高壓電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)(億森)

1、福州億森電力設(shè)備有限公司0591-8757505513338443272高壓電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)福州億森電力設(shè)備設(shè)備有限公司2016年 9 月摘要：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(jìn)行即時監(jiān)測， 監(jiān)測系統(tǒng)控制著電纜及其附件PD混沌監(jiān)測方法進(jìn)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(xué)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 行討論。關(guān)鍵詞：XLPE電纜；在線監(jiān)測；局部放電；混沌法0 引

2、言電力電纜在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用愈發(fā)隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展以及舊城改造工程的進(jìn)行，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(hù)層四個部分。 其中線芯即導(dǎo)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(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層，一般存在于 15kV 及以上電纜中。保護(hù)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。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（lOOOkV及以上）。 按照絕緣材料電力電纜

3、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 以廣泛應(yīng)用，并逐漸取代了油紙絕緣電纜的地位。1970 年以來， 交聯(lián)聚乙烯 （XLPE） 電力電纜得XLPE 電纜電氣性能優(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

4、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， 局部放電的混沌監(jiān)測方法進(jìn)行了討論 2。并對電纜難點1 PD 在線監(jiān)測的意義以及技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)體的鄰近。電

5、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。雖然局部放電的局部損壞。若確定絕緣故一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致電介質(zhì)（特別是有機電介質(zhì)） 局部放電長期存在， 在一定條件下會導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。 對電力設(shè)備進(jìn)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，障的原因及其嚴(yán)重程度。 因此， 對電力設(shè)備進(jìn)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(yù)防性試驗?；趯Πl(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

6、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)、 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(dǎo)體甚至不易接觸到金屬 護(hù)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(dǎo)電

7、 層上，常用銅或鋁導(dǎo)體作為內(nèi)置傳感器， 半導(dǎo)電層在導(dǎo)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。UHF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 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(hù)套絕緣

8、層去電， 電極是在外半導(dǎo)電層的表面裹上一導(dǎo)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(dǎo)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(hù)套的長度、 金屬箔和護(hù)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 。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(hù)套表面，對電纜的絕緣沒有

9、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(xué)開發(fā)了可以通過監(jiān)測電纜附件的傳感器，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(jìn)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(hù)套，把一導(dǎo)體環(huán)放到屏蔽層和外護(hù)套之間，并用絕緣材料固定住導(dǎo)體環(huán)，使之緊貼外半導(dǎo)體層，然后用法蘭連接導(dǎo)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(jìn)行了這方面的研究，例如華中科技大學(xué)，國家電網(wǎng)科學(xué)研究院、 興迪公司等，有的產(chǎn)品通過實

10、驗也取得了不錯的結(jié)果。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(xué)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(dǎo)電層，這樣薄金屬與半導(dǎo)電層構(gòu)成耦合電容，當(dāng)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(dá)1pC,帶寬為200kHz-300MHz，現(xiàn)場使用效果較好。Rogowski）線圈是在其中最具 信號通過導(dǎo)線傳輸，一邊以電正是根據(jù)電磁耦合這一原理，研2-2與羅斯線圈傳感器等效電路圖

11、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（ 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, 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，2-3。究出了羅斯線圈傳感器。羅斯線圈傳感器結(jié)構(gòu)圖圖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，磁芯的選擇也我們通常使用的是鎳鋅鐵氧體，用其做出其頻率帶可從20KHZ至U 100MHZ。很重要，不同的磁芯對生產(chǎn)出的傳感器影

12、響很大，的電感耦合器靈敏度高，可達(dá)3P C, 工作帶寬大，LsWV Rs-卜 J Ui(t)Cs 二_ *U0(t)i(t)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)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(dǎo)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(fù)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

13、5。由圖中我們可以 測量的精度不高，而且對外界的電磁環(huán)境比較敏感， 如果在以后能夠解決這些問題，還是比較有很大的工程們攜帶，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 看到，外置式傳感器一般做的不夠精巧， 會因為周圍環(huán)境的干擾而信號失真。 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(xué)研究院，華中科技大學(xué)和西安交通大學(xué)，武漢大學(xué)，

