盧雨欣， 李 波， 支亞薇， 陳宇飛， 曾肖明， 顏 源

(1. 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)), 陜西 西安 710049； 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036)

0 引言

相比于架空線路，電力電纜具有可靠、安全、美觀、占地面積小等特點(diǎn)，“線路下地”已成為我國城市發(fā)展的重要內(nèi)容之一[1]。交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電纜由于其良好的電氣性能、機(jī)械性能和防腐防損等優(yōu)點(diǎn)，在我國輸配電網(wǎng)絡(luò)中占有主導(dǎo)地位。隨著我國輸配電網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，截止2017年底，國家電網(wǎng)所有在運(yùn)的交流電力電纜線路總長度已達(dá)1 343 972km[2]。全面且可靠的電纜絕緣狀態(tài)檢測是日漸龐大的電力電纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提保障。

《GB 50150—2006 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》指出，新竣工的電力電纜必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，對XLPE電纜推薦進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)[3]。工頻耐壓試驗(yàn)對電源容量要求極大，在現(xiàn)場試驗(yàn)中一般采用頻率范圍為20～300 Hz的調(diào)頻式串聯(lián)諧振設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)[4]。然而電纜中存在的非貫穿缺陷并不一定能通過耐壓試驗(yàn)暴露出來[5]，反之耐壓試驗(yàn)會導(dǎo)致非貫穿缺陷進(jìn)一步惡化，通過耐壓試驗(yàn)但運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生擊穿事故的案例并不少見[6]。因此，IEEE 400.2—2013標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)場電纜絕緣離線檢測試驗(yàn)分為耐壓試驗(yàn)、診斷參數(shù)類試驗(yàn)以及局部放電(partial discharge，PD)試驗(yàn)。我國《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》在近年修訂中也添加了局部放電檢測一項(xiàng)。傳統(tǒng)的調(diào)頻式串聯(lián)諧振系統(tǒng)一般采用正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)技術(shù)調(diào)制輸出波形[7]，大量由電力電子器件開通關(guān)斷產(chǎn)生的脈沖噪聲分布在輸出電壓波的整個相位上[8]，影響電纜局部放電檢測。因此傳統(tǒng)串聯(lián)諧振系統(tǒng)只能進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，無法對電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行全面可靠的評估。

本文基于傳統(tǒng)的調(diào)頻式串聯(lián)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種同時(shí)適用于電纜耐壓試驗(yàn)和局部放電檢測試驗(yàn)的調(diào)頻式串聯(lián)諧振系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下對本系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)原理

1.1 串聯(lián)諧振原理

串聯(lián)諧振系統(tǒng)是通過控制逆變橋改變輸出電壓頻率和占空比，使電抗器與被測電纜進(jìn)入諧振狀態(tài)而產(chǎn)生高電壓[9]，其主要電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串聯(lián)諧振電路原理Fig.1 Schematic of frequency-tuned resonnant system

圖1所示的串聯(lián)諧振系統(tǒng)由整流模塊、逆變模塊、激勵變壓器T、電抗器L、分壓器和局部放電檢測單元組成。逆變模塊輸出電壓頻率f與電抗器電感值L和被測電纜電容值C有關(guān)[10]，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：L為電抗器電感值；C為電纜等效電容值。

電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，電抗器的感抗與電纜的容抗相抵消，電路阻抗表現(xiàn)為純電阻狀態(tài)，可計(jì)算電路的品質(zhì)因數(shù)Q，如式(2)所示：

(2)

式中：ω為電路的諧振元頻率；R為電路總直流電阻值。

當(dāng)激勵變壓器二次側(cè)輸出峰值為U0正弦電壓波時(shí)，在被測電纜上最高可以激發(fā)出峰值為QU0的正弦電壓波[11]。對應(yīng)的，逆變電源輸出有功功率為P0，在被測電纜上最高可以激發(fā)出QP0的無功功率。相比于工頻耐壓試驗(yàn)，電源容量可以減小Q倍，而對于用于配電電纜現(xiàn)場試驗(yàn)的調(diào)頻式串聯(lián)諧振設(shè)備而言，Q的值通常大于20。因此對于電纜離線檢測，調(diào)頻式串聯(lián)諧振技術(shù)可以大大減小試驗(yàn)電源的體積與質(zhì)量。

1.2 逆變模塊控制方式

傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振系統(tǒng)常采用SPWM調(diào)制技術(shù)，其控制原理如圖2所示,通過采用一對相反的調(diào)制波Ur，-Ur與三角波載波Uf進(jìn)行波形比較，得到4路逆變開關(guān)S1～S4的控制信號C1～C4,此時(shí)逆變模塊輸出的SPWM波形Ui如圖2所示[12]。

