0 引言

    局部放電是電纜絕緣故障的常見(jiàn)先兆特征，目前對(duì)于電纜局部放電的試驗(yàn)，可遵照的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T3048.12電線(xiàn)電纜電性能試驗(yàn)方法之12：局部放電試驗(yàn)（等效于IEC60885－3整根擠包電纜局部放電試驗(yàn)）,。該標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意義在于放電量的測(cè)量和標(biāo)定,，在規(guī)定電壓和給定靈敏度下測(cè)量電纜的放電量是否超過(guò)規(guī)定值^[1]。常用的方法通常是基于放電量q,、放電發(fā)生的相位φ和放電重復(fù)率n構(gòu)成的譜圖,，依據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行放電類(lèi)型的識(shí)別。

    為了研究電纜中脈沖信號(hào)傳播規(guī)律,，可用同軸傳輸線(xiàn)來(lái)代表電力電纜,。導(dǎo)線(xiàn)本身是有電阻存在的，這個(gè)電阻不是集中在導(dǎo)線(xiàn)的某一點(diǎn)上,，而是分布在導(dǎo)線(xiàn)的整個(gè)長(zhǎng)度上,。同時(shí)，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí),，在導(dǎo)線(xiàn)周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng),，而磁通就分布在導(dǎo)線(xiàn)整個(gè)長(zhǎng)度的周?chē)詫?dǎo)線(xiàn)就有電感效應(yīng),。而電感也是分布在導(dǎo)線(xiàn)的整個(gè)長(zhǎng)度上,，兩線(xiàn)間的電場(chǎng)使導(dǎo)線(xiàn)間存在著分布電容，也分布在整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度上,。這些沿線(xiàn)分布的電阻R,、電感L、電容C,、電導(dǎo)G都以單位長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)量,。這四個(gè)參數(shù)都是傳輸線(xiàn)的最基本的參數(shù)(稱(chēng)為分布參數(shù))表達(dá)傳輸線(xiàn)特征的原始數(shù)據(jù)。所以,，稱(chēng)之為一次參數(shù),，線(xiàn)路的傳輸特性實(shí)質(zhì)上就是由這四個(gè)基本參數(shù)決定的^[1-2]。

1 參數(shù)確定

    電纜參數(shù)可由圖1所示等效電路表示,，這個(gè)電路模型也稱(chēng)為電力電纜的理論,。

1.1 二次參數(shù)的定義

    二次參數(shù)又稱(chēng)特性參數(shù)，即指特性阻抗和傳播常數(shù),，由一次參數(shù)推導(dǎo)而來(lái),，故稱(chēng)為二次參數(shù)。

1.2 二次參數(shù)的物理意義

    (1)特性阻抗

    特性阻抗表示均勻傳輸線(xiàn)上任一點(diǎn)的電壓和電流之間的關(guān)系,。電壓和電流的絕對(duì)值之比,，等于特性阻抗的絕對(duì)值，而電壓和電流的相位差,，等于特性阻抗的幅角,。

    (2)特性阻抗的幅角與幅值

    由特性阻抗表達(dá)式可以看出,，特性阻抗與傳輸線(xiàn)的一次參數(shù)有關(guān)，同時(shí)與傳輸信號(hào)的頻率有關(guān),。同時(shí)可以看出,，傳輸線(xiàn)的特性阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，不僅有幅值的變化,，還有幅角的變化,，而幅角的變化則反映出傳輸線(xiàn)的特性阻抗呈現(xiàn)的阻抗性質(zhì)，即感性還是容性,，也就是說(shuō),，特性阻抗的幅角反映的是傳輸線(xiàn)上信號(hào)電壓和電流相位的關(guān)系。由式(1)得：

