电缆接头局部放电在线监测方法

夏向阳，贺运九，唐 洁，郑 鹏，杜荣林，杨 超

(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410004; 2.衡阳市产商品质量监督检验所, 湖南 衡阳 421001)

电缆接头局部放电在线监测方法

夏向阳1，贺运九1，唐 洁2，郑 鹏2，杜荣林1，杨 超1

(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410004; 2.衡阳市产商品质量监督检验所, 湖南 衡阳 421001)

近年来城市配电网广泛采用地埋电缆，提出一种地下电缆接头局部放电在线监测方法。该方法在信号处理阶段采用平均放电数量及放电相区数作为判定参数，将这2种参数投射到坐标系形成的轨迹，作为电缆接头绝缘层状态的判断依据。通过对电缆接头进行模拟故障试验得到绝缘层状态与局放信号参数之间规律，实现对电缆绝缘状态的评估，达到在线监测的目的。该方法的核心研发模块：监测模块，由1个峰值检测电路及1个接收转换局部放电信号的DSP(数字信号处理器)组成，经过去噪以及峰值保持等过程，将DSP处理过的信号数据传送到远程计算机进行下一步分析处理。分析结果证明了该方法的可行性，具有一定的实际推广价值。

在线监测；绝缘评估；局部放电；电缆接头

地下电缆在城市电网中是非常关键的一环，因而电缆线路上的故障都可能会造成严重的经济损失以及影响对用户的供电。尽管电缆在生产到出厂过程中都有一系列严格的监测标准，但敷设的失误以及电缆使用寿命的问题才是导致电缆故障的主要原因。目前对于电缆接头的老化过程研究处于起步阶段，因此现阶段对于电缆意外故障的预防研究非常重要。在电缆产生故障时将会引起一些参数的大幅变化，利用这些参数信号可以很好地监测电缆的绝缘状态并且做好预防故障的工作。

近年来，世界各国专家一致认为局部放电在线监测法拥有极大的研究潜力，因为其对参数变化的敏感度较高，可以更直观地反映出电缆绝缘层的工作状态,从而达到监控及预防电缆绝缘故障的目的。

文献[1-3]介绍了2种信号的采集方法，一种是用来采集信号的波形，另一种是用来检测信号的峰值。采集波形的方法是使用一种高速的模数转换器来记录完整的脉冲波形从而进行进一步的滤波及频谱分析。文献[4]采用基于电磁耦合法的VHF宽频带钳形电流传感器与基于阿基米德螺旋天线的UHF传感器相配合的方法，提出一种适用于交叉互联XLPE电缆接头局放在线监测方法。文献[5]介绍内置式局部放电UHF传感器的布置方法及应用效果,并结合南方电网的发展趋势,解决了目前在数字化变电站应用中存在的GIS局放测试系统与其他在线监测系统配合不够完善,存在多套系统并列运行等问题。现有的电缆接头的局放监测方法主要还有脉冲电流法，其拥有较高测量灵敏度，但因为干扰严重而不适用于电缆接头的在线监测。震荡波测试法[6]基本能实现无损检测，但前提是在电缆离线时对接头进行测试。目前电缆接头局放在线监测的主要难点在于接头绝缘劣化过程与局部放电表征的关系[7]，电树枝化的过程是一种绝缘介质劣化的微观物理过程，而局部放电是电树枝化过程的一个宏观表现[8-9]，对此两者之间的对应关系目前没有成熟的理论可以说明，因此难以对其进行实时监测。

1 新型监测方法

长期的大规模在线监测需要大量的测量设备，并且需要耐久寿命长的配件，电缆接头上的测量装置也要考虑成本及实用性，能够保证正常工作与远程的计算机通信。因此，该文设计的局放在线监测单元采用高频电流法，其整体结构如图1所示，其中，Va和Vb是接头两侧传感器的局放电压信号，Vv是电缆电压信号，监测单元将持续性地对电缆的运行状态进行监测。笔者提出的接头绝缘状况判断方法根据电缆缺陷模型的放电过程，对电缆接头绝缘劣化过程进行分析，通过平均放电量以及放电相区2个参数反映出每个过程的特点，并得到其参数轨迹图与电缆接头绝缘状况之间的规律。

