基本信息
- 項目名稱：
- 基于超高頻法的電纜附件局部放電在線監(jiān)測
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 在線監(jiān)測電纜的局部放電簡要介紹了超高頻傳感器的研究方法和原理，并分別對超高頻電磁耦合傳感器和超高頻電容傳感器做了分析。然后根據(jù)電磁波在同軸波導中的傳播理論，運用美國Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件對110kV電纜中間接頭進行仿真，通過仿真可以得出，局放電磁波在電纜接頭傳播過程中與頻率有關，頻率越高，衰減就越快。
- 詳細介紹：
- 電纜局放超高頻傳感器的應用及傳播特性仿真 摘 要：在線監(jiān)測電纜的局部放電情況是及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、預測運行壽命及保障電網(wǎng)安全可靠運行的重要手段。簡要介紹了超高頻傳感器的研究方法和原理，并分別對超高頻電磁耦合傳感器和超高頻電容傳感器做了分析。然后根據(jù)電磁波在同軸波導中的傳播理論，運用美國Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件對110kV電纜中間接頭進行仿真，通過仿真可以得出，局放電磁波在電纜接頭傳播過程中與頻率有關，頻率越高，衰減就越快。 關鍵詞：局部放電；超高頻；在線監(jiān)測 引 言 在電網(wǎng)運行中，電力電纜主要用于傳輸和分配發(fā)電廠發(fā)出的電能，并兼作為各種電氣設備間的連接之用。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和城市電網(wǎng)的不斷改造，在城區(qū)配電線路中，與架空線相比，采用電力電纜輸送電能更有優(yōu)越性，它占地面積小，供電可靠，傳輸效率高，運行不受惡劣氣候條件的影響，維護工作量小等。因此，電力電纜成為高壓輸電線路的主導產(chǎn)品。 其中，以交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜應用最為廣泛。但是，交聯(lián)聚乙烯絕緣材料耐放電性比較差，同時，XLPE電力電纜附件（包括中間接頭和終端頭）內(nèi)部因存在大量復合界面和電場應力集中現(xiàn)象，加之附件都是在現(xiàn)場安裝和制作，因此電纜附件的質量和壽命在很大程度上取決于制作工藝和人工經(jīng)驗。電纜附件儼然成為高壓電纜絕緣的最薄弱環(huán)節(jié)和運行故障的典型部位，據(jù)相關資料統(tǒng)計，附件內(nèi)部絕緣缺陷引起的故障占總故障的39%[1]。由于該類故障停電時間長，搶修困難，不僅浪費大量的物力人力，而且還將帶來難以估計的停電損失。因此如何準確、快速地探測到電纜故障點，一直是國內(nèi)外有關技術人員研究的焦點。 日本等發(fā)達國家分析了XLPE電力電纜的老化原因和狀態(tài)，認為電纜的局部放電量與其絕緣狀況密切相關，局部放電量的變化預示著電纜絕緣可能存在的危害電纜安全運行的缺陷，因此準確地測量電纜局部放電量是判斷電纜絕緣品質的最直觀、理想、有效的方法[2,3]。國內(nèi)外專家學者和IEEE、IEC、CIGRE等國際電力權威組織一致推薦局部放電試驗是電力絕緣狀況評價的最佳方法[4]。 1 超高頻法 超高頻（ultra high frequency，UHF）法即在超高頻帶對局部放電進行監(jiān)測，通過超高頻傳感器耦合電纜接頭內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻電磁波，從而實現(xiàn)局部放電的檢測和定位。 1.1超高頻法的優(yōu)點 理論研究表明，對于正在運行中的XLPE電力電纜來說，局部放電的發(fā)生往往伴隨著電磁波的產(chǎn)生。就單個局放脈沖而言，其上升時間一般小于70ps，寬度為幾個ns，這就意味著放電信號可在電纜中激發(fā)頻帶在GHz數(shù)量級的電磁波，并且具有很寬的頻譜范圍[5]。與傳統(tǒng)的IEC60270脈沖電流法相比，超高頻法可以有效的避開現(xiàn)場的電暈等干擾的影響，具有很高的信噪比，靈敏度高。這是因為超高頻局放檢測法是在超高頻段（300-3000MHz）進行檢測，而所熟知的一些現(xiàn)場干擾的頻率一般都小于400MHz，因而可以有效的避開現(xiàn)場干擾的影響；同時，UHF傳感器與局放點之間的距離比較近，衰減就會減少，因此，UHF局放檢測法可以有效的應用于電纜接頭的局放檢測。 