电缆附件局放内置传感器与超高频检测的研究

论文摘要

局部放电(Partial Discharge)是电缆附件绝缘故障早期的主要表现形式,它既是引起电缆附件绝缘劣化的主要原因之一,又是表征电缆附件绝缘状况的主要特征量。深入开展对电缆附件绝缘PD的在线检测与故障诊断研究能够及时准确地判断电缆附件内部绝缘状态,对于防止电缆线路事故的发生,以及保障电力系统安全稳定运行都有着重大意义。本文从PD的超高频(Ultra High Frequency)检测角度出发,依据110kV高压交联聚乙烯(XLPE)电缆附件结构及运行特点,结合微波与天线理论、电气测量技术和电磁场分析理论,开展了对电缆附件PD超高频检测技术的研究与分析。主要研究工作内容如下:推导计算多层复合介质的同轴线模式特征方程,结合同轴电力电缆多层复合介质波导结构特点,理论分析电缆PD辐射电磁波信号在其内传播存在的波型场结构及其特点,阐述了半导电层对其传播的影响;利用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain)构建电缆及附件数值仿真模型,研究超高频电磁波在附件及本体中分布规律、衰减特性及影响其内部PD超高频电磁波信号检测的各种因素。此外,通过引入电缆的半导电层权重比的传输线模型,分析计算了PD脉冲在电缆中不同距离下的衰减谱特性,为高频PD传感器的选频提供理论依据。研制了适用于电缆附件PD监测的宽频带内置圆环型电容传感器和小型化的螺旋加载短路探针天线内置传感器,对所研制的内置传感器特性进行分析。检测表明:内置电容传感器特性优异,能耦合ns级暂态脉冲信号,其有效检测频带达500MHz,在实验室检测灵敏度为4~6pC,而天线传感器驻波比小于3的带宽约为353MHz~380MHz,为电缆附件PD超高频检测奠定了基础。根据110kV电缆附件典型缺陷类型的特征以及绝缘放电的形式和特点,设计了4种典型模拟PD缺陷物理模型,利用电流传感器、电容传感器,天线传感器,通过高速PD数字采集系统得到了这4种绝缘缺陷产生的PD大量样本,获取4种典型放电缺陷的单次放电信号并构建出了PD的? ? q ? n谱图,研究了这4种缺陷下的不同放电特征,并对上述三种检测方法进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 XLPE 电缆附件PD 检测的目的和意义
• 1.1.1 XLPE 电缆附件绝缘故障原因及PD 的产生
• 1.1.2 XLPE 电缆附件PD 检测的目的和意义
• 1.2 XLPE 电缆及附件PD 检测的研究现状
• 1.2.1 非电气测试法
• 1.2.2 电气测试法
• 1.3 电缆PD 超高频法检测的研究现状
• 1.3.1 电缆PD 电磁波传播特性研究现状
• 1.3.2 电缆附件PD 超高频检测研究现状
• 1.4 本论文主要研究内容
• 2 电缆PD 超高频电磁波信号的传播特性分析
• 2.1 电缆PD 电磁波传播的理论分析
• 2.1.1 多层复合介质的同轴线模式特征方程
• 2.1.2 电缆同轴波导内传输电磁波的波型
• 2.1.3 电缆复合介质层对电磁波的影响
• 2.2 时域有限差分法
• 2.2.1 时域有限差分法原理
• 2.2.2 数值稳定性和时间步长
• 2.3 电缆附件的FDTD 仿真模型
• 2.3.1 电缆仿真模型的建立
• 2.3.2 局放激励源的设置
• 2.3.3 网格剖分和边界条件
• 2.4 电缆FDTD 仿真结果分析
• 2.4.1 电磁波型分析及角度对UHF 信号的影响
• 2.4.2 接头内外不同距离对UHF 信号的影响
• 2.4.3 不同脉冲陡度对UHF 信号的影响
• 2.5 本章小结
• 3 电缆附件PD 内置传感器检测系统
• 3.1 内置电容耦合传感器
• 3.1.1 传感器结构和性能分析
• 3.1.2 传感器性能测试
• 3.1.3 传感器放电量的校核
• 3.2 内置超高频天线传感器
• 3.2.1 天线结构与设计原理分析
• 3.2.2 天线的仿真与测试分析
• 3.3 超高频滤波放大单元
• 3.4 110KV 电缆附件PD 内置传感器系统及实测
• 3.5 本章小结
• 4 电缆附件PD 检测的实验研究
• 4.1 典型放电物理模型及PD 测量
• 4.1.1 典型放电模型的构造
• 4.1.2 电缆附件PD 试验步骤
• 4.2 电缆附件PD 试验结果及分析
• 4.2.1 PD 脉冲传播衰减谱特性测量分析
• 4.2.2 不同缺陷的PD 波形和三维谱图分析
• 4.2.3 三种电缆附件局放检测方法的对比
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士期间发表的论文
• B. 作者在攻读硕士期间参与的科研项目