图1 实验整体结构

采用的参数可以直观准确地表示电缆接头内部放电情况，因而这种方法非常精确并且灵敏度高，在发生故障时，能够更加迅速有效地向相关维护人员发出提示警报。该文提出采用平均放电量Qa与放电相区D2个参数来表示这一过程。

在实验中，将一个周期电循环的信号分成多个时间片段，称为相位窗[10]。每一个相位窗可当成一个矩阵。QN是表示所有矩阵中非零矩阵的个数，也就是信号中有放电的相位窗的个数，Qs表示所有放电量之和。因此，平均放电量表示所有非零矩阵的放电量平均值[11]，可表示为

(1)

放电相区D表示局放信号放电量的相位窗范围，将同一相位窗在一次测量中40个电循环的放电量叠加，也就是将40×800的矩阵变为1×800的矩阵，得到每个相位窗的总放电量，从而可以得到一次测量中对应相位窗的放电量，其中D+与D-为局放信号中的2个集群，分别代表正极与负极的放电相区。放电相区可以表示为

D=D++D-。

(2)

因此，这2个参数结合可以更为全面准确地反映电缆接头内部的放电量情况，能够作为电缆接头绝缘状态的诊断依据。相比于传统方法，该方法灵敏度较高，并且能够根据轨迹的变化对电缆接头绝缘状况进行实时监控并做出预警，对进一步研究接头绝缘劣化过程与局部放电之间的对应关系有一定意义。

该监测单元成本相对较低，所采用的是DSP处理器。该在线局放监测单元主要负责监测信号，并将得到的信号传输至终端的计算机，对监测设备的精度要求也不高。

1.1 监测单元组件设计

1.1.1 传感器

电压信号传感器是一片置于电缆接头半导体层外侧的金属箔，用来接收电缆接头的半导体层与导体层之间因电容效应产生的电压信号。局放信号传感器由一个Rogowski线圈(罗氏线圈)与一个RC电路并联[8]，所采用的高频电流互感器拥有200 kHz的中心频率及100 kHz的带宽。局放信号的脉冲分辨时间为10 μs。

1.1.2 硬件部分

局放在线监测单元的电路框图如图2所示，其中，实线表示模拟信号，虚线表示数字信号。

图2 局部放电监测单元电路框图

框图各部分功能介绍如下：

1)滤波器。采用低通滤波器对电压频率信号进行滤波，防止在零序点监测时出错。

2)极性检测。判别电压信号的极性来检测局放信号的零序点相角。

3)微分电路与绝对值电路。该微分电路将所得的Va和Vb相减来抑制电缆接头的干扰信号，相减所得结果的绝对值为VPD。

4)阈值检测。如果得到的VPD高于设定的阈值VT，则得到的信号被认定为有效信号，否则将被认定为干扰信号。阈值必须提前设定好，根据去噪常用的矢量阈值法来确定阈值，达到去噪的效果。得到的阈值VT为0.1 V。

5)峰值保持。在DSP发送重置指令之前保持VPD的峰值(VP)。

6)电荷检测。DSP发出重置指令之前，在每一个保持峰值的时间段(TR)内比较VPD与VP。若VPD>VP, 则表示出现了更高的脉冲峰值。

7)DSP。采用高性能的TMDSDSK33型号的处理器，其计算速度为150 MHz，32位的浮点数。该处理器能够在局放传感器的单脉冲分辨时间内完成信号的接受及计算处理。

