多傳感器聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)在x1pe電纜局部放電檢測(cè)和定位中的應(yīng)用

0基于局部放電的主要參數(shù)設(shè)計(jì)電纜系統(tǒng)的絕緣誤差通常發(fā)生在電纜的附件部分。隨著電纜連接電纜（hdpe）在能源網(wǎng)絡(luò)中的地位不斷提高，從電纜附件故障造成的能源事故也在增加，這影響了能源網(wǎng)絡(luò)的可靠性和運(yùn)行。由于XLPE電纜多采用地下敷設(shè)的方式,給其狀態(tài)檢測(cè)和故障定位帶來了一定的難度。因此,如何快速有效地判斷電纜附件的絕緣狀況,及時(shí)準(zhǔn)確地診斷電纜附件的絕緣故障,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)XLPE電纜絕緣內(nèi)部存在缺陷時(shí),會(huì)導(dǎo)致電纜內(nèi)部局部放電的發(fā)生。通過檢測(cè)電纜內(nèi)部的局部放電水平,可以間接地反映XLPE電纜的絕緣狀況。本文通過多傳感器的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù),對(duì)XLPE電纜的局部放電進(jìn)行帶電檢測(cè),并實(shí)現(xiàn)XLPE電纜附件的故障定位。多傳感器的聯(lián)合應(yīng)用,使得各傳感器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),增強(qiáng)了局放檢測(cè)的抗干擾能力和檢測(cè)效率,具有很好的實(shí)用價(jià)值。1單一橋接的電氣放電局部放電是一種在電場(chǎng)作用下于絕緣內(nèi)部局部區(qū)域發(fā)生的僅被部分橋接的電氣放電的現(xiàn)象。通過檢測(cè)電纜絕緣內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)所產(chǎn)生的聲、光、電信號(hào)及化學(xué)物質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)XLPE電纜局部放電的檢測(cè)和定位。1.1局部放電定位原理高頻電流法是電纜局部放電檢測(cè)中的常用方法,通過在XLPE電纜接頭接地線上或電纜本體上安裝高頻電流傳感器(HFCT)可以耦合高頻脈沖電流流經(jīng)通路上所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)信號(hào)。高頻電流法的檢測(cè)頻帶通常在幾百kHz到幾十MHz,能夠有效地獲取局部放電信號(hào)。高頻電流傳感器安裝方便,是一種非侵入式的檢測(cè)方法,安全可靠。利用高頻電流法實(shí)現(xiàn)XLPE電纜的局部放電定位,目前應(yīng)用較多的是時(shí)域反射法(TimeDomainReflectometry,TDR)。該方法計(jì)算同一局部放電脈沖直接到達(dá)和經(jīng)反射到達(dá)傳感器的時(shí)間差,同時(shí)結(jié)合局部放電脈沖在XLPE電纜中的傳播速度和被測(cè)電纜的物理與電氣連接結(jié)構(gòu)等參數(shù),確定局部放電源的位置,如圖1所示。在現(xiàn)場(chǎng)局部放電的測(cè)試中,由于外部信號(hào)的干擾、高頻電流信號(hào)在電纜內(nèi)傳輸時(shí)的衰減、頻散和反射特性,單純的TDR方法一般只適用于短距離電纜局放測(cè)試。因?yàn)殡娎|的局放故障多發(fā)生于電纜附件位置,可以利用多個(gè)HFCT傳感器,采用到達(dá)時(shí)間分析法(ArrivalTimeAnalysis,ATA)對(duì)故障電纜接頭進(jìn)行定位。ATA法通過比較局放脈沖到達(dá)各個(gè)HFCT傳感器的時(shí)間,判斷局放源的位置。基于ATA法的局部放電檢測(cè)技術(shù),可以在每個(gè)電纜接頭處安裝HFCT傳感器,使用同步采樣技術(shù),進(jìn)行長(zhǎng)距離電纜的局部放電檢測(cè),也可以在某電纜接頭附近,安裝兩個(gè)HFCT傳感器,判別局放源的方向。1.2電纜局放源位置檢測(cè)XLPE電纜超高頻法(UHF),通過在電纜中間接頭或終端接頭處放置的超高頻天線耦合電纜的局部放電電磁波信號(hào)。局部放電激發(fā)的超高頻電磁波的頻帶通常在幾百M(fèi)Hz到幾GHz,檢測(cè)超高頻信號(hào)可以有效地避開低頻段的噪聲及干擾,具有較高的檢測(cè)靈敏度。超高頻信號(hào)在電纜中傳播時(shí)衰減很大,外置式的UHF傳感器可安裝于電纜接頭附近,若傳感器檢測(cè)到局放信號(hào),即可斷定局放源位于電纜接頭附近。為準(zhǔn)確判斷局放源在電纜附件中的位置,可以借助時(shí)差法進(jìn)行定位。局放源輻射的電磁波以一定的速度在電纜附件內(nèi)傳播,并輻射出電纜接頭到達(dá)傳感器。