一种基于局部放电频率特性检测XLPE绝缘程度的方法

摘要

一种基于局部放电频率特性检测XLPE绝缘程度的方法，包括以下步骤：（1）对待测XLPE电缆按照如下方式进行预处理，（2）取出经预处理后的前述待测XLPE电缆，由高频CT所检测待测XLPE电缆的放电脉冲信号，同步线圈检测待测XLPE电缆局部PD信号，（3）建立和利用专家诊断系统对所采集信号进行分离、分类以及放电模式的识别，并建立代表不同类的脉冲特性的特征谱图；（4）通过观察脉冲特性的特征谱图以判断XLPE绝缘缺陷严重程度，利用获得的局部放电的测量数据通过对比得出结论。本方法的有益效果是：通过对不同缺陷严重程度的XLPE绝缘进行局部放电测量，得到放电信号频谱图，可以对XLPE绝缘缺陷状态进行有效评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测XLPE（交联聚乙烯）绝缘程度的方法，具 体的说是一种基于局部放电频率特性来检测XLPE绝缘缺陷严重程度 的方法，属于电力系统测量技术领域。

背景技术

交联聚乙烯（XLPE）与普通聚乙烯相比，具有卓越的电绝缘性能 和更高的冲击强度及拉伸强度,具有突出的耐磨性,优良的耐应力 开裂性、耐蠕变性及尺寸稳定性,耐热性、耐低温性、耐老化性、耐 化学药品性、耐辐射性也很好。因而XLPE常作为绝缘材料被广泛应 用于电力系统各个电压等级,它的绝缘强度较高,介电损耗系数小, 抗酸碱、耐盐雾、防腐蚀等性能好,缆芯可在较高温度下工作,同时 体积小,安装维护方便。然而电缆运行过程中，绝缘材料不可避免会 存在老化现象，其中以树枝老化最为常见。因此如何有效的判断其缺 陷严重程度成为人们所关注的热点。

局部放电检测法是XLPE绝缘非破坏性电气检验的主要项目，其 基本原理是检测局部放电时所产生的诸如电流脉冲、放电量和放电次 数等多种现象来测量局部放电。由于局部放电量是表征XLPE绝缘状 态十分灵敏的量，是评价判断绝缘状态的重要参数之一。因此，通过 检测XLPE绝缘的局部放电信号，可以有效评估XLPE绝缘缺陷状况， 能及时发现绝缘故障隐患，保障电力电缆安全可靠地运行。目前局部 放电的测量方法有很多种，且常用测出的放电量大小来判断绝缘的缺 陷严重程度。

但是，由于干扰局部放电测量的因素很多，导致放电量测量值与 其他高压试验相比存在较大的误差，因此寻找一种新的方法来判断 XLPE绝缘缺陷严重程度成为迫切而重要的工作。

发明内容

本发明提供一种基于局部放电频率特性检测XLPE绝缘程度的方 法，用以检测XLPE绝缘缺陷严重程度，确保电力电缆安全可靠地运 行，及时发现绝缘故障隐患。

一种所述基于局部放电频率特性检测XLPE绝缘程度的方法包括 以下步骤：

（1）对待测XLPE电缆按照如下方式进行预处理，截取1.5m长 的XLPE电缆多根，选取部分电缆不作处理以便进行对比，其余电缆 按培养时间为240小时和360小时分成两组进行培养。待培养电缆由 外向内在绝缘层中用曲率半径10um的针扎孔，孔深为2mm，放入浓 度为1mol/L的NaCl溶液中，施加与待测XLPE电缆耐压等级相一致 的工频交流电压进行缺陷培养；

（2）取出经预处理后的前述待测XLPE电缆，将高频CT(交流 互感器)与电缆终端或者中间接头的接地线相连，同步线圈与电缆本 体或者接地线相连，高频CT所用于检测待测XLPE电缆的放电脉冲信 号，同步线圈用于检测待测XLPE电缆局部PD信号，上述两路信号通 过同轴电缆传入至信号采集单元，并由光纤、光电转换器将数据传送 至电脑；

（3）建立和利用专家诊断系统对所采集信号进行分离、分类以 及放电模式的识别，并建立代表不同类的脉冲特性的特征谱图；

（4）通过观察脉冲特性的特征谱图以判断XLPE绝缘缺陷严重 程度，利用获得的局部放电的测量数据通过对比得出结论。缺陷严重 程度越高的，放电频率也就越高。

所述的信号采集单元由高频CT通道、同步线圈检测通道以及通 讯接口组成。其中同步检测频道可同时接受三相接地线或交叉互联线 上采集的PD（局部放电）信号；同步线圈检测通道输入端口接收同 步线圈从电缆本体上采集来的参考相位信号；通讯接口通过光纤、光 电转换器与电脑的RS232串口通讯。

