0 引言

随着电力系统的发展和完善,电力电缆得到了更加广泛的应用,其可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行^[1]。然而,实际中由于工艺不良、人为破坏及环境影响,电缆可能存在局部缺陷^[2-3]。为降低电缆缺陷对电力系统的威胁,应对电缆的绝缘性能进行检测。局部放电（简称局放）耐压试验作为IEEE等权威机构制定的评价电缆绝缘状态的主要方法^[4],一直受到研究者的高度重视。传统耐压试验一般采用工频电压,虽然其试验环境接近实际运行环境,但由于测试时间太长,会对电缆造成附加损伤^[5-6]。近年来新兴的振荡波电压法具有快速、简便、灵活等优点,是一种无损伤的电缆绝缘检测方法,因此利用振荡波检测电缆局放在电缆缺陷定位方面有良好的应用前景^[7-9]。

在局放检测中,检测阻抗对局放信号的采集质量有着直接影响,传统的检测阻抗无法同时兼顾试验电压的抑制效果与输出信号的能量,在高压长电缆测试中存在一定的局限性。因此需要设计一种新型的检测阻抗,兼顾频谱集中度和对低频电压的抑制效果。

本文设计了一种适用于振荡波电缆局放测试的π型检测阻抗电路,从理论分析与硬件测试两方面对比了其相对于传统检测阻抗的性能优势,并给出了一组适用于振荡波电缆局放测试的电路参数,最后通过该检测阻抗在电缆局放定位上的应用验证了其可行性。

1 基本原理

振荡波电缆局放测试主要利用振荡波发生电路产生振荡波电压并施加于待测电缆,并通过耦合电容与检测阻抗组成的局放耦合电路对电缆上产生的局放信号进行测量。

1.1 振荡波发生原理

图1为振荡波电缆局放检测原理图,图中电缆内芯接至高压端,外部屏蔽层接地,可等效为一个电容。试验中先通过直流电源对电缆的等效电容进行充电,充电完毕依靠高压快速开关将回路切换至振荡放电回路,并在电缆等效电容两端产生振荡电压。若电缆存在缺陷,则有可能出现局部放电,此时利用局放耦合电路可检测到局放信号。研究表明,振荡波电压频率对电缆局放的产生影响不大^[10-11],但考虑到品质因数等,一般将振荡波频率设置为20~300 Hz。

1.2 电缆局放检测原理

脉冲电流法是一种经典的局放检测方法,在振荡波电缆局放测试中采用脉冲电流法进行局部放电测量^[12]。由于电缆的屏蔽层接地,故采用图2所示并联型脉冲电流法局放耦合电路进行检测,图中C_x为试品电缆等效电容,C_k为耦合电容,Z_m为检测阻抗。当电缆发生局部放电时,C_x两端会产生瞬间电压变化,一般可看作阶跃信号u_i经过局放耦合电路后,在检测阻抗两端产生脉冲电压u_o。局部放电相关标准规定了脉冲电流法局放测量频段^[13],但在电缆局放测试中对脉冲分辨率要求较高,传统测量标准已经不适用,相关研究中往往将局放测量频段提高至几百kHz到几十MHz^[14]。在此测量频段内,主要关注上升沿很陡的局放信号,由于其测量脉冲高度较高,可认为与视在放电量成正比。经过局放校准后,可依据每个脉冲的高度测量得到相应的放电量。统计分析电缆上每次局部放电脉冲对应的放电量及其与反射波的时间差,可进一步作为电缆缺陷定位的根据^[15-17]。

2 检测阻抗设计

检测阻抗的基本作用是将耦合电容传递的脉冲电流信号转化成脉冲电压信号并输出,另外,检

图1 用振荡波法检测电缆局部放电 Fig.1 Partial discharge detection in cables using oscillating wave test

