中山景明智慧能源技術(shù)有限公司 李 朋 覃遠(yuǎn)云

目前電纜老化試驗(yàn)研究很難針對電纜的帶電在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，很多情況還都是在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室中完成的。這種方式的研究成果很難體現(xiàn)出電纜的一般老化特性，無法體現(xiàn)各種老化機(jī)理間的相互影響、相互作用以及互相制約，不能測試或者試驗(yàn)出電纜在帶電運(yùn)行情況下的真實(shí)劣化情況。

近些年來，國內(nèi)外很多的理論或試驗(yàn)研究成果證明了電纜絕緣層的老化存在多種因素共同影響，主要包括過電流、環(huán)境高溫、環(huán)境污染等因素[1-3]。目前國內(nèi)外的研究存在的主要問題在于：大部分研究在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，難以對帶電情況下的電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)的研究，且一般的研究僅針對新制造出場的電纜進(jìn)行一些相關(guān)性能測試研究。

針對上述問題，本文從電纜絕緣的電磁特性分析，以及其在運(yùn)行中產(chǎn)生高次諧波的原因入手進(jìn)行分析，主要包括電纜老化的機(jī)理研究，從劣化電纜諧波的特征分析入手，在了解其機(jī)理和特性之后，利用小波分析對高次諧波的含有量進(jìn)行提取，根據(jù)諧波含有率的不同比例、進(jìn)而分析電纜存在的不同特性來判斷電纜發(fā)生劣化的程度及位置。

1 老化機(jī)理和諧波研究

當(dāng)電纜出現(xiàn)故障和老化時(shí)，電纜的線芯電流會發(fā)生畸變、出現(xiàn)高次諧波。本文通過分析電纜的電磁理論研究其電磁現(xiàn)象，并對電纜做出電磁分析。電纜的老化包括發(fā)熱老化、電力應(yīng)力老化、環(huán)境應(yīng)力老化、復(fù)合應(yīng)力老化等，結(jié)合電纜的老化類型，利用電磁理論提出電纜老化與電流畸變產(chǎn)生高次諧波的機(jī)理，并分析和對比電纜目前常見老化的實(shí)驗(yàn)方法和理論，分析不同方法在高壓電纜診斷應(yīng)用的適用性差異。

電纜老化機(jī)理研究：針對絕緣老化原因分析發(fā)現(xiàn)，電力電纜老化的原因主要在于電纜產(chǎn)生多次諧波、以及各種應(yīng)力老化，主要包括熱老化和各種應(yīng)力老化（如電壓應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、復(fù)合應(yīng)力）等。上述方法各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，具體選擇哪種方法需要根據(jù)實(shí)際情況。電纜本部體的老化評估多采用超介質(zhì)損耗法、電流法、電熱老化法；而熱老化一般在電纜中取小部分的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；局部放電是所有實(shí)驗(yàn)的開始步驟，用來對整體問題有一個(gè)大概的認(rèn)識。

電纜諧波產(chǎn)生機(jī)理分析：當(dāng)電力電纜通電運(yùn)行時(shí)，會導(dǎo)致電纜芯外的介質(zhì)磁化引發(fā)電流，在電纜絕緣表面會出現(xiàn)電流，在電纜絕緣層或護(hù)套內(nèi)會產(chǎn)生額外電流。電纜異常時(shí)，電纜絕緣體、屏蔽層、保護(hù)層等內(nèi)部磁場發(fā)生相應(yīng)的改變，帶來電磁場取向在電纜線體中的電磁作用下重新有序排列，因此電纜的異常運(yùn)行或絕緣老化程度會在電流的諧波含有率中體現(xiàn)出來。

諧波電流分析和特征值：諧波種類主要分為兩大類：正態(tài)諧波。這類諧波主要的來源包括非線性半導(dǎo)電層的負(fù)載、電氣設(shè)備、非線性磁飽和負(fù)載三種設(shè)備；非正態(tài)諧波。這類諧波的產(chǎn)生來源于供配電系統(tǒng)的三相不對稱運(yùn)行。諧波在電纜中產(chǎn)生的主要原因包括：半導(dǎo)體類型的變頻器進(jìn)行整流變化或波形調(diào)控產(chǎn)生的諧波；電纜絕緣部分內(nèi)部產(chǎn)生的各種應(yīng)力老化或外部電氣設(shè)備等產(chǎn)生的諧波。