超高頻法中的核心技術是傳感器，而傳感器的性能對于監(jiān)測的靈敏度有著至關重要的影響。因此，國內(nèi)外的學者專家一般都致力于超高頻傳感器的研究工作上。根據(jù)超高頻傳感器的不同，一般可以分為以下幾種： 1.2超高頻電磁耦合傳感器 電磁耦合法通常采用帶鐵氧體磁芯的寬頻帶羅格夫斯基(Rogowski)線圈型電流傳感器，主要測量位置在電纜終端金屬屏蔽層接地引線處。此外，測量位置還可在中間接頭金屬屏蔽連接線、電纜本體上和三芯電纜的單相電纜上等位置。 Rogowski線圈的結構通常有兩種：閉合式和兩半圓環(huán)狀結構[6]，如圖1所示。 (a)閉合式 (b)兩半圓環(huán)狀 圖1 Rogowski線圈的結構 Fig.1 structure of Rogowski coil 例如在1998年瑞士研制的170 kV XLPE電纜接頭局部放電在線監(jiān)測采用的就是電磁耦合傳感器，其電磁耦合傳感器的安裝位置如圖2中的7所示[7]。該系統(tǒng)由羅格夫斯基線圈、前置放大器和頻譜分析儀組成。測量位置選在電纜中間接頭金屬屏蔽的鏈接引線上。 檢測原理為：當電纜中存在局部放電時，金屬屏蔽層中將為感應到局放脈沖電流，當其流經(jīng)傳感器時，便會在二次繞組上感應出信號，因此就可以獲取局放信號。據(jù)研究分析，該檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度低于15pC，取得了較好的檢測效果。 但是，這種環(huán)狀結構傳感器的使用具有一定的局限性，這是因為它只能在電纜施工過程中預先安裝，或者在設備停運狀態(tài)下安裝。并且綜合國內(nèi)外在利用Rogowski線圈進行局放檢測的情況來看，傳感器的兩個重要指標帶寬和靈敏度無法同時保證，由此使得采集的局放心好不完整或者畸變比較嚴重[11]。 1.導體 2.局部放電點 3.預制電纜本體 4.空氣 5.屏蔽罩 6.連接點 7.PD傳感器 8.內(nèi)半導體 圖2傳感器的安裝位置 Fig.2 installation of PD sensor 1.3 超高頻電容傳感器 電容耦合傳感器的安裝位置如圖3，將電纜的金屬屏蔽層剝開一段，然后用金屬帶緊繞在外半導電層外，并將外屏蔽連接[8]。 圖3 電容傳感器模型圖 Fig.3 A capacitive coupler model 電容耦合器的等效電路如圖4。其中，Rc是電纜的特性阻抗，C是耦合器與電纜線芯的等效分布電容，Rs是耦合器與金屬屏蔽層之間的表面電阻，Cs為耦合器與金屬屏蔽層之間的分布電容，RL為測量單元輸入阻抗。 圖4 等效電路圖 Fig.4 equivalent circuit of a coupler model 耦合器的電容C可以由單位長度電纜的電容來計算，如公式(1)， (1) 其中ε0為真空的介電常數(shù)8.85×10-12 F/m； ε1是絕緣層的相對介電常數(shù)； D0是電纜金屬線芯的外徑； D1是電纜絕緣層的外徑。 電感L 可以由公式(2)來計算， (2) 其中μ0為真空的磁導率，4π×10-7H/m； μ1是絕緣層的相對介電常數(shù)； D0是電纜金屬線芯的外徑； D1是電纜絕緣層的外徑。 因此，電纜的特性阻抗可由公式(3) 計算得到； (3) 得到以上這些參數(shù)后，可以對等效電路進行計算：我們很容易得到以下表達式： (4) 基于上述公式，可以得到電容傳感器的頻率響應[9]，分析傳感器的電容等特性參數(shù)對幅度H和相位差φ的影響，如圖5至圖7所示。 經(jīng)過分析可知，通過調整剝?nèi)プo套的長度、金屬箔的長度、金屬箔和護套之間的長度、以及傳感器的材料的選擇，可以獲得最佳的傳感器信噪比。 圖5 傳感器電容C的影響 Fig.5 effect of coupler capacitance 圖6 Cs的影響 Fig.6 effect of coupler-sheath capacitance 圖7 Rs的影響 Fig.7 effect of semicon screen resistance 2 仿真分析 2.1仿真原理 電纜接頭一旦發(fā)生局部放電，電磁波就會沿著波導從放電源向四周傳播，電磁波在傳播的過程中通過不同的波導介質其衰減系數(shù)也會不同。根據(jù)電磁波理論可知，在同軸波導中除了可以傳播橫電磁波（TEM）外，還可以傳播高次模波，即TE和TM波。TEM波為非色散波，可以以任何頻率在同軸波導中傳播。TE和TM波是色散波，各自存在截止頻率，只有當電磁波頻率高于其截止頻率時才能在同軸波導中傳播。 