    (3)傳輸常數(shù)γ

    由前面討論特性阻抗分析的是傳輸線(xiàn)上某一點(diǎn)的特性,，從電信傳輸?shù)慕嵌戎v,，不僅要研究線(xiàn)路的阻抗問(wèn)題，還應(yīng)當(dāng)從能量的觀點(diǎn)來(lái)分析傳輸效果,。也就是說(shuō),，特性阻抗分析的是傳輸線(xiàn)上某一點(diǎn)的特性，而對(duì)于均勻傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō),，信號(hào)在傳輸了一段距離后，發(fā)生了什么變化,，即信號(hào)在傳輸線(xiàn)上傳輸時(shí)有什么規(guī)律和特點(diǎn),，就需要用傳輸線(xiàn)的傳輸常數(shù)γ來(lái)表征。傳輸常數(shù)?酌包含固有衰耗常數(shù)(α)和固有相移常數(shù)(β),。固有衰耗常數(shù)α反映了處于匹配連接的線(xiàn)路上,，在能量損耗方面的傳輸規(guī)律，固有相移常數(shù)β反映了信號(hào)傳播過(guò)程中相位的變化,。

    線(xiàn)路的傳輸規(guī)律得出傳播公式：

    式(3)即為長(zhǎng)度為l的傳輸線(xiàn)路的傳輸方程,，可以看出，輸入電壓或電流的變化取決于參數(shù)γ,，γ反映了傳輸線(xiàn)固有的傳輸規(guī)律,，即為傳輸線(xiàn)的傳播常數(shù)，而γ數(shù)值的大小,，取決于傳輸線(xiàn)的一次參數(shù)和傳輸頻率,。

    以上推導(dǎo)過(guò)程可以寫(xiě)成傳播常數(shù)的表達(dá)式：

    忽略后面的虛數(shù)項(xiàng)得：

    這里的r_p代表故障點(diǎn)到P點(diǎn)之間的距離。若在P點(diǎn)處設(shè)一個(gè)測(cè)量傳感器,，則接收到的局放信號(hào)要比故障點(diǎn)處的信號(hào)滯后一段時(shí)間τ,，這樣就可以得到電纜中任何一點(diǎn)P的局放信號(hào)為^[4]：

    由此得出：

    (1)αl總是正數(shù)，線(xiàn)路愈長(zhǎng)(l越大),，|U₀|愈小,，說(shuō)明信號(hào)沿傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度按指數(shù)規(guī)律衰減,。

    (2)對(duì)同一線(xiàn)路而言(l一定)，α愈大,，|U₀|愈小,，由此可知，在同一區(qū)間,，α較大的傳輸線(xiàn)信號(hào)受到的衰減也愈大,，所以α是傳輸線(xiàn)上信號(hào)衰減程度的度量，稱(chēng)為線(xiàn)路的衰減常數(shù),。

    前面提到e-^jβl反映的是一個(gè)大小為弧度的角度,，并不影響信號(hào)幅值的大小，因而它反映的是線(xiàn)路輸出電壓(流)信號(hào)與輸入電壓(流)信號(hào)的相位差,，即輸出電壓(流)信號(hào)在相位上落后于輸入電壓(流)信號(hào)的數(shù)值,，因此又稱(chēng)?茁為傳輸線(xiàn)的相移常數(shù)。所以傳播常數(shù)可歸納如下：

    (1)γ=α+jβ取決于線(xiàn)路的一次物理參數(shù),，由于它在數(shù)學(xué)上由一次參數(shù)推導(dǎo)出來(lái),，在物理上也是由一次參數(shù)引起的，故稱(chēng)為二次參數(shù),。

    (2)一旦傳輸線(xiàn)的線(xiàn)質(zhì),、線(xiàn)徑等結(jié)構(gòu)條件決定后，某一頻率下的α,、β也就確定,，因此γ是傳輸線(xiàn)的固有參數(shù)之一。

    綜上所述,，傳播常數(shù)γ表征電磁能量沿線(xiàn)路傳輸單位長(zhǎng)度對(duì)電壓或電流的振幅和相位的改變,，其中α表征幅度的衰減，β表征輸入與輸出端之間相位的變化,。

2 局部放電信號(hào)在電纜中的衰耗

    討論了均勻傳輸線(xiàn)的傳播常數(shù)γ,，知道傳播常數(shù)由衰耗常數(shù)α和相移常數(shù)β組成，并對(duì)兩者的物理意義進(jìn)行了分析,，其中衰耗常數(shù)α又反映了傳輸線(xiàn)中處于匹配連接的線(xiàn)路上,，在能量損耗方面的規(guī)律，而相移常數(shù)β則反映了信號(hào)在傳播過(guò)程中相位的變化^[6],。衰耗常數(shù)α反映的是傳輸線(xiàn)固有的衰減規(guī)律,，即在一定長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)的傳輸線(xiàn)上,，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值的變化規(guī)律,，如圖2所示。

