电力电缆局部放电的高频与特高频联合检测

第 17 卷 第 4 期 2013 年 4 月 电 机 与 控 制 学 报 ELECTRIC MACHINES AND CONTROL Vol. 17 No. 4 Apr． 2013 电力电缆局部放电的高频与特高频联合检测 陈庆国 1， 蒲金雨 1， 丁继媛 1， 李昊 1， 孙建涛 2， 张书琦 2 ( 1． 哈尔滨理工大学 电介质工程国家重点实验室培育基地，黑龙江 哈尔滨 150080; 2． 中国电力科学研究院，北京 100192) 摘 要: 为了对已敷设的电力电缆进行局部放电在线检测，并抑制现场测量时的干扰，采用高频 ( HF) 与特高频( UHF) 联合检测的方法，建立一套局部放电在线检测系统。该系统主要由 HF 和 UHF 传感器、信号调理单元、数据采集系统和上位机软件组成，通过 HF 信号和 UHF 信号的相互鉴 别来去除脉冲型干扰信号。同时根据干扰信号和局部放电信号在频带及工频相位上的分布特点， 提出基于复小波的多周期叠加干扰抑制算法。对缺陷电缆的试验结果表明，该系统能有效检测到 局部放电的 HF 信号和 UHF 信号，局部放电检测灵敏度小于 10 pc; 对局部放电采集数据的处理结 果表明，所提出的干扰抑制策略可很好地消除测量时的干扰信号。 关键词: 局部放电; 在线检测; 传感器; 特高频; 复小波 中图分类号: TM 246 文献标志码: A 文章编号: 1007－ 449X( 2013) 04－ 0039－ 06 Partial discharge combination detection with HF and UHF method for power cables CHEN Qing-guo1， PU Jin-yu1， DING Ji-yuan1， LI Hao1， SUN Jian-tao2， ZHANG Shu-qi2 ( 1． State Key Laboratory Breeding Base of Dielectrics Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China; 2． China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China) Abstract: In order to carry out an on-line partial discharge detection for the after-laying power cables and suppress interference occurring in the on-site measurement，the combination method with HF( High Fre- quency) and UHF( Ultra Frequency) measurement is proposed，and the on-line partial discharge detec- tion system for power cables is established． The system consists of HF and UHF sensor，signal condition- ing units，date-acquisition units and PC software，and the impulse interference was removed through mu- tual identification between the HF and UHF signal． Meanwhile the interference suppression algorithm of multi-cycle superimposition based on complex wavelet was put forward． The test results for defect cable show that the system can effectively detect the HF and UHF signals of partial discharge with the sensitivity lower than 10 pc，and the processing results for measured data show that the proposed method can sup- press the interference well． Key words: partial discharge; on-line detection; sensor; ultra-high frequency; complex wavelet 收稿日期: 