步骤（3）所诉的专家诊断系统可建立代表不同类型的脉冲特性 的特征谱图；具体包括如下步骤：

1）专家系统对采集到的局放信号进行标准变化，具体变化公式 如下式所示:

$\tilde{s}\left(t\right)=\frac{s\left(t\right)}{\sqrt{{\int }_0^{T}s{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}}---\left(1\right)$

式中：为标准化的PD信号表达式；s(t)为PD信号关于时间 的函数；t为时间。

2）对信号特征进行计算，得到关于时间和频率的函数以使PD信 号数字化，其计算公式为：

${\sigma }_T=\sqrt{{\int }_0^T{(t-t_0)}^2\tilde{s}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

${\sigma }_F=\sqrt{{\int }_0^{\infty }{f}^2|\tilde{s}{\left(f\right)}^2|\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

公式（2）、（3）是公式（1）中s(t)在时域和频域的标准偏差。 s(f)是s(t)的傅里叶变化，t₀是标准信号的时间中心，t₀表达式是：

$t_0={\int }_0^{T}t\tilde{s}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

3）用数学模糊逻辑的方法来获得PD脉冲的分类，描述局放信号 源的基本属性，并建立代表不同类型的脉冲特性的特征谱图。

在上述的方案中，信号采集单元采样频率为100MHz，带宽为 16KHz-30MHz，满足局放测试要求。同步线圈输入端口接收同步线圈 从电缆本体上采集来的参考相位信号，通讯接口与电脑的RS232串口 通讯。

在上述的方案中，专家诊断系统是建立在一个庞大的特征数据库 基础上，将不同类型的放电分离开来，并对每一类放电进行甄别。

在上述方案中，获得的局部放电的测量数据通过对比得出结论。 绝缘缺陷越严重的，放电频率也就越高。

本方法的有益效果是：通过对不同缺陷严重程度的XLPE绝缘进 行局部放电测量，得到放电信号频谱图，可以对XLPE绝缘缺陷状态 进行有效评估。

附图说明

图1为XLPE缺陷等效模型；

图2为基于局部放电频率特性来检验XLPE绝缘缺陷严重程度的 方法在实例中的流程示意图；

图3为局部放电检测接线示意图；

图4（a）、（b）、（c）均为XLPE电缆的特征谱图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实验阐述本方法的内容。

1、原理

根据工程要求，可将缺陷简化为图1所示的等效模型，并以此等 效模型分析缺陷处的放电情况。其中C_i为单个缺陷等效电容，C_bi为与 缺陷串联部分的绝缘介质的等效电容，C_a与R_a为绝缘正常部分的等 效电容和等效电阻，Z为外部阻抗，AC为交流电源，缺陷严重程度检 测的局放量实际上是多个缺陷局放量的总和。对单个等效电容C_i而 言，由于电导很小，可忽略不计，并且C_i＞＞C_bi。由于一个脉冲的持续 时间一般为ns级，因此对每一个放电脉冲，工频电压可近似看作电 压不变。于是根据等效电路图，通过计算可得缺陷的充电时间常数： τ＝R_biR_i/R_bcC_bc'式中R_bi为与缺陷串联部分的绝缘介质的等效电阻， R_i为单个缺陷等效电阻，C_bc＝C_bi+C_i，R_bc＝R_bi+R_i。R_biR_i/R_bc可看 成是定值，而C_bc与缺陷严重程度有关，即缺陷越严重，C_bc值也就越 大，从而充电时间常数减小，脉冲上升沿变陡。两次放电时间间隔为 Δt，放电重复率n＝1/Δt的最大值为:n_max＝U_con/[τ(U_s-U_r)]。式中，U_，为缺陷起始放电电压；U_r为发生一次放电后，缺陷两端的残余电压； U_con为假设缺陷中不发生放电，外施电压作用下缺陷两端最终电压值。 因此，充电时间常数随着老化的加深而减少，放电重复率和放电脉冲 数增加。同时，在缺陷发展初期，电缆的绝缘介质内主要是细长通道。 在局部放电过程中，通道壁对电荷的阻碍作用明显，由于放电产生的 电荷在通道的局部内表面沉积，导致缺陷通道在电荷聚集的地方产生 强电场，使得整个缺陷电场畸变而产生流注型放电。电子和离子均匀 的分散在通道中，靠近阴极的正离子很快移向阴极，远离阴极的正离 子与通道中的负电荷中和，放电时间短，对应的波形的波尾较短。而 随着缺陷的发展，逐渐形成很多短小的分缺陷，主缺陷随时间的发展 逐渐变宽。当缺陷通道较宽或通道较短时，通道壁对电荷的阻碍作用 可以忽略不计。电荷较快的分散到整个缺陷的表面，使得电场较均匀， 产生汤逊型放电。在间隙聚集了大量的正离子和电子，电子迅速中和， 正离子移向阴极需较长时间，故缺陷比较严重时，放电波形的波尾较 长。因此，单个放电脉冲的能量分布在老化前主要集中在低频段，随 着老化程度的加深，缺陷的逐渐发展，单个脉冲的能量分布向高频移 动，电缆老化后的脉冲放电逐渐呈现高频放电特征峰。综上所述，随 着绝缘缺陷的加深，缺陷数的增加，也使得整个的放电脉冲数增多， 时间间隔减小，放电频率增加。

