高压电缆局放在线监测系统(亿森)

1、福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272高压电缆局放在线监测系统福州亿森电力设备设备有限公司2016年 9 月摘要：在XLPE电缆投入运行后，由于绝缘的老化变质、过热、机械损伤等，使得电缆在运行中绝缘裂化，为 了防止由于绝缘劣化造成电缆运行事故， 需要对电缆的运行状态进行即时监测， 监测系统控制着电缆及其附件PD混沌监测方法进的质量。局部放电是目前比较有效的在线监测方法，局部放电检测目前相应有电磁耦合法、超高频法和超声波 法、光学测量法等，本文将着重论述这些方法各自的优势与不足，同时对目前发展起来的 行讨论。关键词：XLPE电缆；在线监测；局部放电；混沌法0 引

2、言电力电缆在电力网络中的应用愈发随着电力系统的飞速发展以及旧城改造工程的进行，广泛。电力电缆的基本结构包括线芯、 绝缘层、 屏蔽层和保护层四个部分。 其中线芯即导体，是电力电缆中传输电能的部分， 是电缆的主要结构。 绝缘层将线芯与外界电气上隔离。 屏蔽层包括导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，一般存在于 15kV 及以上电缆中。保护层是用来防止外界 的杂质和水分的渗入和外力的破坏 1。电力电缆按照电压等级分类有低压电缆 （35kV 及以下输配电线路 ）、中低压电缆 （35kV 及 以下）、高压电缆（110kV及以上）、超高压电缆（275800kV）、特高压电缆（lOOOkV及以上）。 按照绝缘材料电力电缆

3、可以分为塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆。 其中油纸绝缘电缆应用历史最长。它安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。塑料绝缘电缆主要用于低压电缆， 常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、 交联聚乙烯。 橡皮绝缘电缆弹性好，适合用 于移动频繁弯曲半径小的敷设地点。我国早期使用的多是油纸绝缘电缆， 但自 以广泛应用，并逐渐取代了油纸绝缘电缆的地位。1970 年以来， 交联聚乙烯 （XLPE） 电力电缆得XLPE 电缆电气性能优越，具有击穿电场强度高、介质损耗小、载流量大等优点因而得到了广泛的应用。在线检测电缆故障的方法有很多， 如直流分量法、 损耗电流谐波分量法、 局部放电法等， 其中，局

4、部放电法是目前用于现场比较有效的在线检测方法。 XLPE 电缆发生局部放电时一般会产生电流脉冲、 电磁辐射、 超声波等现象，根据检测物理量的不同，局部放电检测相应有电磁耦合法、 超高频法和超声波法等， 其中，电磁耦合法由于传感器灵敏度高、安装方便，且与电缆无电气连接，是目前应用最为广泛的一种方法本文主要论述了 XLPE 电缆局部放电在线监测的一些基本方法的优势与缺陷， 局部放电的混沌监测方法进行了讨论 2。并对电缆难点1 PD 在线监测的意义以及技术局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电 ,这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接， 这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近。电

5、力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电的局部损坏。若确定绝缘故一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质） 局部放电长期存在， 在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。 对电力设备进行局部放电试验， 不但能够了解设备的绝缘状况， 还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，障的原因及其严重程度。 因此， 对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中 也相应出现了电检测法和光测法、 声测法、 红外热测法等非电量检测方法。 但

6、每种方法都有自身的优势与局限性。 抑制噪声、 提高传感器的灵敏度是推广 XLPE 电力电缆局部放电在线监测技术的关键， 如何分析局放测试数据、 识别局放源类型乃至精确定位局放源， 需要更多 的现场检测经验和理论研究。2传统PD在线监测方法由于电缆故障主要发生在电缆附件位置， 而本体较少发生故障。 因此， 电缆在线检测主要检测电缆接头位置。在线 PD 检测的主要问题有三 : 一是传感器很难接触到带电导体甚至不易接触到金属 护套 ;二是传感点分布在长电缆上，因此它们检测的信号在传输过程中容易变形扭曲;三是干扰信号的存在。测量局放的辐射场常用敏感的场传感器。 这些传感器通常放在靠近电缆接头的外半导电

