故障分析与反措
高压XLPE电缆线路局放测试系统
应用研究
赵宇2 刘青2 高援利2 周作春1 李华春2 张文新1 陈平2 （１.北京市电力公司 100031；２.北京市电力公司电缆公司 100027）
摘 要 高压电缆尤其是电缆接头局部放电测试技术是大家都非常关注的问题，市场上局部放电设备比较多，选择一种有效、快捷、便于现场使用的设备非常重要。本文将介绍一种高压电缆局放测试系统（PDCheck）以及该系统在北京地区的应用。Techimp公司的PDCheck实现了放电脉冲的分离识别诊断技术，通过对信号进行高速宽带采样获取信号完整的时域波形，针对不同放电及噪声间的差异提取多种信号特征，从而将不同的放电分离开来，对每一类放电进行甄别，推断出受检设备可能存在的绝缘问题，经实验室测试和现场使用，效果良好。 关键词 电缆 局部放电 PDCheck
0 引言
截至2007年底，北京市共有220kV电缆70路152公里，110kV线路486路604公里，35kV线路94路77公里，以过去的人工计划检修方式来管理如此庞大的电缆网已经很难满足发展要求。
统计数据表明，电力设备50%以上的故障来自于绝缘故障，对电缆而言，这一比例要高得多。绝缘事故通常都是由于绝缘部件体内或体表产生贯穿性放电引起高低压间短路而导致设备烧损、爆炸及系统短路、跳闸。除雷击等偶发性因素外，贯穿性放电通道一般都是从微小的局部的放电发展而来的。北京市电力公司电缆公司早在2003年就开展了电缆局放测试的工作，在理论和经验上有了一定的积累。吸收新加坡新能源公司经验，结合北京地区多年局放研究经验，并对国内外多种局放测试方法进行认真比较后，北京市电力公司选取意大利TechImp局放测试设备进行深入分析，先安排该设备到华北电力大学电缆实验室进行测试，然后在北京高压电缆线路上进行现场试验，经测试和试用效果良好，现在已经推广使用
1 电缆局部放电的产生及测量
交联聚乙稀电缆（XLPE）电缆在制造和接头制作过程中，绝缘层内部出现的杂质、微孔、半导电层突起和分层缺陷，油纸绝缘（PILC）电缆由于负荷过大或缺油导致的绝缘材料干燥和外护套被侵蚀后引起的进水，均会引起局部放电的发生。局部放电经过积累发展成电树，最终导致主绝缘的击穿。如果能够在设备绝缘恶化的早期就能发现，就可防范于未然，提高系统可靠性和稳定性。
由于局放信号是在强场环境下微弱的暂态信号，放电电压低、放电量小，产生的放电电流脉冲
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全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集
也远低于电力系统中的杂散脉冲，极易被背景噪声淹没。另外，各种放电信号及干扰通过不同的途径到达传感器，传播过程中所产生的各种畸变和衰减也大不相同，故检测系统在电缆终端处采集电缆线路局部放电信号非常困难,采集到的信号容易失真,从而造成较大的测量误差,甚至得到错误的结论[2-3]。测量局部放电的方法很多，主要有：差分法，主要由日本、韩国公司采用，现场在接头表面贴金属箔和接头金属屏蔽构成电容传感器，现场使用耗时长，测试和分析需要长期专业经验；方向耦合法，由欧洲公司开发，需要在电缆接头内安装传感器，破坏密封结构，在接头制作时容易留下质量隐患，极少使用；电磁耦合法，利用高频CT从接地线和交叉互联线或电缆本体取局放信号，适合现场使用; 超高频电感耦合法,是荷兰公司提出的一种利用线圈作为传感器对螺旋状金属屏蔽电缆进行局部放电在线检测的方法，这种检测方法要求被测电缆金属屏蔽为螺旋带状绕制而成的，无法用于国内的高压电缆。还有超高频电容耦合法，还停留在实验室测量阶段。经过比较可以看出，以前大部分电缆局放检测试验通常仅局限在实验室内完成[4-5]，近几年一些方法开始用于实际现场的测试；电磁耦合法，利用高频CT从接地线和交叉互联线或电缆本体取局放信号，适合现场使用。本文研究分析的意大利TechImp局放测试方法就是采用电磁耦合法，利用高频CT套从接地线和交叉互联线提取信号。
