高壓電纜是電力系統(tǒng)重要組成部分之一，對(duì)其進(jìn)行局部放電在線檢測(cè)是保障電力電纜可靠運(yùn)行的重要手段，具有非常重要的意義。本文在對(duì)高壓電纜接頭局部放電檢測(cè)的研究中，首先對(duì)電力電纜的線路模型研究，確定了能夠表征脈沖信號(hào)的參數(shù)。進(jìn)而通過(guò)建立電力電纜模型，對(duì)局部放電信號(hào)在高壓電纜中的傳播特性進(jìn)行了仿真研究，得到局部放電脈沖信號(hào)在電力電纜中的傳播規(guī)律。然后本文針對(duì)高壓電纜局部放電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案的設(shè)計(jì)。
電力電纜作為一種重要的電氣設(shè)備，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分之一。它具有良好的電氣性能，熱性能和機(jī)械性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，這些年來(lái)在電力系統(tǒng)的各個(gè)電壓等級(jí)的輸電及配電網(wǎng)絡(luò)中都得到了廣泛的應(yīng)用；與以往的架空線路相比，采用高壓電纜供電在安裝及使用運(yùn)行方面都有著不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，電纜大多以直埋、排管、隧道等形式鋪設(shè)在地下，受外界的干擾較小，可以進(jìn)行長(zhǎng)期安全傳輸?shù)鹊?。但是高壓電纜也有其自身的不可避免的缺陷，例如在制作高壓電纜時(shí)，本身就無(wú)法保證其絕緣的絕對(duì)完好；在進(jìn)行安裝敷設(shè)的時(shí)候，極有可能受到來(lái)自外界的機(jī)械力的作用而造成損害；而當(dāng)高壓電纜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行之后，其絕緣部分因?yàn)殚L(zhǎng)期受到來(lái)自土壤理化作用、潮氣或者水分等的影響，也很容易遭到腐蝕進(jìn)而引起絕緣上的缺陷；這些隱患最終都會(huì)導(dǎo)致高壓電纜絕緣的擊穿。當(dāng)高壓電纜發(fā)生故障后，又恰恰因?yàn)闊o(wú)法采用巡視等常規(guī)方法判斷電纜工作狀態(tài)正常與否。因此，如何快速有效地通過(guò)各種檢測(cè)手段判斷電纜絕緣的劣化狀態(tài)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 局部放電現(xiàn)象簡(jiǎn)介
局部放電是絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部的重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象。在對(duì)絕緣進(jìn)行的制作時(shí)，總會(huì)或多或少的殘留一些雜質(zhì)在里面；在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由于絕緣的老化、分解，也會(huì)產(chǎn)生一些分散性的異物。這些雜質(zhì)和異物的電導(dǎo)和介電常數(shù)與絕緣物有很大的不同，當(dāng)外施電壓作用在上面時(shí)，這些雜質(zhì)和異物所在部位的場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)明顯高于周圍的場(chǎng)強(qiáng)。伴隨著外施電壓的升高，當(dāng)雜質(zhì)和異物所在部位的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)了該處物質(zhì)的電離場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，該處物質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生電離放電，即局部放電。局部放電發(fā)生在絕緣的局部缺陷處，在發(fā)生的初期放電量很小，所以是不會(huì)影響絕緣能力的，因此也極易被忽視。但是局部放電在絕緣長(zhǎng)期受電壓作用下會(huì)慢慢損壞絕緣，進(jìn)而縮短絕緣的使用壽命。最終可能導(dǎo)致電纜絕緣的徹底損壞乃至電纜爆炸。因此局部放電一直是絕緣非破壞性電氣檢測(cè)的主要項(xiàng)目，局部放電的測(cè)試也是考察設(shè)備絕緣受損程度的重要指標(biāo)。局部放電的檢測(cè)方法有很多，常用的有：脈沖電流法、電橋法、無(wú)線電干擾電壓法和一些非電檢測(cè)法，即通過(guò)捕捉局部放電產(chǎn)生的聲、光、熱以及放電生成物等進(jìn)行檢測(cè)。