2012 － 10 － 08 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 2012CB723308) ; 教育部新世纪优秀人才支持计划( NCET －09 －0242) ; 黑龙江省杰出青年基金 作者简介: 陈庆国( 1970—) ，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘、电气绝缘检测技术、高电压应用新技术; 蒲金雨( 1987—) ，男，硕士研究生，研究方向为电气绝缘检测技术; 丁继媛( 1986—) ，女，硕士，研究方向为电气绝缘检测技术; 李 昊( 1990—) ，男，硕士研究生，研究方向为高电压绝缘技术; 孙建涛( 1980—) ，男，博士，研究方向为高电压与绝缘技术及变压器相关技术; 张书琦( 1981—) ，男，高级工程师，研究方向为高电压与绝缘技术及变压器相关技术。 通讯作者: 蒲金雨 0 引 言 随着我国城、乡电网改造的实施和经济建设的 不断深入，电力系统中电力电缆的敷设量日益增多， 电力电缆线路的安全运行对电力系统供电可靠性的 影响也越来越大。长期实践表明，局部放电是造成 电力电缆绝缘破坏的主要原因，局部放电将引起电 缆绝缘内电树的产生和发展，最终导致绝缘击穿。 特别是对电缆终端及中间接头，由于现场制作安装 时容易产生缺陷，更易发生局部放电。对局部放电 进行监测有利于发现早期故障隐患，防止绝缘击穿 事故的发生 ［1 － 4］。 目前，对电力电缆局部放电的检测方法主要 有: 脉冲电流法、振荡波法、电感耦合法、电容耦合 法、光纤温度传感法、超声波法、高频电流传感法、 特高频法等 ［5 － 8］，其中脉冲电流法检测频带窄、抗 干扰性差，只适用于实验室检测; 振荡波法只适用 于对断电切运的电缆进行离线检测; 电感耦合法 只适用于绕包铠装电缆; 电容耦合法和光纤温度 传感法需将传感器预置在电缆内，不适用于已敷 设电缆的局放检测; 超声波法检测灵敏度低，不能 对放电量进行标定; 高频电流法虽检测频带宽，但 抗干扰性较差; 特高频法抗干扰性好，但不能对放 电量进行标定。 1 局部放电检测系统总体框图 综合分析传统检测方法的优缺点，本文提出了 电力电缆局部放电的高频( HF) 与特高频( UHF) 联 合检测法。高频法采用罗戈夫斯基线圈型电流传感 器从电缆的接地线上耦合局部放电产生的高频电流 信号; 特高频法采用阿基米德螺旋天线传感器在中 间接头附近接收局部放电辐射到空间的电磁波; 高 频法可以对放电量进行标定，特高频法有利于避开 干扰。本文所设计的基于 HF 和 UHF 信号联合测 量的局部放电检测系统，包括高频与特高频传感器、 信号调理电路、数据采集软件、干扰抑制算法等，如 图 1 所示。 HF 传感器 UHF传感器 信 号 调 理 后 续 处 理 数 据 采 集 局部放电 图 1 联合检测系统框图 Fig． 1 Block diagram of the combination system 2 HF 传感器 XLPE 电缆发生局部放电时在其接地线上会流 过微弱的高频脉冲电流信号，该信号幅值在几个毫 安左右，为此采用基于自积分型罗戈夫斯基线圈原 理的钳式高频电流传感器来耦合局部放电高频信 号，传感器的结构图和等效电路如图 2 所示。 Ｍ i（t） ui（t） LS RS CS R u0（t） （b）等效电路图 磁心 i1（t） u0（t） 副边线圈 （a）结构原理图 R R—积分电阻; LS—线圈的自感; RS—线圈的等效电阻; CS—线圈的 杂散电容; M—电流传感器的互感。 图 2 电流传感器结构及等效电路图 Fig． 2 Structural drawing and equivalent circuit of current sensor 采用高频小信号并联谐振回路理论对上述等效 电路进行分析 ［9］，可以得到电流传感器的上、下限 工作频率 fH、fL 分别为 fH = 1 2π LS + RRSCS LSRCS ≈ 1 2π 1 RCS ， ( 1) fL = 1 2π R + RS LS + RRSCS ≈ 1 2π R + RS LS 。 ( 2) 由式( 1) 和式( 2) 可看出，传感器在设计时 R 和 N 有一个最佳匹配问题。积分电阻 R 增大，传感器的 工作频带降低，但积分电阻的增大有利于提高传感器 的灵敏度; 绕线匝数 N 增大，线圈的自感 LS 增大，电 流传感器的工作频带变宽，但其灵敏度降低。同时减 小积分电阻和增大绕线匝数有利于满足自积分条件。 根据以上理论分析及实验研究，最后确定局部放 电高频传感器线圈匝数为 40 匝，积分电阻为 120 Ω; 磁心材料选用 Mn － Zn800 铁氧体磁心，其起始磁导 率为 600 ～ 1 000，适用频率 1 MHz，截止频率 6 MHz。 