圖2 SWPM調(diào)制原理Fig. 2 Diagram of SPWM

由圖2易知，SPWM調(diào)制技術(shù)通過三角載波將連續(xù)的調(diào)制波離散化，分解成多個電平的疊加。理論上載波頻率越高輸出電壓的諧波畸變率越低，輸出波形越接近調(diào)制波，但這一切是建立在逆變橋4個開關(guān)器件以極高的頻率通斷的基礎(chǔ)上。

開關(guān)器件的每一次開通關(guān)斷都意味著電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變以及某一支路中電流的急劇減小，在實(shí)際電路中雜散電容電感的作用下，每一次開關(guān)器件通斷狀態(tài)的變化都伴隨著高幅值的脈沖電壓。而SPWM調(diào)制技術(shù)要求逆變模塊的半導(dǎo)體開關(guān)頻繁開通關(guān)斷，導(dǎo)致脈沖干擾與局部放電信號混淆[13]，因此基于SPWM調(diào)制技術(shù)的串聯(lián)諧振系統(tǒng)無法用于局部放電檢測。

為盡可能減小逆變模塊半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率，本系統(tǒng)利用等脈寬調(diào)制技術(shù)替代SPWM調(diào)制技術(shù)[14]，利用兩個幅值相反的方波替代正弦波的一個周期。逆變模塊輸出電壓波形如圖3所示，輸出電壓Ui與開關(guān)導(dǎo)通情況如表1所示。

圖3 逆變電路輸出電壓波形Fig.3 Output voltage waveform of inverter

開關(guān)導(dǎo)通情況逆變橋輸出電壓S1、S4導(dǎo)通,S2、S3導(dǎo)通UmS1、S4、S2、S3關(guān)斷0S2、S3導(dǎo)通,S1、S4導(dǎo)通-Um

假設(shè)逆變橋輸出為理想的幅值為Um和-Um階躍電壓，且經(jīng)過變壓器T后電壓波形不變化只是幅值提升8倍，則可將逆變模塊視為一個輸出電壓為0，Um，-Um的直流電壓源，從而建立串聯(lián)諧振電路統(tǒng)一模型如圖4所示[15]。

圖4 諧振等效電路統(tǒng)一模型Fig.4 Model of resonant circuit

利用圖4所示的等效電路統(tǒng)一模型可列出微分方程組如方程組(3)所示：

(3)

式中：i為電感L流過的電流；Uc為電容兩端電壓；U0為等效直流電源輸出電壓。

方程組(3)的通解為：

(4)

式中：ω為電感L與電容C的自然諧振角頻率；A1，A2為微分方程組通解系數(shù)。

由式(4)易知Uc以正弦規(guī)律變化，在諧振電路充能過程中Uc峰值不斷增大。實(shí)際的諧振電路中存在電阻，因此電容電壓峰值不會無限增大，其電壓峰值如式(5)所示：

Uc=QU1

(5)

式中：Q為諧振電路品質(zhì)因數(shù)；U1為逆變模塊輸出方波的基波分量峰值。

對方波進(jìn)行傅里葉分解，其基波分量幅值如式(6)所示：

(6)

式中：Um為逆變模塊輸出電壓；D為逆變模塊輸出方波的占空比。

由式(5)和式(6)易知，通過控制輸出方波的占空比可調(diào)節(jié)電容最大電壓峰值Uc，當(dāng)電容電壓峰值達(dá)到最大后，電容電壓呈穩(wěn)定正弦規(guī)律變化。

1.3 局部放電信號處理

對于上文所述的等脈寬調(diào)制技術(shù)，逆變模塊輸出信號與脈沖干擾信號對應(yīng)關(guān)系如圖5所示，每次逆變模塊的狀態(tài)變化都會產(chǎn)生脈沖干擾。在逆變模塊開通時(shí)，逆變模塊輸出電壓突變會產(chǎn)生較大的脈沖干擾[16]；而由于開關(guān)器件存在續(xù)流二極管，在逆變模塊關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生幅值相對較小的脈沖干擾[17]。這種脈沖干擾的特征與局部放電信號特征較為相似，難以通過小波降噪等常見的信號處理技術(shù)完全濾除脈沖干擾[18]，導(dǎo)致對電纜絕緣狀態(tài)的評估出現(xiàn)偏差。

圖5 逆變模塊輸出電壓與脈沖干擾波形Fig.5 Output voltage waveform and pulse noise waveform of inverter

