电缆接头局部放电在线监测方法

国网北京城区供电公司 郭原湖

1 引言

随着现代工业的快速发展和城市化水平的提高，各行各业对电力的需求也与日俱增。电力电缆作为输电系统的重要组成部分，其运行状况会对电网运行安全产生直接影响。基于此，为确保电网能够正常运行，有必要随时监控电缆接头的绝缘状况。电缆接头局部放电在线监测是根据最新技术发展出的一种绝缘检测方法，具有精度高、实时性好、效率高的优点，目前已得到了广泛的应用。

2 常见电缆接头缺陷

研究结果表明，大部分的绝缘击穿事故都发生在电缆接头处。按连接方式分为套管式、浇注式、预制式等。其中，预制式接头由于安装简单、质量可靠，而得到了广泛使用。但预制式接头存在以下缺点：一是内部绝缘出现缺陷，这种缺陷一般发生在制造电缆接头生产时。因为厂家在出厂时会对所生产的电缆接头进行质量检测，所以很少会出现内部绝缘故障。二是连接接口的问题，该问题是造成电缆接头绝缘失效的重要因素。在制造电缆接头时，必然会存在有一定的空间，使同一段电缆的绝缘外直径差别较大（通常额定绝缘的外径大于实际的外径），进而导致电缆接头绝缘性能下降。

3 电缆接头局部放电在线监测

3.1 电缆局部放电信号传输特性研究

为了解电缆的局部放电特性，需要对电缆的局部放电信号进行分析。电缆局部放电信号以强上窄的脉冲为主，并有多种频率成分。分析监测结果可知，电缆绝缘老化时，其频段频率较高，且局部放电信号的衰减速率较快[1]。图1为局部放电在线监测系统原理。

图1 电缆接头局部放电在线监测系统运行原理

3.2 电缆接头局部放电在线监测系统设计

传感器利用EMI 技术获取电流信号，经过预放大电路放大，放大后再送入监控系统进行滤波，最后把模拟信号转换成数字信号。在此过程中，该系统可以过滤掉白噪声和连续周期干扰。而远程终端的功能，就是分析这些信号，判断有没有报警的必要，并将数据输入数据库中。

3.3 传感器

在线监测系统基于局部放电信号的高频特性，选择15kHz～20MHz 频带的Looss 线圈来保证信号采样的灵敏度和准确性。同时，应根据实际情况对互感M 值做出调整，并尽可能降低线圈与外壳之间的分布电容值。另外，线圈的旋转数增加时，自感L 值也会增加，进而使得线圈内部电阻和分布容量增加。要获得最佳方案，必须综合把控以上所有参数。

3.4 前置放大器

前置放大器有较多类型，不同类型设备的性能存在较大差异。基于电缆接头局部放电信号强度较弱的特征，前置放大器应满足以下要求：首先，由于局部放电信号强度小，所选用前置放大器的偏置电压和偏置电流也应较小。其次，前置放大器必须具有高度稳定性和可靠性。再次，电缆接头局部放电信号的频率集中在10kHz～20MHz，所以前置放大器单元的增益带宽必须高于200MHz。最后，初始微弱干扰信号通过多次级联放大，会导致信噪比降低，进而导致信号处理困难，因此前置放大器级联不应超过3级。由此，宜选用3级级联放大电路，每一级放大倍数为10倍[2]。

3.5 滤波单元

电缆工作压力大，且工作环境中存在许多EM信号。由于局部干扰信号的频率成分不同于局部放电，故采用频谱分析方法可以实现滤波操作。常规的滤波器元件包括无源元件、电阻器、电感、电容等。而随着集成运放技术的出现，有源滤波技术又有了全新发展，其既有较高的输入阻抗，又有较小的输出阻抗。此外，有源滤波器的阶次愈高，其滤波效果愈佳。因此，采用二次电压控制的低通滤波器，可以较好满足电缆接头局部放电信号的检测要求。滤波电路的传递函数如下所示：