通过试验研究可得出局部放电高频传感器的灵敏度 为 2. 7 mV/mA，其频响特性如图 3 所示。 由图 3 可看出传感器在 20 kHz ～ 5 MHz 频带内 有良好的频率响应特性，带宽内增益为 8. 5 dB。 0 4 电 机 与 控 制 学 报 第 17 卷 15 10 5 0 -5 -10 1%%%%%%%%%%%10%%%%%%%%%100%%%%%%%%1000%%%%%10000%%%%%100000 频率 /kHz 增益 /dB 图 3 电流传感器的幅频特性 Fig． 2 Magnitude-frequency characteristic of current sensor 3 UHF 传感器 XLPE 电缆局部放电产生的放电脉冲具有很短 的上升时间，可激发出频率达 GHz 数量级的电磁 波，虽然电缆本体有良好的屏蔽层，但是特高频电磁 波可以从电缆终端或中间接头的屏蔽断开处辐射出 来。本文研制了自补型阿基米德螺旋天线传感器， 用来接收局部放电辐射到空间的电磁波，天线原理 图和实物图如图 4 所示。 90 270 0 180 Q B A P P2 （a）原理图 （b）实物图 图 4 天线原理图和实物图 Fig． 4 Schematic and Photo of the antenna 从实用角度出发，特高频天线不仅要有一定的 响应带宽，同时要求其具有较小的驻波比和较高的 灵敏度。考虑到现场干扰信号频带特点并结合上述 要求，本文设计的天线工作频带最终选取在 500 ～ 1500 MHz 范围内，以避开绝大部分低频干扰。根据 文献［10］中的设计原则，计算得到的天线参数为: 外径 D = 180 mm，内径 r0 = 5 mm，螺旋线圈数 10 圈， 螺旋 增 长 率 a = 0. 3，带 线 宽 度 等 于 缝 隙 宽 度W = S = 3. 24 mm。 阿基米德螺旋天线的特性阻抗理论值为188. 5 Ω， 为了防止传输过程中能量的反射和波形的畸变，需 要对天线和 50 Ω 馈线进行阻抗匹配和平衡转换，本 为采用微带线 Balun 实现阻抗匹配和平衡转换，如 图 5 所示。 Z0 1 Z1 x （a）阻抗匹配器示意 y x w h 导体 1 导体 2 （b）微带线结构图 图 5 特高频天线的阻抗匹配 Fig． 5 Impedance matching of UHF antenna 微带线采用指数渐变形，蚀刻于 FR －4 环氧玻璃 布基板上，基板介电常数 εr =4. 6，板厚 h =1. 5 mm。用 AV3620 型网络分析仪对特高频天线传感器进行测 试，结果如图 6 所示。 -100 -50 0%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%1%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%2 增益 /dB 频率 /GHz （a）频率响应 1.8 1.5 1.2 0.9 0.6 驻波比 0.4%%%%%%0.8%%%%%%1.2%%%%%%1.6%%%%%%2.0 频率 /GHz （b）驻波特性 图 6 天线的频率响应和驻波特性曲线 Fig． 6 Frequency characteristic and VSWR of UHF antenna 1 4 第 4 期 陈庆国等: 电力电缆局部放电的高频与特高频联合检测 由上图可以看出，在 500 ～ 1500 MHz 带宽范围 内，天线有良好的频率响应特性和驻波特性，驻波比 小于 1. 3，满足测量要求。 4 信号调理单元 为了对局部放电传感后的微弱信号进行数字采 集，本文设计了局部放电信号调理电路，以实现对局 部放电信号的放大、滤波、检波等处理。信号调理单 元分为高频信号调理和特高频信号调理两个部分。 高频 信 号 调 理 电 路 采 用 三 级 放 大 形 式，增 益 为 60 dB，带通滤波器的通频带为 20 kHz ～ 5 MHz; 特高 频信号调理电路其增益为50 dB，滤波器频带为500 ～ 1 500 MHz，为消除无线通讯( GSM 手机) 干扰，在 900 MHz 处设置陷波器。同时，为了与后续采集电 路相匹配，特高频信号经检波器检波后输出，图 7 给 出了高频带通滤波器和特高频陷波器的频响实测 曲线。 