电机在线监测数字化干扰抑制技术

发布时间:15-03-25 16:21分类:技术文章 标签:电缆振荡波,局部放电
随着城市电网电缆化率的程度不断提高,社会发展和进步对供电可靠性的要求也不断提高,如何准确掌握配电电缆的健康状态,制定正确的检修对策,避免因电缆本身质量问题导致的突发性事故的发生,变得尤为重要。研究发现,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危害电缆安全运行的缺陷。目前,国际上应用比较广泛的OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位技术,能够有效检测和定位10kV配电电缆局部放电的位置且检测本身不对电缆造成伤害。本文主要从该系统的电源技术、抗干扰技术、定位技术、典型案例等方面进行介绍,为该技术的进一步推广应用、改进创新提供技术参考。
1、前言
近十年来,挤塑型电力电缆特别是XLPE电力电缆由于其绝缘性能好、易于制造、安装方便、供电安全可靠、有利于城市和厂矿布局等优点,在城市电网中得到广泛使用。但是这种电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料不纯而存在气隙和有害性杂质,或者由于工艺原因在绝缘介质与半导电屏蔽层之间存在间隙或半导电体向绝缘层突出,在这些气隙和杂质*处极易产生局部放电,同时在电力电缆的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电。由于XLPE等挤塑型绝缘材料耐放电性较差,在局部放电的长期作用下,绝缘材料不断老化*终导致绝缘击穿,造成重大事故。
北京市电力公司相关统计资料表明,电缆老化、附件质量和工艺不良在10kV电缆故障中占有较大比重。随着电缆运行时间的不断增长,潜伏的局部缺陷对城市电网可靠性的危害将会越来越突出,对供电质量和公司形象造成的危害也会越来越大。因此,引进*进技术及时检测出电缆潜伏性缺陷的要求也越来越迫切。
2、OWTS振荡波电源技术
电力电缆由于其电容量大,很难在现场进行工频电压下的局部放电检测。过去充油电缆采用直流试验,可以大大降低电源的要求。但对XLPE电力电缆,由于其绝缘电阻较高,且交流和直流下电压分布差别较大,直流耐压试验后,在XLPE电缆中,特别是电缆缺陷处会残留大量空间电荷,电缆投运后,这些空间电荷常造成电缆的绝缘击穿事故。采用超低频(0.1Hz)电源进行试验,要求试验时间长,电缆绝缘损伤较大,可引发电缆中新的缺陷。振荡波电压是近年来国内外研究较多的一种用于XLPE电力电缆局部放电检测和定位的电源。该电源与交流电源等效性好,作用时间短、操作方便、易于携带,可有效检测XLPE电力电缆中的各种缺陷,且试验不会对电缆造成伤害。OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置如图1所示。检测时可以灵活施加0-28kV的直流电压,合上半导体开关后,被试电缆与电感产生阻尼振荡。该装置可以检测的电力电缆电容范围为0.05uF-2uF。
3、抗干扰技术
由于电缆的电容量大(近uF级),局部放电要求严(几pC),而电力电缆局部放电测量中不可避免的存在着环境噪声和外部干扰,局部放电信号往往湮没于这些噪声和干扰中,使测量变得非常困难,抗干扰手段的提高显得尤为重要。这些干扰按其时域和频域特征的不同,可分为窄带干扰、脉冲型干扰和背景噪声三类。由于干扰强弱、频域特性的不同,抗干扰技术要有一定的针对性。
(1)对于窄带干扰,由于其频域特征与局部放电信号的频域特征有较大差异,而且频带十分窄,故大多采用频域滤波的方法进行抑制。
(2)对于脉冲型干扰,由于它和局部放电信号非常相似,从单个波形上很难将它们区分开来。目前主要采取时延鉴别法进行鉴别。时延鉴别法是利用外来干扰脉冲及发射波到达测量点的时间差与内部放电及反射波到达测量点的时间差的不同进行鉴别。
(3)对于背景噪声,由于其在时域中表现为无规律的随机脉动,在频域中则表现为在整个频带上均匀分布,因而单从频域或时域都不能有效地抑制。在小波去噪算法提出之前,往往采用时域平均的方法来抑制这种随机性的背景噪声,但效果并不理想。小波去噪算法的出现可以比较有效地解决这个问题。
OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置具有带通滤波、小波分析、时延分析等抗干扰功能,可根据信号特点,方便的进行放电脉冲的取舍,如图2所示。该装置还可以生成清晰的局部放电图形(如电压波形与局部放电信号关系图、三维谱图等),以便确定局部放电的类型,如图3所示。
4、定位技术
对于电力电缆局部放电的定位,早期*有对电缆实行扫描式检测查找局部放电点的技术,现在实际中采用的是70年代发展起来利用局部放电脉冲在电缆上的传播特性,用10MHz以上的高频扫描示波器进行定位测量的方法,该法也叫行波法或TDR法,其原理如图4所示。
其中,Ck为高压电容,Zk为检测阻抗,同时也做匹配阻抗,消除脉冲在高压端的反射。设在t0时,在电缆x处发生放电,送出的两个脉冲按相反方向沿电缆传播,t1时刻*个脉冲到达测试仪,第二个脉冲在电缆远端反射后在t2时刻到达测试仪(如图4)。由于电缆中电脉冲的传播速度相对于确定的电缆绝缘型式是已知的常数,所以根据式(1)*可以算出放电点离电缆近端(高压端)的距离x。
其中L为电缆长度,V为脉冲波在电缆中的速度,τ为两个脉冲的时延。OWTS振荡波电缆局部放电检测和定位装置采用该原理对电力电缆局部放电进行定位,如图5所示。