其中，脈沖電流法是一種廣泛采用的方法，即將線性耦合器穿過(guò)低壓側(cè)地線，通過(guò)磁耦合來(lái)對(duì)電流行波信號(hào)進(jìn)行采集，進(jìn)而檢測(cè)局部放電而在接地線中產(chǎn)生的局部放電脈沖電流信號(hào)。這種將測(cè)量回路與高壓回路進(jìn)行隔離的采集方法對(duì)操作人員和記錄儀器都是非常安全的，并且電流耦合器耦合輸出的脈沖電流波形也比較容易分辨。此外，許多衡量局部放電強(qiáng)度的參數(shù)，例如放電量、放電重復(fù)率以及放電能量都可以通過(guò)采用脈沖電流法來(lái)獲取，因此脈沖電流法被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。
2 局部放電信號(hào)在電纜中的傳播規(guī)律
為了對(duì)前文得到的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，我們?cè)陔娎|旁加一個(gè)方波發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)200ns寬的方波，注入到長(zhǎng)為500米的電纜上，在B點(diǎn)測(cè)量相應(yīng)的信號(hào)。仿真電路如圖2-1所示。
所加的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖，經(jīng)過(guò)電纜后，由圖2-2所示，在B端測(cè)得的電壓波形已不是方波信號(hào)，發(fā)生了嚴(yán)重的畸變。在傳播過(guò)程中，高頻部分的衰減強(qiáng)烈，低頻的相對(duì)衰減的弱，從而使在B端測(cè)得信號(hào)波形發(fā)生畸變。前面的仿真結(jié)果都是針對(duì)于長(zhǎng)度一定的電纜所進(jìn)行的，我們可以通過(guò)改變電纜的長(zhǎng)度來(lái)研究局部放電信號(hào)傳播情況與電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系。選取3根不同長(zhǎng)度的電纜，分別為200m、400m和1000m。向這3根不同長(zhǎng)度電纜上B端注入脈沖，觀測(cè)A端所獲得的信號(hào)波形，仿真結(jié)果見圖。
(a) 電纜長(zhǎng)度為200m
(b) 電纜長(zhǎng)度為400m
(c) 電纜長(zhǎng)度為1000m
通過(guò)比較局部放電信號(hào)不同電纜長(zhǎng)度下測(cè)得的脈沖波形可以看出，越短的電纜，信號(hào)反射所需要的時(shí)間也越短。而入射波與反射波間的時(shí)差會(huì)隨著電纜長(zhǎng)度的增加而增大。電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則測(cè)得脈沖的電壓幅值越小，脈沖寬度越長(zhǎng)。在測(cè)量長(zhǎng)度較短的高壓電纜時(shí)，如果選擇的測(cè)量系統(tǒng)頻帶過(guò)低，由于脈沖的重疊，就會(huì)造成測(cè)量上的誤差，因此，要選擇合適帶寬的測(cè)量系統(tǒng)以保證對(duì)高壓電纜局部放電檢測(cè)的準(zhǔn)確度。
3高壓電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)寬頻帶電流傳感器
本電流傳感器采用Rogowski線圈，選擇合適的匝數(shù)和自積分電阻同樣決定了線圈的工作頻帶，并且也是線圈良好靈敏度的必要條件。在通常情況下，線圈的匝數(shù)為偶數(shù)層，并且考慮到匝間電容的影響，線圈繞線一般為一層。所選用的漆包線不能過(guò)細(xì)，以免繞制過(guò)程中發(fā)生斷線。線圈的匝數(shù)不能太多，否則會(huì)降低線圈的靈敏度，應(yīng)根據(jù)自積分式Rogowski線圈的特點(diǎn)并綜合考慮線圈靈敏度和頻率范圍的因素進(jìn)行選擇。在自積分電阻選擇方面，為了保證線圈的靈敏度，電阻不能選的過(guò)小，否則電流傳感器獲取的信號(hào)極易淹沒(méi)在噪聲等其他干擾中，但是隨著積分電阻增大，線圈工作頻帶的寬度將隨之減小，并且當(dāng)阻值達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，將不符合自積分式Rogowski線圈所必須滿足的條件。
Rogowski線圈的結(jié)構(gòu)