14、重慶大學(xué)等。在部分區(qū)域電力公司也對這類局放傳感器進(jìn)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)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

15、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(dǎo)致該方法并沒有得到推廣，最近幾年，由于技術(shù)的進(jìn)步，傳感器的性能和信號分離放大器的性能也大幅進(jìn)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(dāng)有局放發(fā)生就會檢測到信號。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

16、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(jìn)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，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， 頭。近年來，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 有限公司，華北電力科學(xué)研究院，南方電網(wǎng)廣東公司等。這樣就導(dǎo)致了大多還是用來監(jiān)測電纜接8。例如長沙鵬翔科院2.4光學(xué)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， 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

17、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(zhǔn)確度；以上的這些問題也使人們把視角轉(zhuǎn)移到光學(xué)傳感器上，這也是在線監(jiān)測研究的新方向9學(xué)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0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(dāng)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0的變化，然后通過計算，再將0的變化轉(zhuǎn)化為可以測量的

18、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。 的傳播方向同向， 越介質(zhì)的長度I而我們以上介紹的電容耦。光這樣來實現(xiàn)對局放信號的監(jiān)測。當(dāng)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 這樣光的振動方向?qū)a(chǎn)生一個角度為e的偏轉(zhuǎn)，且磁感應(yīng)強度 B光穿的積和角度e成正比且有：屮=VBI(2-1)中，B為電磁感應(yīng)強度，I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(dǎo)出磁光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)

19、角公式為：在式(2-1).-l.dnlb2 m d A(2-2)其中：e為電子電荷和質(zhì)量,A為光波波長， 也為無磁場時介質(zhì)的色散， B為磁場d人強度在光傳播方向上的分量，I為晶體長度11。如式(2-3)，并由(2-4)麥克斯韋方程組m _mW0r +e(E+丄 P) _ g3&0(2-3)r S甲 0 za + 1)P+t 0可 PP X h) = 0丄sx(a P+i PP X h) = H-S X H =(名。ga +1)P + t s0ePhc(2-4)，由公式（2-3）和（2-4）可得E代表電場強度，H為一束光照入后偏轉(zhuǎn)的角度法拉第磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度，即 ：一 Ey兀日=ar Ct an

20、 = L 丄n _ n )Ex入-（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6 = 2日（2-6）對公式（2-6）進(jìn)行泰勒展開可得：磁場方向(2-7)出射光入射光圖2-5法拉第磁光效應(yīng)原理V就是費爾德常數(shù)，一般是通式子（2-7）就是法拉第和費爾德磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角公式。過實驗來得到。不過技術(shù)方面還不夠成熟，還有在測量時，對外界環(huán)境的電磁和噪聲的干擾影響不大, 必要深入研究。2.5 UHF法和UHF傳感器2.5.1超高頻(Ultra High Frequency)檢測法的基本原理超高頻法是根據(jù)在發(fā)生局部放電時發(fā)出電磁波信號。當(dāng)電纜本體或附件發(fā)生局部放電時會產(chǎn)生特高頻電磁波，我們根據(jù)這

21、一特點，人們開發(fā)出了通過監(jiān)測高頻電磁波來實現(xiàn)對電纜的在線監(jiān)測12。另外還可以通過對電磁波的監(jiān)測還可以對發(fā)生放電的位置進(jìn)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(dá)到GHz數(shù)量級,這樣超高頻法最大的優(yōu)點就是現(xiàn)場發(fā)生的放電干擾對測量的影響就會很小，提高了測量的準(zhǔn)確度。還有一點，超高頻比較適合對電纜接頭的監(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，更有效的對電纜進(jìn)行監(jiān)測。電纜接頭線芯屏蔽護(hù)套_r ，廣廠1微機%嚴(yán)1 1傳感器1試驗變壓器放大濾波顯示A/D操作圖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

