电缆附件局部放电超声波检测装置的设计与实验

朱英伟，周 凯，游世宇，吴雨波，万 利，雷 勇

(1.四川大学电气信息学院，四川 成都610065;2.四川省电力公司阿坝公司，四川阿坝611830)

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优越的电气性能，良好的热、机械特性，以及简便的敷设安装和运行维护等特点，被广泛地应用于电力系统各电压等级的输电线路和配电网中，并不断向高压、超高压领域发展。目前，在各大城市中电缆附件逐年增多，由于电缆附件本身结构缺陷、制作和安装工艺不到位，以及运行环境的复杂性，在实际运行中难免会发生一些绝缘故障。

通过与电业局相关技术人员的调研得知，随着电缆附件运行电压的增高和长期负荷的累积效应，各种绝缘缺陷容易导致局部放电，引起的电缆故障大多发生在电缆附件及端头［1-3］。因此，对电缆附件局部放电及绝缘状态进行监测很有必要。

根据局部放电所产生的物理表象特征分类，目前常用的局部放电检测方法主要有:脉冲电流法、电磁耦合法、差分法、电容传感器法、特高频法、超声波法、紫外成像法、气相色谱法、震荡波法等。其中，局部放电超声波检测法不影响电气主设备的安全运行，而且受工业现场电磁干扰的影响较小［4-6］。当前，局部放电超声检测的研究主要包括:声电联合测量方法的应用、声波在绝缘介质中传播过程和超声定位的研究、利用声信号的频谱特征抑制变压器磁干扰，以及利用超声信号进行局部放电模式识别等［7-15］。

本文基于超声波法对电缆附件进行局部放电检测实验研究。超声传感器是局部放电超声波检测技术的关键，本文采用新型高分子材料设计了贴片式超声换能元件，克服了传统压电陶瓷材料灵敏度低的缺点;在信号采集与处理部分的设计上，采用高速采集模块及网络数据传输方式，以适应电力工业现场的安装、布置及数据传输的要求;针对所设计的电缆附件局部放电实验，利用时频联合分析的方法，提出了判定绝缘缺陷内部放电的方法，以及绝缘缺陷定位的判定。

1 局部放电超声波检测原理

经典的局部放电原理是基于电子雪崩或流柱理论的，可以很好地解释微秒级单脉冲现象。大量的研究表明:局部放电是纳秒级放电过程，其时域波形是包含多个连续的、振幅衰减的脉冲，并具有一定的统计自相似性。

根据绝缘介质气隙放电基本模型，内部气泡局部放电的力学过程类似于电路中的二阶电路的零输入响应，其力学等效电路如下图1所示。其中，气泡的电路表现为Lm;弹性力表现为uc;力顺Cm、力阻Rm与气泡中的气体成分有关。

图1 气泡局部放电的力学等效电路

气泡中弹性力的受力满足下式的二阶方程

求解力学等效电路方程可得:

可以看出，当气泡内发生局部放电时，气泡脉冲电场力的作用下将产生为衰减的振荡运动，在气泡振动的作用下周围的介质中将产生超声波。等效电路中的电压uc表示气泡壁的对外作用力，其值乘上气泡的表面积即超声波的声压，则超声波的声压正比于电压uc。

若设气泡上真实放电量为q，气泡的击穿电场为E，则力顺Cm的初始值U0即等于击穿前施加在气泡上的电场力。得到:

由式(3)可知，超声波幅值与真实放电量成正比例关系，因此，可以通过检测超声波幅值大小来分析局部放电情况。

本文对电缆附件局部放电产生的超声波进行检测分析，超声波信号从电缆终端附件内部放电点通过绝缘层向外表面传播，通过声发射传感器可以将声信号转换为电信号，再进行信号处理和诊断。基于超声波的电缆附件局部放电检测系统结构原理如图2所示。实验所设计的硬件部分主要包括:超声波传感器、选通电路、触发信号调理电路、模拟信号处理电路、数据采集卡、上位机等。

