張周勝，馬愛清

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

對于檢測電力電纜系統(tǒng)局部損傷、缺陷、局部老化過程的最有效的手段是局部放電(Partial Discharge，PD)的測量和分析，但這一技術(shù)并沒有像所期望的那樣被接受.究其原因，主要是傳統(tǒng)的基于局部放電幅值大小檢測的相位統(tǒng)計分析不足以實現(xiàn)有效的診斷、風(fēng)險評估，以及基于狀態(tài)的維護(hù)，以至于在線測量中獲得的大量數(shù)據(jù)不能得到合理解釋.事實上，只有在產(chǎn)生局部放電源以及干擾源能夠被識別的前提下，與局部放電相關(guān)的損傷程度才能被評估.因此，進(jìn)行絕緣診斷和狀態(tài)評估的一個重要方面是局部放電信號的識別及放電源的分離.目前，一些學(xué)者對基于放電脈沖波形的局部放電識別和放電源分離進(jìn)行了初步研究，如時域波形法、頻譜分析法和時頻分析法等.但從總體上來說，這幾種方法都有其局限性，因此探索更加有效的局部放電信號識別方法具有實際意義.

本文主要分析了目前幾種局部放電信號的識別方法及其適用條件和局限性，探討了局部放電信號識別與狀態(tài)評估的關(guān)鍵技術(shù).

1 局部放電信號識別方法

目前，用于分析和評估局部放電信號的兩種最常用的檢測方法是基于相位分辨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢測法和基于時間分辨數(shù)據(jù)的波形檢測法.采用不同的檢測方法(相位分辨或者波形)，PD信號的識別和分離方法也不相同，一般可分為相位統(tǒng)計法、時域波形法、頻譜分析法和時頻聯(lián)合分析法4種.第1種是基于局部放電脈沖的統(tǒng)計檢測法，后3種是基于局部放電脈沖的波形檢測法.

1.1 相位統(tǒng)計法

相位統(tǒng)計法主要應(yīng)用于相位分辨φ-q-n數(shù)據(jù)模式(φ為局放脈沖對應(yīng)的工頻相位，q為用視在電荷表示的局放脈沖幅值，n為局放脈沖的個數(shù)).例如，統(tǒng)計分布如脈沖高度分布、平均脈沖高度分布、脈沖個數(shù)分布等已被用來表示PD信息［1］.一個交流電源電壓的完整周期被分成360個窗口，每個窗口代表一個相位度數(shù)值.將在所有窗口的最大脈沖高度分布表示的最大放電幅值作為相角φ的函數(shù)，如圖1所示.

圖1 放電幅值相與工頻相位的關(guān)系

同理，將平均脈沖高度分布表示的平均放電幅值作為相角φ的函數(shù).將脈沖數(shù)量分布(對應(yīng)一定的時間間隔)表示的放電數(shù)量作為相角φ的函數(shù).檢查和區(qū)分這些不同的統(tǒng)計分布、統(tǒng)計參數(shù)(通常稱為統(tǒng)計算子，如偏斜、峰度、峰數(shù)、互相關(guān)因素、對稱性等)［2］，并進(jìn)行合適的組合，就可以發(fā)現(xiàn)PD方式的識別標(biāo)志.這些識別標(biāo)志已經(jīng)被證明對識別未知放電的產(chǎn)生是非常有用的，已經(jīng)成為當(dāng)今PD識別的最主要方式.基于統(tǒng)計參數(shù)的PD識別技術(shù)已經(jīng)在各種工業(yè)中應(yīng)用，如XLPE電纜的 PD 識別［3］，檢測氣隙放電［4，5］，檢測電暈放電和表面放電［5］等.

相位統(tǒng)計法提取PD特征不需要獲得PD脈沖的時域波形，易于開發(fā)具有較高靈敏性的檢測系統(tǒng)，如基于IEC60270的系統(tǒng).雖然相位統(tǒng)計法在識別電纜系統(tǒng)有無PD的產(chǎn)生方面很有用，但是無法用于PD與干擾的識別以及多局部放電源的分離.

1.2 時域波形法

時域波形法(脈沖波形特征化方法)認(rèn)為從噪音源或者不同的PD源來的脈沖具有不同的形狀，可以根據(jù)脈沖波形的形狀特征進(jìn)行信號的分離，如圖2所示.

圖2 局部放電脈沖的固有特征參數(shù)

早期的方法一般是通過測量脈沖寬度將PD從噪音中分離［6，7］，但由于PD脈沖波形沿電纜傳輸將產(chǎn)生高頻損耗，致使原始的放電波形到達(dá)測量端時已經(jīng)衰減和變形，而且很難找出PD脈沖波形時域特征參數(shù)與電纜傳輸距離的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，因此目前PD脈沖波形時域特征參數(shù)法的研究僅局限于電纜絕緣樣品的實驗研究［8-10］，而無法應(yīng)用于實際電纜系統(tǒng)的PD識別與分離.