分析上述方程式可知，只有当AVF＜3（AVF恒大于1）时,低通滤波器才能正常运转。若AVF＞3，会影响滤波稳定性。

3.6 监测单元

在电缆接头局部放电在线监测系统中，监测单元是关键的部分。当连接线出现故障时，会产生一个较大的脉冲信号，持续时间仅有纳秒，并且会迅速衰减。监测装置利用记录器采集线缆接头的局部放电信号，其工作原理是将一对金属薄板与线缆的两端相连，通过电极采集局部放电信号，然后对输入脉冲进行控制。当局部放电信号出现在电缆接头一端，另一端就可以看作是一个耦合电容，其可以把罗氏线圈和局部放电的脉冲信号结合起来。监控装置的总体配置示于图2中，实线代表模拟信号，而虚线代表数字信号[3]。

图2 监测单元结构

监测单元组件：

滤波器：其可以过滤电压、频率等信号，避免在零序时产生较大误差。

极性探测：通过测量电压信号的极性，进而探测到局部放电信号的零序相位。

微分电路与绝对值电路：通过微分电路将所得=Va和Vb相减，实现对干扰型号的抑制，设相减所得结果的绝对值为VPD。

阈值检测：若获得的VPD信号高于设定阈值VT，将所获得信号识别为有效信号，否则识别为干扰信号。

峰值保持：在DSP 发送重置命令前，保持VPD处于峰值（VP）。

电荷检测：在DSP 发送重置命令前，在每一个峰值保持时间（TR）内比较VPD与VP两者大小。若VPD＞VP，则脉冲峰值更高。

DSP：选择运算速度为150MHz、浮点数为32比特的高性能TMDSDSK33处理器。该处理器能够接收并处理PD 传感器的单个脉冲分辨率。

模拟转换器：最大采样频率48kHz，输入电压在0～1.5V 范围内。图3为局部放电在线监视单元的信号收集过程[4]。

图3 监测单元信号采集流程

DSP 的数据处理速度为150MHz，远远高于数字模式转换器的48kHz。所以，该软件没有使用中断方式，而使用了循环编程方式，以确保DSC 内部存储的数据不会丢失。将用于测量电循环信号的循环次数设置为40次，两次相继测定间的间隔为5min。按时间划分，每一周期的电气循环信号可以被分成600个片段，并且每一个片段之间的时间间隔为20.83μs。在此，初始化意味着重置时刻数T 和所述周期数c，峰值检测则是给各周期性电循环信号对应的相位窗口分配局放监测信号中符合条件的VP。

4 电缆接头局部放电在线监测干扰抑制

4.1 电缆接头局部放电在线监测中干扰抑制的重要性

在局部放电的在线监测过程中，抑制信号干扰是非常重要的步骤。干扰信号降低了监测系统的灵敏度和可靠性，进而导致监测结果的准确性下降。而由于电缆接头局部放电信号的脉冲频率范围较广，存在各种类型的潜在干扰信号，检测和识别工作也因此显得更加困难。

4.2 干扰信号的来源和分类

干扰信号按来源可分为天然干扰与人工干扰，天然干扰多为自然现象，闪电、宇宙辐射等都能引起自然干扰。人为干扰则主要是由电力系统工作产生大量电磁波引起的，包括电力系统中的电压波动，或者是大电流线路上的高压电磁场等。

干扰信号按时间频率特征可划分为周期干扰和脉冲干扰,周期干扰、功率矢量干扰和无线电干扰均属于周期干扰。此类干扰具有固定波形（以正弦为主），其波段和振幅也比较稳定。脉冲干扰、电力线或电缆的高电压放电凸起、电力设备局部放电、电缆接地接触不良等都是脉冲干扰，这种干扰的频段和共振频率是不确定的。

根据干扰与电源之间的关系，将干扰信号分成两类，一类是与电源有关的干扰，主要是由于线路和高压端电晕放电，以及其他电力装置的局部放电所致。二是与电源不相干的干扰，这种干扰主要是由电磁耦合作用在监测系统中引起的，其强度一般与干扰源和探测系统的距离相关，而且随着距离的增加，信号强度同比降低。

