局部放電信號在地埋電纜中的特性分析

劉天璇

摘要：隨著高壓電力系統的發展，XLPE材質的地埋電纜得到廣泛應用。電纜局部放電信號信息豐富，如何提取有用的信息進行檢測，需要對局部放電信號在電纜中的特性進行分析。為查找電纜中參數和特性的關系，文章首先對電纜傳播特性的原理進行闡述并提出假設；其次，使用PSCAD作為模擬軟件，選擇合適的模式搭建仿真模型；再次，向電纜中注入一個由多頻率正弦信號組成的方波脈沖信號，觀察分析相關參數變化情況；最后，驗證信號傳播與電纜長度關系的結論。關鍵詞：XLPE電纜：局部放電信號；方波脈沖信號；信號傳輸；模擬仿真

電力工業是國民經濟發展中最重要的基礎能源產業，是世界經濟發展戰略的重中之重。交聯聚乙烯（Cross-LinkedPolyethylene，XLPE）電力電纜已經成為電力輸送的主要設備，其絕緣問題日益顯著，如果電纜鋪設的環境較為惡劣以及電纜本身的局部缺陷都將大大影響電纜壽命，致使電纜絕緣老化，線路故障頻發。電力電纜的壽命主要由其絕緣性能決定，電纜的絕緣老化最主要是由局部放電引起，因此，通過檢測在線電纜的局部放電隋況，即可得出電纜的絕緣情況。

由于地埋電纜局部放電信號信息豐富，本文通過構建仿真模型對局部放電信號的研究，得到相關特征參數，并從中提取有效信息，分析局放信號的特征來檢測電纜絕緣情況。1 原理簡述

由于電纜局部放電信號的豐富信息，通過分析局部放電信號的參數，本文假設線路較長，信號波長與線段長度比較短，用電纜的分布參數模型進行分析[1-5]，如圖l所示。

圖中，L0代表單位長度電纜的電感，R0代表單位長度電纜的電阻，C0代表單位長度電纜的對地電容，G0代表單位長度電纜的電導。其中： 綜上，新的二次參數特性阻抗z：（均勻傳輸線上任一點的電壓和電流之間的關系）為

阻抗是復數，因此，電壓和電流的絕對值的比率決定了其相對值。電壓和電流之間的相位差確定其振幅的大小，因此，各自的特征參數表示如下：

由公式可知，Zc代表幅值，φc表示幅角。Zc反映電纜上的部分特性。在一般計算中，脈沖信號的基本信息用傳輸常數γ來描述。在γ中包含兩個常數，分別是固有衰耗常數。，固有相移常數β0α反映了匹配連接線路中能量損耗的傳輸規律，β反映了信號傳播過程中發生的相位變化。

因此，線路的傳輸規律表示如下，l表示電纜的長度。

由此分析得出：（1）。增大，信號的衰減變大。（2）在？小于l的情況下，局部放電信號的衰減會有一定的規律。衰減程度和電纜的長度有關系，線路越長，衰減的情況就更加明顯，信號的相位移動也就更加嚴重。

2 仿真建模及結果分析

2.1仿真建模

PSCAD作為模擬仿真的常用軟件，有廣闊的應用空間。本次模擬亦使用PSCAD軟件，該軟件具有很多模型，如Bergeron模式、Frequency Dependent （Phase）模式和Frequency Dependent （Mode）模式。根據己知的Bergeron模式，集中參數是電阻模型，只能在基波條件下使用，其他R、L、c中的2種模型由參數的分布確定，然后在高次諧波情況下，考慮使用2種模型。由于設計可以按照需求自主選擇模型，其參數也可做相應的調整。綜合比對FrequencyDependent （Phase）模式的仿真結論最為精準。正因為如此，選擇該模型進行分析[6-9]。 本文將電纜簡化為導體層、絕緣層和外皮的基本模型。采用相應參數，選取長度為500 m的國標電纜，電纜的半徑為22 mm，絕緣半徑為39.5 mm，表皮的半徑是44 mm。 模型的結構簡圖如圖2所示。同樣，本文也通過測量常用的電纜給出相應的參數，如表1所示。

2.2仿真結果及分析判斷

電纜的長度為500 m，設電纜的缺陷位置為c點，距離B端150m，距A端350m，給予一個上升沿為300 ns的脈沖信號在C點予以注入，在電纜的兩端進行監測，搭建的電路如圖3所示。 在線路兩端的仿真結果如圖4-5所示。橫坐標為時間，縱坐標為幅值。

為了研究局部放電脈沖的高頻部分的信號傳播特性，利用圖3的仿真電路圖，將電纜改為無損傷的電纜，從B點注入脈沖，得到的仿真圖形如圖6-9所示。

由圖7和圖9可看出，第一個脈沖和第二個脈沖的幅值具體衰減過程[10]。First pulse在110 MHz左右達到了頻譜最大值，Second pulse的頻譜峰值在25 MHz左右，通過對圖6-圖9的對比，我們可以得到，局放信號在傳播過程中，頻率越高的部分，衰減的越快[11]。

為了進一步驗證該結論，分別選取500 m、1000 m、2000 m、5000 m的4根電纜在A端注入脈沖，B端測量，測

由圖10可以看出，電纜長度的增加，反射波的時間也會延長，即電纜越長，反射所需時間越久[12]。 隨著電纜的長度增加，脈沖的相應特性也有變換，脈沖的幅值衰減和寬度變化情況如圖11-12所示。

由圖11、12可以明顯得出，脈沖電壓幅值與脈沖寬度與電纜長度成反比[13]。在實際電纜傳輸環境中，電纜長度比上述測試模型中還要長，因此，高頻衰減也更嚴重。對于長電纜，選擇低帶寬的測量系統來對首脈沖和第二個脈沖進行識別，這樣使得能夠有足夠的分辨率來對信號進行識別，由此可以看出，整個檢測系統的帶寬選擇對電纜的局部放電現象判別極其重要。

3 結語

本文通過對電纜信號傳播的理論分析，完成了電纜中局部放電模型的搭建，并根據電纜長度的改變觀察信號傳播的變化。

對于較短的電纜，信號中的高頻分量與低頻分量相比，能更快地到達線路終端，信號損失較少，信號失真情況也較輕；在較長的電纜中，由于高頻信號到達線路終端時己基本消失，信號損失較多，只剩下了低頻信號，信號失真也較為嚴重。

綜上，局部放電信號在電纜中的高頻衰減情況應結合實際，根據選擇合適的帶寬來克服這種情況。

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