局部放电信号在地埋电缆中的特性分析

刘天璇

摘要：随着高压电力系统的发展，XLPE材质的地埋电缆得到广泛应用。电缆局部放电信号信息丰富，如何提取有用的信息进行检测，需要对局部放电信号在电缆中的特性进行分析。为查找电缆中参数和特性的关系，文章首先对电缆传播特性的原理进行阐述并提出假设；其次，使用PSCAD作为模拟软件，选择合适的模式搭建仿真模型；再次，向电缆中注入一个由多频率正弦信号组成的方波脉冲信号，观察分析相关参数变化情况；最后，验证信号传播与电缆长度关系的结论。关键词：XLPE电缆：局部放电信号；方波脉冲信号；信号传输；模拟仿真

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是世界经济发展战略的重中之重。交联聚乙烯（Cross-LinkedPolyethylene，XLPE）電力电缆已经成为电力输送的主要设备，其绝缘问题日益显著，如果电缆铺设的环境较为恶劣以及电缆本身的局部缺陷都将大大影响电缆寿命，致使电缆绝缘老化，线路故障频发。电力电缆的寿命主要由其绝缘性能决定，电缆的绝缘老化最主要是由局部放电引起，因此，通过检测在线电缆的局部放电隋况，即可得出电缆的绝缘情况。

由于地埋电缆局部放电信号信息丰富，本文通过构建仿真模型对局部放电信号的研究，得到相关特征参数，并从中提取有效信息，分析局放信号的特征来检测电缆绝缘情况。1 原理简述

由于电缆局部放电信号的丰富信息，通过分析局部放电信号的参数，本文假设线路较长，信号波长与线段长度比较短，用电缆的分布参数模型进行分析[1-5]，如图l所示。

图中，L0代表单位长度电缆的电感，R0代表单位长度电缆的电阻，C0代表单位长度电缆的对地电容，G0代表单位长度电缆的电导。其中： 综上，新的二次参数特性阻抗z：（均匀传输线上任一点的电压和电流之间的关系）为

阻抗是复数，因此，电压和电流的绝对值的比率决定了其相对值。电压和电流之间的相位差确定其振幅的大小，因此，各自的特征参数表示如下：

由公式可知，Zc代表幅值，φc表示幅角。Zc反映电缆上的部分特性。在一般计算中，脉冲信号的基本信息用传输常数γ来描述。在γ中包含两个常数，分别是固有衰耗常数。，固有相移常数β0α反映了匹配连接线路中能量损耗的传输规律，β反映了信号传播过程中发生的相位变化。

因此，线路的传输规律表示如下，l表示电缆的长度。

由此分析得出：（1）。增大，信号的衰减变大。（2）在？小于l的情况下，局部放电信号的衰减会有一定的规律。衰减程度和电缆的长度有关系，线路越长，衰减的情况就更加明显，信号的相位移动也就更加严重。

2 仿真建模及结果分析

2.1仿真建模

PSCAD作为模拟仿真的常用软件，有广阔的应用空间。本次模拟亦使用PSCAD软件，该软件具有很多模型，如Bergeron模式、Frequency Dependent （Phase）模式和Frequency Dependent （Mode）模式。根据己知的Bergeron模式，集中参数是电阻模型，只能在基波条件下使用，其他R、L、c中的2种模型由参数的分布确定，然后在高次谐波情况下，考虑使用2种模型。由于设计可以按照需求自主选择模型，其参数也可做相应的调整。综合比对FrequencyDependent （Phase）模式的仿真结论最为精准。正因为如此，选择该模型进行分析[6-9]。 本文将电缆简化为导体层、绝缘层和外皮的基本模型。采用相应参数，选取长度为500 m的国标电缆，电缆的半径为22 mm，绝缘半径为39.5 mm，表皮的半径是44 mm。 模型的结构简图如图2所示。同样，本文也通过测量常用的电缆给出相应的参数，如表1所示。

2.2仿真结果及分析判断

电缆的长度为500 m，设电缆的缺陷位置为c点，距离B端150m，距A端350m，给予一个上升沿为300 ns的脉冲信号在C点予以注入，在电缆的两端进行监测，搭建的电路如图3所示。 在线路两端的仿真结果如图4-5所示。横坐标为时间，纵坐标为幅值。

为了研究局部放电脉冲的高频部分的信号传播特性，利用图3的仿真电路图，将电缆改为无损伤的电缆，从B点注入脉冲，得到的仿真图形如图6-9所示。

由图7和图9可看出，第一个脉冲和第二个脉冲的幅值具体衰减过程[10]。First pulse在110 MHz左右达到了频谱最大值，Second pulse的频谱峰值在25 MHz左右，通过对图6-图9的对比，我们可以得到，局放信号在传播过程中，频率越高的部分，衰减的越快[11]。

为了进一步验证该结论，分别选取500 m、1000 m、2000 m、5000 m的4根电缆在A端注入脉冲，B端测量，测

由图10可以看出，电缆长度的增加，反射波的时间也会延长，即电缆越长，反射所需时间越久[12]。 随着电缆的长度增加，脉冲的相应特性也有变换，脉冲的幅值衰减和宽度变化情况如图11-12所示。

由图11、12可以明显得出，脉冲电压幅值与脉冲宽度与电缆长度成反比[13]。在实际电缆传输环境中，电缆长度比上述测试模型中还要长，因此，高频衰减也更严重。对于长电缆，选择低带宽的测量系统来对首脉冲和第二个脉冲进行识别，这样使得能够有足够的分辨率来对信号进行识别，由此可以看出，整个检测系统的带宽选择对电缆的局部放电现象判别极其重要。

3 结语

本文通过对电缆信号传播的理论分析，完成了电缆中局部放电模型的搭建，并根据电缆长度的改变观察信号传播的变化。

对于较短的电缆，信号中的高频分量与低频分量相比，能更快地到达线路终端，信号损失较少，信号失真情况也较轻；在较长的电缆中，由于高频信号到达线路终端时己基本消失，信号损失较多，只剩下了低频信号，信号失真也较为严重。

综上，局部放电信号在电缆中的高频衰减情况应结合实际，根据选择合适的带宽来克服这种情况。

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