3.2 基于LabVIEW系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集（DAQ：Data Acquisition）系統(tǒng)的基本任務(wù)是信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量。要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào)，首先要用傳感器將物理信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成電壓或者電流之類的電信號(hào)。通常不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到DAQ卡上，而是必須使用輔助的信號(hào)調(diào)理電路，先將信號(hào)進(jìn)行一定的預(yù)處理?？傊?。數(shù)據(jù)采集是借助軟件來(lái)控制整個(gè)DAQ系統(tǒng)的，包括原始數(shù)據(jù)采集、分析數(shù)據(jù)以及顯示結(jié)果等。一個(gè)完整的LabVIEW程序主要包括前面板、程序框圖、連接器三部分。前面板是一種交互式圖形化的用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出：框圖是定義VI功能的圖形化源代碼，可利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板的控制量和指示量進(jìn)行控制；圖標(biāo)和連接器窗格用于把程序定義成一個(gè)子程序，以便在其他程序中加以調(diào)用。本系統(tǒng)包括波形信號(hào)采集、保存標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、信號(hào)處理和分析、采集數(shù)據(jù)回放四個(gè)部分。下圖是信號(hào)采集與分析系統(tǒng)框
通過(guò)上述可知設(shè)計(jì)的電流傳感器具有較高的靈敏度，具備捕捉較小局部放電脈沖的能力。但是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，往往會(huì)受到來(lái)自中外界的干擾，所以必須經(jīng)過(guò)放大、檢波、濾波等環(huán)節(jié)把聲信號(hào)放大到一定的電平然后進(jìn)行測(cè)量。因此本文將所選超聲波傳感器配合增益為40dB的前置放大器使用，并設(shè)計(jì)了檢波單元，將傳感器獲取的信號(hào)進(jìn)行預(yù)先的處理以獲得更好的效果。
設(shè)計(jì)成型的樣品機(jī)
4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況
將本文設(shè)計(jì)的高壓電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)首先送至唐公塔110kV變電站，對(duì)其所有的高壓電纜進(jìn)行逐一檢測(cè)。以驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。如圖所示。
利用本文所研究的裝置對(duì)唐公塔變電站35kV313東辰線、10kV各條出線進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)局部放電在線檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的絕緣缺陷，電纜絕緣情況良好。接下來(lái)將局部放電檢測(cè)系統(tǒng)送至長(zhǎng)勝220kV變電站，對(duì)其所有的高壓電纜進(jìn)行逐一檢測(cè)。如圖所示。
對(duì)長(zhǎng)勝220kV變電站高壓電纜進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)高壓電纜絕緣情況良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的絕緣缺陷。但是有少量高壓電纜發(fā)生較為嚴(yán)重的局部放電情況，其中，322強(qiáng)盛線B相局部放電如圖所示。可看出有明顯的局部放電脈沖，幅值約為250mV。根據(jù)對(duì)電流傳感器標(biāo)定的結(jié)果，推算出此時(shí)放電量約為200pC。同時(shí)342華源線B相也檢測(cè)出約為300~400PC的局部放電，說(shuō)明這兩條電纜的B相絕緣存在一定的絕緣隱患，需要及時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步排查，更換。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量，可以看出采用高壓電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)高壓電纜絕緣的缺陷，從而真正實(shí)現(xiàn)了高壓電纜局部放電的在線檢測(cè)。
