摘 要：隨著電力電纜在電力系統(tǒng)中越來越廣泛應(yīng)用，其供電的可靠性也越來越受到相關(guān)部門和用戶的關(guān)注，局部放電是導(dǎo)致電纜附件發(fā)生故障的主要原因之一，而高壓電纜附件局部放電與內(nèi)部絕緣狀況有密切關(guān)系。文章探索了一種新的監(jiān)測高壓電纜絕緣質(zhì)量的局部放電方法，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監(jiān)測方法，并對該方法的硬件系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行分析。仿真實驗進(jìn)一步分析了高壓電纜內(nèi)局部放電超聲波傳播的特性，其結(jié)果表明，文章研究方法對高壓電纜局部放電進(jìn)行實時檢測是可行的，可以為實現(xiàn)局部放電故障點定位提供了前期準(zhǔn)備工作。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；局部放電；絕緣；超聲法；虛擬儀器

1 概述

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，高壓電纜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。高壓電纜的基本結(jié)構(gòu)主要包括四個部分，分別為纖芯、絕緣層、屏蔽層和保護(hù)層[1]。在這四部分中，線芯是高壓電纜中電流傳播的載體，是高壓電纜的重要組成部分[2]。絕緣層起到的是將線芯與隔離的作用。而屏蔽層分為導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層，主要存在于15千瓦以上的高壓電纜中[3]。保護(hù)層則是保護(hù)高壓電纜以防止電纜外雜質(zhì)和環(huán)境中水分的滲入以及外力對電纜的損壞。

當(dāng)高壓電纜頻繁產(chǎn)生局部放電時，最終使高壓電纜的附件絕緣體被擊穿[4]。就目前來看，對高壓電纜的局部放電進(jìn)行實時監(jiān)測是檢測高壓電纜安全性能最為廣泛和有效的方法[5]。

為此，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監(jiān)測方法，并對該方法的硬件系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行分析。仿真實驗進(jìn)一步分析了高壓電纜內(nèi)局部放電超聲波傳播的特性，其結(jié)果表明，本文研究方法能有效對高壓電纜局部放電進(jìn)行實時檢測。

2 高壓電纜附件局部放電在線檢測的意義

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各大中小城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力消費(fèi)水平逐年增長。到今年年底，我國電力裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到百萬千瓦。明年預(yù)計將增加1億千瓦，整個社會能耗將接近百萬千瓦小時。電力裝機(jī)容量迅速增加的同時，電網(wǎng)建設(shè)和改造在全國范圍內(nèi)廣泛實施，據(jù)統(tǒng)計，在年底傳輸線電路總循環(huán)長度將達(dá)數(shù)千公里。

隨著電網(wǎng)不斷擴(kuò)張以及土地資源日益緊張，特別是在大中城市，土地成本越來越高，與此同時，環(huán)境要求不斷提高，與架空線路相比，地下電纜供電可靠性提高，布線不受建筑的空間影響，常用于美化城市和優(yōu)化工業(yè)布局，具有很多優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。如《上海世博會》在上海電力行動計劃中的重點是根據(jù)目前線材取代電纜，減少異物損壞電纜和電纜本身風(fēng)化，具有較高安全性。

近年來，根據(jù)全國主要城市電力電纜的搶修記錄、事故現(xiàn)場照片和故障電纜等材料進(jìn)行分析，表明導(dǎo)致電力電纜運(yùn)行故障的原因主要有外力破壞、電纜附件制造質(zhì)量、電纜敷設(shè)安裝質(zhì)量和電纜本體制造質(zhì)量，如圖1所示。

