电流谐波法在电力电缆状态检测诊断的应用研究

电流谐波法在电力电缆状态检测诊断的应用研究

邹林宏1，陈瑞麒1，李沛仁1

（1. 深圳供电有限公司龙华供电局，深圳 518000）

Research Process in Applications of Current Harmonic Analysis to Condition Monitoring and Diagnosis of Power Cable

摘要：电力电缆的谐波检测诊断方法作为一种新兴的电力电缆在线检测诊断技术，对提升电力电缆检测诊断可靠性具有重要的理论意义与应用价值。本文系统分析了电力电缆谐波电流分析、特征提取技术、电缆劣化关键影响要素、电缆劣化机理等。以期对电缆谐波诊断技术的发展状况有一个全方位的认识，为其进一步发展提供参考。

关键词：电力电缆；状态检测诊断；电流谐波法；绝缘老化；可靠性

0．引言

随着我国经济的快速发展，供电量需求不断提升，对电力设备的运行可靠性要求越来越高[1]。但是，由于电力设备更新换代周期较长导致更新换代的速度跟不上对运行可靠性的增长需求，且随着投运年限的增加，电网负荷还在随之增加。因此，电力设备面临的高可靠性挑战越来越严峻。

电力电缆具有供电可靠性高、受外界因素影响小、占地少、美化城市面貌等优点，随着城市电网的快速发展，电缆的应用越来越广泛。然而，随着投运时间的推移，由于受到热、电、机械、环境等应力因素的不断影响，电缆会出现绝缘性能、电气性能和机械性能下降等问题[2-3]。因此，通过在线检测及诊断技术实时评估电缆的老化状态及老化程度，可以有效避免电缆事故的发生，有利于提高配电网的运行可靠性[4-5]。

而当前常规检测手段难以对带电运行中的电缆进行绝缘劣化分析及寿命预测，大多数绝缘劣化分析及寿命预测是在实验室中完成。同时电缆寿命的预测模式也比较单一，不具有概括性和可持续发展性，难以模拟出实际情况下电缆的真实情况。

本文在电缆线路不停电的情况下，通过提取电缆线路谐波电流，将谐波数据与专家数据库进行对比，采用大数据开展对电缆的绝缘劣化分析。

1. 电力电缆谐波电流分析和特征提取技术分析

1.1 谐波电流分析

所谓谐波是指基本工频频率的整数倍，具有规则性。一般情况下频率与噪音往往会混同在一起，但通常谐波包括基波的分数谐波，以3KHz-3.6KHz左右为对象，频率为从10KHz开始每1KHz等级的频率带的交流，指的是连续发生的交流。噪音为随机发生，可以说要定量把握是困难的。

谐波在电缆中产生的主要原因无外于内部绝缘部分产生应力劣化以及外部连接的电动机等旋转设备产生的谐波以及晶体管和可控硅等半导体进行整流或者波形控制的变频器导致的谐波等。包括这些谐波在内的电流波形成为失真波。换言之，如果按照傅里叶级数（Fourier series）展开交流失真波，则可以分解为频率不同的许多正弦波。就是说，可以分解为各次谐波。如图1所示，在交流失真波中，设，如果其周期为，则为,如果按照傅里叶级数展开，则为

   (1)         

采用（1）公式，以交流失真波为代表性事例选取短形波、三角波、半波整流波及全波整流波，如果按照傅里叶级数展开，则如表1所示。

图1交流失真波

表1 交流失真波傅里叶级数展开举例

电缆在异常时会产生不同次数的高次谐波，不同的情况谐波次数不同以及含有量不同。通常流过电缆线路的失真波为的对称波，并且成为的奇函数，这样就会出现奇次谐波。但是，流过半波整流器或者混合电桥变换器这样输入电流波形一个周期中各半周期波形的形状不同的时候，为从而出现偶次谐波。图2和图3分别显示经过傅里叶分解后的奇次波和偶次波。

图2奇次谐波           图3 偶次谐波

1.2 谐波特征提取

不失一般性，考虑电缆，负载，变换器等都在存在的情况下分析电缆中产生的高次谐波电流，如图4所示。

整个结构大致分为三个部分：第一部分为输入部分，就是在电动机与电缆接头处测量到的工频交流电源（1）；第二部分为输出部分，就是向电动机输出的电流（2）；第三部分为换流器部分（3），其中的主要模块有整流器（4），平滑电容（5），逆变器（6），控制器（7）以及驱动器（8）组成。当输入电流为图上所示，输出电流就会成为平滑的正弦波，主要是因为（4）的整流作用以及平滑电容（5）的存在。

图4 电缆、变换器及负载框图

图5所示为高次谐波产生的解释图，将在电动机与电缆接头处测量到的工频三项交流电流在使用平滑电容的情况下转变为直流电流。不过可以知道的是，只有在电容充电的时候，上图所示的脉冲状电流才会产生。图中的脉冲宽度用τ来表示，脉冲高度用H来标注。据矩形波为例，如果图中的脉冲波是矩形波，则畸变波f(X)可以用傅里叶级数如公式（2）的形式表示出来：