22、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(zhǔn)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)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(xiàn)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

23、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(zhǔn)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(xué)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。福州億森電力設(shè)備有限公司0591-8757505513338443272(2)內(nèi)置式在現(xiàn)場安裝方卻比外置式的要求更高。 外置式的傳感器在尺寸方面比內(nèi)置式大,電容耦靈敏度與外置式相比內(nèi)置式的靈敏度更加優(yōu)秀， 合傳感器是我們比較常用的內(nèi)置式傳感器， 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

24、的位置在電纜接頭內(nèi)部，與屏蔽層的導(dǎo)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(xué) 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(dá)到很高。脈沖源A干Rf圖2-8方向耦合傳感器并且 各有優(yōu)2.6小結(jié)本節(jié)的主要內(nèi)容是詳細(xì)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， 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，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

25、以及后續(xù)檢測電路 的過電壓保護(hù)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(jì)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(zhǔn)確測量；光學(xué)傳感器是最新研究的方向，它抗干擾強，測量精度高、能夠較遠(yuǎn)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。同時研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(jìn)行定位。經(jīng)過仔細(xì)比 較，最

26、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(jìn)行在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，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，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(jìn)行測試時，我們進(jìn)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(biāo)定脈沖信號，在前

27、者接線方式中，系統(tǒng)檢測背景噪聲都約為 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 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。1.7 pC;后5 P C。上圖3-1HFCT套在故障電纜接地線上圖3-2HFCT套在耦合電容和檢測阻抗連接線上3.2各種信號耦合方式的比較為此我們每種測試方法都有它的優(yōu)點和局限性，只有揚長避短測試效果才能有效發(fā)揮。1。對各種XL PE電力電纜局放在線測試的信號耦合方式作了比較，見表測試方法優(yōu)點缺點電感耦合法1.結(jié)構(gòu)簡單、易于制作安裝2.具有較寬的信電磁耦合法內(nèi)置式電容耦合法外置式電容耦合法高頻電流

28、傳感法結(jié)構(gòu)簡單，易于制作安裝1.結(jié)構(gòu)簡單2.檢測頻帶較寬，可達(dá)500MHz3.靈敏度較高1. 信噪比低2. 由于檢測阻抗和放大器 對測量的靈敏度、準(zhǔn)確度、分辨率以及動態(tài)范圍等都有影響，因此當(dāng)試樣的電容 量比較大時，受耦合阻抗的 限制，測試儀器的測量靈敏度也受到了一定的限制3.測試頻率低,一般小于1 MHz，因而包含的信息量 少1.該傳感器安裝時需要破 壞電纜的外護(hù)套，安裝時工 藝要求較嚴(yán)格，必須做好護(hù) 套復(fù)原和防水工作2.電容型帶狀傳感器的檢 測靈敏度與帶狀金屬片的面積成正比，在現(xiàn)場容易受 到安裝環(huán)境的制約3.測量頻帶如選取不當(dāng)，會受到較大的噪聲干擾1.無需破壞電1.易受到環(huán)境因素影響，纜本體

29、如土壤電導(dǎo)率、濕度等均可2.安裝也非常能對金屬電極測量穩(wěn)定性簡單產(chǎn)生影響3.可有效抑制2.易受外界電磁噪聲干擾兩側(cè)本體放電信號的干擾，具有對電纜中間接頭局部放電定位的功能1.2.安裝方便調(diào)整靈敏度信號帶寬可 根據(jù)檢測需要 進(jìn)行調(diào)整3.4.數(shù)據(jù)采集量 大1.電纜外屏蔽層與電 感型帶狀傳感器的互感較小，靈敏度較低2.容易耦合到外來干1.從接地線上耦合信號, 易受到雜散干擾和電磁干擾的影響2.容易受廣播干擾影響3.和高通濾波的放大器匹 配不當(dāng)，會影響測試靈敏度號耦合頻率帶寬擾信號超高頻傳感器法通過使用多個UHF傳感器，能夠較好地對局放 源進(jìn)行定位，并 對局放源進(jìn)行相 互驗證1. 容易受到通信信號 (