图2 局放耦合电路 Fig.2 Partial discharge coupling circuit

测阻抗和耦合电容共同决定了信号的滤波特性^[18-21]。因此,在设计检测阻抗时,应对其与耦合电容构成的局放耦合电路系统（本文中简称系统）进行参数设计。对于电缆局放检测,系统应满足几个要求：①抑制试验电压使得局部放电脉冲检测不受其影响;②保证局放信号及其反射波在传输衰减的影响下还能够被检测到;③在此基础上,应尽可能提高脉冲的分辨率以减小定位误差。

由于局部放电的本质是试品上局部击穿造成电压突变,该突变电压可等效为一个阶跃信号,所以在设计检测阻抗时,一般可采用方波信号作为局放耦合电路的输入。

2.1 传统检测阻抗局限性分析

传统的检测阻抗结构一般包括RLC型与RC型^[22-24],如图3所示,其中,R_m、L_m、C_m分别为检测阻抗中的电阻、电抗和电容,C_k为耦合电容,ΔU_om为检测阻抗输出脉冲峰值。在阶跃信号输入下,其对应的系统输出信号典型波形具有不同的特点。由于RLC型检测阻抗的系统输出波形极易振荡且带有较长的尾波,在局放检测中易产生混叠,不利于局放定位分析。尽管理论上可寻找合适的参数来减小波形振荡,但实际中受杂散参数影响难以达到理想的效果。故在电缆局放测试中一般很少采用RLC型检测阻抗。

而RC型检测阻抗的系统输出波形为指数信号,可清晰地反映单次放电信息,因而被广泛应用

图3 传统检测阻抗结构及阶跃信号输入下典型输出波形 Fig.3 Traditional circuits of detection impedance and their typical output waveforms under step signal input

于电缆局放检测中。实际中,为获得较大的输出脉冲高度,通常将图中的C_m设置得很小^[18]。对于该系统,耦合电容与检测阻抗构成高通滤波电路,从而能够抑制低频的振荡波试验电压,避免试验电压过大而将局放脉冲淹没或造成后面的放大电路输出饱和。因此,需要对系统设定较高的高通截止频率。当C_k>>C_m时,系统的高通截止频率f_p为

对系统输入阶跃信号,其输出脉冲信号的频谱将受到f_p的影响,图4显示了输入阶跃信号频谱、输出脉冲信号频谱及该系统幅频特性.之间的关系。图中,f_p为高通截止频率,且系统特性随着f_p的改变而改变。由图4可见,f_p越大,输出信号的频谱在f_p以下频段内的分量就越低,故输出信号的能量也越低。在电缆局放测试中,局放信号经电缆传输至检测端的过程中会发生衰减,尤其以高频段最为严重,因此要保证对局放信号的有效检测,系统的截止频率不宜太高。由此可见,系统对试验电压抑制效果的要求和对输出脉冲能量的要求相互制约,在高压长电缆测试中,RC型检测阻抗的系统无法同时兼顾二者,具有一定的局限性。

2.2 π型检测阻抗设计

考虑设计一种新型检测阻抗结构,在保证输出脉冲能量较高的同时增大对试验电压的抑制程度。新型的检测阻抗结构呈π型,相当于在一个RC型检测阻抗后接入另一个RC型检测阻抗的系统,电路结构见图5,其基本思路是使整个系统形成二阶高通滤波电路,R_m1、R_m2、C_m1、C_m2、C_mk为该检测

图4 RC型检测阻抗幅频特性曲线 Fig.4 Amplitude-frequency curve of the RC-type detection impedance

图5 π型检测阻抗结构及阶跃信号输入下典型输出波形 Fig.5 π-type detection impedance and its typical output waveform under step signal input

阻抗中的电阻和电容。阶跃信号输入下,π型检测阻抗的系统典型输出波形与指数信号类似,但带有一定的尾波。通过设置合适的参数,可使输出波形的尾波减小。

与RC型检测阻抗类似,在π型检测阻抗中,将C_m1与C_m2设置得远小于C_k和C_mk,可提高检测到脉冲的高度。在此条件下通过计算可得,π型检测阻抗系统的传递函数为

式中：U_i、U_o分别为u_i、u_o的频域形式;τ₁=R_m1C_k;τ₂=R_m2C_mk;τ₃=R_m1C_mk。由式(1)可见,该系统为二阶高通滤波电路,2个特征频率分别为：

