便携式电缆局部放电检测系统的研制

杨凯， 钱勇， 段玉兵， 延野， 舒博

(1.上海交通大学 电气工程系，上海 200240；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002)

0 引 言

交联聚乙烯(XLPE)电缆由于具有铺设方便、运行维护简便和绝缘性能优良等特点，被广泛地应用于电力输配电网中。由 XLPE电缆或电缆接头绝缘击穿等问题引起的停电事故也为供电安全带来了巨大隐患。局部放电是造成XLPE电缆绝缘劣化的主要原因[1]。针对电缆中局部放电信号的带电检测，能够及时地判断电缆的绝缘状态，对减少停电事故发生、提高供电可靠性有重要意义。

目前在局放检测技术中应用较为广泛的有高频电流法、特高频法和超声波法[2-7]。过去基于其中单一方法研制的检测系统，工作时容易受现场干扰信号影响，检测结果可靠性有待提高。本文基于以上三种检测技术原理，研制了一套新型便携式电缆局放带电检测系统。新系统同时具备三种检测技术所需的信号采集、调理模块与诊断软件，能够提供三种技术下的电缆局放诊断分析结论，实现更有效地排除现场干扰，提高局放检测的准确性。

1 电缆局放检测原理

1.1 高频电流(HFCT)检测法

如图1所示,高频电流法利用高频电流传感器检测局部放电的脉冲电流信号。高频电流传感器由在环状磁芯材料上缠绕多匝导电线圈制成，通常安装在电缆接地线上。电缆内部发生局部放电时，会产生高频脉冲电流沿着接地线向大地传播。当脉冲电流穿过传感器磁芯中心时，引起的交变电磁场会在线圈上产生感应电压。高频电流法通过分析感应电压信号特征，获取电缆内局部放电的诊断信息。高频电流传感器安装方便，测量回路与被测电缆之间没有直接的电气连接，但是往往受现场电磁干扰比较严重[8-10]。

图1 高频电流传感器工作原理图

1.2 特高频(UHF)检测法

由于电缆内部的绝缘强度和击穿场强都很高，发生局部放电时小范围击穿过程非常快，局放脉冲电流上升时间通常小于1 ns，因此会激发出频率高达几吉赫的特高频电磁波。电磁波通过电缆接头附近的电磁泄露处向外界传播。特高频法依据传感器检测到来自电缆内部的电磁波信号，实现对电缆内局部放电的诊断分析。特高频法能有效地避开诸如电晕干扰等较低频段外来信号干扰，具有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力[11-14]。

1.3 超声波(AE)检测法

电缆内部发生局部放电时，放电冲击振动会产生20 kHz以上的超声波信号向周围传播。超声波法在设备外部放置超声传感器来检测局部放电的声信号。超声传感器可以将声信号转化为电信号，且电信号能量与声信号能量间存在一定比例关系。该方法的特点是现场检测完全避开电气方面的干扰，操作简单方便，但准确性易受周围环境噪声或设备机械振动声的影响。此外由于超声波信号在电缆常用绝缘材料中传播时衰减较快，超声波法的检测范围有限[15-17]。

2 系统硬件框架

图2 系统硬件结构图

便携式电缆局部放电检测系统硬件结构由传感器、信号调理模块、信号采集模块与带诊断软件的便携主机组成。信号调理模块分为前置处理单元和主板两部分。总体结构图如图2所示。

系统共有四个信号采集通道，分别是两个HFCT通道、一个UHF通道与一个AE通道。传感器采集到的四路初始信号先经前置处理单元滤波与放大后，被送入主板进行二次处理，其中的两路通道信号可以被同时送入采集卡进行模数转换，最后被传输给便携主机完成诊断分析。检测人员可以通过外部的双掷开关切换，实现任意2种局放诊断技术对电缆局放的同时检测。

2.1 传感器

本系统有三种传感器分别支持高频电流信号、特高频信号和超声信号的采集，主要设计参数如下：高频电流传感器基于罗哥夫斯基线圈设计，采用钳型结构，检测频段为300 kHz～30 MHz，检测时安装在电缆接地线上。特高频传感器采用矩形微带天线的设计结构，检测频段为300 MHz～1.5 GHz，检测时将特高频传感器紧贴在电缆接头上。超声传感器采用压电式超声波接收器，检测频段为20 kHz～80 kHz，检测时让探头端靠近电缆及其附件。图3中从左到右依次为超声、高频电流、特高频传感器实物。

图3 三类传感器实物图

2.2 信号调理模块

2.2.1前置处理单元

传感器采集到的局部放电信号，由于普遍存在幅值过小、含有大量干扰信号等原因，需要借助调理模块对其进行滤波、检波、放大等一系列处理后，才能被后续模块有效地利用。前置处理单元由分别对三类检测信号实现以上处理功能的三种硬件子单元组成。