電磁場分析是基于麥克斯韋方程來解決問題的。文中，利用美國Ansoft公司的 HFSS（High Frequency Structure Simulatoer）軟件作為仿真的工具。HFSS是基于電磁場有限元方法分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件。HFSS是基于電磁場有限元方法（FEM）分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件。HFSS軟件以四面體為單元對仿真模型進行離散化剖分，通過對其單元中電場分量的計算來獲得各個模型物理量和特性參數(shù)。 2.2仿真模型的建立 目前，國內(nèi)外利用HFSS研究電纜中間接頭的局部放電傳播特性的文獻很少，一般構建的電纜物理模型大部分都是針對電纜本體的。因此正確合理的構建電纜中間接頭的物理模型，是正確仿真和分析局放電磁脈沖傳播特性的前提。根據(jù)國內(nèi)某電纜公司提供的110 kV電纜中間接頭的內(nèi)部結構構建了如圖8所示的仿真模型。 2.3 激勵信號的設置 通常采用脈沖高斯函數(shù)模擬局部放電的激勵電流源作為模型的激勵源[10]，高斯函數(shù)如公式(5)， (5) 式中，脈沖峰值I0=10mA，σ為衰減時間常數(shù)，t0=1ns,脈沖寬度為1ns，半峰值頻率為1GHz[1,12]，激勵源時域波形如圖9所示。模型激勵源設置在附件內(nèi)部應力錐處的交界面上，因為這是電纜中間接頭最容易發(fā)生局部放電的地方。 圖8 110kV電纜中間接頭的仿真模型 Fig.8 simulation model of 110kV cable joint 圖9 高斯電流波形 Fig.9 waveform of Gaussian signal 2.3 仿真結果及分析 通過上述方法對模型添加激勵源，采用圖9所示的高斯電流函數(shù)模擬局部放電的發(fā)生，可以仿真不同頻率的局放脈沖在電纜接頭傳播時的電場和磁場分布圖，從而得知局放脈沖的傳播特性。 當局部放電脈沖頻率為600MHz時，局部放電電磁波脈沖在電纜接頭中的傳播特性如圖10所示，由電場和磁場分布圖可知，距離局放源較近的地方，電場和磁場強度較大，隨著距離的增加，電場和磁場則逐漸減小。 (a) 局放電磁波傳播的電場分布圖 (b) 局放電磁波傳播的磁場分布圖 圖10 局放脈沖為600MHz時的場分布 Fig.10 E-field and H-field scattergram of 600MHz 當局部放電脈沖頻率為1GHz時，局部放電電磁波脈沖在電纜接頭中的的傳播特性如圖11所示，由圖11中仿真的電場和磁場分布圖可知，局部放電產(chǎn)生的電場和磁場畸變只在局放點附近。 (a) 局放電磁波傳播的電場分布圖 (b) 局放電磁波傳播的磁場分布圖 圖11局放脈沖為1GHz時的場分布 Fig.11 E-field and H-field scattergram of 1GHz 3 結論 (1)通過對電纜接頭中局部放電電磁波的傳播特性仿真可知，其產(chǎn)生的高頻電磁波脈沖在電纜中間接頭傳播的時候，與頻率有關，頻率越高，衰減就越快。 (2)由于高頻電磁脈沖的傳播與頻率有很大的關系，因此，超高頻傳感器的安裝位置盡量接近于電纜附件。這樣就可以減少電磁脈沖的衰減，有利于提取完整的脈沖信號，便于分析和發(fā)現(xiàn)絕緣故障。 (3)由于電纜附件的局部放電發(fā)生機理復雜多樣，因此要加強新型傳感器的研究和開發(fā)，便于從多種復雜的信號中準確及時的找到與局放信號有關的特征參數(shù)，從而提高檢測的靈敏度，減少誤判的可能。 參考文獻 [1] 唐矩, 李偉, 楊浩等. 高壓電纜附件局部放電超高頻檢測與分析[J]. 高電壓技術, 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] 羅俊華,邱毓昌,馬翠嬌. 基于局部放電頻譜分析的XLPE電力電纜在線監(jiān)測技術[J].電工電能新技術,2002,1:38-40 [4] Steven Boggs. 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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 統(tǒng)計表明80%的高壓電纜輸電線路故障是由于電纜聯(lián)接故障引起的，由于該類故障停電時間長，搶修困難，可導致的直接和間接經(jīng)濟損失巨大，因此確保電力電纜運行可靠、減少停電次數(shù)和時間、實現(xiàn)狀態(tài)檢修以提高電力電纜供電可靠性是保障電網(wǎng)安全可靠運行的重中之重。