4.3 干扰抑制措施

第一种方法是差动均衡法。该方法通过判断脉冲信号和放电干扰信号的电缆接头中的电流的流动，从而实现对局部放电和干扰信号的识别。差分平衡法需要对传感器要求较高，不同传感器所产生的电流不同，会极大影响到干扰抑制效果。

第二种方法是脉冲极性判别。电缆连接处内部放电信号所产生的脉冲电流与内部电容间脉冲电流的极性相反，而外部干扰信号所生成的脉冲电流则与内部电容间脉冲电流具有同样极性，因此能够将局放信号与脉冲式干扰区别开来。但是这种方法的局限性在于：当外界有持续的周期干扰信号时，用来探测极性的器件很可能会出现混乱，从而会影响常规的局部放电信号测量。因此，为了滤除持续的周期性干扰，经常需要加入过滤器。

第三种方法是数字滤波技术。目前，自适应滤波方法已被广泛应用。可以基于输入信号参数自动调整滤波器参数，并且具有高速跟踪信号的特征。

第四种方法是模拟带通滤波器。带通滤波器是一种在实际工程中广泛使用的干扰消除技术。这种方法主要是通过调整滤波器的波段来实现对干扰信号的抑制，使其波谱分布与局放信号具有很好的一致性。因此，单一的模拟滤波器并不能有效的抑制干扰。这种情况下，组合过滤器是一个很好的解决方法，该滤波器由几个低通滤波器和一个超通滤波器组成。通过调整开关，可以在不同的工作环境下调整滤光片的频率，从而优化干扰抑制效果。

第五种方法是小波分析法。小波分析是一种常用的频率域分析方法，其相位线性特征较好，可以对局部放电信号进行恢复，滤波和消除干扰。通过对所采集的信号进行频段分析，并对所采集的数据进行波段分析与重建，从而实现局部放电信号的恢复。

4.4 干扰抑制流程

电缆一般工作在高电压环境中，易受多种因素影响，因此干扰信号种类繁多且可能同时存在。干扰信号的种类不同，其时频特征也不尽相同，单一的滤波算法不能满足局部放电信号精确监测的需要。为此，必须根据不同的干扰类型，设计出相应的干扰抑制方案，并将多种方法结合起来，最后得出相应的干扰抑制流程。

在不同的位置，信号强度和干扰波形会有差异。为了确保干扰抑制的有效性，应结合实际情况选择最优的干扰抑制措施。干扰抑制可分成六个阶段，分别为对现场情况进行分析、对周期窄带干扰频率的研究、对周期窄带干扰的消除、对白噪声的抑制、对周期脉冲的抑制、对随机脉冲的消除。每个阶段都有各自独立的工作，但是整体上是紧密联系的，可以影响到其他部分。在特定的应用中，可以根据现场干扰状况分析，选择所需步骤而省略不必要的步骤，不必每次都从头到尾进行一遍[5]。干扰抑制流程具体说明如下：

第一部分，对干扰信号的类型和特点进行了分析。重点对干扰信号的种类、比重、强度进行研究，从而为干扰预防策略（干扰防止层、模块和方法的选用）的主动提供支持。第二部分，利用计算机对周期窄带干扰频率进行分析，为以后的消除工作提供了重要依据。由于在特定的现场环境中，周期窄带干扰的频率是比较稳定的，因此不必每一次都重复进行分析。第三部分，利用所得到的窄带干扰频段和级联二阶IRI陷波滤波器，实现对周期窄带干扰的有效抑制。第四部分，采用基于SWD 的波形阈值法对信号进行处理，以去除局放信号中的白噪声。第五部分，对周期性的脉冲干扰进行消除。第六部分，对随机性的脉冲干扰进行排除。

5 结语

随着我国电力系统的不断发展，电力系统中的电力电缆的使用率不断提高。而一旦电缆线路出现故障，将会导致重大的经济损失，因此有必要实时监测电缆运行情况，特别是电缆接头绝缘状况。为了对电缆接头的绝缘状态进行实时监控，采用了基于局部放电的在线监测技术，并对其进行了评价分析，这一系统可以有效预防电缆接头绝缘故障发生，进而提高输电线路稳定性。