基于寬頻阻抗譜的電纜局部缺陷診斷方法研究.pdf

1、電纜在現(xiàn)代大型電氣系統(tǒng)的電能及通訊信號(hào)傳輸中起著極其重要的作用。運(yùn)行中的電纜易發(fā)生永久性故障，電纜故障一旦發(fā)生，將導(dǎo)致大型電氣系統(tǒng)停運(yùn)甚至失控，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。電纜永久性故障的發(fā)生往往開始于局部潛伏性缺陷，電纜局部潛伏性缺陷主要包括：電纜由于局部高溫、高濕、局部放電甚至核輻射而發(fā)生的局部老化，以及電纜由于機(jī)械外力而發(fā)生的局部破損。電纜局部缺陷若得不到及時(shí)有效的排除，將對(duì)大型電氣系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，實(shí)現(xiàn)電

2、纜局部潛伏性缺陷的診斷具有重要意義。
　　現(xiàn)有電纜運(yùn)行狀態(tài)診斷慣用方法在電纜整體運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估以及永久性故障定位方面取得一定成果，但無法診斷電纜局部潛伏性缺陷。電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是電纜局部缺陷診斷的一種方法，但電纜局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)存在放電信號(hào)檢測(cè)難度高，信號(hào)傳播及衰變特性不明確等局限。因此，研究和開發(fā)新的電纜局部缺陷診斷方法具有重要意義。
　　近年來，國(guó)外部分學(xué)者開始研究利用電纜寬頻阻抗譜實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷診斷，其基本原理

3、是：利用阻抗譜分析儀測(cè)量電纜首端輸入阻抗隨頻率變化的曲線（寬頻阻抗譜），當(dāng)頻率足夠高時(shí)，阻抗譜主要與電纜本身特性相關(guān)，通過阻抗譜數(shù)據(jù)分析提取出電纜運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷診斷。電纜阻抗譜數(shù)據(jù)容易測(cè)量，但如何從阻抗譜數(shù)據(jù)中分析和提取出局部缺陷的特征量（缺陷位置、缺陷嚴(yán)重程度）是一個(gè)難題。國(guó)外阻抗譜數(shù)據(jù)分析方法主要有LIRA方法和IFFT方法。LIRA方法和IFFT方法在利用阻抗譜實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷診斷方面取得一定的成果，但相關(guān)

4、研究處于起步階段，系統(tǒng)化的理論尚未形成，從所報(bào)道的結(jié)果來看 LIRA方法和IFFT方法尚不能可靠的實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷定位與缺陷狀態(tài)評(píng)估，且相關(guān)技術(shù)處于保密階段。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)技術(shù)研究仍處于空白。
　　本文針對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究的不足，研究了基于寬頻阻抗譜的電纜局部缺陷診斷方法。研究了電纜寬頻阻抗特性，研究了電纜局部缺陷對(duì)阻抗譜的影響機(jī)理及程度，提出了有效的電纜阻抗譜數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷可靠定位及缺陷狀態(tài)評(píng)估，并采用仿真及試驗(yàn)對(duì)該

5、方法進(jìn)行了驗(yàn)證，取得的主要成果有：
　　1．研究了電纜寬頻阻抗譜的特性，分析了寬頻阻抗譜與電纜電氣參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，為寬頻阻抗譜技術(shù)在電纜運(yùn)行狀態(tài)診斷中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。同時(shí)，研究了電纜寬頻阻抗測(cè)量技術(shù)，選取了適合電纜寬頻阻抗測(cè)量的方法及儀器。研究表明，頻率足夠高時(shí)，電纜阻抗譜具有周期性、迅變性及衰減性三大特性，這三大特性主要由電纜本身傳播系數(shù)所決定。阻抗幅值頻譜的極大值附近，以及阻抗相位頻譜的過零點(diǎn)附近，阻抗的變化十分迅速，這類點(diǎn)

6、能夠十分敏感的反映電纜的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的變化，因此可以利用寬頻阻抗譜獲取電纜運(yùn)行狀態(tài)信息。為滿足各類電纜的阻抗譜測(cè)量要求，電纜阻抗譜測(cè)量?jī)x器頻率上限應(yīng)達(dá)到5.5MHz以上。
　　2．研究了電纜局部缺陷對(duì)阻抗譜的影響機(jī)理及影響程度，為寬頻阻抗譜技術(shù)在電纜局部缺陷診斷中的應(yīng)用提供理論支撐。提出了含局部缺陷的電纜阻抗譜計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)含多處局部缺陷段的電纜首端阻抗譜計(jì)算，明確了電纜局部缺陷與首端阻抗譜的函數(shù)關(guān)系。研究表明，電纜出現(xiàn)局部缺陷后

7、，將導(dǎo)致缺陷處傳播系數(shù)發(fā)生變化，傳輸信號(hào)在缺陷處發(fā)生折反射，使得電纜首端阻抗譜變?yōu)榫植咳毕萏幪卣髯杩?、傳播系?shù)及缺陷位置的函數(shù)。電纜出現(xiàn)1％總長(zhǎng)度輕度老化段后，部分頻率點(diǎn)處阻抗幅值變化比率超過40%，而部分頻率點(diǎn)處阻抗相位變化比率超過老化前的500%。因此，電纜局部缺陷的出現(xiàn)會(huì)對(duì)首端寬頻阻抗譜造成十分顯著的影響，可以利用寬頻阻抗譜進(jìn)行電纜局部缺陷診斷。
　　3．提出了電纜阻抗譜數(shù)據(jù)分析方法，從電纜首端阻抗譜中有效提取出局部缺陷的特

8、征參量，實(shí)現(xiàn)局部缺陷的定位與缺陷狀態(tài)評(píng)估。提出了基于積分變換分析法的電纜局部缺陷定位方法，實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷的定位；提出了基于粒子群算法的電纜局部缺陷狀態(tài)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)電纜局部缺陷嚴(yán)重程度的評(píng)估，利用仿真驗(yàn)證了局部缺陷定位及缺陷狀態(tài)評(píng)估方法的有效性。研究表明，長(zhǎng)度為3.5km的電纜出現(xiàn)5cm的局部缺陷段可采用本文提出的積分變換方法可靠定位，通過選取阻抗譜頻率范圍可改善定位效果，末端負(fù)載大小對(duì)定位效果的影響可以忽略不計(jì)。積分變換方法所得診斷

9、圖中不存在可導(dǎo)致誤判的信息，診斷結(jié)果優(yōu)于 LIRA方法及 IFFT方法。通過粒子群方法可有效獲取電纜局部缺陷特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)局部老化段介電損耗值以及局部破損段幾何破損系數(shù)的計(jì)算，從而評(píng)估電纜局部缺陷的嚴(yán)重程度。電纜出現(xiàn)多處缺陷時(shí)，各處缺陷對(duì)診斷結(jié)果的影響相互獨(dú)立，因此本文所提出的方法能有效實(shí)現(xiàn)多處缺陷的診斷。
　　4．研究了實(shí)際電纜初始特征參數(shù)的獲取方法，為電纜運(yùn)行狀態(tài)診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展了實(shí)際電纜局部老化診斷試驗(yàn)、局部破損診斷試