电缆谐波的特征分析和提取方法研究

中山景明智慧能源技术有限公司 李 朋 覃远云

目前电缆老化试验研究很难针对电缆的带电在线实时监测，很多情况还都是在专业的实验室中完成的。这种方式的研究成果很难体现出电缆的一般老化特性，无法体现各种老化机理间的相互影响、相互作用以及互相制约，不能测试或者试验出电缆在带电运行情况下的真实劣化情况。

近些年来，国内外很多的理论或试验研究成果证明了电缆绝缘层的老化存在多种因素共同影响，主要包括过电流、环境高温、环境污染等因素[1-3]。目前国内外的研究存在的主要问题在于：大部分研究在专业实验室内完成，难以对带电情况下的电缆进行实时的研究，且一般的研究仅针对新制造出场的电缆进行一些相关性能测试研究。

针对上述问题，本文从电缆绝缘的电磁特性分析，以及其在运行中产生高次谐波的原因入手进行分析，主要包括电缆老化的机理研究，从劣化电缆谐波的特征分析入手，在了解其机理和特性之后，利用小波分析对高次谐波的含有量进行提取，根据谐波含有率的不同比例、进而分析电缆存在的不同特性来判断电缆发生劣化的程度及位置。

1 老化机理和谐波研究

当电缆出现故障和老化时，电缆的线芯电流会发生畸变、出现高次谐波。本文通过分析电缆的电磁理论研究其电磁现象，并对电缆做出电磁分析。电缆的老化包括发热老化、电力应力老化、环境应力老化、复合应力老化等，结合电缆的老化类型，利用电磁理论提出电缆老化与电流畸变产生高次谐波的机理，并分析和对比电缆目前常见老化的实验方法和理论，分析不同方法在高压电缆诊断应用的适用性差异。

电缆老化机理研究：针对绝缘老化原因分析发现，电力电缆老化的原因主要在于电缆产生多次谐波、以及各种应力老化，主要包括热老化和各种应力老化（如电压应力、机械应力、复合应力）等。上述方法各有自己的优缺点，具体选择哪种方法需要根据实际情况。电缆本部体的老化评估多采用超介质损耗法、电流法、电热老化法；而热老化一般在电缆中取小部分的样品进行实验；局部放电是所有实验的开始步骤，用来对整体问题有一个大概的认识。

电缆谐波产生机理分析：当电力电缆通电运行时，会导致电缆芯外的介质磁化引发电流，在电缆绝缘表面会出现电流，在电缆绝缘层或护套内会产生额外电流。电缆异常时，电缆绝缘体、屏蔽层、保护层等内部磁场发生相应的改变，带来电磁场取向在电缆线体中的电磁作用下重新有序排列，因此电缆的异常运行或绝缘老化程度会在电流的谐波含有率中体现出来。

谐波电流分析和特征值：谐波种类主要分为两大类：正态谐波。这类谐波主要的来源包括非线性半导电层的负载、电气设备、非线性磁饱和负载三种设备；非正态谐波。这类谐波的产生来源于供配电系统的三相不对称运行。谐波在电缆中产生的主要原因包括：半导体类型的变频器进行整流变化或波形调控产生的谐波；电缆绝缘部分内部产生的各种应力老化或外部电气设备等产生的谐波。

2 谐波检测与分析方法

2.1 谐波检测

谐波检测是谐波处理的前提条件，先滤除被检测电流中的基波分量，从而得到待分析的谐波电流。本文谐波检测采用自适应检测法，该方法可以通过计算机进行软件编程，进行相关领域的仿真研究，同时也可以通过硬件电路来进行试验验证，见图1。

图1 自适应谐波检测法原理图

在自适应谐波检测过程中，将电流的基波分量含量作为期望值信号，所有电缆谐波总和作为输入的有效干扰信号。通过误差反馈的信号来控制 的迭代过程， 可以定位到 的变化程度。然后该信号从用电侧电流中减去，最终得到所有电流谐波的总和。该检测方法的优点是对电网功率波形畸变电网电压参数变化有一定的自适应能力。

2.2 谐波特征提取

电缆中产生谐波的部位或者过程主要有三个部分，因此提出谐波特征主要有：输入部分：测量电缆正常运行状态下的交流电参数；输出部分：也就是分配给各用电设备的输出电流量；交直流变换器部分，如图2所示。

图2 电缆、变换器及负载框图

假设在非理想状态下，并假设输入电源电压平衡时，其电气设备与电缆绝缘处测量到的三相交流电流、电压的高次谐波电流、电压可用通过数学式表示。由于在电缆实际运行过程中会产生很多其他的影响因素，上述的状态下还可能会发生的一些不确定性。

由于负载用户的总用电容量存在着差异，需要假设一个供电电源系数，该系数会根据已知电源负载以外的用户负载容量来确定不同的值。谐波检测设备系数取决于检测方法是电磁场检测还是电流场检测。

2.3 电缆状态诊断的步骤及方法

上述通过检测正常运行电缆的谐波电流含量，并对其谐波的含有占比的数据进行计算分析，然后根据数据分析结果对电缆的绝缘老化程度进行预测评估，并对电缆的老化位置和谐波占有率之间的关系进行了分析总结，可以得出如下结论：电力电缆的绝缘层老化和健康状态的程度，可以通过检测到的高次谐波占有比进行分析判断，电缆的谐波含量值越大、电缆老化的程度越高。

综上经分析比对发现，电力电缆的老化状态和检测到的谐波占有率有如下对应关系：对于电缆本体的绝缘层来看，当谐波占有率大于0.77时，电缆大概率会出现局部放电的异常情况；在更高一点的谐波占有率时，电缆内部一般会出先较多水树现象；而当谐波占有率达到0.9以上时，说明电缆的老化问题已经非常严重，应提醒用户立刻停电检修电缆绝缘状态，或者建议用户及时更换电缆。

3 研究总结

通过本文研究工作，分析高次谐波的定义和电缆中谐波的来源以及谐波产生的原因。随后对谐波采集及分析方法和算法进行了理论分析，在对比了解了各谐波检测方法后，确定选用自适应谐波检测算法完成对谐波的分解重构，从而得到电缆的高次谐波分量。随后再对其进行谐波分析、计算以及特征值的提取，得到各高次谐波的谐波含有率以及谐波电压与电流的有效值和均方根，为接下来专家系统的诊断提供诊断信息。