徐善章 韓 昊 陳世炯

(國網(wǎng)烏魯木齊供電公司城北變電運(yùn)檢中心)

0 引言

低壓電纜作為電力系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,其安全和穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于供電質(zhì)量和用戶正常用電至關(guān)重要。然而, 長(zhǎng)期以來, 低壓電纜局部放電問題一直是電力系統(tǒng)中的一個(gè)隱患, 可能引發(fā)電纜老化、絕緣破壞甚至火災(zāi)事故。因此, 對(duì)低壓電纜的局部放電進(jìn)行準(zhǔn)確有效的檢測(cè)具有重要意義。

基于頻域反射法的局部放電檢測(cè)方法由于其非侵入性、高精度和實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。該方法利用了電纜兩端的電壓波形以及局部放電信號(hào)在電纜中的傳播特性, 通過頻譜分析和特征提取技術(shù), 能夠準(zhǔn)確判斷電纜是否存在局部放電現(xiàn)象, 并定位放電源位置。因此, 基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測(cè)方法被認(rèn)為是一種可靠、高效的局部放電檢測(cè)手段。

本文旨在針對(duì)低壓電纜局部放電問題, 研究基于頻域反射法的局部放電檢測(cè)方法, 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性和可靠性。首先, 介紹了局部放電的定義和危害, 以及現(xiàn)有的局部放電檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。然后,詳細(xì)闡述了基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測(cè)原理和實(shí)現(xiàn)步驟。接著, 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方案, 并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并提出了未來改進(jìn)和優(yōu)化的方向。通過本文的研究, 我們期望能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中低壓電纜局部放電檢測(cè)提供一種可靠、準(zhǔn)確的方法, 提高電纜的故障診斷效率, 保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 局部放電

1.1 局部放電的定義

局部放電是指在電氣設(shè)備或材料中, 由于電場(chǎng)強(qiáng)度超過其斷電強(qiáng)度而引起的局部放電現(xiàn)象。當(dāng)電介質(zhì)中存在缺陷或不均勻性時(shí), 電場(chǎng)集中在缺陷周圍, 導(dǎo)致局部電壓升高。當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí), 缺陷處的電場(chǎng)強(qiáng)度可能會(huì)超過電介質(zhì)的斷電強(qiáng)度, 從而引發(fā)局部放電。局部放電通常表現(xiàn)為瞬態(tài)的電流脈沖, 伴隨著局部區(qū)域的發(fā)光、聲響和熱效應(yīng)。局部放電可導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞、能量損耗和安全隱患。因此, 檢測(cè)和監(jiān)測(cè)局部放電對(duì)于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1.2 局部放電的危害

(1) 設(shè)備損壞: 局部放電產(chǎn)生的電弧和高溫可以損壞電氣設(shè)備中的絕緣材料和導(dǎo)體。這可能導(dǎo)致設(shè)備故障、短路和火災(zāi)。

(2) 能量損耗: 局部放電會(huì)引起電能的損耗,因?yàn)榉烹娺^程中會(huì)有電流通過設(shè)備或材料, 導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化為熱能, 從而降低系統(tǒng)的效率。

(3) 系統(tǒng)不穩(wěn)定: 局部放電會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào),干擾其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行, 從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或停機(jī)。

(5) 安全風(fēng)險(xiǎn): 局部放電可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸,對(duì)人員和設(shè)備造成嚴(yán)重的安全威脅。

(6) 絕緣老化: 長(zhǎng)期存在的局部放電會(huì)導(dǎo)致絕緣材料的老化和退化, 使其失去原有的絕緣性能, 增加設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 現(xiàn)有的局部放電檢測(cè)方法分析

目前常用的局部放電檢測(cè)方法包括電壓法、電流法及超聲波法。

電壓法是通過檢測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)中的局部放電產(chǎn)生的電壓脈沖來進(jìn)行診斷。該方法具有響應(yīng)速度快、檢測(cè)范圍廣的優(yōu)點(diǎn), 可以檢測(cè)到不同類型和位置的局部放電。然而, 電壓法在低放電水平下的檢測(cè)效果較差, 并且對(duì)設(shè)備的干擾信號(hào)相對(duì)敏感。

電流法則是通過監(jiān)測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)中的局部放電引起的電流脈沖來檢測(cè)局部放電現(xiàn)象。該方法可以提供更準(zhǔn)確的定位信息, 并且對(duì)設(shè)備自身干擾信號(hào)的影響較小。然而, 電流法在低放電水平下的靈敏度較低,并且容易受到外部信號(hào)的干擾。