    可以看出：

    (1)因α取決于電纜的一次參數(shù),，對(duì)于同一結(jié)構(gòu)的線(xiàn)路,，α保持不變且總為正數(shù),，所以有 e^-αl總小于1，說(shuō)明信號(hào)沿線(xiàn)路傳播時(shí)總有衰減,，并且對(duì)結(jié)構(gòu)一定的線(xiàn)路,，其衰減程度取決于電纜的長(zhǎng)度。線(xiàn)路越長(zhǎng),，衰減越大,，信號(hào)沿電纜的衰減呈指數(shù)規(guī)律。

    (2)對(duì)于長(zhǎng)度一定的線(xiàn)路,，α越大,， e^-αl越小，說(shuō)明對(duì)于同一長(zhǎng)度的線(xiàn)路來(lái)說(shuō),，信號(hào)的衰減取決于線(xiàn)路的結(jié)構(gòu),，線(xiàn)路的結(jié)構(gòu)決定了電纜的衰減常數(shù)α，α越大,，電纜的衰減越大,。

3 線(xiàn)路衰耗對(duì)傳輸信號(hào)的影晌

    由于電纜一次參數(shù)的存在，使信號(hào)在傳播中總會(huì)受到衰減的影響,。串聯(lián)電阻R與并聯(lián)電導(dǎo)G的存在,，使信號(hào)的幅值受到影響，而串聯(lián)電感L和并聯(lián)電容C的存在,，則使信號(hào)的相位發(fā)生變化,。

    線(xiàn)路的固有衰耗決定著信號(hào)傳播的質(zhì)量和距離，而相移常數(shù)則決定著信號(hào)能量沿線(xiàn)路傳播的速度,，也就是說(shuō),，電纜的衰減常數(shù)影響信號(hào)的大小,，而相移常數(shù)影響著信號(hào)傳播的速度,。由前面介紹的傳播常數(shù)的表達(dá)式可以看出，傳播常數(shù)還是頻率的函數(shù),，隨傳播信號(hào)頻率的增大而增大,。對(duì)于同一的線(xiàn)路而言，傳輸衰耗隨傳送信號(hào)頻率的增大而增大,，這樣在信號(hào)傳輸過(guò)程中,，因不同頻率信號(hào)的衰耗與傳播速度的不同，將出現(xiàn)失真現(xiàn)象,。

    假定向電纜中注入一矩形脈沖信號(hào),，由于脈沖信號(hào)含有豐富的頻率成分，即脈沖信號(hào)可以看作是由無(wú)數(shù)不同頻率的正弦(或余弦)信號(hào)組成,，這樣在傳播過(guò)程中,，脈沖信號(hào)中的高頻成分將出現(xiàn)較大衰減,，在近距離時(shí)，由于高頻成分波速較大,，總是高頻成分先到達(dá)線(xiàn)路終端,。而在遠(yuǎn)距離時(shí)，由于電纜對(duì)高頻衰耗加大,，使信號(hào)的高頻成分到達(dá)終端時(shí)被衰耗很大或完全衰耗掉了,，只有低頻成分才能到達(dá)。故矩形脈沖信號(hào)在傳播一定距離后,，將發(fā)生明顯的失真現(xiàn)象,，幅值下降，并且不再具有陡峭的上升沿及下降沿,。傳輸距離越長(zhǎng),，信號(hào)的失真越嚴(yán)重，這也給局放點(diǎn)定位帶來(lái)了一定的難度^[7-9],。