3 高壓電纜附件局部放電檢測的發(fā)展概況

局部放電一直是高壓電纜附件絕緣非破壞性試驗的重點檢測項目。20世紀(jì)50年代，通用電氣公司提出以時間狀態(tài)作為基準(zhǔn)測試方法，即狀態(tài)檢測。如，日本轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢測是在20世紀(jì)70年代左右。高壓電纜附件狀態(tài)檢測技術(shù)是一種實時操作的電壓測試方法，可用于高壓電纜附件絕緣狀態(tài)的電壓測試，它可以大大提高測試的真實性的和敏感性，及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。1979年，德國家主要電纜工廠同漢諾威大學(xué)西林研究所合作，提出了長電纜及其附件局部放電測試的科學(xué)方法，并于1980年得到批準(zhǔn)。1982年，國際電工委員會17工作組采納其為標(biāo)準(zhǔn)草案，1985年，經(jīng)各國分委會多數(shù)表決，同意將該草案作為電纜及其附件的局部放電測試方法。

4 高壓電纜附件局部放電在線檢測的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的高壓電纜附件局部放電測量多采用低頻段測量，通常在幾十到幾百之間，容易受背景干擾影響，抗干擾能力差。理論研究表明，電力電纜局部放電脈沖包含頻譜范圍廣泛。因此，選擇高信噪比的頻譜測量可以有效地避免干擾。目前，國內(nèi)外已將電纜局部放電測量的關(guān)注點轉(zhuǎn)移到高頻和超高頻測量上。

特別是超高頻檢測技術(shù)在電力變壓器領(lǐng)域成功應(yīng)用后，許多研究人員試圖深入研究這種電纜的局部放電在線檢測方法。進(jìn)行局部放電在線檢測的高壓電纜附件研究的同時，引入抗干擾措施，控制局部放電功率。局部放電測量的抗干擾措施由于受外部干擾信號影響，使試驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤的判斷，甚至無法測試試驗結(jié)果，有效地消除和抑制干擾是局部放電測量的一個重要組成部分，在現(xiàn)場，實驗主要采用內(nèi)部放電干擾測試設(shè)備，會產(chǎn)生電暈放電、干擾的接頭接觸不良，接地系統(tǒng)干擾，測試電源、儀器電源干擾和背景噪音等問題，這些干擾源在戶外和室內(nèi)的一些相關(guān)功率與電源無關(guān)，甚至有時很難找到來源進(jìn)行消除，因此，為消除或抑制這些干擾，保證測量的可靠性，提高測量的靈敏度，常避開高峰用電時間，于晚上做局部放電測量實驗。

5 高壓電纜局部放電實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

文章所提出的基于超聲法和虛擬儀器的局部放電實時監(jiān)測方法的硬件系統(tǒng)包括高壓電纜內(nèi)部附件前端聲發(fā)射傳感器、高壓電纜內(nèi)部附件聲發(fā)射放大器、四組同步超聲波數(shù)據(jù)采集卡、利用虛擬儀器技術(shù)的人機(jī)界面以及對高壓電纜電流傳播數(shù)據(jù)庫監(jiān)測系統(tǒng)平臺，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由高壓電纜內(nèi)部附件的超聲波聲發(fā)射傳感器將通過采集卡得到的局部放電超聲信號通過聲發(fā)射放大器放大，然后經(jīng)過四組同步超聲波數(shù)據(jù)采集卡傳送給上位機(jī)實時監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)而完成高壓電纜局部放電超聲信號的采集、放大、分析和監(jiān)測。

5.1 高壓電纜內(nèi)部附件超聲波發(fā)射器及放大器的選擇

高壓電纜局部放電實時監(jiān)測方法的關(guān)鍵是將電纜局部放電的信號與噪聲信號進(jìn)行區(qū)別，并在區(qū)別的過程中盡量對噪聲信號進(jìn)行控制和屏蔽。在電力系統(tǒng)中，除了在電流傳播過程中產(chǎn)生的電流載波和高頻保護(hù)信號，其余的大部分由于不良接觸等產(chǎn)生的放電信號其脈沖頻率大多高于300kHz。因此，文章研究的基于超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監(jiān)測系統(tǒng)只有采用低頻率的聲波信號才能保證其工作質(zhì)量，所以采用的是PXR04型超聲信號發(fā)射傳感器。