7、 层上，常用铜或铝导体作为内置传感器， 半导电层在导体和绝缘之间起一个连接和均匀电场的作用，防止电场的加强，防止造成局放或早期故障。内置传感器的缺点在于不够便携， 而便携式的传感器必须安装在电缆的外部， 并通过电感耦合或电容耦合的方法与电介质耦合。 这样的传感器安装最大问题在于它不仅仅捕捉内部信号，也捕捉外部干扰。UHF常用的在线 PD 检测手段有 :高频电流法，电容耦合传感器，声发射法，超高频 法，甚高频 VHF 法等。此外还有一些不太常用的手段， 例如定向偶合法、 偏振光测量法等。2.1 电容耦合法 电容耦合法也是电测法的一种，其具体的方法是从距离接头比较近取一段电缆，把电 缆的外护套绝缘

8、层去电， 电极是在外半导电层的表面裹上一导电体， 这样就构成了容性电机， 在发生放电时，就可以通过耦合，然后测量脉冲电流信号。就可以如图 2.1 所示。我们可 以看到，两个阻抗（同轴电缆和绝缘层） 是并联在一起， 这种测量方法的最大优点就是不会 损坏外半导电层和电缆绝缘层， 而且对电缆信号传输几乎没有干扰。 传感器的信号噪声比与 剥去护套的长度、 金属箔和护套之间的长度以及金属箔长度这三者之间是有关联的， 通过调 整可以得到理想的信噪比值 3 。图2-1电容偶合法示意图常用的电容耦合传感器有内置式和外置式。内置式和外置式的相比较外置式的更有优 势，外置式的电极可以做在护套表面，对电缆的绝缘没有

9、影响，这样也会使安装比较方便， 这样外置式的既可以用在在线局放检测也可以用在现场局放监测。在国内有些科研单位已经研发出了电容耦合传感器，根据电容耦合的原理， 西安交通大学开发了可以通过监测电缆附件的传感器，该传感器为位置式，并通过实验对220千伏交联聚乙烯电缆进行了局部放电测量。这一传感器的生产过程是：一、用刀具剥开屏蔽层和电缆外护套，把一导体环放到屏蔽层和外护套之间，并用绝缘材料固定住导体环，使之紧贴外半导体层，然后用法兰连接导体断层。其带宽也不错，可以到500MHZ。有一些研究院、电力设备生产企业和高校也进行了这方面的研究，例如华中科技大学，国家电网科学研究院、 兴迪公司等，有的产品通过实

10、验也取得了不错的结果。国外对电容耦合传感器技术比国内成熟很多。美国麻省理工大学开发出了内置VHF传感器。其加工过程是：剥开 100mm宽的金属屏蔽层，然后用 40mm宽的薄金属裹在电缆的 外半导电层，这样薄金属与半导电层构成耦合电容，当发生放电时，信号通过薄金属和屏蔽层传输出，它在正常运行时带宽为300MHz，抗干扰效果也比较好。还有就是韩国也是根据这一理论开发出一种检测仪，它携带方便抗干扰效果好，灵敏度高，已到达1pC,带宽为200kHz-300MHz，现场使用效果较好。Rogowski）线圈是在其中最具 信号通过导线传输，一边以电正是根据电磁耦合这一原理，研2-2与罗斯线圈传感器等效电路图

11、2.2电感耦合法根据电感耦合理论，现在已开发出多种传感器，罗斯（ 有代表性。在电缆发生放电时， 会产生频率较高的电流信号, 流信号传输也转化为电磁波，不断的向各个方向辐射能量，2-3。究出了罗斯线圈传感器。罗斯线圈传感器结构图图2-2罗斯线圈结构图在图2-3中，M是原边与副边之间的互感，由罗斯线圈等效电路图可以清晰的看到，左边即为电流传感器，在线路之间也会形成相互干扰，用Cs表示，罗斯线圈自感用LS表示，线圈的等效电阻Rs表示，C0,R0为线圈的取样阻抗。在实际应用中，磁芯的选择也我们通常使用的是镍锌铁氧体，用其做出其频率带可从20KHZ至U 100MHZ。很重要，不同的磁芯对生产出的传感器影