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2 PDCheck系统的测试原理
基于局放信号的特点，如果不能把放电信号与环境中存在的各种杂散信号分离开来，测量是不可能进行的。另外，线路的电晕放电、套管的沿面放电、旋转电极碳刷的火花放电都属于局放，但对设备的危害性却远低于绝缘内部的放电，因此要运用局放信号来诊断设备状态，必须要能在强噪声环境下检测到局放信号，并将局放信号同噪声信号区分开来，最终确定不同局放的种类，这样的测试才是有意义的，得出的结论才是全面的。
所以，分离和识别局放信号是获得有效绝缘诊断、避免错误局放评估的重要基础，但要做到这一点并不容易，尤其在局放信号比较相似或者重叠的时候。PDCheck是基于不同的放电信号会产生具有不同随机特征的脉冲这一假设的基础上，利用高频CT对放电的电流脉冲信号进行高速宽带采样获取信号完整的时域波形，针对不同放电及噪声间的差异提取多种信号特征，从而将不同的放电分离开来，在此基础上，运用模糊逻辑的方法对采集数据进行分析判断，剔除噪声干扰，分类识别局部放电类型，达到发现运行电缆绝缘缺陷，预防电力电缆突发性运行故障，实现状态检修的目的。
PDCheck局放测量系统如图1所示。从传感器中取得的局放信号与低频同步信号都通过同轴电缆传入主机内，主机对数据进行初步处理，提取波形特征，并通过光纤、光电转换器与便携式电脑的RS232串口或USB口通讯，将特征传到电脑，再用专门的软件进行分离、分类及放电模式的识别。其诊断技术包括如下几个方面：信号采集与传输、信号特征提取、噪声干扰的剔除、专家系统识别及诊断 [6-7]。
图1 PDCheck系统示意图
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2.1 信号的采集与传输
以往的研究表明不同局放会产生大量不同形状不同时长脉冲，脉冲的时长可以在纳秒级别（频率高达1G Hz）。为了采集到这么快速的信号，根据Nyquist准则，系统的采样频率必须比信号频率高两倍以上。鉴于局放信号的特点，采用滤波器和放大器很容易使信号原始波形畸变，影响最后结果的判断。所以，PDCheck另辟蹊径，采取高速宽带的广谱收录方式，将所有可以采集到的高频信号全部录入，在软件上实现对干扰信号的分离，这样可以最大限度上保证采集到的放电信号是最真实的。考虑到局放信号固有的统计特征及可能的局放脉冲信号的组合，评定设备状况就要有大量的信号样本，需要通过固定采样频率进行长时间的持续采样，这也需要比较大的缓存以及存储空间。
采集大量数字信号需要有非常高的采样率以避免频带混淆，为了采集到足够量的可以进行随机分析的有效脉冲信号，就需要通过一个可触发分离的在线记忆缓存系统来解决。只有当数字信号的幅值超过预设触发值的时候，系统缓存才会将它采集下来。处理器通过一个时间指针识别控制采集相似信号，并指定存储区记录下来。
PDcheck具有100MHz、1GSa/s的高速宽带采样系统以及精确的触发技术，这样的设备配置足以满足系统对PD信号的采集。一台笔记本电脑可以通过IEEE-488或者以太网实现对系统的控制。
2.2 信号特征提取
传统的基于放电电流脉冲的局放检测手段是基于IEC60270标准，频带局限于10～200kHz，测量的是局放总量，最后绘出O-Q-N（放电相位－放电量－放电次数）谱图，以此进行放电种类识别，这种方法不足以获取足够的信息区分局放和噪声以及不同种类的局放，抗噪声能力较弱。