8)数模转换器。最大采样频率为48 kHz，输入电压范围为0～1.5 V。

1.1.3 软件部分

基于之前提及的模拟电路提供的详细信息，局放在线监测单元的信号采集过程如图3所示。

由于DSP处理数据的速度150 MHz远大于数模转换器采样频率的48 kHz，因此，程序采用循环编程而不是中断模式，从而保证了数模转换器不会产生遗漏转换数据的情况。图3中Cn为测量电周期信号的周期数，设定为40次，Tm为2次连续测量的时间间隔，设定为15 min。每个周期的电周期信号根据时间分成800段，每一段之间的时间间隔TW为20.83 μs。

图3 信号采集流程

其中,初始化是指对时间计数(T)以及循环计数(C)进行复位，峰值检测将局放监测信号中符合条件的VP分配到每个周期的电周期信号相应的相位窗。如图4所示，TR的默认值为相位窗时间间隔TW的2倍。若在峰值保持时间(TR)内没有其他脉冲信号，则保持的VP为特定相位窗的有效值，并且DSP在一个相位窗时间TR末向峰值保持电路发出复位指令。否则VP以及复位时间必须随以下条件进行调整：

若在TR内出现了幅值更高的脉冲信号，如图5所示，则之前保持的VP将无效。为了防止脉冲信号重叠而导致的误差，复位指令将在出现VPD>VP情况的相位窗之后2个相位窗发出。

若TR内出现了其他脉冲信号但没有超过VP，则保持的VP是有效的。但若在TR后监测到VPD>VT,则复位指令将在下一个相位窗之后发送。

1.2 峰值电路功能验证

用实际得到的波形验证之前提到的2种需要调整复位时间情况。在VPD>VP情况下，图5上半部分是VPD与设定阈值VT，下半部分VP是上半部分2个参数经过峰值保持电路所得。由于在一个相位窗内VPD>VP，可以从图5中看出复位的时间被推迟到2个相位窗之后，与之前所描述的功能相符。如图6所示，VPDVT，因此，复位指令在下一个相位窗之后发送，与之前复位时间调整的描述相符。

图4 峰值与重置时间曲线

图5 VPD>VP情况下峰值电路的实际波形

图6 VPD

2 模拟电缆故障实验与分析

由于电缆接头是电缆线路极易发生故障的薄弱点，在此模拟一种电缆接头在现场安装时的一种缺陷。电缆的连接点将人为地移到左边，使得电缆绝缘层不会被接头的内部半导体覆盖。从而导致了电缆出现2个缺陷，如图7所示。缺陷1是在接头绝缘和中心导体之间留下的一段空白；缺陷2是电缆绝缘层有一部分没有被电缆接头外半导体所覆盖，局放信号会因2种缺陷的出现而开始出现变化。这样的缺陷极易导致电缆在气隙中产生电树枝造成绝缘劣化[12]。

实验整体结构示意如图1所示，实验次数与电压的变化过程如图8所示，其中,横坐标代表测量次数。局部放电起始电压为20 kV，为了缩短测试时间，在第156次将电压从25 kV提高到36 kV。

如前所示，测量记录信号的40个周期每隔15 min一次，直到发生明显的绝缘击穿。在第106次实验之后PD信号开始变弱，这说明电缆接头内部由于缺陷已经开始放电，为了加速电缆劣化，随后再进行了50次测量，然后将测试电压调高到36 kV。随后的162次测量中，由于缺陷1导致了电缆接头绝缘故障的出现，最后导致绝缘完全失效。

在发生故障后对电缆进行分析，在实验的前期，由于缺陷的出现，内部的放电从中心导体泄漏到电缆接头绝缘层，导致电缆表面放电，一段时间后2个绝缘层之间形成了电树枝(图7中电缆绝缘与接头绝缘间的黄色曲线)，最终穿透电缆接头绝缘层并形成一道碳化轨迹,如图9所示。

