基本信息
- 项目名称：
- 基于超高频法的电缆附件局部放电在线监测
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 在线监测电缆的局部放电简要介绍了超高频传感器的研究方法和原理，并分别对超高频电磁耦合传感器和超高频电容传感器做了分析。然后根据电磁波在同轴波导中的传播理论，运用美国Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对110kV电缆中间接头进行仿真，通过仿真可以得出，局放电磁波在电缆接头传播过程中与频率有关，频率越高，衰减就越快。
- 详细介绍：
- 电缆局放超高频传感器的应用及传播特性仿真 摘 要：在线监测电缆的局部放电情况是及时发现故障隐患、预测运行寿命及保障电网安全可靠运行的重要手段。简要介绍了超高频传感器的研究方法和原理，并分别对超高频电磁耦合传感器和超高频电容传感器做了分析。然后根据电磁波在同轴波导中的传播理论，运用美国Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对110kV电缆中间接头进行仿真，通过仿真可以得出，局放电磁波在电缆接头传播过程中与频率有关，频率越高，衰减就越快。 关键词：局部放电；超高频；在线监测 引 言 在电网运行中，电力电缆主要用于传输和分配发电厂发出的电能，并兼作为各种电气设备间的连接之用。随着我国经济的持续快速发展和城市电网的不断改造，在城区配电线路中，与架空线相比，采用电力电缆输送电能更有优越性，它占地面积小，供电可靠，传输效率高，运行不受恶劣气候条件的影响，维护工作量小等。因此，电力电缆成为高压输电线路的主导产品。 其中，以交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆应用最为广泛。但是，交联聚乙烯绝缘材料耐放电性比较差，同时，XLPE电力电缆附件（包括中间接头和终端头）内部因存在大量复合界面和电场应力集中现象，加之附件都是在现场安装和制作，因此电缆附件的质量和寿命在很大程度上取决于制作工艺和人工经验。电缆附件俨然成为高压电缆绝缘的最薄弱环节和运行故障的典型部位，据相关资料统计，附件内部绝缘缺陷引起的故障占总故障的39%[1]。由于该类故障停电时间长，抢修困难，不仅浪费大量的物力人力，而且还将带来难以估计的停电损失。因此如何准确、快速地探测到电缆故障点，一直是国内外有关技术人员研究的焦点。 日本等发达国家分析了XLPE电力电缆的老化原因和状态，认为电缆的局部放电量与其绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘可能存在的危害电缆安全运行的缺陷，因此准确地测量电缆局部放电量是判断电缆绝缘品质的最直观、理想、有效的方法[2,3]。国内外专家学者和IEEE、IEC、CIGRE等国际电力权威组织一致推荐局部放电试验是电力绝缘状况评价的最佳方法[4]。 1 超高频法 超高频（ultra high frequency，UHF）法即在超高频带对局部放电进行监测，通过超高频传感器耦合电缆接头内部局部放电所产生的超高频电磁波，从而实现局部放电的检测和定位。 1.1超高频法的优点 理论研究表明，对于正在运行中的XLPE电力电缆来说，局部放电的发生往往伴随着电磁波的产生。就单个局放脉冲而言，其上升时间一般小于70ps，宽度为几个ns，这就意味着放电信号可在电缆中激发频带在GHz数量级的电磁波，并且具有很宽的频谱范围[5]。与传统的IEC60270脉冲电流法相比，超高频法可以有效的避开现场的电晕等干扰的影响，具有很高的信噪比，灵敏度高。这是因为超高频局放检测法是在超高频段（300-3000MHz）进行检测，而所熟知的一些现场干扰的频率一般都小于400MHz，因而可以有效的避开现场干扰的影响；同时，UHF传感器与局放点之间的距离比较近，衰减就会减少，因此，UHF局放检测法可以有效的应用于电缆接头的局放检测。 超高频法中的核心技术是传感器，而传感器的性能对于监测的灵敏度有着至关重要的影响。因此，国内外的学者专家一般都致力于超高频传感器的研究工作上。根据超高频传感器的不同，一般可以分为以下几种： 1.2超高频电磁耦合传感器 电磁耦合法通常采用带铁氧体磁芯的宽频带罗格夫斯基(Rogowski)线圈型电流传感器，主要测量位置在电缆终端金属屏蔽层接地引线处。此外，测量位置还可在中间接头金属屏蔽连接线、电缆本体上和三芯电缆的单相电缆上等位置。 Rogowski线圈的结构通常有两种：闭合式和两半圆环状结构[6]，如图1所示。 (a)闭合式 (b)两半圆环状 图1 Rogowski线圈的结构 Fig.1 structure of Rogowski coil 例如在1998年瑞士研制的170 kV XLPE电缆接头局部放电在线监测采用的就是电磁耦合传感器，其电磁耦合传感器的安装位置如图2中的7所示[7]。该系统由罗格夫斯基线圈、前置放大器和频谱分析仪组成。测量位置选在电缆中间接头金属屏蔽的链接引线上。 检测原理为：当电缆中存在局部放电时，金属屏蔽层中将为感应到局放脉冲电流，当其流经传感器时，便会在二次绕组上感应出信号，因此就可以获取局放信号。