30、GSM)及數(shù)字電視地 面信號的影響2. 容易受環(huán)境空間隨 機的接觸不良等現(xiàn)場 引起的放電現(xiàn)象干擾方向耦合傳感法1. 能準(zhǔn)確判斷脈 沖傳播的方向2. 和其他在線測 試組合使用，能 幫助辨識信號是 局放還是噪聲易受到環(huán)境因素影 響，如金屬片腐蝕造成 不報，或受強磁場影響 而誤報聲發(fā)射檢測法(AE)1. 測量操作簡便2. 不受電磁噪聲的干擾1. 聲波在電纜內(nèi)的傳 輸會有較大的衰減，會 影響測試靈敏度2. 所測聲信號與放電 量之間的關(guān)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采用合適的測試方法。比如在環(huán)境比由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，使得每種XL PE電力電纜局放在線測試方式都有它的局限性。

31、在實際測試工作中要盡量避開現(xiàn)場干擾對測試的影響，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(fù)雜的，為了能有效地進(jìn)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(jìn)行測試，比如常用的組合方式是將 UHF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

32、取得更好的測試效果24。圖3-31耦合電容 耦合金屬貼片19世紀(jì)才發(fā)展起來的新研究表各種信號耦合方式的組合示意圖6-方向傳感器7外置電容2檢測阻抗 3 HFCT 4 UHF 5 AE8 內(nèi)置電容帶狀傳感器9 絕緣墊圈10多模感溫光纜4 PD的混沌監(jiān)測方法討論4.1混沌動力學(xué)特性及特征量混沌理論是數(shù)學(xué)、物理、動力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的聯(lián)合，是在 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， 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(fù)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Ly

33、apunov指數(shù)譜、關(guān)聯(lián)維、分?jǐn)?shù)維等特征量是衡量混沌系統(tǒng)復(fù)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(yuǎn)離，Lyapunov指數(shù)可以對這種現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)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(rèn)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(xué)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

34、施電壓下產(chǎn)生的局部的非貫通的氣隙重復(fù)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。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(jìn)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)入0 ,關(guān)鍵維D為分?jǐn)?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

35、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(xué)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(fù)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。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(jìn)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

36、最大Lyapunov指數(shù) 入0 ,關(guān)鍵維D為分?jǐn)?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(jìn)行，但是混沌檢測的敏感性、不可測性、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(rèn)為混沌體系的各種特性均能夠通過動態(tài)行為學(xué)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

37、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)+ k 化 x(t) + X3(t)= V cos( t) + b（4-1）式中：3是策動力角頻率；丫是周期策動力幅值；k是阻尼比。混沌體系本征頻率和外 加周期強迫相頻率之間的互動使得方程中包含著眾多混沌特性，進(jìn)行混沌檢測時，當(dāng)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?度周期運行狀態(tài)，此時調(diào)

38、節(jié)策動力幅值， 使混沌系統(tǒng)重新恢復(fù)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Dufing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(fù)力控制著系統(tǒng)運行情況，恢復(fù)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據(jù)證明的可行性，調(diào)整恢復(fù)力，構(gòu)建周期窄帶信號模型?；煦缦到y(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?/p>

39、信號噪聲進(jìn)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(jìn)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)和大在系周期相變臨界狀態(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，統(tǒng)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(fù)上述步驟，直至全部干擾識別和抑制。4.3雙耦合Dufing振子系統(tǒng)局放脈沖檢測XLPE電力電纜半導(dǎo)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(yán)重，

40、導(dǎo)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(jìn)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(yán)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(dǎo)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

41、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(dāng)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(dāng)?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(dǎo)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(jìn)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。5 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