PDCheck是把局放信号的实际时间转化为等效时间，这样就可以将信号时长与信号的其它信息联系起来（比如说TF图形）。这种转化首先将局放信号标准化[8]，s(t)(t是时间)，公式（1）就是根据传统的通讯理论得出的标准化的PD信号表达式
（1）
接着，对信号特征进行计算，得到关于时间和频率的函数
（2）
（3）
公式（2）（3）是公式（1）中s(t)在时域和频域的标准偏差。S(f)是s(t)的傅立叶变换，to是
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标准信号的时间中心，to表达式是
（4）
上面这种转换将一个PD的信号特征转化成一些数字量，就是说数字化，这些数字量里保存了信号的时间和频率信息。同一个PD源产生的信号是十分相似的，通常采集数据中包含的信号来源不止一个，较强的噪音信号会覆盖内部PD信号，为了分离、记录信号的来源，消除干扰，系统应用模糊逻辑方法来获得PD脉冲的分类。在这张代表着不同类型脉冲特性的TF分布图中可以将不同类型的信号进行分离，对下一步的噪声分离和类型分析起着非常重要的作用。
图2 测试信号的放电谱图和TF图
图2中（a）是测试得到的放电谱图，（b）是将所测的脉冲信号数字化转化后得到的时间－频率图，即TF图。在TF图中将信号分为了红色和白色两类，这样就可以在放电谱图里分别对这两类信号进行分析。
图3中（a）、（b）分别是测量信号的放电谱图和TF图。在（b）图中信号分为两类，把这两类分别选出就可以将放电谱图中不同种类的信号进行分离，如图（c）、（d）；图（e）、（f）分别为这两类信号的典型放电脉冲波形。
图3 信号分离
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2.3 噪声干扰的剔除
第二步中通过计算和分类，将不同特征的信号分成不同部分，这一步要做的就是在不同部分信号中将噪声信号剔除出来。对于一般的噪声信号，由于信号的随机性，它的相位与外加电压的相位没有必然联系，这点在局放谱图里表现的十分明显，就是代表这些噪声脉冲的点散布在所有时间段上，没有任何规则，我们在分类后可以很容易将这类噪声信号剔除出来。另外一种噪声信号是固定在某一个或者某几个相位上，它们有着相对固定的相角，例如AC/DC整流器。这种重复出现的周期性的出现在同一相位的信号谱图也可以通过傅利叶变换得到。在TF图中选取不同部分，观察其放电谱图，就可以找出其中的噪声信号。
图4就是在放电谱图中利用TF图将噪声信号从放电信号中剔除的例子，其中红色的为噪声信号，白色的为内部放电信号。
图4 噪声干扰的剔除
2.4 专家系统识别及诊断
放电信号类型识别的目的就是准确找出局放信号的局放源，判断其危害性。从原理上讲，采集信号的样本越多，分析结果越准确，然而由于各种噪声和局放源都在持续发射着脉冲信号，信号过多会导致信号的重叠，导致信号难以分离。所以，采集信号的数量只要能够保证提取完整的信号特征就可以了。
当信号分离后，局放信号可以通过统计学计算得到标准参数（IEC60270中定义的）和局放脉冲的分布参数（与脉冲的数量、相位和幅值有关），这些参数可以帮助鉴定信号的类型。
PDCheck系统配备一个功能强大的专家识别系统，在这个系统中包括了一个庞大的局放波形特征数据库，对每一个放电脉冲波形分析软件按照一定步骤提取几十种放电特征，再将其放电特征与专家库中的放电“指纹”相比较，运用模糊逻辑的方法，判断被测放电类型与已知放电类型的相似性，从而得出相应判断结论。一般来说，一个信号的识别可以分为两级，第一级首先判断
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