现行电缆线路的电气试验大致有:直流耐压和泄漏电流试验、工频耐压试验、测量绝缘电阻、绝缘油试验、局部放电试验、0.1Hz超低频试验、交流变频谐振试验等。目前,电力部门对于不同电压等级和不同类型的电力电缆线路的试验方法和试验内容也不尽相同。

在发电机局部放电在线监测中,现场会引入大量的干扰,特别是宽频带监测系统,由于采用了宽达数兆的频带,虽然信号的灵敏度较以前的窄带系统和常规宽带系统高,但信噪比低,引入的干扰也多,因此,有效地抑制各种干扰,从强干扰中提取出局部放电信号是系统能否可靠工作的关键问题。根据干扰的时域特征,干扰可以分为周期性窄带干扰、白噪声干扰、周期性脉冲干扰和随机脉冲干扰。我们在干扰抑制方面进行了深入的研究,在汲取前人经验的基础上,除采用常规算法外,还采用小波理论、神经网络和自适应滤波等算法对各种干扰采用了相应的不同对策,例如,对于窄带周期性干扰,我们研究了基于小波分解的自适应滤波算法,提高了自适应滤波算法的抗干扰性能和稳定性;对于白噪声,研究了基于小波与隐式马尔科夫模型的发电机局部放电信号去噪算法,对比传统的门限去噪算法,该算法能获得更高的信噪比;对于脉冲干扰,特别是随机脉冲干扰,在大量测试数据的基础上,研究了基于神经网络的干扰抑制算法研究,采用信号的时域和频域特征,利用神经网络抑制随机干扰,取得了很好的效果。在抑制单一干扰的基础了,研究了基于小波空间屏蔽滤波的局部放电信号处理算法,利用小波空间屏蔽滤波器,进一步保留局放信号,抑制干扰,使得最后的信号信噪比大大提供,为局放信号的特征提前打下基础。

1、油浸纸绝缘电缆的直流耐压实验

a) 基于小波分解的自适应滤波算法抑制局部放电窄带周期干扰中的应用

直流耐压反映电缆绝缘的泄漏和耐压特性。理论分析和实用效果均表明,油浸纸介质电缆、充油电缆或充气电缆的直流、交流耐压特性基本相同。

在局部放电信号处理中,普通的自适应滤波算法在各种抑制正弦干扰的算法中是比较好的算法之一,但是在宽带局部放电在线监测中,由于窄带周期干扰的频率范围很宽,自适应滤波器的参数设置比较困难,有时甚至会导致算法不稳定。我们创造性地提出了基于小波分解的自适应滤波算法,利用小波分频原理,将采集到的信号分解到各个频段上,再在各频段上利用最优参数自适应滤波抑制窄带干扰,大量的计算机仿真分析和现场数据处理表明,基于小波分解的自适应滤波算法比起普通自适应滤波算法有更好的抗干扰性能和稳定性。