据研究分析，该检测系统的检测灵敏度低于15pC，取得了较好的检测效果。 但是，这种环状结构传感器的使用具有一定的局限性，这是因为它只能在电缆施工过程中预先安装，或者在设备停运状态下安装。并且综合国内外在利用Rogowski线圈进行局放检测的情况来看，传感器的两个重要指标带宽和灵敏度无法同时保证，由此使得采集的局放心好不完整或者畸变比较严重[11]。 1.导体 2.局部放电点 3.预制电缆本体 4.空气 5.屏蔽罩 6.连接点 7.PD传感器 8.内半导体 图2传感器的安装位置 Fig.2 installation of PD sensor 1.3 超高频电容传感器 电容耦合传感器的安装位置如图3，将电缆的金属屏蔽层剥开一段，然后用金属带紧绕在外半导电层外，并将外屏蔽连接[8]。 图3 电容传感器模型图 Fig.3 A capacitive coupler model 电容耦合器的等效电路如图4。其中，Rc是电缆的特性阻抗，C是耦合器与电缆线芯的等效分布电容，Rs是耦合器与金属屏蔽层之间的表面电阻，Cs为耦合器与金属屏蔽层之间的分布电容，RL为测量单元输入阻抗。 图4 等效电路图 Fig.4 equivalent circuit of a coupler model 耦合器的电容C可以由单位长度电缆的电容来计算，如公式(1)， (1) 其中ε0为真空的介电常数8.85×10-12 F/m； ε1是绝缘层的相对介电常数； D0是电缆金属线芯的外径； D1是电缆绝缘层的外径。 电感L 可以由公式(2)来计算， (2) 其中μ0为真空的磁导率，4π×10-7H/m； μ1是绝缘层的相对介电常数； D0是电缆金属线芯的外径； D1是电缆绝缘层的外径。 因此，电缆的特性阻抗可由公式(3) 计算得到； (3) 得到以上这些参数后，可以对等效电路进行计算：我们很容易得到以下表达式： (4) 基于上述公式，可以得到电容传感器的频率响应[9]，分析传感器的电容等特性参数对幅度H和相位差φ的影响，如图5至图7所示。 经过分析可知，通过调整剥去护套的长度、金属箔的长度、金属箔和护套之间的长度、以及传感器的材料的选择，可以获得最佳的传感器信噪比。 图5 传感器电容C的影响 Fig.5 effect of coupler capacitance 图6 Cs的影响 Fig.6 effect of coupler-sheath capacitance 图7 Rs的影响 Fig.7 effect of semicon screen resistance 2 仿真分析 2.1仿真原理 电缆接头一旦发生局部放电，电磁波就会沿着波导从放电源向四周传播，电磁波在传播的过程中通过不同的波导介质其衰减系数也会不同。根据电磁波理论可知，在同轴波导中除了可以传播横电磁波（TEM）外，还可以传播高次模波，即TE和TM波。TEM波为非色散波，可以以任何频率在同轴波导中传播。TE和TM波是色散波，各自存在截止频率，只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波导中传播。 电磁场分析是基于麦克斯韦方程来解决问题的。文中，利用美国Ansoft公司的 HFSS（High Frequency Structure Simulatoer）软件作为仿真的工具。HFSS是基于电磁场有限元方法分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。HFSS是基于电磁场有限元方法（FEM）分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。HFSS软件以四面体为单元对仿真模型进行离散化剖分，通过对其单元中电场分量的计算来获得各个模型物理量和特性参数。 2.2仿真模型的建立 目前，国内外利用HFSS研究电缆中间接头的局部放电传播特性的文献很少，一般构建的电缆物理模型大部分都是针对电缆本体的。因此正确合理的构建电缆中间接头的物理模型，是正确仿真和分析局放电磁脉冲传播特性的前提。根据国内某电缆公司提供的110 kV电缆中间接头的内部结构构建了如图8所示的仿真模型。 2.3 激励信号的设置 通常采用脉冲高斯函数模拟局部放电的激励电流源作为模型的激励源[10]，高斯函数如公式(5)， (5) 式中，脉冲峰值I0=10mA，σ为衰减时间常数，t0=1ns,脉冲宽度为1ns，半峰值频率为1GHz[1,12]，激励源时域波形如图9所示。模型激励源设置在附件内部应力锥处的交界面上，因为这是电缆中间接头最容易发生局部放电的地方。 图8 110kV电缆中间接头的仿真模型 Fig.8 simulation model of 110kV cable joint 图9 高斯电流波形 Fig.9 waveform of Gaussian signal 2.3 仿真结果及分析 通过上述方法对模型添加激励源，采用图9所示的高斯电流函数模拟局部放电的发生，可以仿真不同频率的局放脉冲在电缆接头传播时的电场和磁场分布图，从而得知局放脉冲的传播特性。 当局部放电脉冲频率为600MHz时，局部放电电磁波脉冲在电缆接头中的传播特性如图10所示，由电场和磁场分布图可知，距离局放源较近的地方，电场和磁场强度较大，随着距离的增加，电场和磁场则逐渐减小。 (a) 局放电磁波传播的电场分布图 (b) 局放电磁波传播的磁场分布图 图10 局放脉冲为600MHz时的场分布 Fig.10 E-field and H-field scattergram of 600MHz 当局部放电脉冲频率为1GHz时，局部放电电磁波脉冲在电缆接头中的的传播特性如图11所示，由图11中仿真的电场和磁场分布图可知，局部放电产生的电场和磁场畸变只在局放点附近。 (a) 局放电磁波传播的电场分布图 (b) 局放电磁波传播的磁场分布图 图11局放脉冲为1GHz时的场分布 Fig.11 E-field and H-field scattergram of 1GHz 3 结论 (1)通过对电缆接头中局部放电电磁波的传播特性仿真可知，其产生的高频电磁波脉冲在电缆中间接头传播的时候，与频率有关，频率越高，衰减就越快。 (2)由于高频电磁脉冲的传播与频率有很大的关系，因此，超高频传感器的安装位置尽量接近于电缆附件。这样就可以减少电磁脉冲的衰减，有利于提取完整的脉冲信号，便于分析和发现绝缘故障。 (3)由于电缆附件的局部放电发生机理复杂多样，因此要加强新型传感器的研究和开发，便于从多种复杂的信号中准确及时的找到与局放信号有关的特征参数，从而提高检测的灵敏度，减少误判的可能。 参考文献 [1] 唐矩, 李伟, 杨浩等. 高压电缆附件局部放电超高频检测与分析[J]. 高电压技术, 2009, 35(7):1571-1577 [2] Brown M A, Charmpion J V, et al, An Investigation of Partial Discharge Energy Dissipation and Electrical Tree Growth in an Epoxy Resin[J]. 2004 International Conference on Solid Dielectrics, Toulouse, France,July5-9, 2004 [3] 罗俊华,邱毓昌,马翠娇. 基于局部放电频谱分析的XLPE电力电缆在线监测技术[J].电工电能新技术,2002,1:38-40 [4] Steven Boggs. Fundaments of Partial Discharge in Context of Field Cable Testing. IEEE Electrical Insulation Magazine.2000,16(25):13-18 [5] Neuhold S M, Benedickter H R. A 300kV Mercury Switch Pulse Generator with 70 Psec Nisetime for Investigation of UHF PD Signal Transmission in GIS. Proceedings of 11th ISH. London, UK, 1999, 5.78.S12-5.81.S12 [6] Ahmed N H, Srinivas N N. On-line Partial Discharge Detection in Cables[J]. IEEE Trans on DEI, 1998, 5(2):181-188 [7] Th Heizmann,Th Aschwanden,Hahn H, et al. On-line Partial Discharge Measurments on Premoulded Cross-bonding Joints of 170 kV XLPE and EPR Cables[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1998,13(2):330-335 [8] 徐阳, 钟力生, 曹玲珑, G CHEN, Jason Y TIAN, A E Davies. XLPE电缆及接头局部放电的超高频测量与分析[J]. 电工电能新技术, 2002, 21(1):5-8 [9] Xu Y, Chen G, Davies A E, et al. Use of Capacitive Couplers for Partial Discharge Mesaurements in Power Cables and Joints[J]. IEEE 7th International Conference on Solid Dielectrics, Eindhoven, Netherlands, June25-29,2001 [10]Denissov D, Kohler W, Tenbohlen S, et al, Simulation of UHF PD Wave Prooagation in Plug-in Cable Terminations[J]. IEEE Electrical Insulation, 8(6):547-550, 2008 [11] 王颂, 吴晓辉, 袁鹏等. 局部放电超高频检测系统标定方法的研究现状及发展[J]. 高压电器, 2007, 43(1):59-61 [12] 刘君华, 郭灿新, 姚明等. 局部放电电磁波在GIS中传播路径的分析[J]. 高电压技术, 2009, 35(5):1044-1048