超聲波法利用局部放電產(chǎn)生的聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè), 并通過分析聲波的頻率、振幅和時(shí)域特征來判斷局部放電的存在。該方法非常敏感, 可以檢測(cè)到微弱的局部放電信號(hào), 并且能夠提供較準(zhǔn)確的位置信息。然而, 超聲波法的檢測(cè)結(jié)果可能受到環(huán)境噪聲的影響, 而且需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理。

不同的局部放電檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。合理選擇合適的檢測(cè)方法, 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求, 可以提高對(duì)局部放電的準(zhǔn)確性和可靠性, 并幫助及早發(fā)現(xiàn)和預(yù)防電力設(shè)備和系統(tǒng)中的潛在故障。

2 頻域反射法

頻域反射法是一種用于局部放電檢測(cè)的方法。該方法基于局部放電所產(chǎn)生的高頻信號(hào)在系統(tǒng)中傳播并發(fā)生反射的原理來進(jìn)行診斷。頻域反射法通過發(fā)送一個(gè)高頻脈沖信號(hào)到被測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)中, 然后檢測(cè)并分析反射回來的信號(hào)。當(dāng)存在局部放電現(xiàn)象時(shí), 局部放電所產(chǎn)生的高頻信號(hào)會(huì)在系統(tǒng)中反射, 并以不同的時(shí)間延遲返回到檢測(cè)器。該方法可以提供較高的精確度和分辨率, 能夠定位和區(qū)分不同位置的局部放電源。由于采用了高頻信號(hào)的檢測(cè), 可以檢測(cè)到微弱的局部放電信號(hào), 使得故障的早期診斷成為可能。此外, 該方法對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力較強(qiáng), 可以有效降低測(cè)量誤差。然而, 頻域反射法也存在一些缺點(diǎn)。首先, 該方法對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求較高, 需要具備足夠的反射特性。其次, 頻域反射法需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析, 需要專業(yè)的儀器和技術(shù)支持。此外,由于頻域反射法是一種間接檢測(cè)方法, 可能存在信號(hào)衰減和變形的問題。頻域反射法作為局部放電檢測(cè)的一種方法, 具有高精確度、高分辨率和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn), 但也需要考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)要求以及信號(hào)處理的復(fù)雜性。

3 基于仿射變換交叉項(xiàng)抑制的改進(jìn)算法

傳輸線是一種用于傳輸電信號(hào)或數(shù)據(jù)的導(dǎo)線或電纜。它通常由導(dǎo)體、絕緣層和外部保護(hù)層組成。傳輸線可以用于傳輸不同類型的信號(hào), 包括電力、音頻、視頻和數(shù)字信號(hào)。它們廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中,如電力系統(tǒng)、電信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。傳輸線的設(shè)計(jì)和特性可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整, 以滿足特定的傳輸要求, 如阻抗匹配、信號(hào)保真度和傳輸速率等。在信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電纜長(zhǎng)度時(shí), 電纜傳輸線模型可用下圖1 的等效電路表示。

圖1 電纜分布參數(shù)等效電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜缺陷的準(zhǔn)確定位, 時(shí)頻域反射法使用示波器采集電纜中阻抗不連續(xù)點(diǎn)的反射信號(hào), 并向電纜注入?yún)⒖夹盘?hào)。通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析,可以獲得信號(hào)的時(shí)變頻譜特性, 并了解不同時(shí)間和頻率下的信號(hào)能量聚焦情況。為此, 本文選擇了具有高斯包絡(luò)的線性可調(diào)頻信號(hào)作為參考信號(hào), 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

根據(jù)上式設(shè)置參考波形, 數(shù)據(jù)參數(shù)見下表1所示。

表1 仿真電纜參數(shù)設(shè)置

對(duì)于多分量的調(diào)頻信號(hào), WVD 算法存在疊加原理不滿足的問題。在對(duì)無缺陷電纜進(jìn)行WVD 分布求取時(shí), 如圖2 所示, 交叉干擾明顯, 容易導(dǎo)致判斷失誤。以前, 同偽wigner 分布和偽wigner 平滑化分布一樣, WVD 分布平滑化和f 輸入抑制交叉干擾的事多。但是, 上述方法還不能完全消除交叉干擾, 消除交叉時(shí)容易影響自動(dòng)入口, 導(dǎo)致定位分辨率降低。此外,視窗處理會(huì)導(dǎo)致主葉寬度增加, 時(shí)間和頻率的交叉相關(guān)函數(shù), 造成定位盲, 影響精確定位缺陷。

