[发明专利]一种基于磁场谐波检测的电缆老化检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁学领域，尤其是涉及一种基于磁场谐波检测的电缆老化检测方法。

背景技术

近年来随着城网和农网改造的实施，且由于电力电缆运行可靠，安装位于地下等隐蔽处，受外力破坏小，发生故障的机会较少，供电安全，不会给人身造成危害，维护工作量小，不需频繁的巡检等特点，电力系统中电力电缆的敷设量越来越多。而在电力电缆运行中磁场所产生的谐波频率高，在电缆导线的集肤效应、邻近效应的影响下使谐波电阻比基波电阻大，谐波引起的附加线路电阻损耗不容忽略。对于采用电力电缆的输电系统，由于绝缘介质存在分布电容，还会产生附加的绝缘介质损耗。带有屏蔽层的电缆也会因为高频谐波的存在，在屏蔽层内引起较大的电阻损耗，包括涡流损耗，环流损耗和由流经绝缘介质的径向容性电流引起的屏蔽电阻损耗。谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损耗加大和温升增高，缩短电缆的使用寿命造成系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备和负荷，成为高次谐波源或谐波源。

(1)基于电缆在谐波条件下的集肤效应，可以得到电缆的损耗P为：

式中，R_DC为电缆中等效直流电阻，I₁为基波电流，I_n为n次谐波有效电流值，n>1，I_m为m次谐波有效电流值，R_ACm为电缆中对应I_m的等效交流电阻。

因为集肤效应在电网频率下影响很小而被忽略，但是大约在300Hz以上(亦即七次谐波及其以上时)，集肤效应将变得较为显著而导致附加的损耗而导致过热。

(2)在电缆方面主要由于电力电缆各相均存在对地电容，所以运行时线路上的电容电流是不相等的，且线路中又存在高次谐波电流，如果电缆敷设距离较长，电容电流离散性就会更大。在高频时，电缆的电容决定电缆的传输效率，电容电流占到电缆载流容量的相当一部分，而且能够达到与导体电流相同的数值，使电缆的传输距离减小和无功损耗增大。

电缆的电容C为：

式中，G为几何因数，n为电缆个数，ε为绝缘材料的相对介质常数。

电容充电电流为I_C：

I_C＝2πfUC

式中，f为频率，U为电压。

电缆的介质损耗为W_d：

W_d＝2πfU²Ctanδ

式中，δ为介质损耗角。

高次谐波的电压加至电缆两端时，由于电缆绝缘电容承受能力有限，电缆很容易发生过负荷导致绝缘损坏；高次谐波引起电缆内耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命。

关于频谱检测在电力电缆谐波检测现阶段主要是采用快速傅里叶变换来获得各次谐波的相关信号。但是利用该方法进行谐波检测依然存在以下问题：频谱混叠，频谱泄漏及栅栏效应等。这些因素导致检测出的信号参数(频率、幅值和相位)准确度不高，无法满足谐波检测的精度要求。针对上述原因，各国专家学者提出了许多改进方法，其主要的改进方法如下：

(1)修正理想采样频率法。当采样区间长度和采样时间间隔的比值为整数时，频谱泄漏现象就不会存在。该方法正是利用这种原理所提出的。它对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值。该方法对硬件要求不高，实时性好，适合在线检测，但只能减少一半的泄漏。

(2)利用加窗插值法对FFT算法进行修正的方法。该方法通过选择加入不同的窗函数以减少频谱泄漏，通过插值算法减小栅栏效应所带来的误差。它可以有效的减少泄漏，抑制谐波间的相互干扰及其它因素的干扰，从而可以准确检测到各次谐波的参数值。

(3)同步采样法。包括硬件和软件两种方式实现。软件同步采样法通过测量信号周期来适时调整采样间隔，从而使得信号频率与采样频率保持同步；基于硬件的同步采样法包括利用过零比较器或者数字式锁相器等硬件装置实现同步采样。软件方法应用灵活，检测精度高，但实时性方面得不到很好的保障，硬件方法通过优化采样周期或每周采样点数来逼近信号频率，实时性较好，但检测精度会受到影响。

(4)准同步采样法。该方法建立在同步采样的基础上，通过适当增加采样点及采用相应的算法进行数据的处理。使用此方法进行谐波检测，可以有效地抑制谐波对测量参数的影响，同时减少未完全同步而产生的误差，检测精度较高，但是该方法需要处理的数据量很大，实时性方面不够好，且存在较大的相位误差。

发明内容