对油纸绝缘电力电缆的试验,除制造厂在进行例行试验时采用交流电压外,安装和运行单位对电缆线路进行交接验收和预防性试验或故障修复后试验时,都采用直流耐压,因为直流耐压试验具有下列优点。

b) 基于小波与隐式马尔科夫模型的发电机局部放电信号去噪

a.直流试验设备携带轻便,适合现场使用。对电缆作直流耐压试验时一般以半波整流获得试验电压,并应用多倍压整流技术,故可用体积容量都较小的试验设备,获得对较长电缆线路进行直流高压试验的电压。

基于小波变换的马尔科夫模型最近被用于图像信号处理。其方法的优势在于它考虑了小波系数之间的相关性,而且在去噪时不存在待定的自由参数,具有更强的自适应性。我们采用了HMMs方法去除发电机局部放电信号中的白噪声。为了验证方法的有效性,我们采用了两种实测的局放信号,实验室的线棒放电信号和电厂的发电机局放信号。结果证明,对比传统的门限去噪算法,HMMs方法能获得更高的信噪比。

b.交流耐压试验有可能在绝缘空隙中产生游离放电,从而导致绝缘的永久性损坏,采用直流耐压试验则避免了这种情况发生。

c) 基于神经网络的发电机局部放电随机脉冲干扰抑制

c.在进行直流耐压试验时,可以同时测量泄漏电流。根据泄漏电流的数值及其随时间的变化、泄漏电流和试验电压的关系,可以判断电缆的绝缘状况。

在周期性窄带干扰、白噪声干扰、周期性随机干扰和随机脉冲干扰中等各种干扰中,随机脉冲干扰由于其在频域上和时域上与局放信号有很强的类似性,现有的各种软硬件抑制方法效果都不太令人满意。我们研究了随机脉冲干扰和发电机局部放电信号在时域和频域上的各种特征和现有的各种干扰抑制算法,利用二者在时域和频域上的细微特征区别,设计采用神经网络算法识别局放信号和干扰信号,在识别的基础上,达到去除随机脉冲干扰的目的,取得了比较满意的效果。

d.对电缆进行直流耐压试验时,按规程规定采用负极性接线,即将导体接负极。这种接法的好处是,如果纸绝缘已经受潮,由于水带正电,在直流电压下,有明显电渗现象,会使水分子从表层移向导体,从而使泄漏电流增大,甚至形成贯穿性通道,有利于暴露纸绝缘中已经局部受潮的缺陷。

d) 基于小波空间屏蔽滤波的局部放电信号处理算法

e.直流耐压试验加压时间可以较短,如规程规定对6~35kV电缆进行交接和预防性试验时每相加压时间为5min。这是因为直流击穿电压与加压时间关系不大,如有缺陷,一般在直流电压下几分钟内就可以发现,无需长时间加压。

空间屏蔽滤波器是采用相邻尺度上小波系数的相关关系来构造的滤波器。利用基于多孔算法的小波变换对信号进行分解,根据噪声和局放信号小波系数的不同特征,构造空间屏蔽滤波器,对分解后的小波系数进行空间屏蔽滤波,从而抑制各类干扰,提高信号的信噪比。理论分析和实践结果证明,对比传统的去噪算法,空间屏蔽滤波能获得更高的信噪比,保留更多的局放信号信息,对局放信号的去噪起到了很好的效果。

油纸绝缘电力电缆直流试验的电压标准如表1所示。其中,电缆故障修理和改接后试验时,6~35kV电缆同预防性试验,110~220kV电缆同交接试验;110~220kV电缆外护套交接试验的电压为直流10kV,加压时间为1min。