2%000 1%600 1%200 800 400 01%%%%%%%%%%%10%%%%%%%%%100%%%%%%%1%000%%%%10%000%%%100%000 频率 /kHz 电压 /mV （a）带通滤波器的频响特性 1.00 -9.00 -19.00 -29.00 -39.00 -49.00 -59.00 0%%%%%%%%%%%0.3%%%%%%%%0.6%%%%%%%%0.9%%%%%%%%%1.2%%%%%%%%1.5 %%1%5.0000000%MHz%-0.0153%dB %%2%500.00000%MHz%-0.3133%dB %%3%820.00000%MHz%-2.3508%dB %%4%880.00000%MHz%-53.316%dB %%5%890.00000%MHz%-57.839%dB %%6%900.00000%MHz%-55.239dB %%7%960.00000%MHz%-52.258%dB %%8%1.0300000%GHz%-2.1840%dB >9%1.5000000%GHz%-0.9828%dB （b）陷波器的频响特性 图 7 两种滤波器的实测曲线 Fig． 7 Measured curves of two filters 由上图可以看出，高频带通滤波器在 20 kHz ～ 5 MHz频带内增益特性良好; 特高频陷波器在 500 ～ 820 MHz 和 1000 ～ 1500 MHz 频 带 内 衰 减 小 于 2. 5 dB，在 880 ～ 960 MHz 频带内衰减大于50 dB，满 足测量要求。 5 数据采集与软件算法 数据采集系统由工控机、采集卡及相应的开发 软件组成。数据采集卡为 32bit PCI 总线，可四通道 同步采样，最高采样率 50 MHz; 每通道板载缓存 4M 样点，最高采样率时可连续采集四个工频周期的信 号; 量程 ± 100 mv ～ ± 20 V 可调; 支持 Microsoft Vis- ual C + + 、Labview 等进行二次开发。通过驱动程 序提供的 API 接口( 应用程序接口) 可以直接访问 采集卡，实现对采集卡的采集控制。本文所设计的 局部放电数据采集系统其功能框图如图 8 所示。 数据采集系统 数据采集 参数设置 波形显示 数据操作 放电量标定 数据处理 单 次 采 集 连 续 采 集 时 基 设 置 通 道 设 置 实 时 波 形 历 史 波 形 数 据 保 存 数 据 读 取 标 定 选 项 标 定 设 置 小 波 降 噪 时 域 开 窗 图 8 局部放电数据采集系统功能框图 Fig． 8 Function of the data acquisition system 采集后的信号先经数字带通和带阻滤波器进行 处理，以滤除频率固定且幅值较大的窄带干扰，然后 经小波处理并进行多个采集周期的同相位叠加，以 消除白噪声和随机型脉冲干扰 ［11］。 为使处理后的信号既要准确反映时频特征，又 要保证多工频周期可叠加性，本文采用具有复值特 征的 Morlet 小波 ［12］，其表达式为 ψ( t) = π － 1 /4( e － iω0t － e － ω20 /2) e － t2 /2。 ( 3) 对上式采用 Mallat 塔式算法，将原始信号 C0在 L2( R) 的 2 个正交子空间逐级分解，算法的基本关 系式为 c j k = ∑h( l － 2k) c j－1 l ， ( 4) d j k = ∑ l g( l － 2k) c j－1 l 。 ( 5) 式中: c j k为信号在第 j 级的近似输出; d j k为信号在第 j 级的细节输出。 经 Morlet 小波分解后，信号在不同尺度空间内 的值由实部和虚部两部分组成。本文对该复值取模 处理，以保证分析后数据的多工频周期可叠加性。 当多周期累加到一定程度后，采用软阈值法进行干 扰信 号 从 累 加 数 据 的 剥 离，所 采 用 软 阈 值 的 达 式为 ［11］ δ H λ( t) = x( t) － λ，x( t) ＞ λ， 0，x( t) ＜ λ { 。 ( 1) 阈值 λ 的大小由每个工频周期内无局放区域 内信号平均值决定，即 2 4 电 机 与 控 制 学 报 第 17 卷 λ = ∑ k 1 x ( ) k /k。 ( 2) 式中: xk 为无局部区域内各点的值，k 为无局放区域 内所划分的区段数。 6 结果与讨论 利用所设计的局部放电测量系统在实验室内对 10 kV XLPE 电缆进行试验研究，试验线路如图 9 所 示。试验前对系统进行标定，得到局部放电测量的 分度系数为 1 mV/pc; 高频电流传感器的检测灵敏 度为 25 pc; 天线的检测灵敏度为 10 pc。通过试验 所得到的电缆端部及本体在存在绝缘缺陷时的局部 放电高频信号、特高频信号及工频同步信号分别如 图 10 和图 11 所示。 220V T1 T2 T3 L CC R C Z 电缆 局放仪 特高频天线 高频传感器 工频传感器 局 放 测 量 系 统 F T1—自耦调压器; T2—隔离变压器; F—电源滤波器; T3—试验变压 器; R—限流保护电阻; C—耦合电容器; Z—检测阻抗。 图 9 试验原理图 Fig． 