用性，但由于传感器的两部分是通过螺栓紧固的，因此在现场测试时仍然带来了一些不便，测试速度较慢，在电缆出线较多的情况下，测试时间较长。为了提高测试速度，下一步需要对传感器的结构设计进行改进，设计为卡钳式，以提高测试速度。
图9 测试结果
5.结论
电缆是电力系统中重要的电气设施，本文结合某地区的实际情况和现有的测试设备，开发了一套电缆局部放电数据分析管理系统，并通过现场带电局部放电检测，证明了整个测试系统满足测试现场需求，大大提高了电缆局部放电测试和数据管理的效率。
参考文献
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作者简介：闫颖（1981―），男，河北保定人，中级工程师，现供职于保定四方三伊电气有限公司，主要从事高压无功补偿研究。