干扰抑制算法是局放特征提取和分析的基础,我们研究了一套完整的基于超宽带系统的局放信号干扰抑制和特征提前算法,取得了很好的效果。

在进行直流耐压试验时测泄漏电流,实际上和用兆欧表测电缆绝缘电阻的道理是完全相同的。但由于直流耐压试验时施加电压和使用的仪表准确度都高于兆欧表,而且可以在加压过程中观察泄漏电流的变化,所以泄漏电流试验比测量绝缘电阻更能有效地发现绝缘缺陷。

电缆在直流电压下,流过绝缘内部的电流是电容电流、吸收电流和传导电流的叠加。流过绝缘的泄漏电流随时间而变化,它同电缆绝缘的品质、所含杂质、气泡、水分等含量有关:绝缘完好的电缆,随着加压时间延长,泄漏电流减少,并趋于一个稳定数值;绝缘较差的电缆,泄漏电流很快趋向稳定值,而且稳定后的数值与初始值很接近;绝缘存在严重缺陷时,泄漏电流不随时间延长而下降,反而出现上升趋势,如果延长加压时间或提高直流电压,泄漏电流增加的趋势可能继续发展直到绝缘击穿。

为使所测得的泄漏电流反映电缆绝缘的真实状况,应采取措施消除外来因素对泄漏电流的影响。如果测得的泄漏电流数值不稳定,泄漏电流随时间延长而上升,或随试验电压增加而急剧上升,必须查明原因。

一般把电缆直流耐压试验后和耐压试验前测得的泄漏电流的比值称为吸收比。所谓耐压试验前的泄漏电流是指在直流耐压试验加到规定电压后1min时的泄漏电流I1,耐压试验后的泄漏电流是指耐压持续到4min或14min时的泄漏电流I2。规程规定,电缆泄漏试验的合格标准是,吸收比I2/I11。

2、交联聚乙烯电缆的耐压试验

在我国,直流电压目前仍然是交联聚乙烯电缆进行试验的主要电源,XLPE电缆直流试验的电压标准如表2所示。在IEC标准中明确规定,额定电压150kV以上的XLPE电缆及其附件安装后的电气试验采用交流电压试验,即施加电力系统相间电压,经1h试验,或施加正常运行电压,经24h试验,不推荐采用直流电压试验。

我国使用高压XLPE电缆始于1984年。随着城市电网建设和改造的发展,从1985年以后,广州、上海、北京等大城市相继从国外进口高压XLPE电缆及其附件。正是从这时候开始,一些国家对高压XLPE电缆采用直流耐压试验的结果和电缆运行情况进行了研究分析,得出了一个共同的结论,即高压XLPE电缆不宜采用直流耐压试验,认为XLPE电缆在进行直流耐压试验时,主要存在以下几方面的问题。

a.XLPE电缆绝缘层在直流和交流电压下,内部电场分布情况完全不同。在直流电压下,电场按绝缘电阻系数呈正比例分配,而XLPE绝缘材料存在电阻系数不均匀性,导致在直流电压下电场分布的不均匀性。交流电压下,电场按介电系数呈反比例分配,XLPE为整体绝缘结构,其介电系数为2.1~2.3,且一般不受温度变化的影响。因此,在交流电压下,XLPE绝缘内部电场分布是比较稳定的。这样,往往造成在交流工作电压下有缺陷的部位在直流试验时不被击穿,反过来,在直流试验时被击穿的部位,在交流工作电压下却不会产生问题。

b.XLPE绝缘内部如果有了水树枝,在交流工作电压下,水树枝的发展是很缓慢的,而在直流耐压试验时会加速水树枝的发展,甚至转变为电树枝,即直流试验会导致XLPE绝缘产生积累效应,加速绝缘老化,缩短使用寿命。

c.直流耐压试验过程中,在XLPE电缆及其附件绝缘内会形成空间电荷,空间电荷的不断形成可导致电缆在交流工作电压下击穿,或在附件界面因积累电荷而沿界面滑闪。

综上所述,直流试验电压不能有效发现XLPE电缆的绝缘缺陷,而且,直流试验电压可能造成XLPE电缆绝缘的损伤,以至在试验后重新投入运行时,在交流工作电压下提前发生绝缘击穿事故。因此,对于XLPE电缆有必要采用除直流试验之外的其它试验方法。

