单局放传感器电缆局部放电源点定位方法研究

蒋 超，徐 妍，王江彬，李致金

（1.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211100；2.南京信息工程大学，江苏南京 210044）

电缆局放是绝缘介质内部发生的局部击穿和熄灭现象。高压电缆的许多故障实际是由于局部放电引起的。高压电缆由于其传输电压高，线缆频繁局部放电可能会导致绝缘击穿与失效，从而造成严重电力故障[1-3]。局放的产生初期并不会影响绝缘能力，但设备长期处于高压状态下容易造成绝缘体损坏，从而缩短绝缘体的使用寿命。局部放电法能够对电缆绝缘缺陷产生的局部放电信号进行检测，通过对放电量和相位等特征参数的分析，可以判断缺陷类型和电缆绝缘层绝缘劣化程度，进而分析绝缘老化的趋势，预测电缆剩余寿命。局部放电法对电缆绝缘层的可靠性监测具有重大意义，目前在电缆绝缘监测方面已有很多成功案例[4]。

1 单局放传感器局放源点检测方法

目前在电缆运行监测中，常用的局部放电法可分为：1）高频电流（HFCT）局放检测法；2）超高频（UHF）局放检测法；3）超声波（AA）局放检测法；4）温度检测法和化学局放检测法等。电缆在局部放电时，局放产生的高频脉冲信号会沿电缆轴向两端传播，不管HFCT 传感器放置在局部放电点的哪一侧，局部放电信号都可以沿一个方向直达HFCT传感器，或者沿另一个方向传播到电缆末端，再经过末端将信号反射到达传感器。因此，单个HFCT局放传感器将收到两个局部放电产生的高频脉冲信号，这两个脉冲信号传输到HFCT 局放传感器时将产生一定的时间差。在分析研究局部放电源点定位时，系统可根据信号传输到局放传感器的时间差，实现局部放电源点的基本定位，如图1所示。

图1 高频电流法定位原理

图1 中，P点是局部放电源点，HFCT 局放传感器放置在A点，局放产生的高频脉冲信号一部分直接由P点传输至A，另一部分由P传输至B点，再经B点反射到达A点[5-9]。在传统的方法中[10-16]，单局放传感器可实现局放源点的定位，但无法确定局放源点的方向。因此，在实际测量中，一般使用两个HFCT 局放传感器同步检测，既检测局部放电源点位置，又检测局部放电源点的方向。这种方法，检测设备体积大、功耗大、成本高。该系统研究单局放传感器实现局放源点的位置定位和方向确定方法，在实际局放源点检测中节约了传感器的数量，安装方便。

2 单局放传感器局放源点方向确定方法

将局放传感器安装在A点位置，示意图如图2 所示。局部放电源点P点发生局部放电时，产生的高频脉冲信号分两次传输至A点的局放传感器中。

图2 两侧局放源点示意图

式（1）、（2）中，v为高频脉冲速度，t1为直达脉冲到达A的时间，t2为反射脉冲到达A的时间。

在定位局部放电源点P时，在采用单个HFCT局部放电传感器定位局部放电源点P时，局部放电发生的时间是随机的，因此，P点高频脉冲信号到达A的时间t1是不可预测的，同理，P点高频脉冲信号经B点反射传输至A的时间t2也是不可预测的，但局部放电源点P的高频脉冲信号传输至A和经B点反射后传输至A的时间差是可测量的，即(t2-t1) 是可测量的，代入式（2）可得出PB的长度。

测出PB的长度后，已知AB的长度，则PA的长度应为：

由式（3）可测算出局部放电点距离安装在A点的局放传感器的位移。

图2 中，式（1）、（2）、（3）可实现局放传感器A右侧局部放电源点P点的定位，同样也适用于局放传感器A左侧局部放电源点P′点的定位，因此，采用这种方法只能实现局部放电源点的距离定位，还不能实现局部放电源点的方向定位。为此，还需要增加方向定位信息。

研究发现，局部放电源点在两个局放传感器中间时，传到两侧局放传感器的高频脉冲信号是同相的。由物理学知识可得，波信号经反射后是同相返回的。因此，可以利用一个局放传感器实现对局部放电源点位置和方向的定位，具体算法如下。

在长度为BC的电缆中间A点安装一个局放传感器，局放传感器安装点A在电缆BC的中间点，将不能克服对称性带来的不可检测性。因此，安装点A不能在BC的中间点，如图3 所示。即：