1.3 頻譜分析法

頻譜分析法主要借助數(shù)學(xué)工具(如Fourier變換等)對PD脈沖波形的頻譜差異進(jìn)行比對，從而對PD信號進(jìn)行識別.頻譜分析技術(shù)已應(yīng)用于聲發(fā)射的PD類型的識別［11，12］、變壓器的局部放電定位［13］、XLPE 電纜的 PD 類型［14］、GIS 中的運(yùn)動微粒［15］等.但該方法對電氣噪音環(huán)境要求較高，這是因為噪音會影響PD脈沖的頻率成分，造成差異分析不真實甚至無法進(jìn)行.另外，窄帶干擾可直接應(yīng)用頻域方法進(jìn)行區(qū)分，但脈沖干擾無法直接應(yīng)用.因此，對于現(xiàn)場環(huán)境噪音和干擾復(fù)雜的在線PD測量，該方法的應(yīng)用較為困難.

1.4 時域頻域聯(lián)合分析法

時域和頻域聯(lián)合分析技術(shù)是借助于同時評估獲得的PD脈沖的時間和頻率屬性，首先力求將各種放電脈沖分成不同的簇，而每個簇的放電脈沖具有相似的屬性，如一種干擾源，或者某一個PD源，然后針對由相似屬性脈沖組成的單個簇再進(jìn)行其他傳統(tǒng)的特征參數(shù)分析(如統(tǒng)計方法的放電高度和相位分析、時域波形方法的上升時間分析等).因此，時頻聯(lián)合分析技術(shù)在簇分類階段即可將干擾及不同放電源進(jìn)行分離.

2002年，意大利Bologna大學(xué)和Techimp公司的MONTANARI G C和CONTIN A等人提出了以PD脈沖的等效時間長度和等效帶寬來進(jìn)行簇分離，以及利用模糊算法進(jìn)行分類的思想［16］，并在發(fā)電機(jī)定子繞組上進(jìn)行了人工缺陷的實驗室試驗.在2006年，他們采用相同技術(shù)對現(xiàn)場安裝后的220 kV和400 kV電壓等級的XLPE電纜系統(tǒng)進(jìn)行了離線測量［17］(在每個電纜接頭及終端都進(jìn)行測量).通過比較每個簇在各個測量點出現(xiàn)的情況來定性判斷是干擾還是PD，且判斷簇脈沖歸屬于哪個電纜片段.結(jié)果表明，等效帶寬-等效時間長度分離能有效地將具有相似屬性的放電脈沖進(jìn)行簇分離.基于等效帶寬-等效時間長度的簇分類如圖3所示.

圖3 基于等效帶寬-等效時間長度的簇分類示意

值得注意的是，這些研究都是以同一個放電源的PD脈沖具有相似性為前提的，但需要什么樣的相似屬性，以及電纜傳輸、檢測與信號預(yù)處理對于脈沖波形的影響，從而對等效帶寬-等效時間長度分離技術(shù)產(chǎn)生有效性影響等卻沒有相關(guān)的研究報道.

2 相位分辨數(shù)據(jù)統(tǒng)計法的局限性

目前，大部分商業(yè)化的PD測量系統(tǒng)都是基于IEC60270標(biāo)準(zhǔn)的離線測量系統(tǒng)，即使采用高頻CT(HFCT)傳感器應(yīng)用于在線檢測PD，其分析方法仍然較多采用基于PD幅值的相位分辨數(shù)據(jù)統(tǒng)計法.雖然電纜系統(tǒng)檢測局部損傷、缺陷、局部老化過程的最有效手段是局部放電的測量和分析，但這一技術(shù)并沒有像所期望的那樣被接受.原因如下［17］.

(1)只有PD幅值大小(pC)的檢測不足以實現(xiàn)有效的診斷、風(fēng)險評估，以及基于狀態(tài)的維護(hù).事實上，只有在產(chǎn)生局部放電的源能夠被識別的前提下，與局部放電相關(guān)的損傷程度才能被評估.例如，在一個絕緣系統(tǒng)表面發(fā)生的大的局部放電信號(PDs)，其傷害程度一般比在絕緣內(nèi)部孔隙觸發(fā)的低幅值的PDs要低.又如，電樹會在小放電幅值的周期中快速增長.