式中f₂为系统的截止频率。对系统输入阶跃信号,其输入阶跃信号频谱、输出脉冲信号频谱及该系统幅频特性之间的关系如图6所示。由图6可见,在f₁以下,该系统的幅频特性曲线以40 dB（10倍频）的速率衰减,因而对低频信号有更强的抑制作用。虽然这也使得系统输出脉冲的频谱在f₁以下的频段有所损失,但通过设置合适的f₁值可使系统输出脉冲信号能量不至于降低太多,从而提高对试验电压的抑制作用。实际上,这相当于将系统对信号的衰减作用更集中在低频段,从而保证检测脉冲在中高频段的能量没有额外损失。

局部放电信号具有较宽的频谱,一般从几十kHz到上百MHz,采集到的局放信号频谱越宽,就能从中提取越多的信息,但同时也会增加滤波和去噪的难度。振荡波电缆局放测试需要进行基于脉冲时延电缆缺陷的定位,为了准确测量脉冲时延,需要保持局放信号的中高频分量。同时考虑时延测量对试验电压的抑制效果,尽量减小输出脉冲的尾波和获得较大的脉冲幅值,本文取C_k=0.22 nF,C_mk=2.2 nF,R_m1=100 Ω,R_m2=150 Ω,C_m1=C_m2=5 pF。此时,由式(2)、式(3)可计算得到：f₁=289.4 kHz,f₂=13.26 MHz。在此参数下,仿真得到系统对频率300 Hz以下的试验电压的衰减可达到150 dB以上,仿真结果如图7所示。

3 硬件测试

由于试验中耦合电容需承受试验电压,本文中耦合电容通过4个型号为CCG81-4 20 kV的高压陶瓷电容串联得到,实测容值约为230 pF。将检测阻抗电路制版,与耦合电容组成局放耦合电路系统,进行相关硬件测试。

3.1 信号调理性能对比

在振荡波电缆局放测试中,对于局放耦合电路关注其两个方面的信号调理性能：对低频试验电压的抑制作用;阶跃信号输入下输出脉冲的波形参数。为比较π型检测阻抗与RC型检测阻抗系统的信号调理性能,设置RC型检测阻抗系统的各参数为：C_k=0.22 nF,R_m=55 Ω,C_m=5 pF,从而使该系统截止频率f_p=13.15 MHz,与π型检测阻抗的系统截止频率基本一致。在此条件下,分别用方波信号和低频正弦波模拟局放信号与振荡波试验电压,对比2个系统的信号调理性能。分别对2个系统输入100 mV方波信号,考察其阶跃信号输入下输出脉冲波形,结果如图8所示。另一方面,分别输入频率10 Hz~100 kHz、幅值10 V的正弦波,考察2个系统对低频试验电压的抑制效果,结果如图9所示,由于测试电压较低,示波器测量精度有限,此处同时给出理论值作为参考。

图6 π型检测阻抗幅频特性曲线 Fig.6 Amplitude-frequency curve of the π-type detection impedance

图7 π型检测阻抗的系统低频抑制效果仿真结果 Fig.7 Simulation results of low frequency attenuation effect of the system of the π-type detection impedance

图8 方波信号输入下π型与RC型检测阻抗的系统 输出波形对比 Fig.8 Output waveforms of π-type and RC-type detection impedance circuits under square wave signal input

由图8可见,对于相同的方波输入,2种检测阻抗的输出脉冲波形基本一致,脉宽均约为100 ns,这表明π型检测阻抗的系统输出脉冲相对RC型在f₁以下频段的能量损失并不会导致脉冲波形出现较大改变。而对于低频正弦波输入,π型检测阻抗的系统比RC型具有更好的抑制效果。因此,在振荡波电缆局放测试中,π型检测阻抗的系统可在基本不额外损失局放信号能量的情况下更好地抑制振荡波电压。反之,在相同的试验电压抑制效果下,π型检测阻抗的系统可输出能量更高的脉冲,具有更高的传感灵敏度。

