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湖南大学硕士学位论文XLPE电缆局放在线检测的研究姓名：何树林申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李德化20050101摘要XLPE电缆是电力系统中主要的输送电设备。局部放电是造成电力电缆绝缘层破坏的主要原因。对XLPE电力电缆绝缘层的局部放电进行检测是及时发现故障隐患，预测运行寿命，保障电力电缆安全可靠运行的重要手段。本论文主要研究了XLPE电缆局部放电在线监测系统的设计和现场干扰噪声的消除两个部分，运用了信息科学中现代数字信号处理和计算机科学中的微机控制等多项技术。论文首先分析XLPE电缆局部放电的研究现状、技术背景、特点及应用，为在线监测系统的开发提供技术基础。其次提出了电缆局部放电在线监测系统的完整逻辑框架设计、功能模块的实现原理及应用模式，重点设计了宽频电流耦合器、放大电路以及数据采集模块；然后对电缆局部放电检测中的各种干扰噪声进行了分析，针对不同的干扰采取了不同的抗干扰措施，采用基于级联二阶IIR陷波滤波器抑制周期性窄带干扰；运用小波变换方法抑制白噪声干扰，通过大量的仿真实验以检验其滤波效果，选取了合适的小波阈值，滤波性能有了明显的改善。最后将几种抗干扰方法合理组合，建立局放信号抗干扰结构化模型。通过仿真试验和现场数据处理表明：本文提出的结构化模型适用于现场复杂条件下的干扰抑制。关键词：电缆；局部放电；信号处理；小波变换ABSTRACTXLPEcableistheprimarytransportationequipmentinelectricpowersystemandPartialdischarge(PD)isthemaincaasewhichdestroyelectricpower’Scableinsulatedlayer,On—linemeasurementoftheXLPEcableinsulatedlayer’SPartialdischargeisimportantmethodtodetecthiddentrouble，forecastequipmentlongevityandensureelectricpowercablerunonthesafeside．ThisdissertationmainlyresearchondesignXLPEcableon-linemeasurementsystemandeliminatelocaleinterferencenoises．Themodemdigitalsignalprocessininformationscienceandmicro—computercontrolincomputerscienceareadoptedinthedissertation．Firstly,inordertogaintechnologyfoundationontheon-linemeasurementsystem，theresearchstatusquo，technologybackground，characteristicandapplicationsofXLPEcable’SPDareanalyzed．Secondly，logicalframeworkofthecable’SPDon—linemeasurementsystem，realization’Stheoryoffunctionmoduleand印plicationpatternisproposed．Widefrequencybandwidthelectromagneticcouplingtransducer,amplifiercircuitanddatagatheringmodulearemainlydesignedinthedissertation．Thirdly,basedonanalyzingvarietyofinterferencenoiseindetectionofcable’SPD，differentanti·interferencemeasurementareadoptedaimatdifferentinterference．Thecascade2ndorderIIRlatticenotchfilterisadoptedtorestrainperiodicalnalTOW—bandinterferenceandthewavelettransformisadoptedtorestrainwhitenoise．Lotsofsimulationexperimentsaredonetoveri母filteringeffectofdifferentmethods．Performanceoffiltergaindistinctimprovementbyselectappropriatewaveletcoe师cient．Lastly,structuralmodelisestablishedbyreasonablycombiningseveralmeasurementofanti—interference．Simulationexperimentandlocaledataprocessindicatethatstructuralmodelproposedinthedissertationisapplicableforinterferencerestrainincomplexlocalecondition．KeyWords：Cable；PartialDischarge；SignalProcessing；WaveletTransform¨第1章绪论1．1XLPE电力电缆在线检测现状和研究局部放电检测的必要性1．1．1电力系统在线检测发展概况电力行业是基础产业，一旦发生故障，影响国民经济生产和人民生活，小则引起用户长时间停电，严重时可能引起发电、输电设备损坏，如果电厂发电机、变压器、导管、互感器、避雷器等出现故障，影响发电厂的正常运行和供电，甚至使整个电网瘫痪，从而影响系统的稳定与设备安全。