12、响很大，的电感耦合器灵敏度高，可达3P C, 工作带宽大，LsWV Rs-卜 J Ui(t)Cs 二_ *U0(t)i(t)图2-3罗斯线圈等效电路根据罗果夫斯基(Rogowski)线圈原理生产的电磁耦合传感器也分为内置式传感器和 外置式传感器。外置式和内置式也是有一定不同，主要体现在两个方面： 一是两传感器的大小有所差异；二是在安装时放置的位置不同；外置式的传感器在尺寸方面比内置式大，灵敏度方面内置式比外置式要好，外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便。由于外置式传感器安装比较复杂，所以在设计时大多设计成开口，这样的设计也方便我

13、5。由图中我们可以 测量的精度不高，而且对外界的电磁环境比较敏感， 如果在以后能够解决这些问题，还是比较有很大的工程们携带，如图2-4所示，同时开口式的设计在一定程度上改善了安装难度，直接打开口， 套在电缆本体外部，这样通过电缆的电流就可以通过传感器检测到信号 看到，外置式传感器一般做的不够精巧， 会因为周围环境的干扰而信号失真。 实际应用前景的。图2-4外置式罗斯线圈传感器目前，我国对罗果夫斯基(Rogowski )线圈传感器的产品研发以及在工程实际上的应 用很广泛。以下科研单位和高校都开展过相关的研究，并设计出一些实验性产品，如国家电网电力科学研究院，华中科技大学和西安交通大学，武汉大学，

14、重庆大学等。在部分区域电力公司也对这类局放传感器进行了实际工程运用，收集了一些现场运行数据，像国家电网北京电力公司和南方电网云南分公司都有试运行，实际运行的效果还是有参考价值的。2.3超声法和超声传感器在非电量局部放电测量的方法中超声法是研究的比较早的一种，目前已经成功应用在局部放电监测的工程实际中。 超声法的核心器件就是超声传感器，大多采用的是压电晶体传感器，它的工作原理是把接收到的超声信号转换成电量，在传感器的外端连接分离放大器，把声音信号放大，再经过光电转换模块， 再通过光纤将转换后的信号传输到数据采集卡里，然后在与采集相连接的工控机上显示波形数据。因为局部放电产生的超声信号特别小，这样

15、在传输的环节上衰减会对原始信号影响较大，这样导致该方法并没有得到推广，最近几年，由于技术的进步，传感器的性能和信号分离放大器的性能也大幅进步，例如长沙鹏翔科技生产的PXPA/PXPB系列声发射前置放大器，其体积较小，抗撞击，噪音低，高带宽，还有光 纤技术的发展这些技术的共同发展也使超声法的测量灵敏度有了大幅提升，也使超声法测局部放电重新得到关注。在电缆中，发生局部放电时产生的声音信号频带很宽，超声传感器和相连接的分离放大器就放置在需要监测的电缆附近，当有局放发生就会检测到信号。而且，超声传感器它有设定好的接收信号的带宽带， 这也使外界的环境或者电缆和其他设备运行产生的干扰影响降 到最低，保证了

16、检测精度，所以超声监测法在电缆运行现场有很好的应用。而且由于超声信号的波速很小，这样我们还可以进行故障点定位。超声法也有它的不足，电缆外表的绝缘层对高频波声波的吸收能力较强，原始超声信号里高频波大幅衰减， 这一原因限制了超声法的推广， 头。近年来，国内有些单位已使用超声传感器开展了对电缆在线监测 有限公司，华北电力科学研究院，南方电网广东公司等。这样就导致了大多还是用来监测电缆接8。例如长沙鹏翔科院2.4光学测量法在前面我们介绍到，在局部放电测量分为电测法和非电测法， 合法即为电测法，电测法和超声法对测试的环境比较敏感，另外也是因为流过被测设备的信号很小，环境中的电磁波或者噪声随着被测一起通过

17、放大器放大后，有可能会对收集的信号产生很大影响，超声法还有信号在传输过程中衰减的问题，这些都会影响局放的监测准确度；以上的这些问题也使人们把视角转移到光学传感器上，这也是在线监测研究的新方向9学测量法的测量原理是利用法拉第磁光效应，磁光效应是一束线偏振光在磁场作用下通过磁光材料时它的偏振面将发生旋转旋转角0正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分。磁光效应应用范围很广，如强磁场测量、磁光材料检测，因此在电力电缆的在线监测就 是应用了磁光效应，当电缆电路由于故障或者缺陷时，电缆回路周围的磁场就会发生变化， 我们通过把监测出的信号变成偏振面旋转角0的变化，然后通过计算，再将0的变化转化为可以测量的