3.2 校准线性测试

在电缆局放检测中,要对局放信号定量分析,首先需要进行局放校准测试,这就要求实际中整个系统的输入与输出具有良好的线性。换言之,对上升沿一定的局部放电信号,输出脉冲高度应与放电时产生的电压瞬间变化值呈线性关系。在不产生脉冲混叠的频率下,输入不同幅值的方波信号,检测π型检测阻抗的系统输出脉冲高度,结果如图10所示。由图10可见,实际中输出脉冲高度与输入方波的幅值呈良好的线性关系,因此在振荡波电缆局放测试中,可利用π型检测阻抗的输出脉冲高度来衡量放电量。

4 局放定位应用

将设计的π型检测阻抗与耦合电容组成局放耦合电路,在输出端接入与之匹配的放大电路,并用采集卡将信号采集到计算机,组成完整的局放检测单元。振荡波电缆局放测试的重要功能之一是对局部放电进行定位,从而快速判断电缆的局部缺陷位置。现场对1条电缆进行振荡波测试并定位局放,该电缆长度l=210 m,在距离测量端1.2 m的端头处存在气隙缺陷。

4.1 局放校准试验

首先通过局放校准试验测量脉冲高度与放电量之间的关系,同时测算脉冲在该电缆中的波速。用局放校准仪对电缆注入标定电荷量q₀=100 pC,通过局放检测单元测得相应的脉冲高度U₀=45.5 mV,可得校准系数k=q₀/U₀=2.20 pC/mV。另一方面

图9 低频正弦波信号输入下π型与RC型检测阻抗的系统输出幅值衰减对比 Fig.9 Output signal amplitude attenuation of π-type and RC-type detection impedance circuits under low frequency sine wave signal input

图10 实测π型检测阻抗输出脉冲高度与输入方波幅值的关系 Fig.10 Relationship between the output pulse amplitude of π-type detection impedance circuit and the input square wave amplitude

可测出该脉冲及其反射波的时间差Δt₀=3.12 μs,从而算出波速v=2l/Δt₀=134.6 m/μs。

4.2 电缆局放定位测试

利用振荡波发生装置对电缆施加幅值30 kV的振荡波电压,局放检测单元采集到的局放信号经去噪处理后如图11所示。图中脉冲高度已根据校准系数k换算成放电量。

由图11可见,采用π型检测阻抗的局放检测单元清晰地采集到了每一次放电信号及其反射波,并且保证采集的放电脉冲基本不受30 kV振荡波电压的影响。根据行波法,测得图11(b)中单次局放信号及其首个反射波的时间差Δt=3.1 μs,可计算出电缆

图11 实际试验中π型检测阻抗采集到的局放信号波形 Fig.11 Partial discharge waveform collected by π-type detection impedance circuit in the actual experiment

局部放电处与测量端之间的距离为

\(x=l-\frac{v\Delta t}{2}=210-\frac{134.6\times 3.1}{2}=137\ \text{m}\) (5)

式中v为局放波形在电缆中的传播速度。结果显示,通过局放信号定位电缆在距离电缆测量端1.37 m处存在缺陷,与实际情况的误差仅为0.17 m。同时研究发现,放电量约为500 pC的放电脉冲在该电缆上的第4次反射波依然能被检测到,而第4次反射波在电缆中传播的距离约为s=6l=1 260 m,这也验证了本文设计的π型检测阻抗在长电缆测试中的可行性。

5 结论

1）在截止频率相同的情况下,与传统的RC型检测阻抗相比,本文设计的π型检测阻抗构成的局放耦合系统能更加有效地抑制低频试验电压的干扰,同时保证相同的局放信号耦合性能。

2）在相同的低频抑制效果下,与传统的RC型检测阻抗相比,本文设计的π型检测阻抗能检测到能量更高的脉冲波形。

3）应用本文设计的π型检测阻抗进行振荡波电缆局放试验,能有效检测局放信号及其多次反射波,并实现对局放的准确定位。

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