图2 超声波局部放电检测系统结构原理图

电缆终端附件发出的局部放电信号伴随着超声信号，超声传感探头接收到这些声信号进行声电转换，电信号经同轴电缆传输至前置信号处理电路。前置信号处理电路具体分为前置放大、选通滤波和信号触发三部分。在前置电路后端接示波器对波形进行显示和记录。经过放大滤波后的电信号由高速采集卡进行数据取样，转换为易于分析处理的数字信号，还可以经无线网络传输至远处的上位机进行处理分析。

2 实验平台及检测系统设计

电缆终端局部放电检测实验平台的接线如图3所示，该平台由35 kV的GIS中压环网柜、插拔式电缆附件终端、进出相电缆、变压器及具有调压功能的开关柜等组成。为模拟电缆终端附件由绝缘缺陷引起的局部放电，使用一根漆包线插入电缆终端的绝缘介质之间充当一内部气隙，利用该气隙模拟典型的气隙放电。

由于开关柜出相电缆的电压为几十千伏，为了防止电晕产生，必须将其头部的绝缘套管浸入变压器油中。为了保证安全和减小干扰，该系统采用一点接地，务必确保各高压设备的外壳接地，以及各接地线的连通。经该实验系统测得的局部放电超声波信号，经过前置电路作放大滤波后，模拟信号可以直接由示波器显示记录，同时进入数据采集卡进行A/D转换，再输入计算机记录波形，并进行数据的存储、处理和分析。

2.1 局部放电超声波传感器的设计

和传统的压电陶瓷换能器相比较，高分子压电膜具有动态频响范围大、力电转换灵敏度高、声阻抗匹配容易、机械性能良好等优势。本实验采用柔性的聚合物声电转换的传感元件，并设计成贴片形式以提高整个传感器的灵敏度。图4为局部放电用超声波传感器贴片，图5为自行设计的电缆附件局部放电检测超声波传感器。

图3 实验平台接线示意图

图4 局部放电用超声波传感器贴片

图5 安装在电缆附件终端上的超声波传感器

2.2 信号检测及采集平台

电缆附件局部放电信号检测及采集平台的硬件设备，包括超声波传感器、信号处理电路盒、数字存储示波器、无线路由器，以及便携式计算机等，检测平台实物如图6所示。其中，信号处理电路盒内集成了超声波传感器模拟信号的处理电路、高速数据采集卡，以及电源模块等。

对于35 kV的GIS开关柜终端，超声波传感器压电薄膜的输出电压范围为50～200 mV，而数据采集系统的输入电压在±2.5V之间，因此本实验选择由共模抑制比较高的AD 817集成运算放大器构成反向比例放大电路，放大电路的放大倍数设计为20倍。根据测试实验现场噪声干扰信号的频率范围，为了提高检测系统的灵敏度，需要设计的有源带通滤波器的通带带宽为50～170 kHz。由于局部放电的超声波信号频率相对不高，本实验选用的是NET 2801单通道以太网数据采集卡进行数据采集。

图6 电缆终端局部放电检测装置平台

3 超声波检测实验结果分析

3.1 超声波信号强度与运行电压的关系

图7 放电幅值与运行电压之间的关系

以GIS进相电缆终端处的人造缺陷为模型，将超声波传感器置于电缆头局放源处夹紧，将电缆运行电压缓慢由20 kV调高至32.5 kV，分别对局部放电超声波信号的放电幅值和放电次数进行数据统计，绘制变化关系如图7和图8所示。从实验结果数据可以看出，检测到的超声信号的放电幅值与运行电压近似为正比关系，放电次数与运行电压是非线性关系。分析可知，电压较低时局部放电仅为单纯的内部放电，此时放电频率并不高;随着电压等级的升高，局部放电又出现了表面放电分量。所以，放电次数在升压的中间过程有突然增大的趋势，而放电幅值通常与气隙的击穿场强关系较为密切，故其与电压近似成正比关系，且不随放电类型的变化而改变。

3.2 内部放电与电晕放电的识别

图8 放电次数与运行电压之间的关系

在电缆附件局部放电过程中，为了说明内部放电与电晕放电在相位上的差异，采用同时记录内部放电与电晕放电信号相位分布的方式，对两者进行比较。有无电晕时内部放电相位三维分布情况分别如图9和图10所示。