图3 单局放传感器方向定位示意图

图3 中，t1为局放产生的高频脉冲从局部放电源点到达局放传感器A的时间；t2为局放产生的高频脉冲从局部放电源点经B点反射到达局放传感器A的时间；t3为局放产生的高频脉冲从局部放电源点P经C点反射到达局放传感器A的时间。在图3 中，局放传感器放置在电缆CB的偏左端，即：

已知，局部放电是随机的，系统不知局放何时会发生，因此，系统无法确定局放的起始时间，也就是说图3 中的时间量t1、t2、t3是不可测量的。系统最先收到的经过t1时间传输到的高频脉冲信号，并将此时刻作为系统测量计时的起点。由式（5）可知，t2所走的路径为：

t3所走的路径为：

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由式（6）、（7）分析可知，局部放电源点P的位置不同，St2、St3路径大小无确定的关系，因此不能用局放产生的高频脉冲经B点和C点反射后到达局放传感器的时间t2、t3长短来确定局部放电源点的方向。

由图3 可知，局部放电源点P在A点左侧时，有：

局部放电源点P在A的右侧时，有：

分析式（9）可知，系统在局部放电时产生的第一个高频脉冲时，打开定时器进行计时，收到第二个局放产生的高频脉冲时，记取时间值，该值为：

系统收到局放产生的第三个高频脉冲时，记取时间值，该值为：

则：

由式（9）可推出：

式（16）中，v为局部放电产生得高频脉冲的传播速度。取PB=AB的时间为时间参考基准，即：

在式（17）中，局放传感器是预先按式（5）放置的，即CA、BA是确定的，因此式（17）是确定的。

由式（10）、（11）可知，局部放电源点P在局放传感器A的右侧时，PB＜AB，因此：

局部放电源点P在局放传感器A的左侧时，PB＞AB，因此：

由以上分析可知，采用单局放传感器定位局部放电源点时，只需按式（5）安装局放传感器，按式（17）算出Δts，作为局放源点方向判断的基准时间，然后根据局部放电时产生的高频脉冲到达时间按式（15）计算出Δt，最后，比较Δt与Δts的大小即可准确定位局部放电源点P对于局放传感器安装点A的方向和位置。当Δt大于Δts时，局放源点在局放传感器的左侧，当Δt小于Δts时，局放源点在局放传感器的右侧。

3 系统实现

3.1 硬件设计

通过以上研究可知，采用单个局放传感器时，在检测区域合理放置局放检测传感器，可精确定位局部放电源点的位置以及放电源点相对于局放传感器的方向。为实现单局放传感器检测，该文设计了检测系统，系统设计框图如图4 所示。

图4 局放检测系统框图

图4 中，信号处理单元包括局放信号保持电路、放大电路和滤波电路，如图5 所示。局放脉冲信号经信号处理电路处理后，产生能够驱动主控系统定时器的触发信号，主控系统接收局放脉冲触发信号后，开启定时器，记录局放信号到达主控系统的时间。

图5 局放信号保持、放大滤波电路

主控系统采用目前市场使用较广的STM32 系列微控制器为核心控制芯片。主控系统记取局放信号到达时间，依据上文算法计算出局放源点与局放传感器检测系统的距离，以及判断出局放源点相对于局放传感器检测系统的方向。操作系统采用触摸屏为显示操作屏，在显示屏上，显示主控系统传输来的局放源点信息，可同时显示操作屏设置局放传感器检测系统的相关位置信息。

3.2 软件设计

系统软件设计主要包括3 部分：1）局放信号到达时间的记录程序；2）局放源点位置确定程序；3）局放源点相对于局放检测系统方向确定程序。在该系统中，局放信号到达检测系统时间记录是系统实现的关键，时间记录流程如图6 所示。局放位置确定程序不是该文介绍的重点，该文重点是研究利用局放传感器检测确定局放源点的方向，该程序流程如图7 所示。

图6 局放脉冲到达时间记录流程

图7 局放源点方向判断流程

4 结论

基于该定位算法，局放位置检测系统利用局放源点信号到达单局放传感器的时间差，即可实现局放源点位置和方向的精确定位。该系统实现中，局放信号到达检测系统的时间记录是该系统准确性的关键，因此，局放信号到达检测系统的基准时间应准确。同时，局放时产生的高频脉冲到达检测系统的信号拾取应准确和快速。该系统设计的单局放传感器局放源点定位方法，实现简单、安装便捷、经济实惠。经过实验测试，该局放源点定位算法在局部放电产生时取得了较理想的定位效果。