   (2)             

式中，(ω：角速度，t：时间)，n为高次谐波的次数。

正如傅里叶级数表达式可知，的情况也是可以发生的，这就必须不能够产生脉冲状的电流，无论是矩形波还是锯齿波等都是不允许出现的。当平滑电容处于理想状态下的时候，该假设的情况就会发生。不过实际情况下，该平滑电容并不能处于完全的理想状态，其中也会有一些问题会导致静电容量的缩小。在这种情况下，式（2）中就会产生5次和7次这样低次谐波。

图5 产生高次谐波的说明图

在不考虑一系列理想的情况下，并且在输入电压平衡的情况下，其电动机与电缆接头处测量到的工频三项交流电流的高次谐波电流可用公式（3）表示。

         (3)        

这里的为基本波电流。

2. 电缆劣化检测方法

2.1电缆劣化关键影响要素

高压电缆在运行过程中，其绝缘体受沿电场方向的张力及与电场方向垂直的压缩力影响，且电场和张力，即麦克斯韦剪切力以二次方的关系增大，所以电缆在正常通电时会始终处于机械压力状态。其次，由于构成不同物体原子之间相互作用，在导体和绝缘体的接触面上会产生接触电势，从而形成伏打效应，进一步产生电压压力。另外，绝缘体在其内部有积蓄能量的性质，此能量会对外部产生弹性作用，导致在绝缘体内部产生电压压力损失即发热现象。

所以，绝缘体在常态会受到机械应力、电压应力、发热应力等三种力的影响。当电缆投入使用后，复杂的外部环境以及多变的内部因素会使电缆在工作过程中会受到电、热、环境、外力等因素的共同作用，他们之间互相作用、互相制约、互相关联，共同组成了电缆劣化的影响原因。

2.2电缆劣化机理

旋转电流会在导体中产生，主要是由于磁通量发生了改变而且这个电流呈现涡状的形状，这个涡状电流会使导体发热，从而加大能量的消耗。当交流电流流过该导体时，则会有、、…等磁通量产生，由于这种变化而产生涡电流及。这里，电流I是各交流电流合成的电流。涡电流及分别是由上面与电流呈反方向的电子群流构成。如图6所示。

图6涡电流的说明

图7冲击脉冲造成的涡电流

不单单是传导电子能在导体中传导，导体中也会存在冲击脉冲，在电场力的作用下，导体会由于冲击脉冲的原因进而产生细小的运动。图7所示为涡电流在冲击脉冲的作用下的示意图。正如图中所示的一样，外界的因素如机械应力会使导体中产生与磁通f成直角方向的冲击脉冲，导体就会在涡电流B、冲击脉冲f以及电流I的共同作用下发生细微的运动。如图中箭头所示。导体运行的速度一般由导体中最多数的传导电子决定，所以，只要导体发生了运动，无论其运动的大小及幅度有多大，说都明电子流存在于磁场中。冲击脉冲引起的导体运动会使其中产生偶次谐波，所以这种情况下流过的电流时含有偶次谐波的。

图8电力电缆中磁场与电流

图8所示为电力电缆中磁场与电流分布。导体内部产生的涡流，此时Ia1为涡电流（与电流I平行成分）的磁场，受铜质保护层屏蔽影响，无法达到保护层外侧（屏蔽层磁导率为∞的理想情况）。但涡流（与电流I不平行）磁场，沿铜屏蔽层厚度方向存在屏蔽作用涡电流不易流动，在保护层外部会形成感应磁场。此是由于例如导体局部过热，绝缘体间隙、异物，界面缺陷等造成失真波形，产生高次谐波成分。计划利用高次谐波传感器（感应线圈）检测次成分。

3．结论

本文介绍了电力电缆谐波电流分析、特征提取技术、电缆劣化关键影响要素、电缆劣化机理等。虽然国内外研究人员对电缆谐波诊断方法做了大量研究，但是目前仍有许多不足之处，需要对谐波诊断方法进行完善，进而实现电缆谐波诊断在实际工程中的广泛应用，保证供配电网的可靠性。

参考文献 References

[1]李宗.电力系统及电力设备的可靠性[J]. 甘肃科技纵横,2018,47(10):49-51+86.

[2]张振鹏，金建伟，刘骥，等. XLPE 电缆的热-振动联合老化试验测试与 分 析[J]. 高 电 压 技 术2018，44（11）：3707-3712.

[3]张振鹏，蒙绍新，夏荣，等. 振动载荷条件下的交联聚乙烯绝缘老化特性试验研究[J].高电压技术，2016，42（8）：2399-2405.

[4]赵威，夏向阳，刘炎，等. 高压电缆运行轨迹在线监测研究[J]. 电力系统及其自动化学报2018，31（9）：137-143.

[5]张磊祺，盛博杰，姜伟，等. 交叉互联高压电缆系统的局部放电在线监测和定位[J]. 高电压技术，2015，41（8）：2706-2715.

[6]杨静，朱晓岭，董翔，等. 基于护层电流的高压电缆故障在线监测和诊断[J]. 高电压技术，2016，42（11）：3616-3625.