18、光强的变化，这样来实现对局放信号的监测。法拉第磁光效应1845年由M. 法拉第发现10。 的传播方向同向， 越介质的长度I而我们以上介绍的电容耦。光这样来实现对局放信号的监测。当线偏振光在介质中传播时，这时如果在加一外界磁场，且磁场方向于光 这样光的振动方向将会产生一个角度为e的偏转，且磁感应强度 B光穿的积和角度e成正比且有：屮=VBI(2-1)中，B为电磁感应强度，I为光穿越介质的长度，V为费尔德常数，V的大小与介质本身特性及光波频率相关，除此之外，实验时所加的光的波长和实验环境温度对V也会有影响11。它实际上是物质与光波之间的相互作用。用经典电子论处理介质色散的方法，可导出磁光效应的旋转

19、角公式为：在式(2-1).-l.dnlb2 m d A(2-2)其中：e为电子电荷和质量,A为光波波长， 也为无磁场时介质的色散， B为磁场d人强度在光传播方向上的分量，I为晶体长度11。如式(2-3)，并由(2-4)麦克斯韦方程组m _mW0r +e(E+丄 P) _ g3&0(2-3)r S甲 0 za + 1)P+t 0可 PP X h) = 0丄sx(a P+i PP X h) = H-S X H =(名。ga +1)P + t s0ePhc(2-4)，由公式（2-3）和（2-4）可得E代表电场强度，H为一束光照入后偏转的角度法拉第磁光效应旋转角度，即 ：一 Ey兀日=ar Ct an

20、 = L 丄n _ n )Ex入-（2-5）两个偏转角的相位差和法拉第磁光效应偏转角的关系为6 = 2日（2-6）对公式（2-6）进行泰勒展开可得：磁场方向(2-7)出射光入射光图2-5法拉第磁光效应原理V就是费尔德常数，一般是通式子（2-7）就是法拉第和费尔德磁光效应旋转角公式。过实验来得到。不过技术方面还不够成熟，还有在测量时，对外界环境的电磁和噪声的干扰影响不大, 必要深入研究。2.5 UHF法和UHF传感器2.5.1超高频(Ultra High Frequency)检测法的基本原理超高频法是根据在发生局部放电时发出电磁波信号。当电缆本体或附件发生局部放电时会产生特高频电磁波，我们根据这

21、一特点，人们开发出了通过监测高频电磁波来实现对电缆的在线监测12。另外还可以通过对电磁波的监测还可以对发生放电的位置进行定位。在发 生放电时产生的放电脉冲时间很短，这样电缆中产生的信号频率就可能达到GHz数量级,这样超高频法最大的优点就是现场发生的放电干扰对测量的影响就会很小，提高了测量的准确度。还有一点，超高频比较适合对电缆接头的监测，因为在安装超高频传感器时其位置一般与电缆故障点的位置较近，这样能够降低信号的衰减，更有效的对电缆进行监测。电缆接头线芯屏蔽护套_r ，广厂1微机%严1 1传感器1试验变压器放大滤波显示A/D操作图2-6外置型UHF传感器检测原理图图2-6为外置型 UHF传感器

22、检测原理图，一系列研究通过分析发现：用特高频法监测电缆时，传感器信号频段的选取对测量的准确度影响很大，合适的传感器将会降低干扰信号，信噪比也有一定提升。所以传感器的性能将决定超高频法测量精度的关键。2.5.2超高频传感器超高频传感器根据现场安装位置的不同分为外置式和内置式。(1)外置式外置式传感器它在现场安装时比较简单方便，比较节省安装时间，并且对其他电气设备几乎没有影响，抗干扰能力较强，但是在测量的灵敏度方面效果不够优越。在我们实际应用中，最常用的外置传感器是天线传感器，如图2-7所示。在文献中，在监测电缆局部放电时采用了振子天线传感器，其结构比较简单，安装比较容易，其不足就是：一、测量频带