4 傳播特性的研究

    在寬頻帶電磁耦合法測(cè)量中,，由于放電點(diǎn)產(chǎn)生的陡前沿脈沖信號(hào)到檢測(cè)傳感器之間可能有一段傳播路徑，高頻信號(hào)在電纜中傳播時(shí)衰減相當(dāng)嚴(yán)重,，會(huì)導(dǎo)致傳感器拾取到的信號(hào)并非真實(shí)的局放脈沖信號(hào),，因此，掌握放電脈沖在電纜本體中的傳播規(guī)律,，是區(qū)分內(nèi)部放電信號(hào)或外部干擾信號(hào),，確定局部放電位置和放電嚴(yán)重程度，以及識(shí)別局部放電模式的前提,。通過(guò)對(duì)兩段不同長(zhǎng)度電纜進(jìn)行衰減實(shí)驗(yàn),，得出初步結(jié)論： 

    (1)從陡上升沿波的傳播特性來(lái)看，電力電纜具有低通濾波特性,，隨著頻率的增加,，各頻率成分的衰減倍率也迅速增加，而且,，各頻率成分隨傳播距離的增加而進(jìn)一步衰減,。

    (2)在利用寬頻帶電磁耦合法進(jìn)行電纜局放檢測(cè)時(shí)，若局放發(fā)生在連接頭或終端處,，則此時(shí)的幅頻特性衰減并不嚴(yán)重,，可以選用頻率較高的傳感器；而對(duì)于距離連接頭或終端較遠(yuǎn)的電纜本體的局放進(jìn)行檢測(cè),，由于幅頻特性的衰減很?chē)?yán)重,，宜選用頻率較低的傳感器，同時(shí)還要考慮在合適并且有效的位置安裝傳感器,，否則,，信號(hào)有可能在衰減完時(shí)仍未被傳感器拾取到,。

5 利用小波變換去噪及提取局放信號(hào)

    在脈沖法電纜故障定位檢測(cè)中不可避免地存在各種干擾，按時(shí)域特征可以將干擾分為周期性窄帶干擾,、白噪聲和脈沖型干擾三大類(lèi),。其中白噪聲干擾包括各種隨機(jī)噪聲，如繞組熱噪聲,、地網(wǎng)噪聲,、測(cè)量?jī)x器的熱噪聲等。由于白噪聲的頻譜和局部放電信號(hào)頻譜相似,，因此傳統(tǒng)的傅立葉分析方法很難將其濾除,。為此，必須采用有效的數(shù)字信號(hào)處理方法消除這些干擾的影響,，提高定位精度,。

    小波分析是一種信號(hào)的時(shí)間—尺度(時(shí)間—頻率)分析方法，它具有多分辨率分析的特點(diǎn),，而且在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力,，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率,，很適合于探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分，所以被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡^[10],?；谛〔ㄗ儞Q的去噪研究大多采用門(mén)限處理技術(shù)，因此很多學(xué)者致力于門(mén)限函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的研究,。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳倩,，劉毅剛.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化及其診斷技術(shù)述評(píng)[J].廣東電力，2003,，16(4).

[2] 王永紅,，何麗娟.0.1 Hz超低頻下XLPE/PE電纜tan測(cè)量[J].高電壓技術(shù)，2000,，26(4).

[3] 徐剛.基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部放電模式識(shí)別[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào),，1999(3).

[4] DU Z,，WILIER P K,，MASHIKIAN M S.Performance limits of PD location based on time domain reflectometry[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1997.

[5] VILLEFRANCE R,，HOLBOLL J T,，HENRIKSEN M.Estimation of medium voltage cable parameters for PD-detection[C].Conference Proceedingof the 1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Arlington,，Virginia,，USA.

[6] 王繼華.相關(guān)測(cè)漏技術(shù)的基本理論與新成[D].桂林：桂林工學(xué)院,，2003.

[7] BOGGS S，PATHAK A,，WALTER P.Partial discharge XXII：high frequency attenuation in shielded solid dielectric power cable and implications there of for PD location[J].ElectricalInsulation Magazine,，1996(1)．

[8] KIM J B，KIM M S,，PARK K S,，et a1.Development of monitofing and diagnostic systemfor SF6 gas insulated switchgear[C].Conference Record of the 2002 IEEE International Symposiumon Electrical Insulation，Bston,，MAUSA,，2002.

[9] IEC Pub.270[S].Partial DischargeMeasurements.1981.

[10] 唐炬，宋勝利,，孫才新,，等.局部放電離散潛干擾的小波包變換熵閾值抑制法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003(3).