2、方法

在实验室截取1.5m长的10kVXLPE电缆若干根，选取部分电缆不 作处理以便进行对比，其余电缆按培养时间为240小时和360小时分 成两组进行培养。待培养电缆由外向内在绝缘层中用曲率半径10um 的针扎孔，孔深为2mm，放入浓度为1mol/L的NaCl溶液中，施加10kV 工频交流电压进行缺陷培养。检验方法的实施流程参考图2所示，具 体实施方法如下。

利用电磁耦合原理进行局部放电检测，检测接线图如图3所示。 其步骤如下：

第一步：将高频CT3卡在电缆终端1或者中间接头的接地线2 上，同步线圈4卡在电缆5本体或者接地线上并与信号采集单元6连 接。

第二步：将来自高频CT所检测到的放电脉冲信号与来自低频同 步线圈信号检测到的局部PD信号通过同轴电缆7传入信号采集单元 6，并由光纤、光电转换器将数据传送至电脑。

第三步：利用专家诊断系统对信号分离、分类以及放电模式的识 别，并建立代表不同类的脉冲特性的特征谱图。

专家诊断系统8建立代表不同类型的脉冲特性的特征谱图具体 包括如下步骤：

1）对采集到的局放信号进行标准变化，具体变化公式如下式所 示:

$\tilde{s}\left(t\right)=\frac{s\left(t\right)}{\sqrt{{\int }_0^{T}s{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}}---\left(1\right)$

式中：为标准化的PD信号表达式；s(t)为PD信号关于时间 的函数；t为时间；

2）对信号特征进行计算，得到关于时间和频率的函数以使PD信 号数字化，其计算公式为：

${\sigma }_T=\sqrt{{\int }_0^T{(t-t_0)}^2\tilde{s}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

${\sigma }_F=\sqrt{{\int }_0^{\infty }{f}^2|\tilde{s}{\left(f\right)}^2|\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

公式（2）、（3）是公式（1）中s(t)在时域和频域的标准偏差， s(f)是s(t)的傅里叶变化，t₀是标准信号的时间中心，t₀表达式是：

$t_0={\int }_0^{T}t\tilde{s}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

3）用数学模糊逻辑的方法来获得PD脉冲的分类，描述局放信号 源的基本属性，并建立代表不同类型的脉冲特性的特征谱图。

根据以上的建立系统与测试过程，针对测试结果进行比较，即可 对XLPE绝缘缺陷程度进行评估。选取三个典型的电缆脉冲信号特征 频率谱图进行说明，谱图如图4（a）、图4（b）图4（c）所示。

从放电信号的特征频谱图中可以看出：

图4（a）图为未老化XLPE电缆，从图中可知其局部放电脉冲频 率主要集中在6.5～7.7MHz；

图4（b）图为老化240小时的XLPE电缆，从图中可知其局部放 电脉冲频率主要集中在7.0～8.3MHz；

图4（c）图为老化360小时的XLPE电缆，从图可知其局部放电 脉冲频率主要集中在7.5～9MHz。

其中在前两根电缆的谱图中，8.5～9.3MHz的脉冲密集区主要是 干扰信号，最后一根电缆的局放现象明显，干扰信号相对较弱被淹没。

通过实验结果并使用本方法可以得出XLPE绝缘缺陷严重程度从 高到低依次为c、b、a，与所培养的程度相符合，因此，通过放电频 率可以有效的检验XLPE绝缘状态。