23、不宽,需要安装可调阻抗来加宽振子天线传感器的频带13。二、传感器安装到外面，必然会受到环境中电磁和噪声的干扰，这样为了测量准确的数据就对我们在测量时频带的选择要求较 高，西安交通大学研制了等臂对数螺旋天线，可以用于测量局部放电发生时泄漏的电磁波和定位局放源，频带在 3001500MHz之间。福州亿森电力设备有限公司0591-8757505513338443272(2)内置式在现场安装方却比外置式的要求更高。 外置式的传感器在尺寸方面比内置式大,电容耦灵敏度与外置式相比内置式的灵敏度更加优秀， 合传感器是我们比较常用的内置式传感器， 方面内置式比外置式要好， 外置式的抗干扰性也不如内置式，其安装

24、的位置在电缆接头内部，与屏蔽层的导体相连接，安装相比内置式简单方便14。图2-8是英国剑桥大学 Pommerenke D等开发出的方向耦合传感器，它的工作原理是： 在电缆双端安装上传感器，因为发生局部放电的位置不同那么电信号传播的方向也不同，方向耦合器输出的信号在一个端，根据实际的情况，修改部分参数，传感器的灵敏度可以达到很高。脉冲源A干Rf图2-8方向耦合传感器并且 各有优2.6小结本节的主要内容是详细的介绍了五种局放检测方法和根据相应开发出的的传感器， 把内置式和外置式的做了安装、测量精度、抗干扰和对运行电缆安全等方面的比较，劣，在高压电缆局部放电检测中应用必须要解决传感器安装后的防水性能

25、以及后续检测电路 的过电压保护措施15；电感耦合传感器与电容传感器相比较，在安装上，前者对电缆更加安 全，也便于安装，在部分电力分公司已在线试运行，技术比较成熟，也有很广泛的应用市场，但是国内这方面的技术与国外比还差很多，如果大面积采用经济性将制约其发展；超声传感器已经投入到现场运行，但是主要还是用做故障定位，而对局放量的大小无法准确测量；光学传感器是最新研究的方向，它抗干扰强，测量精度高、能够较远距离测量、电能需要少等优点，是很有发展前景的传感器，但时安装和生产成本较高，这也限制了它的推广应用16。同时研UHF传感器抗干扰性能好，灵敏度高，它的不足在于无法对故障源进行定位。经过仔细比 较，最

26、终决定采用技术上较成熟的电感耦合传感器技术，并进行在线监测系统设计，究如何解决抗干扰问题。3传统PD在线监测方法的比较分析3.1测试方法对检测灵敏度的影响局放信号耦合方式在局部放电在线测试中是很重要的环节，改变信号的取样方法，会对测试效果产生很大的影响。比如用高频电流传感器对一根故障电缆进行测试时，我们进行了对比试验，验证改变测试带宽和接线方式对测试背景的影响有多大。把两个高频电流传感器:一个为高通300 K，另一个为高通1.6 M,先将它们套接在耦合电容和检测阻抗的连接 线上，如图3-1所示；后又将它们套在故障电缆屏蔽层接地线上17，如图3-2所示。分别向试验系统注入5pC标定脉冲信号，在前

27、者接线方式中，系统检测背景噪声都约为 者接线方式中，高通 300 K的背景噪声约为34pC,高通1.6M的背景噪声约为 述试验，证实了 HFCT具有较高的灵敏度，同时取样方式的改变对灵敏度影响较大。1.7 pC;后5 P C。上图3-1HFCT套在故障电缆接地线上图3-2HFCT套在耦合电容和检测阻抗连接线上3.2各种信号耦合方式的比较为此我们每种测试方法都有它的优点和局限性，只有扬长避短测试效果才能有效发挥。1。对各种XL PE电力电缆局放在线测试的信号耦合方式作了比较，见表测试方法优点缺点电感耦合法1.结构简单、易于制作安装2.具有较宽的信电磁耦合法内置式电容耦合法外置式电容耦合法高频电流

28、传感法结构简单，易于制作安装1.结构简单2.检测频带较宽，可达500MHz3.灵敏度较高1. 信噪比低2. 由于检测阻抗和放大器 对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此当试样的电容 量比较大时，受耦合阻抗的 限制，测试仪器的测量灵敏度也受到了一定的限制3.测试频率低,一般小于1 MHz，因而包含的信息量 少1.该传感器安装时需要破 坏电缆的外护套，安装时工 艺要求较严格，必须做好护 套复原和防水工作2.电容型带状传感器的检 测灵敏度与带状金属片的面积成正比，在现场容易受 到安装环境的制约3.测量频带如选取不当，会受到较大的噪声干扰1.无需破坏电1.易受到环境因素影响，缆本体