科學性、先進性及獨特之處
- 采用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對110kV電纜中間接頭進行建模和仿真，仿真了局部放電所激發(fā)的不同頻率的電磁波在電纜中間接頭中的場分布圖。在國內(nèi)首次實現(xiàn)了三維空間的電纜中間接頭的局部放電電磁波傳播特性的動態(tài)仿真
應用價值和現(xiàn)實意義
- 分析了局部放電產(chǎn)生的高頻電磁波在電纜中間接頭中的各種傳播特性，為超高頻傳感器的設計提供理論支持。
學術論文摘要
- 在線監(jiān)測電纜的局部放電情況是及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、預測運行壽命及保障電網(wǎng)安全可靠運行的重要手段。簡要介紹了超高頻傳感器的研究方法和原理，并分別對超高頻電磁耦合傳感器和超高頻電容傳感器做了分析。然后根據(jù)電磁波在同軸波導中的傳播理論，運用美國Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件對110kV電纜中間接頭進行仿真，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了三維空間的電纜中間接頭的局部放電電磁波傳播特性的動態(tài)仿真。通過仿真可以得出，局放電磁波在電纜接頭傳播過程中與頻率有關，頻率越高，衰減就越快。
獲獎情況
- 本文于2011年發(fā)表在第1期的《傳感器與微系統(tǒng)》
鑒定結果
- 采用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對110kV電纜中間接頭進行建模和仿真。在國內(nèi)首次實現(xiàn)了三維空間的電纜中間接頭的局部放電電磁波傳播特性的動態(tài)仿真。經(jīng)鑒定合格。
參考文獻
- 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、羅俊華,邱毓昌,馬翠嬌. 基于局部放電頻譜分析的XLPE電力電纜在線監(jiān)測技術[J].電工電能新技術,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、李華春. 電纜局部放電在線檢測方法的分析比較. 電力設備, 2005, 6(5):29-33
同類課題研究水平概述
- 超高頻局部放電檢測法就是通過超高頻傳感器傳感電力設備內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻電磁波信號，從而實現(xiàn)局部放電的檢測和定位，并實現(xiàn)抗干擾。和傳統(tǒng)的脈沖電流法相比，UHF法有著天然的優(yōu)勢，它的檢測頻率很高，一般在0.3—1.5GHz之間甚至更高。而對于電力設備運行現(xiàn)場，空間電磁干擾頻率一般在400MHz以下，因此，采用UHF法可以有效抑制外部的電磁干擾和提高信噪比。利用超高頻法研究電力設備的局部放電，克服了傳統(tǒng)的脈沖電流法測量頻率低、頻帶窄的缺點，可以較全面地反映局部放電的本征特征，因而廣受關注。 目前，超高頻法已成功應用于GIS的局部放電測量中，并正在逐漸普及。在新修訂的IEC60270及IEC60517中，均將這種方法作為GIS局放檢測的主要方法。本世紀初部分生產(chǎn)企業(yè)及科研人員希望將超高頻法應用于電力變壓器的局部放電檢測中，并取得了一定的應用成效。由于高壓電纜及電纜附件一般具有軸對稱的電場分布特性，這種結構可能會有利于高頻電磁波的傳播，因此近幾年國際上的發(fā)達國家如德國、荷蘭、韓國等正在研發(fā)基于此原理的高壓電纜附件局部放電檢測技術。 迄今為之，國內(nèi)外用于電力電纜局部放電檢測的方法有很多。在傳感器方面，人們根據(jù)局部放電過程所發(fā)生的物理過程和化學效應信息, 如電荷交換、能量損耗、發(fā)射電磁波、發(fā)出聲波或光波以及一些新的生成物等,針對不同的試驗對象提出了各種電測量局部放電法和非電測量局部放電法, 主要有: 超聲波檢測法、方向耦合傳感器法、電磁耦合法和電容傳感器法等。 雖然近年來德國、英國等發(fā)達國家正在開展探索性研究，但是仍然無實際產(chǎn)品問世。因此，本項目相關產(chǎn)品的開發(fā)將填補國際國內(nèi)空白，具有巨大的經(jīng)濟與社會效益。