根据各放电情形的三位谱图分析可知，电晕放电主要集中出现在箭头标注位置，与内部放电的一、三象限不会重叠，这说明本检测系统具有识别内部放电与电晕放电的能力。

图9 无电晕时内部放电相位分布图

图10 有电晕时局部放电相位分布图

3.3 超声波传播时延的检测

考虑局部放电超声信号的传播规律及定位问题，将有电晕与无电晕时的放电统计数据在相位上进行对比。从图11和图12比较看出，电晕放电在时间上大约滞后内部放电2～3 ms，计算出超声的等值声速约为1.5～2.5 km/s。根据超声波在电缆中传播的时延检测，可为电缆附件绝缘缺陷定位提供参考依据。

图11 电缆附件终端有电晕时放电相位统计图

图12 电缆附件终端无电晕时的放电相位统计图

4 结论

本文以35 kV的GIS开关柜电缆附件终端为实验研究对象，试制了一套超声波局部放电检测系统，并对电缆附件绝缘缺陷的局部放电情况进行在线监测和分析。在传感器设计上，采用了PVDF压电薄膜贴片，提高了系统检测的灵敏度;设计搭建了与传感器相匹配的信号处理电路盒，具有较良好的信噪比。通过大量的比较实验验证，分析结果得到了如下结论:

(1)电缆运行电压在20 kV至32.5 kV之间，终端附件局部放电超声信号的幅值与运行电压近似为正比关系，放电次数与运行电压是非线性关系。

(2)电晕放电与内部放电的相位分布不同，内部放电主要集中在一、三象限，这说明本检测系统具有识别内部放电与电晕放电的能力。

(3)根据超声波在电缆中传播的时延检测，可为电缆附件绝缘缺陷定位提供参考依据。

本文对基于超声波的电缆附件局部放电检测系统进行了设计和实验研究，为XLPE电缆的安全稳定运行提供一定的技术支撑。

［1］穆茂武.高压交联聚乙烯绝缘电缆线路中的预制式电缆附件［J］.广东电力，2007，20(4):17-20.

［2］蒋佩南.国产交联聚乙烯电力电缆击穿故障的评定和分析［J］.电线电缆，2007(2):1-5.

［3］孙 波，黄成军.电力电缆局部放电检测技术的探讨［J］.电线电缆，2009(3):38-41.

［4］Krivda A.Automated recognition of partial discharge［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2(5):796-812.

［5］Gaok K，Tan K，Li F.PD pattern recognition for stator bar models with six kinds of characteristic vectors using BP network［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2002，9(3):381-389.

［6］Mohsen F，Hossein B，Emst G.Partial discharge and dissipation factor behavior of model insulating systems for high voltage rotating machines under different stresses［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2005，21(5):5-19.

［7］周 凯，吴广宁.脉冲电压下局部放电信号的提取和统计［J］.西南交通大学学报，2008，43(3):319-324.

［8］王 圣.便携式多功能局部放电检测仪的原理及应用［J］.高电压技术，1994，20(1):90-93.

［9］舒乃秋，胡 芳，周 粲.超声传感技术在电气设备故障诊断中的应用［J］.传感器技术，2003，22(5):1-4.

［10］罗勇芬，孟凡凤，李彦明.局部放电超声波信号的检测和预处理［J］.西安交通大学学报，2006，40(8):964-968.

［11］张 蕾，高胜友，谈克雄.油中局部放电超声信号模式识别的研究［J］.电工电能新技术，2002，21(3):32-35.

［12］刘云鹏，律方成，陈志业，等.局部放电超声信号的自仿射IFS模型［J］.高电压技术，2002，28(10):23-25.

［13］周力行，何 蕾，李卫国.变压器局部放电超声信号特性及放电源定位［J］.高电压技术，2003，29(5):11-16.

［14］金广厚，王 庆，李燕青，等.局部放电超声信号在变压器模型中的传播［J］.高电压技术，2003，29(9):14-16.

［15］谢 庆，律方成，郑书生，等.利用超声相控阵的油中局部放电定位实验分析［J］.高电压技术，2010，36(11):2711-2716.