220 kV高压电缆局部放电信号传输特性研究

高压电缆的应用日益广泛，在电、热、机械、化学等多因素影响下，电缆会产生绝缘劣化、应力破坏等故障，威胁电力系统安全运行[1-2]。在电缆的各种类型故障的初期，因为电缆的整体或局部结构发生变化，引起电缆内部电场分布改变，当电场过大时会引发电缆内部的局部放电。局部放电的发生会加剧电缆故障的发生，同时也能对电缆状态起到预警作用[3-6]。研究发现电缆的电缆故障不同时，局部放电的特征也会不同，因此电缆局放检测法成为一种可靠的电缆状态监测方法。

因为电缆局放检测是基于局部放电信号的相位和放电量判断故障类型，局部放电信号沿电缆传播过程中的相位、波形和幅值的变化会影响电缆局放检测的可靠性，因此局部放电信号在电缆中的传播特性不容忽略。在20世纪60年代，文献[7]就注意到电缆长度对局部放电测量的影响。文献[8-9]通过试验研究与分析发现了高频局部放电信号在传输过程中容易出现衰减情况，并且局放脉冲会随传播距离的增长而严重衰减。文献[10]搭建了交叉互联接地电缆实验系统，分析了局部放电信号在实际交叉互联电缆系统中的传播特性。

本文基于Matlab∕Simulink仿真软件搭建220 kV高压电缆局放仿真模型，分别研究了电缆长度、局部放电信号频率和对电缆型号局部放电信号传输特性的影响。

1 高压电缆局放仿真模型

1.1 局放信号模型的选择

高压电缆发生故障时，局部放电信号为窄的脉冲信号，其主要的特点是上升沿比较陡峭，并且包含大量的高频信号，其频率主要分布在1 kHz～100 MHz频带内。

国内外研究人员的大量实验研究，发现高压电缆中的局部放电信号波形特征可分为指数衰减型和指数振荡衰减型两类，当高频脉冲信号传输到电缆两侧时，局部放电信号幅值和波形都会出现衰减。因此，描述高压电缆局部放电信号的数学模型有四种，分别为单指数衰减模型、双指数衰减模型、单指数振荡衰减模型、双指数振荡衰减模型[11]。虽然前两个数学模型接近真实的信号波形，但是它们很难被检测到，在实际电缆系统中，测量到的信号常常是振荡的。因此双指数震荡衰减模型通常用于模拟局部放电信号[11]，信号波形如图1所示，公式为

式中：A为局部放电信号幅值；τ为信号衰减系数；fc为信号振荡频率；t为时间。

图1 局部放电信号的双指数震荡衰减模型
Fig.1 Double exponential oscillation attenuation model of partial discharge signal

1.2 220 kV高压电缆模型

目前普遍采用的高压电缆仿真软件为ATP∕EMTP、PSCAD、Matlab∕Simlink，这三种软件的结果具有一致性。本文选用Simulink中的Distributed parameters line模块作为线路仿真模型，该模型把电缆简化成外护套、绝缘层和导体三部分如图2所示，电缆分布参数模型如图3所示。通过改变分布参数包括单位长度的电阻R0、电感L0、电容C0和漏电导G0，实现电缆的型号的选择。

图2 电缆等效模型
Fig.2 Equivalent model of cable

图3 电缆分布参数模型
Fig.3 Cable distributed parameter model

式中：D1为电缆外径（电缆绝缘层的直径）；D2为电缆内径（电缆导体直径）；ε为材料相对介电常数；ε0为真空介电常数；μ0为磁导率；L1、L2分别为内部电感和外部电感；ρ为金属线芯的电阻率；α为导体电阻的温度系数；k为导体加工过程中引起电阻率增加的系数，约为1；θ为导体温度。

1.3 电缆传输模型

图4 仿真模型
Fig.4 Simulation model

以Simulink为基础搭建高压电缆局部放电信号仿真模型，如图4所示。仿真模型包括信号源、电缆和示波器。信号源由时钟信号、函数模块和受控电压源模块组成，通过改变信号源的函数改变局部放电信号。通过计算电缆的参数，改变电缆参数设置模块的参数，实现电缆的设置，从电缆的一端注入局部放电信号，观察从电缆的另一端传输的信号波形，并与原始局部放电信号波形进行比较，仿真运行结果如图5所示，可以发现局部放电信号出现了衰减[12-14]。

