局部放电信号在电缆中的传播对波形影响的分析

陈锡阳， 桂峻峰， 高胜友， 夏云峰， 黄健华

(1.广东电网公司东莞供电局，广东东莞523008;2.北京交通大学电气工程学院，北京100044;3.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084)

0 引言

局部放电是电缆绝缘故障的常见先兆特征，目前对于电缆局部放电的试验，可遵照的标准是GB/T 3048.12电线电缆电性能试验方法之12:局部放电试验(等效于IEC 60885－3整根挤包电缆局部放电试验)。该标准的指导意义在于放电量的测量和标定，在规定电压和给定灵敏度下测量电缆的放电量是否超过规定值［1］。一旦试验发现超标放电，需要确定放电的部位和类型。根据放电的特性区分不同的故障类型，具有重要的意义。常用的方法通常是基于放电量q、放电发生的相位φ和放电重复率n构成的谱图，依据其统计特征进行放电类型的识别。宽频带采样的局放检测方法逐渐开展，获取放电信号波形并根据其时域特征进行识别的方法，也有一定的研究［2，3］。但这些方法没有考虑到脉冲传播路径对原始放电波形的影响，即由于电缆中的局部放电可能存在于任何位置，在固定的检测点获得的信号波形，必然携带有从原始位置传播到检测点的路径所含的未知信息，这将给正确识别带来困难。

本文首先进行了脉冲波形在交联聚乙烯(XLPE)电缆中传播的仿真研究，然后通过试验验证仿真结果的准确性，根据电缆本身的传播特征，由检测信号反推放电原始波形，即可利用波形特征进行放电的模式识别。

1 电缆中脉冲传播的仿真研究

研究电缆中脉冲信号传播规律，可用均匀传输线模型来模拟电力电缆。导线本身的电阻R和电感L分布在导线的整个长度上，导线对地的电容C和绝缘电导G也都按分布参数考虑，如图1所示。线路的传输特性，实质上就是由这四个基本参数决定的。

图1 电缆参数模型

从传输线的传输规律得出传播公式:

式中:l为传输线路的长度(m);γ为传输线的传播常数，它反映了传输线固有的传输规律。γ的值取决于传输线的基本参数和传输频率，表达式为［4］:

式中:γ是一个复数，可按实部和虚部写作α+jβ，即包含固有衰耗常数(用α表示)和固有相移常数(用β表示)。α反映了线路上单位长度的行波正弦分量的幅值的减少，即能量损耗方面的传输规律，β反映了信号传播过程中相位的变化。

等效阻抗Z和导纳Y可按下式计算:

式中:ρ为电缆导体电阻率(Ω·m);Rin、Rout分别为外径和内径(m)。计算Y时需要根据电缆结构考虑多层串联，C0为每层几何电容，介电常数ε0为频变复介电常数。

针对型号为YJV22－3×95，额定电压为8.7/15 kV的电缆进行了仿真计算，该电缆为三相，每相导线的参数为外径Rout=33 mm，内径Rin=5.5 mm，电阻率 ρ=1.75×10－8Ω·m，XLPE 初始相对介电常数ε=2.5，随着频率按指数规律下降，忽略绝缘层的电导。计算出传播常数与频率的关系如图2。

图2 传播常数与频率的关系

由图2可见，信号在传播过程中的衰减和相移都与频率有关，而局部放电脉冲为宽频带信号，包含丰富的频率成分，经过传播到达测量点，由传感器获得的信号必然包括了传播路径的信息。在放电位置未知时，所附带的传播路径信息也是不确定的，因此不能简单地根据测量信号的波形特征进行放电类型的模式识别。

另外，检测电缆局放通常可采用高频电流传感器(HFCT)在屏蔽层接地线上获取信号。放电脉冲从发生处到被测量的整个路径的传播特性，应该是电缆特性与HFCT特性的结合。假设电缆长度为4 m，并用扫频方法获取HFCT的特性，二者的结合幅频特性如图3所示。

图3 电缆(4 m)与高频电流传感器结合的幅频特性

2 试验研究

对脉冲在电缆中的传播进行了试验:在长为4 m电缆一端加信号，试验采用的输入信号为信号发生器产生的脉冲，宽度为25 ns，上升沿为2.5 ns。通过电缆一相的芯线对地注入，电缆另外二相芯线对地短接，通过电流传感器获取屏蔽层接地线中的电流信号，该测试回路接线与现场实测局放时一致。用双通道示波器采集输入信号和输出信号，所用示波器为RIGOL 6102，采样率2.5 GHz，实测输入和输出信号波形如图4a、4b所示。

对信号做Fourier分析，可得传播路径(包括电缆和传感器)的传递函数幅频特性如图5所示。可见，试验结果与图4中根据仿真分析所得基本一致。

3 局放信号传播过程中的波形变化

同样的原始放电信号，由于放电位置不同，到达测量点就有不同的传输距离，对放电距离l=0、10、100、1000 m分别进行了仿真分析，如图6所示。

可见随着传播距离增加，幅值和波形都有较大的变化，显然已不适宜直接利用波形的特征进行放电类型的识别。只有在确定放电位置以后，根据电缆本身的传播特征，反推放电原始波形，解除放电脉冲传播路径对测量波形的影响因素，才能正确使用波形本身的信息进行类型识别。

图4 试验所得信号波形

图5 试验所得脉冲在电缆中的传递函数(幅频特性)

图6 不同传播距离的局放信号波形

4 结论

(1)电缆中的局部放电理论上可能存在于任何位置(电缆接头或者本体)，而测量只能在有限的几个点进行，由于传播过程的影响，所测信号携带有传播路径的信息。不同位置的放电，脉冲传播的距离和途径不同，即使原始的放电属于同样类型、有相似的波形特征，测量点的传感器拾取的信号波形也有较大的区别，因此不适合采用波形特征判断放电类型。

(2)本文通过仿真和试验两种方式对信号在电缆中的传播进行了研究，结果基本一致，可以用于分析传播路径对局放信号的影响，包括幅值和相移两个方面，据此可了解信号传播路径附加于所测信号上的信息。

(3)如果能够确定放电点的位置，即知道了放电脉冲波形传播的距离，就可以根据电缆本身的传播特征，反推放电原始波形，即解除了放电脉冲传播路径对测量波形的影响因素，保留放电信号本身的固有特征，根据这些特征就可以进行放电类型的识别。

［1］GB/T 3048.12—2007 电线电缆电性能试验方法［S］.

［2］郑 重，谈克雄，王 猛，等.基于脉冲波形时域特征的局部放电识别［J］.电工电能新技术，2001，25(2):20-24.

［3］司文荣，李军浩，黎大健，等.基于宽带检测的局放脉冲波形快速特征提取技术［J］.电工电能新技术，2008，32(2):21-25.

［4］Tozzi M，Cavallini A，Montanari G.C.PD Detection in extruded power cables:An approximate propagation model［J］.IEEE Trans on DEI，2008，15(3):601-607.

［5］Richard Cselkó，István Berta.Challenges of partial discharge diagnostics of low-voltage cables ［J］.Journal of Electrostatics，2013，71(1):558-563.

［6］Su Ming-Shou，Chen Jiann-Fuh，Lin Yu-Hsun.Phase determination of partial discharge source in three-phase transmission lines using discrete wavelet transform and probabilistic neural networks［J］.Electrical Power and Energy Systems，2013，51(2):27-34.

［7］Pommerenke D，Strehl T，Heinrich R.Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems［J］.IEEE Trans on DEI，1999，6(6):814-824.