(2)PDs經(jīng)常被噪音和干擾淹沒，或者是被誤認(rèn)為是噪音和干擾.因此，數(shù)據(jù)的曲解將導(dǎo)致欠維護(hù)或者過維護(hù).

(3)PDs本身可能不是劣化的最快原因(如幅值大不一定傷害大)，也不包含所有絕緣缺陷診斷的特性(如沒檢測出來或者被誤當(dāng)作噪音).

因此，目前基于PD幅值的相位分辨PD的測量方法有其局限性.對一個特定的絕緣系統(tǒng)，當(dāng)PDs成為最適當(dāng)?shù)脑\斷特性時，產(chǎn)生PDs缺陷的識別(與干擾的識別、缺陷間的識別)是風(fēng)險評估的基礎(chǔ).

3 局部放電識別與放電源分離關(guān)鍵技術(shù)

相位統(tǒng)計法、時域波形法和頻譜分析法都是在測量完成后的數(shù)據(jù)處理階段對復(fù)雜的PD信號進(jìn)行識別，而且這3種方法對于實際電纜系統(tǒng)的在線PD測量具有一定的困難.基于等效帶寬-等效時間長度的時頻聯(lián)合分析法對于局部放電信號的識別具有一定的工程應(yīng)用前景，但若要將其有效應(yīng)用于電纜局部放電測量，特別是在線監(jiān)測，仍有以下幾個關(guān)鍵問題需要解決.

(1)加強(qiáng)測量動態(tài)電流脈沖波形的HFCT超寬帶傳感器的研究 為了能有效利用簇分類進(jìn)行PD識別和分離，理想狀況是獲得GHz范圍內(nèi)具有所有頻率成分的完整PD時域波形.但適合在線測量的HFCT傳感器由于受到靈敏度和帶寬的相互矛盾以及諧振凹陷頻率的影響，頻帶較窄，一般僅為幾十兆赫茲.因此，為了滿足檢測靈敏性要求以及避免凹陷頻率對脈沖波形的扭曲影響，需要研究新型的超寬帶(UWB)檢測HFCT傳感器.

(2)加強(qiáng)PD信號識別與分離的有效方法及其對測量系統(tǒng)要求的研究 雖然等效帶寬-等效時間長度識別技術(shù)相對來說是比較有效的PD識別方法.但是這一方法的前提是同一個簇的脈沖具有相似性，也即同一個放電源的脈沖應(yīng)該具有相似性才能形成簇.因此，要滿足何種相似屬性還需要進(jìn)一步研究.此外，PD脈沖沿電纜傳輸因衰減與散射導(dǎo)致脈沖波形變化，對等效帶寬-等效時間長度識別技術(shù)的有效性也會產(chǎn)生影響;等效帶寬-等效時間長度識別是基于PD脈沖的真實波形，而HFCT傳感器不可能做到GHz檢測帶寬，因此研究W-T分離技術(shù)對測量系統(tǒng)帶寬的最低要求十分關(guān)鍵.

(3)加強(qiáng)保持PD脈沖波形不畸變的在線降噪方法的研究 對于脈沖型的干擾以及周期性的窄帶干擾(DSI)，可以通過等效帶寬-等效時間長度分離技術(shù)進(jìn)行識別，但是白噪音為寬頻譜的噪音，無法用等效帶寬-等效時間長度分離，需要提前采用有效的消噪算法進(jìn)行消噪.而無論采用何種算法都不能使得PD脈沖波形畸變，否則會影響PD脈沖的等效帶寬-等效時間長度分離.此外，盡管等效帶寬-等效時間長度分離技術(shù)可以進(jìn)行PD識別，但為了保證識別的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，測量系統(tǒng)對各種噪音和干擾的抑制仍然是必須的.

4 結(jié)論

(1)基于局部放電脈沖信號幅值的相位分辨數(shù)據(jù)統(tǒng)計法能有效識別局部放電的有無，但是無法對局部放電源性質(zhì)進(jìn)行識別.

(2)基于局部放電脈沖信號波形的方法雖然能揭示產(chǎn)生局部放電源的性質(zhì)，但是由于局部放電脈沖信號沿電纜傳播會產(chǎn)生高頻損耗，而且頻譜分析法對電氣噪音環(huán)境的要求較高，因此時域波形法和頻域分析法應(yīng)用于現(xiàn)場局部放電測量具有較大困難.

(3)時域和頻域聯(lián)合分析法(等效帶寬-等效時間長度二維平面簇分類)能有效進(jìn)行局部放電信號的分離(分離局部放電源以及分離噪音干擾信號)，但該方法有效應(yīng)用于現(xiàn)場測量或者在線監(jiān)測還需要在幾個關(guān)鍵技術(shù)上有進(jìn)一步的突破.

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