2 諧波檢測與分析方法

2.1 諧波檢測

諧波檢測是諧波處理的前提條件，先濾除被檢測電流中的基波分量，從而得到待分析的諧波電流。本文諧波檢測采用自適應(yīng)檢測法，該方法可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件編程，進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的仿真研究，同時(shí)也可以通過硬件電路來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，見圖1。

圖1 自適應(yīng)諧波檢測法原理圖

在自適應(yīng)諧波檢測過程中，將電流的基波分量含量作為期望值信號，所有電纜諧波總和作為輸入的有效干擾信號。通過誤差反饋的信號來控制 的迭代過程， 可以定位到 的變化程度。然后該信號從用電側(cè)電流中減去，最終得到所有電流諧波的總和。該檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是對電網(wǎng)功率波形畸變電網(wǎng)電壓參數(shù)變化有一定的自適應(yīng)能力。

2.2 諧波特征提取

電纜中產(chǎn)生諧波的部位或者過程主要有三個(gè)部分，因此提出諧波特征主要有：輸入部分：測量電纜正常運(yùn)行狀態(tài)下的交流電參數(shù)；輸出部分：也就是分配給各用電設(shè)備的輸出電流量；交直流變換器部分，如圖2所示。

圖2 電纜、變換器及負(fù)載框圖

假設(shè)在非理想狀態(tài)下，并假設(shè)輸入電源電壓平衡時(shí)，其電氣設(shè)備與電纜絕緣處測量到的三相交流電流、電壓的高次諧波電流、電壓可用通過數(shù)學(xué)式表示。由于在電纜實(shí)際運(yùn)行過程中會產(chǎn)生很多其他的影響因素，上述的狀態(tài)下還可能會發(fā)生的一些不確定性。

由于負(fù)載用戶的總用電容量存在著差異，需要假設(shè)一個(gè)供電電源系數(shù)，該系數(shù)會根據(jù)已知電源負(fù)載以外的用戶負(fù)載容量來確定不同的值。諧波檢測設(shè)備系數(shù)取決于檢測方法是電磁場檢測還是電流場檢測。

2.3 電纜狀態(tài)診斷的步驟及方法

上述通過檢測正常運(yùn)行電纜的諧波電流含量，并對其諧波的含有占比的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對電纜的絕緣老化程度進(jìn)行預(yù)測評估，并對電纜的老化位置和諧波占有率之間的關(guān)系進(jìn)行了分析總結(jié)，可以得出如下結(jié)論：電力電纜的絕緣層老化和健康狀態(tài)的程度，可以通過檢測到的高次諧波占有比進(jìn)行分析判斷，電纜的諧波含量值越大、電纜老化的程度越高。

綜上經(jīng)分析比對發(fā)現(xiàn)，電力電纜的老化狀態(tài)和檢測到的諧波占有率有如下對應(yīng)關(guān)系：對于電纜本體的絕緣層來看，當(dāng)諧波占有率大于0.77時(shí)，電纜大概率會出現(xiàn)局部放電的異常情況；在更高一點(diǎn)的諧波占有率時(shí)，電纜內(nèi)部一般會出先較多水樹現(xiàn)象；而當(dāng)諧波占有率達(dá)到0.9以上時(shí)，說明電纜的老化問題已經(jīng)非常嚴(yán)重，應(yīng)提醒用戶立刻停電檢修電纜絕緣狀態(tài)，或者建議用戶及時(shí)更換電纜。

3 研究總結(jié)

通過本文研究工作，分析高次諧波的定義和電纜中諧波的來源以及諧波產(chǎn)生的原因。隨后對諧波采集及分析方法和算法進(jìn)行了理論分析，在對比了解了各諧波檢測方法后，確定選用自適應(yīng)諧波檢測算法完成對諧波的分解重構(gòu)，從而得到電纜的高次諧波分量。隨后再對其進(jìn)行諧波分析、計(jì)算以及特征值的提取，得到各高次諧波的諧波含有率以及諧波電壓與電流的有效值和均方根，為接下來專家系統(tǒng)的診斷提供診斷信息。