2.1超低频电压试验

超低频耐压试验装置的输出频率一般为0.01~0.1Hz,输出波形为正弦波或余弦波,故超低频试验也是一种交流耐压试验。采用超低频试验的目的是为了满足在交流电压条件下,尽可能减小试验设备的体积和重量。

直流试验不能有效检验出XLPE电缆线路的缺陷,注入的空间电荷又会影响其绝缘性能,而采用交流电压试验,需要高电压大容量的试验设备,因此,可以选用超低频电压试验。从50Hz改到0.1Hz,理论上可以把试验设备容量降低到1/500。这样,0.1Hz的试验设备就可以与直流试验设备一样做到容量小、自重轻,适合现场使用。

对于XLPE电力电缆,不宜采用直流电压进行现场耐压试验,而应采用0.1Hz超低频电压试验。0.1Hz超低频电压试验的项目主要包括耐压试验和介损测量。目前国际上开发的0.1Hz试验设备,电压均低于100kV,只适用于中压XLPE电缆线路。一般推荐的试验标准是3U0/1h。

2.2交流变频串联谐振试验

工频耐压试验最能反映电缆绝缘的实际情况,这是因为:电缆是在工频下运行的,其试验电压和频率在工频下最为合理,可完全模拟运行情况;从理论上讲,工频耐压试验不但能反映电缆的泄漏特性,而且能完全反映电缆的耐压特性,还能反映电缆局部电介质损耗引起的局部耐压特性。

对XLPE电缆进行工频交流耐压试验,最大的困难是要有很大容量的试验设备。电压越高,线路越长,试验设备容量越大。为了适应在现场进行XLPE电缆交流耐压试验的需要,关键在于要尽量减小试验设备的容量。应用串联谐振技术,是减小试验设备容量的一项有效措施。试验证明,变频串联谐振装置能够以较低电压、较小容量的电源设备,使电缆绝缘承受较高的试验电压。

目前,从国外引进的变频串联谐振试验成套设备,包括一台固定电感为10~100H的电抗器,它装在一辆20t的平板车上,另外用一辆集装箱货车,安装调频器、变压器和计算机控制系统等设备。成套装置变频范围为30~300Hz,输出电压可达250kV,电流75A,能适用于220kVXLPE电缆的交流耐压试验。

3、塑料电缆的局放试验

橡塑电缆的绝缘中存在气隙、潮水等,在额定直流电压下,一般只存在极短的局部放电过程或不发生局部放电。在额定交流电压下,可能产生局部放电,也可能不产局部放电。若发生局部放电,其放电过程比较短,在一定的时间内其局部放电过程不至于使电缆的绝缘击穿,但其危害性很大。故只对电缆的特定部位进行局部放电测量,如电缆的怀疑部位、中间接头、终端头等。

4、结论

a.对于橡塑电缆,直流耐压试验只能发现电缆绝缘已明显劣化或击穿的情况,因对电缆有破坏作用,故仅在迫不得已时使用,且仅作参考。

b.超低频试验装置由操作控制和高压电源组成,现场操作轻巧方便,对电缆没有破坏作用,完全可作为橡塑电缆的一种试验方法,目前技术限制使其主要用于小于等于35kV的电缆试验。

c.变频谐振试验装置由变频电源、激励变压器、谐振电抗器、分压器组成,小于等于35kV的电缆采用本方法现场操作较麻烦,大于等于66kV的电缆可将本方法作为一种现场试验方法。

d.对大于等于110kV的电缆,振荡电压法体积小,现场操作方便,但能否有超低频和变频谐振试验的效果,尚待验证。

e.局部放电试验只能检测电缆的特殊部位,对大于等于110kV的电缆,现场进行此试验很有必要。

f.介损测量法,因其本身局限性,在现场使用几乎无意义。

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