电力设备故障给电力企业带来的经济损失是下可忽视的，一方面造成售电量减少，另一方面，故障后的维修要投入大量的人力、物力、财力。其次还给相关行业带来经济损失，如影响企业生产、居民生活，以及影响交通、信息等行业的正常运转。因此研究一种实用的电气设备绝缘在线监测系统，使得我们能及时发现潜伏隐患，掌握设备的运行状态及有效使用寿命，以便采取相应的措施，实现有计划、合理地进行检修，可以减少因突发故障而造成的损失，达到提高供电可靠性的目的“’。⋯。为了提高电力系统运行的可靠性，提高电力行业经济效益，为国民经济的发展服好务，国内外投入了大量的精力开发研究电力系统在线监测技术。同本在这方面做得比较好，己经在许多方面取得了巨大成绩，发表了大量的有关在线检测技术的论文，并且已经将这一技术运用到生产突践，取得了良好的技术和经济效益。国内在线检测技术的研究主要集中在高校和几个电力实验研究所，如西安交通大学、重庆大学、清华大学、上海交通大学、武汉高电压研究所、上海电缆研究所等。1．1．2XLPE电缆在线检测现状XLPE电力电缆由于其自身的优点，已经在电力行业得到空前的应用发展，成为电力安装和使用部门的新宠，其用量『F在不断增长。电缆的使用，一方面推动了我国电力事业的发展，解决了架空线路无法解决的技术难点；另一方面，XLPE电缆在敷设中，难免会损伤护层，电缆头制作时对护层、接地线、屏蔽线的处理不当，运行中受潮或者受腐蚀而产生水树(由一系列的沿电场方向排列的含水微孔构成)，以及电缆因运行环境周围的建筑施工，人车流量的影响而造成随机破坏等原因，使得电缆在运行中出现故障，甚至导致电缆本身或其附件的击穿。一旦出现电缆击穿事故，将会造成停电事故，影响人民生活，国民生产，对国家、企业、个人造成损失。为了避免这些事故的发生，各电缆及其附件生产企业除了要严格把好J“：品质量关外，文￡要配合产品使用部门以及科研部门搞好电缆的检测措施，提高电缆运行的可靠性。长期以来，对电7i设备采用定期试验维修的方法，这种离线试验方法在过去为电力事业作出了重要的贡献，但我们也时常碰到，经过试验维修，合格的设备投入生产后不久就出现事故，电缆作为一种特殊的设备，在试验时使用直流酬压试验等方法，本身就会对其造成损伤，加快了电缆的老化，影响电缆的绝缘特性，虽然直流耐压试验仍然是一种有效的发现故障的方法，但我们⋯直在不停的寻求新的试验方法。在线检测技术的发展，为电缆的检测提供了新的思路。目前，XLPE电力电缆的在线检测技术主要有直流分量法、直流叠加法、辔占法、超低频(0，11tz)叠加法。1．直流分量法直流分量法以水树效应引起的nA级的直流电流为老化判据，蹦于榆测运行中电缆的水树状劣化，能反映电缆绝缘劣化的绝对量。因为大量实验数据表明：该方法对电缆水树枝长度、直流泄漏分量、交流击穿电压等绝缘特性有较好的相关性，对发现集中性缺陷，该方法很好。该方法已经使嗣于在线检测，在使用时，要排除护套电阻和外屏蔽地电势引起的杂散电流的影响，因为测量的电流很小，所以在抗干扰方面要求较高。2．赢流叠加法直流叠加法测量电缆的直流绝缘电阻值，能反映劣化的绝对量。但是由于在直流电压下绝缘层水树会呈现出“极性效应”，电缆绝缘的正反向绝缘电阻不同，为此有人提出了“改进直流叠加法”。该方法应用比较广泛，但绝缘电阻与电缆的寿命的相关性并不好，护套电阻和屏蔽地电势引起的杂散电流对测量有影响，但比对直流成分法的影响小。使用时常常在GPT处叠加低压直流，监测出绝缘电阻，宜用于在线监测。直流分量法和直流叠加法是以测量电缆绝缘电阻来反映电缆的绝缘情况，用于检测运行中电缆的水树状劣化，能反映电缆绝缘劣化的绝对量。这利t方法原理较简单，也易于实现，对电缆水树枝长度、直流泄漏分量、交流击穿电压等绝缘特性比较灵敏，有效检测集中性缺陷。：3．t96法辔d法即测量绝缘介质损耗角『F切值，与电容型设备绝缘的瑶万测量相似。这一方法应用较多，能够在运行电压F监测电缆绝缘的劣化，但只反映普遍性的缺陷，不能反映局部放电量，更不能反映具体的缺陷部位，个别局部缺陷不会引起整根电缆t98的显著变化，对局部缺陷无法反映，精度比较低。4．超低频(0．1Hz)强加法低频叠加法由于叠加电压较低，不会对绝缘造成损伤，低频叠加电压的响应电流出现峰值的原因¨_『能与水树枝含水微孔中的离子电离及复合过程有关，浚方法具有较高的灵敏度，不存在空问电荷产生的干扰，原理类似与于直流叠加法，只是叠加低频信号的结果和叠加直流信号的结果有所不同。1．1．3局部放电检测法以上几种方法是以电缆的绝缘电阻、泄漏电流或者介质损耗为测量对象，据此判断绝缘状况。和其他设备一样，XLPE电缆的许多故障实际上是由于局部放电引起的，但XLPE电缆发生局部放电时，其绝缘电阻、泄漏电流和介质损耗往往不会发生改变，因此，这些方法XLPE电缆的局部放电是无法检测的。局部放电是绝缘介质内部发生的局部的重复击穿和熄灭现象。这种放电发生在绝缘的局部缺陷处，放电量很小，在局放发生的初期是不会影响绝缘能力的，但是设备在电压作用下长期发生局部放电会慢慢损坏绝缘，缩短绝缘的使用寿命。绝缘发生在局部放电时一般伴随一些如电脉冲、电磁波放射、光、热、声、噪音等现象，这些伴随局放存在的现象为局放的检测提供了依据。根据检测量的不同，测量局放的方法有：脉冲电流检测法、超声波法、行波法。局部放电检测法不但能检测出缺陷处发生的局部放电，并可测出缺陷的具体部分，是一种很好的在线监测方法，但是，由于局部放电信号很微弱，而干扰信号又比较多，有的干扰信号比需要的局放信号还强，甚至超过其很多倍，所以该方法需要对干扰信号进行有效的处理。对XLPE电力电缆绝缘的检测，国际上一致摒弃进行传统的直流耐压试验。替代的试验方法有工频高压试验法、超低频法(VLF)和衰减振荡电压法。工频高压试验虽能很好的反应绝缘缺陷，但对试验设备的容量要求很高；而后两种方法发现绝缘缺陷的有效性却不如工频高压试验。由于测量局部放电(PD)是发现绝缘早期故障的最有效的方法之一，因此在没有高