图7 电缆接头结构和缺陷

图8 实验外加电压波行

图9 电树枝导致的接头绝缘层碳化轨迹

平均放电量与放电相区数在模拟故障实验中的变化过程如图10所示。接头绝缘劣化过程分为3个阶段[13]：①由于缺陷的出现产生电树枝并产生反向电场，因而此时监测的局放信号会减弱；②由于外加电压不变，电树枝与气隙叠加形成的电容趋于饱和，所以局放信号强度有所增加；③随着电树枝进一步的生成，最终导致电树枝延伸至接头绝缘层导致其碳化击穿。而外绝缘的击穿必然会导致内部监测局放信号的急剧减弱，绝缘的破损是一个渐变的过程[14]，这样的过程将会使得电缆在长时间运行时突发很多不可预料的故障，导致绝缘击穿以及漏电等危险情况的发生[15-16]。

为了研究参数与图7中故障形成之间的规律，将平均放电量Qa与放电相区数D合并为一个随实验次数的轨迹，如图11所示，N为实验次数。可以看到轨迹基本与之前分析吻合，整体监测放电量先呈大幅下降趋势，这说明已经有产生电树枝的可能。在第125次实验，此时内部放电量几乎为0，这说明电树枝与气隙形成电容基本饱和，随后局放信号开始加强，直到第204次实验，此时接头绝缘已被电树枝击穿产生碳化轨迹，内部局放信号开始急剧减弱，第318次已经产生了明显碳化轨迹，实验停止。可以看到这一轨迹变化过程与之前描述的绝缘接头劣化过程基本对应。因此，为了监测接头绝缘层工作情况，在第2个拐点(该实验为204次)的时候应该发出警报，若之后轨迹开始有大幅下降趋势则表示接头绝缘开始受损。该型号电缆接头在正常工作下去毛刺后所得参数轨迹如图12所示，与图11进行对比，可以看出，故障时平均放电量与放电相区数变化较正常工作情况下要更加明显。

图10 故障实验曲线

图11 故障电缆接头绝缘状况判定轨迹

图12 正常电缆接头绝缘状况判定轨迹

3 结语

笔者提出一种针对城市地下电缆的局放在线监测方案，在电缆接头两端提取局放信号并滤去干扰信号，通过一系列数模混合电路得到信号中的峰值部分。通过在高压实验室模拟故障电缆并进行通电实验来寻找参数与电缆绝缘状态之间的关系，采用平均放电量及放电相区数作为参考参数来评估电缆的绝缘状态。这种方法为电缆绝缘状态评估提供了一种依据，可以根据该方法进一步增加故障模型数据，建立一个故障数据库，辅以对轨迹的图像处理技术，从而更全面地评估电缆绝缘状况，达到准确在线监测电缆接头的目的。

[1]Vudhichamnong R, Thongphuak T, Thaweesub W, et al. Design and construction of a PC-based partial discharge analyzer using FPGA[C].TENCON Conference,Malaysia,2000.

[2]Kim Y J, Lee K C, Hwang D H, et al.Hybrid conversion scheme for digital measurement of partial discharge spectra[C]. IEEE Electrical Insulation Conference, Beijing,China,2002.

[3]Kheirmand A, Leijon M,Gubanski S M.Advances in online monitoring and localization of partial discharges in large rotating machines[J].IEEE Transations Energy Convers, 2004,19(1):53-59.

[4]韦斌, 李颖. XLPE电缆绝缘接头局放在线检测方法探讨[J].高电压技术,2005,31(10)：30-32. WEI Bing，LI Ying，Study on the method of PD on-line detection of XLPE cable insulating joints[J].High Voltage Engineering,2005,31(10)：30-32.

[5]刘颖，郭小凯，方义治，等. GIS特高频局放在线监测技术的应用[J].高压电器，2013,49(5)：128-133. LIU Ying，GUO Xiao-kai，FANG Yi-zhi,et al. Application of the GIS UHF method for partial discharge on-line monitoring[J].High Voltage Apparatus, 2013,49(5)： 128-133.