9 Schematic of experiment 20 0 -20 信号幅值 /V UHF 信号 2.0%%%%%%%%%%2.5%%%%%%%%%%3.0%%%%%%%%%%3.5%%%%%%%%%%%4.0 采集点数 HF 信号 0.5 0 -0.5 放电量 /kpc 2.0%%%%%%%%%%2.5%%%%%%%%%%3.0%%%%%%%%%%3.5%%%%%%%%%%%4.0 采集点数 10 0 -10 电压 /Ｖ 工频信号 2.0%%%%%%%%%%2.5%%%%%%%%%%3.0%%%%%%%%%%3.5%%%%%%%%%%%4.0 采集点数 ×105 ×105 ×105 图 10 电缆端部局部放电测量结果 Fig． 10 Measurement result of partial discharge in cable end insulation 由图 10 和图 11 可以看出，当电缆绝缘中产生 局部放电时，利用本系统可同时检测出局部放电的 高频和特高频信号，且两者在时域相位上具有良好 的对应关系，由此可利用两路信号相互鉴别达到局 部放电现场测量时的干扰滤除目的。 由试验结果还可以看出，电缆端部的局部放电 在工频电压的正半周期放电量大、放电次数少，而在 工频电压的负半周期放电量小、放电次数多，具有电 晕放电的特点。电缆本体内的局部放电多出现在工 频电压的 90°和 270°相位附近，当试验电压继续升 高时，局部放电发生的相位由电压峰值处向第一、第 三象限扩展。 5 0 -5 信号幅值/V UHF 信号 2.85%2.90%2.95%3.0%3.05%3.10%3.15%3.20%3.25%3.30%3.35 采集点数 采集点数 0.5 0 -0.5 放电量 /kpc 2.85%2.90%2.95%3.0%3.05%3.10%3.15%3.20%3.25%3.30%3.35 工频信号 5 0 -5 电压 /V 2.85%2.90%2.95%3.0%3.05%3.10%3.15%3.20%3.25%3.30%3.35 采集点数 ×105 ×105 ×105 图 11 电缆本体内局部放电测量结果 Fig． 11 Measurement result of partial discharge in cable body insulation 利用本文所提出的局部放电干扰抑制算法，对 测得的 5 个工频周期的局部放电高频信号进行处 理，所得到的处理结果如图 12 所示。 1.0 0.5 0 -0.5 -1.00%%%%10%%%%20%%%30%%%%40%%%%50%%%60%%%%70%%%80%%%90%%100 时间 /ms 幅值 /V （a）实测波形 时间 /ms 0.3 0.2 0.1 0 0%%%%%2%%%%%%4%%%%%6%%%%%8%%%%10%%%%12%%%%14%%%%16%%%%18%%%%20 时间 /ms 幅值 /V （b）处理后波形 图 12 局部放电实测波形及分析结果 Fig． 11 Measured waveform and Analysis results 由上图可以看出，实测数据经本文所提出的复 小波多周期叠加处理后，干扰得到了很好的抑制。 7 结 论 ( 1) 本文所研制的电力电缆局部放电在线检测 系统具有较好的频响特性，其局部放电检测的分度 系数为 1 mV/pc，检测灵敏度小于 10 pc。 ( 2) 局部放电 HF 信号和 UHF 信号在时域相位 3 4 第 4 期 陈庆国等: 电力电缆局部放电的高频与特高频联合检测 上具有良好的对应关系，可以通过二者的相互鉴别 并通过时域开窗的手段来去除部分脉冲型干扰和频 带固定的周期性窄带干扰。 ( 3) 针对干扰信号和局部放电信号在工频相位 上的分布特点，提出了基于复小波多周期叠加的干 扰滤除算法，可实现对局部放电历史测量数据的同 相位沉淀叠加，数据处理结果表明，该算法对白噪声 和随机型脉冲干扰具有较好的抑制效果。 参 考 文 献: ［［1］ 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 － 43． LUO Junhua，FENG Jiang，YUAN Jian，et al． Study on detec- tion of partial discharge in XLPE cable at higher frequency［J］． Power System Technology，2001，25( 12) : 42 － 43． ［2］ Uwe Schichler． A Sensitive Method for On-site Partial Discharge Detection on XLPE Cable Joint［C］/ /Proceedings of the 5th Inter- national Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，May 22，1997，Seoul，Korea． 