5.2 高壓電纜內(nèi)部附件超聲信號同步數(shù)據(jù)采集卡

本文研究方法選用的是PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡作為超聲信號同步采集模塊。主要原因是這種采集卡屬于高速4組同步聲波模擬量輸入卡，因此采用它所構(gòu)成的實時檢測系統(tǒng)可以達(dá)到四組通道局部放電信號的并行采集。

5.3 基于虛擬儀器的電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)

引入虛擬儀器技術(shù)中的人機(jī)界面化檢測方法對高壓電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)，該部分系統(tǒng)的設(shè)計有效完成了高壓電纜局部放電實時監(jiān)測系統(tǒng)的初始化設(shè)置，在高壓電纜日常工作中實現(xiàn)電流通道信號的在線顯示并迅速轉(zhuǎn)化為頻譜圖顯示，更好的將傳統(tǒng)的高壓電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)與計算機(jī)相結(jié)合，完成高壓電纜放電超聲波數(shù)據(jù)的采集、分析和監(jiān)測。

5.4 高壓電纜局部放電信號的處理

因為在高壓電纜工作過程中所產(chǎn)生的局部放電超聲波信號的頻率主要固定在同一頻段，因此，系統(tǒng)對于前期的信號處理主要采取的是較為便捷的巴德沃斯帶通濾波器，以去除該固定頻段外的噪聲，同時對高壓電纜局部放電的超聲波信號進(jìn)行頻譜特性分析。

6 高壓電纜局部放電實時監(jiān)測系統(tǒng)的仿真實驗及結(jié)果分析

為了能夠更為精確的對本文研究方法進(jìn)行檢測，實驗需要獲得高壓電纜內(nèi)部附件絕緣層的局部放電超聲波信號頻率范圍。實驗前期，要在高壓放電實驗室對實驗電纜的內(nèi)部附件絕緣層進(jìn)行放電測試。

在實驗過程中逐漸對高壓電纜升壓變壓器進(jìn)行升壓，當(dāng)電壓升至6千瓦時，高壓電纜內(nèi)部附件中絕緣層破壞區(qū)域被電流擊穿，同時產(chǎn)生超聲波。在同樣條件下的實驗室環(huán)境中，將局部放電模擬器作為實驗放電源進(jìn)行局部放電超聲波檢測。將實驗環(huán)境下的超聲波信號與高壓電纜內(nèi)部附件絕緣層局部放電超聲波信號進(jìn)行對比并分析。

對兩者超聲波信號進(jìn)行分析后可以得出，區(qū)別該兩組信號的關(guān)鍵是其在傳播過程中的衰減速度。因為超聲波屬于聲波的一種，滿足聲波的特性，即在不同的傳播介質(zhì)中具有相對固定的傳播屬性，利用該特性可以根據(jù)高壓電纜局部放電超聲波傳播不同距離所需要的時間差計算出距離差，對高壓電纜局部放電位置完成定位。

7 結(jié)束語

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的高壓電纜局部放電實時監(jiān)測方法已經(jīng)無法滿足其工作需要。探索一種新的監(jiān)測高壓電纜絕緣質(zhì)量的局部放電方法，提出了一種利用超聲波和虛擬儀器的高壓電纜局部放電實時監(jiān)測方法，并對該方法的硬件系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行分析。仿真實驗進(jìn)一步分析了高壓電纜內(nèi)局部放電超聲波傳播的特性，其結(jié)果表明，文章研究方法對高壓電纜局部放電進(jìn)行實時檢測是可行的，可以為實現(xiàn)局部放電故障點定位提供前期準(zhǔn)備工作。

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作者簡介：楊忠（1984-），男，漢族，貴州安龍人，碩士，工程師，研究方向：配網(wǎng)運(yùn)行、配網(wǎng)信息、模式識別。