[6]郭琦. 电缆振荡波局部放电检测系统的研制[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[7]廖瑞金，周天春，刘玲，等. 交联聚乙烯电力电缆的电树枝化试验及其局部放电特征[J]. 中国电机工程学报，2011，31(28)：136-143. LIAO Rui-jin, ZHOU Tian-chun，LIU Ling,et al. Experimental research on electrical treeing and partial discharge characteristics of cross-linked polyethylene power cables[J]. Proceedings of the CSEE, 2011，31(28)：136-143.

[8]罗俊华，冯江，袁检，等. 交联聚乙烯电缆局部放电高频检测技术的研究[J]. 电网技术，2001，25(12)：42-45. LUO Jun-hua，FENG Jiang，YUAN Jian,et al. Study on detection of partial discharge in XLPE cable at high frequency[J].Power System Technology, 2001，25(12)：42-45.

[9]孙静. 高压电力电缆局部放电检测技术研究[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[10]Chandrasekar S, Cavallnia, Montari.Bandwidth and sensitivity issues in PD detection in power cables[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2007,14(3):735-743.

[11]Gustavsen B．Panel session on data for modeling system transients insulated cables[C].IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference，Columbus，United States，2001.

[12]常文治，李成榕，苏錡，等. 电缆接头尖刺缺陷局部放电发展过程的研究[J]. 中国电机工程学报，2013，33(7)：192-201. CHANG Wen-zhi, LI Cheng-rong, SU Qi,et al. Study on development of partial discharges at the defect caused by a needle damage to a cable joint[J]. Proceedings of the CSEE, 2013，33(7): 192-201.

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[13]周志成，何俊佳，张洪，等. 交流叠加法带电测试XLPE电缆绝缘性能的研究[J]. 高电压技术，2005，31(1)：40-46. ZHOU Zhi-cheng，HE Jun-jia，ZHANG Hong,et al. Research of ac superposition method applied in the hot-line test for the insulation performance of XLPE cable[J]. High Voltage Engineering. 2005，31(1)：40-46.

[14]常文治. 电力电缆中间接头典型缺陷局放发展过程的研究[D]. 北京：华北电力大学，2013.

[15]周远翔，侯非，聂琼，等. 温度对硅橡胶电树枝老化特性的影响[J]. 高电压技术，2012，38(10)：2 640-2 646. ZHOU Yuan-xiang, HOU Fei, NIE Qiong, et al. Influence of temperature on electrical tree initiation in polyethylene[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(10): 2 640-2 646.

[16]Zhou Y, Liu R, Hou F, et al. Morphology of electrical trees in silicon rubber[J]. Journal of Electrostatics, 2013, 71(3): 440-448.

Research on on-line monitoring of partial discharge for distribution underground cable joint

XIA Xiang-yang1，HE Yun-jiu1，TANG Jie2，ZHENG Peng2，DU Rong-lin1，YANG Chao1

( 1. School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004, China; 2. Hengyang Products Quality Supervision Inspection and Institute,Hengyang 421001, China)

In recent years, underground cable is widely used in distribution system. An on-line monitoring method for underground cable joint was proposed in this paper. The average discharge and discharge phase region were used as the reference parameters, and the two parameters were plotted in coordinate system to form a track. The track can reflect the state of the insulation at cable joint. The fault experiments occurred at cable joint was carried out to conclude the connection between partial discharge parameters and insulation aging station. It can realize partial discharge on-line monitoring for distribution underground cable joint. The monitoring unit consisted of a peak-hold circuit and DSP with function of receiving discharge signal and converting signal. After de-noising and peak holding, the signal transformed by DSP was further dealt with in a remote computer. The experimental results show that the proposed method is feasible，and has a practical value for further application.

online monitoring; insulation diagnosis; partial discharge; cable joint

2016-03-19

湖南省自然科学衡阳联合基金(2016JJ5018)

夏向阳 (1968—)，男，博士(后)，教授，主要从事电力系统保护与控制等研究； E-mail：summer719@sohu.com；

TM247

A

1673-9140(2016)04-0143-06