通過在不同位置設(shè)置多個(gè)UHF傳感器,根據(jù)電磁波的傳播速度和同一局放脈沖到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間差,確定局放源的位置。1.3聲發(fā)射傳感器聲發(fā)射法(AE)通過安置在電纜附件附近的聲發(fā)射傳感器,檢測(cè)局部放電所激發(fā)出的超聲波信號(hào)。聲發(fā)射傳感器一般采用壓電晶體的結(jié)構(gòu),其檢測(cè)帶寬通常在幾十千赫茲到幾百千赫茲。聲發(fā)射傳感器與電纜之間無電氣聯(lián)系,可以有效地避免電磁干擾,具有較好的抗電磁干擾性能。XLPE電纜的局放檢測(cè)中可以使用空氣耦合方式的聲發(fā)射傳感器。在電纜附件附近的空間中,傳感器可以耦合到局放源所激發(fā)出的超聲波信號(hào)。由于聲發(fā)射傳感器的檢測(cè)有效范圍較小,可以在電纜附件周圍架設(shè)多個(gè)聲發(fā)射傳感器,用以判斷該處電纜接頭是否存在局部放電,并通過時(shí)差法對(duì)局放源進(jìn)行定位。2推行聯(lián)合檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)XLPE電纜接頭或終端接頭進(jìn)行局部放電檢測(cè)時(shí),單一的檢測(cè)和定位方法,常易于受到外部信號(hào)的干擾,其應(yīng)用具有一定的局限性。本文結(jié)合了高頻電流法、超高頻法和聲發(fā)射法,提出了多傳感器聯(lián)合檢測(cè)的局部放電定位方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)XLPE電纜附件的局部放電源進(jìn)行定位。多種傳感器的聯(lián)合檢測(cè),可以有效地識(shí)別出局放信號(hào)和外部的干擾信號(hào),提高檢測(cè)系統(tǒng)診斷的正確性、定位成功率和定位精度。聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)三種傳感器的實(shí)物如圖2所示?？紤]到XLPE電纜附件的電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu),將HFCT傳感器套接在電纜中間接頭或電纜終端處的接地線上、或臨近電纜附件的電纜本體上,超高頻外置式傳感器和聲發(fā)射傳感器安裝在電纜中間接頭或電纜終端的附近,聯(lián)合定位系統(tǒng)的檢測(cè)原理如圖3所示。使用三種傳感器對(duì)XLPE電纜附件的局部放電進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè),并實(shí)現(xiàn)對(duì)局放源的定位,具體的定位步驟如下:1)巡檢時(shí),使用超高頻傳感器和HFCT傳感器對(duì)各電纜中間接頭或電纜終端進(jìn)行檢測(cè),判斷局放源的大致范圍。2)在有疑似故障的電纜中間接頭或電纜終端安裝超高頻傳感器和HFCT傳感器。使用兩個(gè)HFCT傳感器判別局放源的方向。3)對(duì)于電纜中間接頭或電纜終端處的局部放電,通過HFCT傳感器和聲發(fā)射傳感器進(jìn)行聯(lián)合的局放源定位。3試驗(yàn)與研究為驗(yàn)證多傳感器聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)在XLPE電纜附件局部放電定位中的有效性,在實(shí)際的XLPE電纜中人工模擬局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和定位。3.1電纜脈沖發(fā)射試驗(yàn)為準(zhǔn)確對(duì)電纜的局部放電進(jìn)行定位,首先需準(zhǔn)確獲取電纜內(nèi)高頻脈沖信號(hào)的傳播速度。試驗(yàn)中電纜試樣的電壓等級(jí)為8.7/15kV,橫截面積35mm2,電纜總長(zhǎng)300m,搭建試驗(yàn)電路如圖4所示。使用脈沖發(fā)生器PG模擬局放信號(hào),在電纜的近端向電纜線芯注入脈沖信號(hào),電纜遠(yuǎn)端開路,電纜外屏蔽層接地,在近端的接地線上安裝HFCT傳感器。脈沖發(fā)生器模擬局部放電信號(hào),其傳播到電纜遠(yuǎn)端會(huì)發(fā)生全反射,并沿著線芯傳播回電纜近端。利用反射法,計(jì)算直達(dá)脈沖與反射脈沖的到達(dá)時(shí)間。在實(shí)際的電纜信號(hào)傳播分析中,由于信號(hào)的頻散特性,脈沖信號(hào)在傳播過程中會(huì)發(fā)生畸變,脈沖的起始沿不易于直接分辨,本文采用AIC法分析信號(hào)的脈沖初至?xí)r刻,以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖到達(dá)時(shí)間的精確計(jì)算,提高定位精度。AIC方法由日本統(tǒng)計(jì)學(xué)家赤池提出,是一種衡量統(tǒng)計(jì)模型擬合優(yōu)良性能的標(biāo)準(zhǔn),可以權(quán)衡所估計(jì)模型的復(fù)雜度和模型擬合數(shù)據(jù)的優(yōu)良性。