29、如土壤电导率、湿度等均可2.安装也非常能对金属电极测量稳定性简单产生影响3.可有效抑制2.易受外界电磁噪声干扰两侧本体放电信号的干扰，具有对电缆中间接头局部放电定位的功能1.2.安装方便调整灵敏度信号带宽可 根据检测需要 进行调整3.4.数据采集量 大1.电缆外屏蔽层与电 感型带状传感器的互感较小，灵敏度较低2.容易耦合到外来干1.从接地线上耦合信号, 易受到杂散干扰和电磁干扰的影响2.容易受广播干扰影响3.和高通滤波的放大器匹 配不当，会影响测试灵敏度号耦合频率带宽扰信号超高频传感器法通过使用多个UHF传感器，能够较好地对局放 源进行定位，并 对局放源进行相 互验证1. 容易受到通信信号 (

30、GSM)及数字电视地 面信号的影响2. 容易受环境空间随 机的接触不良等现场 引起的放电现象干扰方向耦合传感法1. 能准确判断脉 冲传播的方向2. 和其他在线测 试组合使用，能 帮助辨识信号是 局放还是噪声易受到环境因素影 响，如金属片腐蚀造成 不报，或受强磁场影响 而误报声发射检测法(AE)1. 测量操作简便2. 不受电磁噪声的干扰1. 声波在电缆内的传 输会有较大的衰减，会 影响测试灵敏度2. 所测声信号与放电 量之间的关表1局放在线监测耦合方式比较3.3各种信号耦合方式的组合采用合适的测试方法。比如在环境比由于现场环境的复杂性，使得每种XL PE电力电缆局放在线测试方式都有它的局限性。

31、在实际测试工作中要尽量避开现场干扰对测试的影响，较干燥，周围没有电磁干扰的情况下，采用外置式电容耦合法就比较有效；又比如在现场没有电磁屏障时，采用 UHF的效果非常好23。然而测试现场干扰情况往往是非常复杂的，为了能有效地进行局放测试，根据现场情况和条件， 建议采用多种耦合方式组合进行测试，比如常用的组合方式是将 UHF和HFCT结合使用，UHF的频段较高，可避开无线电广播干扰， 但容易受空间随机脉冲干扰影响 ;HFCT容易受广播干扰影响，但是受外界的随机干扰影响 较小，而且UHF局放检测的灵敏度也较高，两者组合正好能互补。图3-3为各种信号耦合方式的组合示意图，合理地组合运用多种测试方法，能

32、取得更好的测试效果24。图3-31耦合电容 耦合金属贴片19世纪才发展起来的新研究表各种信号耦合方式的组合示意图6-方向传感器7外置电容2检测阻抗 3 HFCT 4 UHF 5 AE8 内置电容带状传感器9 绝缘垫圈10多模感温光缆4 PD的混沌监测方法讨论4.1混沌动力学特性及特征量混沌理论是数学、物理、动力学等基础学科的联合，是在 领域和方法。混沌现象的内在随机性最大特征是对系统运行初始幅值变动的敏感依赖， 明客观事物是不仅仅是随机性和确定性的运行，还是一种常见的无序混沌运行方式。4.1.1混沌系统状态特征量混沌运行极为复杂且无序，状态特征量的选取也十分困难，对初始状态的敏感依赖使 的Ly

33、apunov指数谱、关联维、分数维等特征量是衡量混沌系统复杂性的重要参数。对初始条件的敏感依赖是混沌运动的基本特征，两个靠近的初始值运行轨迹会随着时 间的推移逐渐远离，Lyapunov指数可以对这种现象进行准确描述。关联维数是依据著名的 G-P算法衍生出来的，认为通过时间序列就能够计算出吸引子的关联维，构建好矢量之后 满足距离定义下，使用两个矢量最大分量差定义之间距离，并规定矢量距离小于已定正数 r，这些矢量就是关联量，关联维对于选择重构相空间嵌入维数有着非常重要的作用。4.1.2局放时间序列的混沌特性动力学系统的非线性混沌设计需要根据特征量来判断。电器设备局放是指电器设备内 部绝缘的弱点在外