如圖5所示，采用等脈寬調(diào)制技術(shù)在每個調(diào)制周期內(nèi)存在4處與逆變模塊動作同相位的窄帶脈沖干擾，為避免脈沖干擾影響局部放電檢測精度，可直接剔除逆變模塊動作前后一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。串聯(lián)諧振系統(tǒng)諧振頻率需小于300 Hz，因此串聯(lián)諧振周期在3 ms以上，每個周期內(nèi)剔除數(shù)十微秒的數(shù)據(jù)不會對局部放電檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響[19]。

1.4 局部放電缺陷定位

采用時(shí)域反射法對局部放電缺陷位置進(jìn)行定位[20]，其定位原理如圖6所示。將已知長度為l0測試電纜的屏蔽層接地，線芯一端接測試設(shè)備，線芯另一端開路。當(dāng)距離測量端x處發(fā)生局部放電時(shí)，局部放電脈沖將沿電纜兩個相反的方向傳輸，其中一個脈沖在t0時(shí)刻到達(dá)測量端；另一個脈沖經(jīng)過電纜末端開路全反射后沿電纜向測量端繼續(xù)傳播，在t1時(shí)刻到達(dá)測量端[21]。利用式(6)可計(jì)算出局部放電缺陷與測量端的距離x：

(7)

式中：v為放電脈沖在電纜中的傳播速度；Δt為兩個脈沖到達(dá)電纜測量端時(shí)間差；l0為電纜長度。

圖6 時(shí)域反射法原理Fig.6 Diagram of time domain reflection

2 試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室中搭建試驗(yàn)電路，選取兩段8.7/10 kV的XLPE電纜，電纜型號為YJLV22-1×35 mm2，每段電纜長度為100 m，在兩段電纜接頭處設(shè)置針尖缺陷。為保證耐壓試驗(yàn)與電纜實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的等效性，諧振頻率應(yīng)在20～300 Hz范圍內(nèi)。對于長度為100～3000 m范圍內(nèi)的10 kV配網(wǎng)電纜系統(tǒng)，電纜的等效容值一般在20 nF～1.5 μF之間。選取電抗器電感值L=20 H，通過式(1)計(jì)算可得諧振頻率范圍為29～252 Hz滿足IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。變壓器變比為1∶ 8，容量為40 kV·A。

電纜所施加電壓與局部放電信號如圖7所示，可明顯觀察到在每個諧振周期中均存在脈沖干擾信號，經(jīng)過比對脈沖干擾信號與逆變模塊的輸出電壓可知，脈沖干擾是由逆變模塊半導(dǎo)體開關(guān)動作導(dǎo)致的開關(guān)噪聲。脈沖干擾詳細(xì)波形如圖8所示，易知脈沖波峰值在10 μs以內(nèi)衰減至10 mV以下。濾除逆變模塊動作10 μs時(shí)間段數(shù)據(jù)后的局部放電信號如圖9所示。

圖7 高壓波形與局部放電波形Fig.7 Diagram of voltage and PD

圖8 脈沖干擾波形Fig.8 Waveform of pulse noise

圖9 濾除干擾后的局部放電波形Fig.9 Diagram of pure PD

利用時(shí)域反射法在電纜測量端注入脈沖，通過測量注入脈沖反射波的到達(dá)時(shí)間，可計(jì)算得到被測電纜中脈沖信號的傳播速度。對于前文所述試驗(yàn)平臺，計(jì)算所得波速為165 m/μs。一次局部放電及其反射波的詳細(xì)波形如圖10所示，易知兩個脈沖到達(dá)測量端的時(shí)間差為1.24 μs，利用式(6)計(jì)算可得局部放電缺陷距離測量端97.7 m。

圖10 局部放電脈沖詳細(xì)波形Fig.10 Magnified detail of the PD pulse

利用前文所述的時(shí)域反射法對所有局部放電脈沖信號進(jìn)行依次定位分析，將其定位結(jié)果繪制散點(diǎn)圖如圖11所示，易知局部放電缺陷定位結(jié)果在距離測量端100 m處表現(xiàn)出集中性，這與試驗(yàn)中實(shí)際設(shè)置的缺陷位置相符合。

圖11 局部放電缺陷定位散點(diǎn)Fig.11 Diagram of PD location

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振設(shè)備只能進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，在電纜網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度不斷升級的今天，已不能滿足電力電纜絕緣狀態(tài)檢測的需要。本文基于傳統(tǒng)串聯(lián)諧振技術(shù)，結(jié)合等脈寬調(diào)制技術(shù)和時(shí)域開窗技術(shù)，對傳統(tǒng)的調(diào)頻式串聯(lián)諧振系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其在進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)局部放電檢測，并利用時(shí)域反射法實(shí)現(xiàn)了局部放電缺陷定位功能。