以特高频前置处理子单元为例，由于采集到的特高频信号频率过高，且通常经历过多次反射和折射，包含大量谐振与干扰信号，所以必须对其进行滤波和检波的处理。滤波环节采用由电感与电容组成的无源带通滤波器。检波环节采取基于芯片AD8318设计的检波电路。AD8318内部为典型的连续检波对数放大器(SDLA)结构，如图4所示，一共有9级联级，芯片对每级的输出信号分别进行检波(DET)，并将结果送至加法器，最后再对加和输出信号进行低通滤波，实现信号的准确提取。AD8318能够在1 MHz至8 000 MHz的宽频段内检出输入信号的包络信息，动态范围为60 dB，对高于-60 dBm的信号能够有效地检波，灵敏度高。

图4 芯片AD8318的内部结构示意图

前置处理子单元的信号放大环节基于反相运算放大器电路原理，并综合考虑信号的频率范围设计。例如特高频前置处理子单元的放大环节选用带宽较宽的运算放大器AD811与工作频带为400 MHz至4 000 MHz的ADL5521及相关电路共同组成。

图5 基于AD8138的单端转差分电路

此外，整个信号调理模块采用了差分线路方式传输信号，以大幅提高线路抗干扰能力。如图5所示为基于芯片AD8138实现的将一路输入信号转化为两路差分输出信号的变换电路。

2.2.2主板

主板负责为信号调理模块的各子单元提供不同等级的工作电压，并对前置处理后的信号统一实现通道切换和差分转回单端处理。

由于系统自带电源为输出21 V的锂电池包，而大部分芯片的稳定工作电压为+5 V、+12 V等，因此需要先对21 V电压进行多种降压变换后再利用。PTN78020WAH芯片能提供高效的直流电压降压处理，其输入电压范围为+7 V至+36 V，输出电压范围为+2.5 V至+12.6 V，通过调节四号管脚串联电阻值可以控制输出电压大小。调节阻值R与输出电压VO的关系如下：

(1)

以获取+5 V的输出电压为例，计算可知电阻应取21 kΩ，图6为主板上21 V转5 V的变压电路。

图6 基于PTN78020WAH芯片的变压电路

图7 ADG1434内部结构图

主板的通道切换环节负责在四条检测通道信号中选择两条送入下个模块。其核心芯片ADG1434的原理结构图如图7所示。根据外部双掷开关的操作情况，主板会为芯片的IN1至IN4引脚提供不同的电平信号，进而控制芯片在八路差分输入信号中选通其中一半作为输出。

主板最后再将四路差分信号重新合并为两路单端信号送入信号采集模块。整块主板实物如图8所示。

2.3 信号采集模块

信号采集模块核心部件是NI USB-5133采集卡，能够将输入的模拟信号转换成离散的数字信号，采样率达到100 MS/s，提供带宽达50 MHz的8位分辨率双同步采样通道。本系统中，采集卡一端连接在主板的输出口，另一端连接到机箱表面的USB口，通过USB线将数字信号最终传输至便携主机。

在放电信号的分析过程中，不仅需要知道信号的幅值大小，还要知道放电所处的工频相位。系统设计有外同步模块，能够提取外界工频电压，经变换产生占空比为50%的工频方波信号作为同步信号。同时启用采集卡的局放信号通道和同步信号通道，便可以确定放电信号所处的工频相位。

为了便于现场检测，将前置处理模块与信号采集模块集成于主机箱中(图9左)，将传感器和便携主机装入配件箱中(图9右)。主机箱与配件箱均带有拉杆和滑轮，整套系统携带方便，操作灵活，能良好应对现场检测的各种复杂情况。

图9 检测系统完成图

3 系统软件分析

便携主机上的局放诊断软件能够对来自采集卡的信号进行分析，将XLPE电缆绝缘状态的诊断结果提供给使用者。软件界面包括工具栏，系统信息区和图形显示区。软件具有连续采样和实时诊断两种工作模式。

连续采样模式下，系统采集原始信号显示时域波形，提供信号直观观测窗口。

实时诊断模式下，系统采集一段时间内的放电信号数据进行分析。达到指定分析时长后，系统自动生成局放信号特征图谱和诊断报告。特征图谱如图10所示，可以用于判断放电信号的放电类型。特征图谱主要包括：幅值相位分布，平均放电量相位分布，放电次数相位分布，放电幅值分布，放电能量分布。诊断报告基于大量的试验样本数据比对提供诊断结论，并生成文档储存在主机中。

图10 局放信号特征图谱

4 结束语

基于高频、特高频和超声法研制的新型电缆局部放电检测系统，灵活结合多种检测技术手段，相比于过去基于单一技术的局放检测系统，具有更强的抗干扰能力，提高了现场局放检测的效率与检测结果的可靠性。

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