圖2 疊加信號(hào)時(shí)頻分析結(jié)果

單獨(dú)分析交叉項(xiàng)和自項(xiàng)的特征差異, 結(jié)果見下圖3 所示。

圖3 自項(xiàng)與交叉項(xiàng)特征差異

通過對(duì)自項(xiàng)和交叉項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)分析, 可以觀察到它們?cè)谔卣魃洗嬖诿黠@的差異。自項(xiàng)的能量分布更為集中且平滑, 交叉項(xiàng)表示正振蕩和負(fù)振蕩的頻率特性。利用這個(gè)差異, 在WVD 時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換后對(duì)矩陣進(jìn)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換, 以便進(jìn)行更好的分析。為了消除交叉項(xiàng)干擾, 提高算法的定位精度, 同時(shí)不影響自項(xiàng)分辨率, 我們提出了一種基于仿射變換的交叉項(xiàng)抑制算法。該算法適用于各種改進(jìn)的WVD, 可以大幅提高電纜故障定位的精度。

通過細(xì)致的變換, 可以明確時(shí)間和頻率分布的特征差異。將時(shí)間頻率分布投影在與坐標(biāo)軸平行的方向上, 可以分析單一的時(shí)域或頻域。從每一列中提取有效的特征, 根據(jù)每個(gè)特征選擇低通濾波方法進(jìn)行傅立葉變換, 去除有交叉頻率字的區(qū)域, 同時(shí)宣布自動(dòng)terme 結(jié)束。圖4 (a) 顯示了交叉消除效果。這種方法對(duì)交叉項(xiàng)和自治項(xiàng)各自的特征進(jìn)行了分析和處理,但去除交叉項(xiàng)對(duì)自治項(xiàng)幾乎沒有影響。仿射變換后的矩陣反轉(zhuǎn)和仿射變換步驟可以得到如圖4 (b) 所示的沒有交叉項(xiàng)的時(shí)間頻率分布。

圖4 交叉項(xiàng)去除結(jié)果

該方法不僅可以完全消除交叉項(xiàng)的影響, 還不會(huì)對(duì)自項(xiàng)分辨率造成影響。其效果主要取決于斜率的精確度和低頻濾波的影響。此外, 該方法還可以適用于多種改進(jìn)形式的WVD 分布, 以獲得最佳的實(shí)測(cè)效果。具體的流程如圖5 所示。

圖5 交叉項(xiàng)去除算法流程示意圖

4 改進(jìn)算法的電力電纜缺陷仿真驗(yàn)證

仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表2 所示, 本文所提出的方法在抑制交叉項(xiàng)的同時(shí)能夠提高定位準(zhǔn)確度, 并且具有一定的抗噪聲干擾能力。此外, 該方法也適用于不同形式的時(shí)頻分布, 具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。由于實(shí)際上電纜可能存在多種缺陷, 本文分析電纜多種缺陷的位置。1000m 的電纜, 可以模擬受濕氣影響的直徑0.2m 的兩個(gè)缺陷部分。障礙區(qū)間的容量是通常的1.2 倍。缺陷截面的初始位移分別為300m 和600m。這種偽維格納分布的詳細(xì)變換可以用于前后頻率交叉相關(guān)的處理,其結(jié)果如圖6 所示。

表2 不同算法定位精度

圖6 多缺陷定位結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

通過對(duì)基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測(cè)方法的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 我們得出了以下結(jié)論: 首先, 基于頻域反射法是一種有效的低壓電纜局部放電檢測(cè)方法。通過測(cè)量電纜兩端的傳輸信號(hào)的頻域反射系數(shù), 可以準(zhǔn)確地判斷電纜中是否存在局部放電缺陷, 以及缺陷的位置和嚴(yán)重程度。其次, 該方法具有高精度和高靈敏度的特點(diǎn)。通過采集高頻信號(hào)和進(jìn)行頻譜分析, 可以在微弱的局部放電信號(hào)中提取出有用的信息, 從而辨別出缺陷所在位置和缺陷類型。此外, 該方法還具有快速和實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì), 能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜中的故障, 避免進(jìn)一步的損壞和事故發(fā)生。最后, 基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測(cè)方法具有良好的適用性和可行性。不僅可以用于不同類型和規(guī)格的低壓電纜, 還可以應(yīng)用于各種工況和環(huán)境條件下的檢測(cè)任務(wù)。綜上所述, 基于頻域反射法的低壓電纜局部放電檢測(cè)方法是一種可靠、有效且實(shí)用的手段,對(duì)于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)具有重要意義。