1997: 1099 － 1100． ［3］ Tenbohlen S，Denissov D，Hoek S M，et al． Partial discharge measurement in the ultra high frequency ( UHF) range［J］． IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15 ( 2) : 1544 － 1545． ［4］ Heizmann Th，Aschwanden Th，Hahn H，et al． On-site partial discharge measurements on premoulded cross-bonding joints of 170kv XLPE and EPR cables［J］． IEEE Transactions on Power and Delivery，1998，13( 2) : 330 － 335． ［5］ Sander Meijer，Pantelis D． Agoris． Condition Assessment of Power Cable Accessories using Advanced VHF/UHF PD detection［C］/ / Conference Record of 2006 IEEE International Symposium on E- lectrical Insulation，2006: 482 － 485． ［6］ 章铭杰，周雁． XLPE 电力电缆局部放电在线测试的现状与探 讨［J］． 电线电缆，2012( 4) : 35 － 38． ZHANG Mingjie，ZHOU Yan． Present situation of XLPE Power cable partial discharge on-line detection and discussion［J］． Elec- tric Wire ＆ Cable，2012( 4) : 35 － 38． ［7］ Tian Y，lewin P L，Davies A E，et al． Comparison of on － line partial discharge detection methods for HV cable joints［J］． IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Magazine，2000，16 ( 1) : 74 － 76． ［8］ Ginzo Katsuta，Atsushi Toya，Keiichi Muraoka et al． Development of a method partial discharge detection in extra-high voltage cross- linked polyethylene insulated cable lines［J］． IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7( 3) : 1068 － 1074． ［9］ 段乃欣，罗俊华，邱毓昌，等． 用于 XLPE 电缆局放检测的宽 频带电磁耦合法的研究［J］． 电线电缆，2002( 2) : 24 － 25． DUAN Naixin，LUO Junhua，QIU Yuchang，et al． Study of the wideband electromagnetic coupling method used to detect partial discharge in XLPE power cables［J］． Electric Wire ＆ Cable， 2002( 2) : 24 － 25． ［10］ 王元坤，李玉权． 线天线的宽频带技术 ［M］． 西安: 西安电 子科技大学出版社，1995． ［11］ 陈庆国，王永红，高文胜，等． 局部放电在线监测的数据分 析及现场干扰抑制［J］． 高电压技术，2005，31 ( 11) : 10 － 12． CHEN Qingguo，WANG Yonghong，GAO Wensheng，et al． On- line PD data analysis and interference suppression by software ［J］． High Voltage Engineering，2005，31( 11) : 10 － 12． ［12］ 赵松年，熊小芸． 子波变换与子波分析［M］． 北京: 电子工 业出版社，1995． ( 编辑: 刘素菊) 4 4 电 机 与 控 制 学 报 第 17 卷