基于超声法的XLPE电力电缆绝缘缺陷检测诊断技术研究

摘要

交联聚乙烯（Cross Linked?Polyethylene，XLPE）电力电缆由于其质量轻、制造工艺较简单、安装敷设容易、不受落差限制、具有良好的电气和耐热性能、且传输容量大等优点被广泛应用于城市电网中。然而实际运行中的XLPE电力电缆由于受安装工艺、敷设环境、外力破坏、使用情况等因素影响，导致绝缘缺陷，乃至绝缘击穿事故时有发生，其中以电缆中间接头和终端头附件绝缘故障的比例为多。目前采用预防性试验是保证电缆可靠运行的一个重要手段。然而电缆绝缘下降是一个逐步发展的过程，在故障发生早期，由于局部缺陷引起的放电信号非常微弱，传统的预防性试验项目很难检测到异常信号，因此传统试验方法已无法满足电缆安全运行需求。
　　局部放电（Partial Discharge，PD）是电缆附件绝缘故障早期的主要表现形式，它既是引起绝缘进一步劣化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要特征量。因此，研究电缆绝缘缺陷局部放电检测诊断技术，对于及时判断电缆绝缘状态，防止事故的发生以及保障电网安全可靠运行具有重大意义。
　　本文提出了基于超声法的XLPE电力电缆绝缘缺陷检测诊断技术，研制了一套XLPE电缆绝缘缺陷局部放电超声检测与识别系统。系统的工作原理为：当运行中电缆终端或中间接头存在缺陷或隐患，并在正常工作电压下发生局部放电，通过超声、超高频组合传感器在电缆中间接头或终端头接收局部放电产生的电磁波和超声信号；将超声传感器采集到的放电信号进行放大、滤波等处理；处理后的信号经软件分析系统提取放电特征，统计放电信息，绘制放电特征谱图，计算放电统计算子；最后将表征放电特征的统计算子进行主成分分析，提取特征向量，输入到模式识别分类器中，进行缺陷分类和诊断。若将超高频信号作为时间基准，计算超声信号时延，可以初步判断缺陷位置。
　　对基于超声法的XLPE电力电缆绝缘缺陷检测及诊断技术进行了深入研究，取得了4项创新性成果。
　　（1）研究开发了一套XLPE电力电缆绝缘缺陷诊断和定位装置，该装置包含：高性能的超声、超高频组合传感器、数据处理单元、采集卡、软件分析系统及显示模块；通过实验室研究和现场应用，结果表明该装置能够有效的检测电缆绝缘隐患，满足现场电缆带电检测需求。
　　（2）提出了基于超声脉冲幅值—工频相位的局部放电特征参数提取方法。利用该方法获得了电力电缆典型缺陷局部放电幅值相位特征谱图（Phase Resolved Partial Discharge Pattern，PRPD），构建了缺陷识别特征指纹库。实验结果表明该方法能够有效地提取每种典型缺陷的放电特征参数，为进一步开展缺陷识别提供了技术参考。
　　（3）绘制了表征放电特征的三种统计分析谱图。实验结果表明同一缺陷在相同条件下其放电特征呈现出相似的规律且重复性好；不同类型缺陷局部放电对应的超声波Hqmax(φ)谱图、Hqn(φ)谱图、Hn(φ)谱图各不相同，具有明显的可辨特征。这些特征参数为进一步开展电缆附件放电机理研究及放电类型的识别提供了有力的试验数据。
　　（4）提出了基于主成分特征提取的支持向量机(Support Vector Machine，SVM）缺陷识别方法。主成分分析消除原始样本冗余信息，降低了原始样本空间维数，提高了系统决策的准确性和鲁棒性，实验结果表明该方法对于电缆附件典型缺陷具有理想的分类能力。
　　针对现场运行中电缆采用开发的超声设备开展了绝缘状态监测工作，结果表明该设备能较好的发现设备潜伏性隐患，为现场电缆缺陷隐患的判定提供了有力保障。

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 电缆常见故障及原因

1.3 电缆绝缘在线检测研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 局部放电检测系统研制

2.1 复合传感器制作

2.2 前置放大器

2.3 PCI-9810数据采集卡

2.4 软件分析系统

2.5高频电流传感器设计及脉冲电流检测系统

2.6 XLPE电力电缆典型缺陷

2.7 局部放电实验系统

2.8 抗干扰措施

2.9 本章小结

3 XLPE电力电缆典型缺陷局部放电检测

3.1 尖刺缺陷

3.2 主绝缘划伤

3.3 应力锥错位

3.4 本章小结

4 XLPE电力电缆局部放电超声识别技术

4.1 概述

4.2 基于主成分分析的特征提取

4.3基于支持向量机XLPE电力电缆缺陷识别

4.4 识别结果及分析

4.5 本章小结

5 现场电缆带电检测研究

5.1 超声、脉冲电流现场检测方法

5.2 某变电站110kV GIS电缆终端

5.3 110kV某线电缆中间接头

5.4 某变电站110kV电缆户外终端

5.5 某变电站110kV变压器电缆终端

5.6 本章小结

6 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢

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