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 统计表明80%的高压电缆输电线路故障是由于电缆联接故障引起的，由于该类故障停电时间长，抢修困难，可导致的直接和间接经济损失巨大，因此确保电力电缆运行可靠、减少停电次数和时间、实现状态检修以提高电力电缆供电可靠性是保障电网安全可靠运行的重中之重。
科学性、先进性及独特之处
- 采用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对110kV电缆中间接头进行建模和仿真，仿真了局部放电所激发的不同频率的电磁波在电缆中间接头中的场分布图。在国内首次实现了三维空间的电缆中间接头的局部放电电磁波传播特性的动态仿真
应用价值和现实意义
- 分析了局部放电产生的高频电磁波在电缆中间接头中的各种传播特性，为超高频传感器的设计提供理论支持。
学术论文摘要
- 在线监测电缆的局部放电情况是及时发现故障隐患、预测运行寿命及保障电网安全可靠运行的重要手段。简要介绍了超高频传感器的研究方法和原理，并分别对超高频电磁耦合传感器和超高频电容传感器做了分析。然后根据电磁波在同轴波导中的传播理论，运用美国Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对110kV电缆中间接头进行仿真，在国内首次实现了三维空间的电缆中间接头的局部放电电磁波传播特性的动态仿真。通过仿真可以得出，局放电磁波在电缆接头传播过程中与频率有关，频率越高，衰减就越快。
获奖情况
- 本文于2011年发表在第1期的《传感器与微系统》
鉴定结果
- 采用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对110kV电缆中间接头进行建模和仿真。在国内首次实现了三维空间的电缆中间接头的局部放电电磁波传播特性的动态仿真。经鉴定合格。
参考文献
- 1、Brown M A, Charmpion J V, et al, An Investigation of Partial Discharge Energy Dissipation and Electrical Tree Growth in an Epoxy Resin[J]. 2004 International Conference on Solid Dielectrics, Toulouse, France,July5-9, 2004 2、罗俊华,邱毓昌,马翠娇. 基于局部放电频谱分析的XLPE电力电缆在线监测技术[J].电工电能新技术,2002,1:38-40 3、Steven Boggs. Fundaments of Partial Discharge in Context of Field Cable Testing. IEEE Electrical Insulation Magazine.2000,16(25):13-18 4、Denissov D, Kohler W, Tenbohlen S, et al, Simulation of UHF PD Wave Prooagation in Plug-in Cable Terminations. IEEE Electrical Insulation, 8(6):547-550, 2008 5、李华春. 电缆局部放电在线检测方法的分析比较. 电力设备, 2005, 6(5):29-33
同类课题研究水平概述
- 超高频局部放电检测法就是通过超高频传感器传感电力设备内部局部放电所产生的超高频电磁波信号，从而实现局部放电的检测和定位，并实现抗干扰。和传统的脉冲电流法相比，UHF法有着天然的优势，它的检测频率很高，一般在0.3—1.5GHz之间甚至更高。而对于电力设备运行现场，空间电磁干扰频率一般在400MHz以下，因此，采用UHF法可以有效抑制外部的电磁干扰和提高信噪比。利用超高频法研究电力设备的局部放电，克服了传统的脉冲电流法测量频率低、频带窄的缺点，可以较全面地反映局部放电的本征特征，因而广受关注。 目前，超高频法已成功应用于GIS的局部放电测量中，并正在逐渐普及。在新修订的IEC60270及IEC60517中，均将这种方法作为GIS局放检测的主要方法。本世纪初部分生产企业及科研人员希望将超高频法应用于电力变压器的局部放电检测中，并取得了一定的应用成效。由于高压电缆及电缆附件一般具有轴对称的电场分布特性，这种结构可能会有利于高频电磁波的传播，因此近几年国际上的发达国家如德国、荷兰、韩国等正在研发基于此原理的高压电缆附件局部放电检测技术。 迄今为之，国内外用于电力电缆局部放电检测的方法有很多。在传感器方面，人们根据局部放电过程所发生的物理过程和化学效应信息, 如电荷交换、能量损耗、发射电磁波、发出声波或光波以及一些新的生成物等,针对不同的试验对象提出了各种电测量局部放电法和非电测量局部放电法, 主要有: 超声波检测法、方向耦合传感器法、电磁耦合法和电容传感器法等。 虽然近年来德国、英国等发达国家正在开展探索性研究，但是仍然无实际产品问世。因此，本项目相关产品的开发将填补国际国内空白，具有巨大的经济与社会效益。