图5 仿真结果
Fig.5 Simulation results

2 结果分析

2.1 局部放电信号传输特性影响参数

对于均匀传输线其传输特性可以表示为

式中：Zc为波阻抗；γ为传播常数；ω为信号角频率。根据线路的传输规律得到的信号传播公式为

可见电缆局部放电信号的传播会受到电缆长度、电缆型号和局部放电信号频率影响，并且信号幅值近似呈指数关系[15]。

2.2 电缆长度对局部放电信号传输特性的影响

当电缆长度不同时，局部放电信号幅值会发生变化，如图6所示。经过在电缆中传播后，局部放电信号的幅值将会减小，电缆长度越长，局部放电信号的幅值衰减变得更加严重，并且局部放电信号的衰减与电缆长度的增加呈指数相关性。因为随着长度的增加，电阻、电感、电容都会变大，信号传输的波阻抗和传播常数也会变大，影响局放信号的幅值。

图6 局部放电信号幅值随长度变化情况
Fig.6 Variation in partial discharge signal amplitude with cable length

不同长度电缆局部放电信号的波形如图7所示。由图可见，电缆长度变化会影响局部放电信号的相位，电缆长度越长，局部放电信号的延迟逐渐增加，当局部放电信号到达0.5 km时，局部放电信号甚至发生了畸变，说明电缆长度增加会引起局部放电信号的相位变化，阻碍局部放电信号的传输。因为电缆长度增加引起了传输常数虚部增大，引起相位偏移。

图7 不同长度电缆局部放电信号波形
Fig.7 Partial discharge signal waveforms of cables with different lengths

2.3 电缆型号对局部放电信号传输特性的影响

以220 kV YJLW-03型号电缆为模型[16-17]，分析电缆标称截面不同时局部放电信号的变化情况，电缆的参数如表1所示。当电缆标称截面不同时，局部放电信号幅值变化如图8所示，由图可见，随着电缆截面面积的增大，局部放电信号幅值逐渐增大，并呈指数增长趋势，这是由于随着电缆截面面积的增大，电缆等效电阻和等效电感逐渐减小，等效电容逐渐增大，会使线路的衰减常数变小，对局部放电信号的阻碍作用减小。

表1 电缆参数
Tab.1 Cable parameters

图8 局部放电信号幅值随电缆标称截面变化
Fig.8 Variation in partial discharge signal amplitude with nominal cable section

不同标称截面电缆的局部放电信号波形如图9所示。随着电缆标称截面的增加，局部放电信号的波形几乎没有变化，说明电缆标称截面对局部放电信号传输的相位几乎没有影响。

图9 不同电缆标称截面局部放电信号波形
Fig.9 Partial discharge signal waveforms with different nominal cable sections

2.4 局部放电信号频率对传输特性的影响

当局部放电信号的频率不同时，局部放电信号幅值变化情况如图10所示。由图知，电缆局部放电信号频率越大，局部放电信号的幅值越小，其衰减程度逐渐增大，并且频率增加会引起局部放电信号幅值指数衰减。这是因为局放信号频率会影响传播常数，高频的信号在电缆中传输容易受到阻碍。

图10 局部放电信号幅值随局部放电信号频率变化
Fig.10 Variation in partial discharge signal amplitude with partial discharge signal frequency

具有不同频率的局部放电信号波形如图11所示。局部放电信号频率越大，传输后的局部放电信号波形越窄，并且高频局部放电信号会出现一定程度的畸变，可见局部放电信号的频率会影响局部放电信号的传输。

图11 不同信号频率电缆局部放电信号波形
Fig.11 Partial discharge signal waveforms of cables at different signal frequencies

由上述分析发现，局部放电信号传输易受电缆长度和信号频率的影响，局部放电信号幅值随电缆长度和信号频率变化如图12所示。由图知，电缆长度和信号频率越小，局部放电信号的幅值越大，因此对于局放检测要考虑电缆的长度和信号频率，来保证局放检测的准确性。

图12 局部放电信号幅值随局部放电信号频率和电缆长度变化
Fig.12 Variation in partial discharge signal amplitude with partial discharge signal frequency and cable length

3 结论

本文建模并分析了220 kV高压电缆局部放电信号的传输特性，主要结论如下：

（1）电缆长度增加会导致电缆局部放电信号幅值以指数形式衰减，局部放电信号的传输随电缆长度增加延迟增大，当电缆过长时局部放电信号会发生畸变；

（2）电缆局部放电信号幅值随电缆标称截面增加呈指数增长规律，电缆标称截面对局部放电信号的波形几乎没有影响；

（3）电缆局部放电信号幅值随局部放电信号频率的增加呈指数减小趋势，局部放电信号的波形容易受局部放电信号频率的影响；

（4）局放检测时要考虑电缆的长度和信号频率，来保证局放检测的准确性。