分步的AIC方法首先從脈沖信號(hào)中提取特征函數(shù)波形CF,為同時(shí)反映脈沖信號(hào)的幅值與頻率變化,CF曲線的提取形式如下所示:觀察得到的CF曲線,選取脈沖初至?xí)r刻的一個(gè)鄰域,計(jì)算其間每點(diǎn)的AIC值,并得到AIC特征曲線為其中:k的取值范圍是1~N;σ2m,n表示第m個(gè)點(diǎn)到第n個(gè)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的方差。在AIC曲線上搜尋最小點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)即為AIC方法估計(jì)的脈沖初至?xí)r刻。使用AIC方法分析電纜反射波試驗(yàn)的脈沖信號(hào)波形。HFCT傳感器檢測(cè)得到的信號(hào)波形如圖5(a)所示,對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)使用AIC方法計(jì)算其脈沖初始時(shí)刻,得到的AIC曲線如圖5(b)所示。從分析結(jié)果可以看出,直達(dá)脈沖與反射脈沖的到達(dá)時(shí)間差為3.575μs。電纜試樣長(zhǎng)度為300m,由此可以得到HFCT局放信號(hào)在該電纜中的傳播速度為:通常電纜中局放脈沖的傳播速度為160~180m/μs,試驗(yàn)分析結(jié)果與之較為相符。3.2局部放電源方向一致性測(cè)試在電纜中間接頭或電纜終端的局部放電檢測(cè)過程中,當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似故障時(shí),可以利用超高頻傳感器和HFCT傳感器對(duì)存在疑似故障的電纜附件進(jìn)行進(jìn)一步的局部放電分析,并通過兩個(gè)HFCT傳感器信號(hào)的ATA法判斷局放源的方向。本文在XLPE電纜近端設(shè)置局放缺陷,在電纜近端附近,使用兩個(gè)一致性良好的HFCT傳感器對(duì)局部放電源的方向進(jìn)行判別,試驗(yàn)接線圖如圖6所示。兩個(gè)HFCT傳感器間距離約為10余米。HFCT傳感器檢測(cè)得到的信號(hào)波形如圖7所示,并用AIC方法對(duì)其到達(dá)時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算,得到結(jié)果如圖8所示。從圖中分析結(jié)果可以看出,局放信號(hào)到達(dá)兩個(gè)HFCT傳感器的時(shí)間差為70ns,局部放電信號(hào)在XLPE電纜中的傳播速度按照電纜反射波試驗(yàn)中計(jì)算得到的167.8m/μs計(jì)算,兩HFCT間的距離為:l=167.8m/s×70ns=11.8m,計(jì)算結(jié)果與兩傳感器間的實(shí)際距離較為相符。3.3電纜放電源傳播規(guī)律分析當(dāng)判斷局部放電來自電纜中間接頭或終端接頭時(shí),可以使用HFCT傳感器和聲發(fā)射傳感器對(duì)電纜附件內(nèi)的局部放電源進(jìn)行定位,判斷存在局部放電的電纜線路和故障相。本文在XLPE電纜A相近端使用電子打火器模擬局部放電信號(hào),利用多傳感器聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)對(duì)上述放電源進(jìn)行定位,試驗(yàn)電路如圖9所示。HFCT傳感器安裝在電纜終端本體上,超高頻傳感器和聲發(fā)射傳感器置于電纜終端附近,其中聲發(fā)射傳感器距離A相電纜端部31.4cm。三種傳感器檢測(cè)到的放電信號(hào)如圖10所示。檢測(cè)結(jié)果中可以看到三種傳感器的檢測(cè)信號(hào)。利用AIC方法對(duì)局部放電超聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行分析,并將其與HFCT傳感器信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,得到分析結(jié)果如圖10(c)所示。從圖中分析結(jié)果可以看出,超聲波信號(hào)與HFCT信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差為912.6μs,由于聲發(fā)射傳感器采用空氣耦合的方式,忽略超聲波信號(hào)在電纜終端內(nèi)的傳播時(shí)間。在空氣中超聲波信號(hào)的傳播速率按340m/s計(jì)算,局放源距離聲發(fā)射傳感器的距離為:l=340m/s×912.6μs=31.03cm,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為相符。4傳感器耦合方式的影響多傳感器聯(lián)合檢測(cè)技術(shù),綜合應(yīng)用了HFCT傳感器、超