34、施电压下产生的局部的非贯通的气隙重复击穿和熄灭现象，局部放电在绝缘内部气隙或者气泡中存在，即便空间很小，但是产生的电场强度仍然很大，放电能量很小，不会对电气设备的短时绝缘强度造成影响，但是电气设备在长期运行电压下长期存在的局部放电现场和由此产生的不良效应会缓慢的破坏绝缘并最终击穿整个绝缘，缓慢的破坏积累成为突发性故障。目前已经能够证实， 局放是存在混沌特性的，在电缆数值化的进程中，局放时间序列的混沌特性是确定的，具体表现为，局放时间序列最大Lyapunov指数入0 ,关键维D为分数维，K熵0，电缆局放混沌特征参量是可以作为电缆绝缘；老化估计特征 量的，最大放电量时间序列关键维和电缆水树以及绝缘

35、老化状态诊断等均能够满足要求。4.1.3局放时间序列的混沌特性动力学系统的非线性混沌设计需要根据特征量来判断。电器设备局放是指电器设备内 部绝缘的弱点在外施电压下产生的局部的非贯通的气隙重复击穿和熄灭现象，局部放电在绝缘内部气隙或者气泡中存在，即便空间很小，但是产生的电场强度仍然很大，放电能量很小，不会对电气设备的短时绝缘强度造成影响，但是电气设备在长期运行电压下长期存在的局部放电现场和由此产生的不良效应会缓慢的破坏绝缘并最终击穿整个绝缘，缓慢的破坏积累成为突发性故障。目前已经能够证实， 局放是存在混沌特性的， 在电缆数值化的进程中， 局放 时间序列的混沌特性是确定的，具体表现为，局放时间序列

36、最大Lyapunov指数 入0 ,关键维D为分数维，K熵0 ,电缆局放混沌特征参量是可以作为电缆绝缘；老化估计特 征量的，最大放电量时间序列关键维和电缆水树以及绝缘老化状态诊断等均能够满足要求。4.2混沌控制微弱信号检测传统意义上的测量检测都是利用线性理论进行，但是混沌检测的敏感性、不可测性、分形性、有界性等特殊性质使得初始值在运行周期中将产生巨大的变化，混沌检测方法这是利用了混沌控制的这种显著的放大效果来检测微弱信号的。4.2.1基本原理使用混沌振子作为研究对象，认为混沌体系的各种特性均能够通过动态行为学行为表示出来。混沌是非线性系统中的一种现象，应用Duffing混沌振子方程构筑就能够胜任

37、微弱信号的检测。把待测信号视作周期测动力外加强迫项带入系统方程，得到Duffing系统方程。X(t)+ k 化 x(t) + X3(t)= V cos( t) + b（4-1）式中：3是策动力角频率；丫是周期策动力幅值；k是阻尼比。混沌体系本征频率和外 加周期强迫相频率之间的互动使得方程中包含着众多混沌特性，进行混沌检测时，当混沌系统阻尼比k为定值时，调整混沌周期的策动力幅值，使得策动力初始幅值和相应的分形值相 同，使混沌系统在混沌系统处在从混沌状态向大幅度周期运行状态的转变临界状态，之后混沌系统中加入待测信号，调整其和系统相同，于是系统因为幅值的敏感依赖特性转变为大尺 度周期运行状态，此时调

38、节策动力幅值， 使混沌系统重新恢复混沌状态，通过计算两次调节之间策动力的幅值就能够得到待测信号的幅值。4.2.2周期窄带信号检测同样使用Dufing设计特定的混沌系统，外加信号稳定时方程线性恢复力控制着系统运行情况，恢复力一定时外加信号会对系统运行情况造成影响，对检测微弱脉冲信号敏感性和混沌判据证明的可行性，调整恢复力，构建周期窄带信号模型。混沌系统在外加强迫项周期策动力作用下呈现大尺度周期性运行的状态，属于有序系统，微弱周期信号注入混沌系统后改变系统运行状态，据此实现信号检测，要注意设置混沌系统周期策动力时频率以及 初相应该和待测信号基本一致。4.2.3周期窄带降噪特定混沌系统能够对窄带周期

39、信号噪声进行有效的抑制，对局放信号不会产生任何形 式的影响。首先构造混沌系统模型， 检测局放脉冲周期窄带干扰信号，进行频谱分析，获得窄带信号频率，确定窄带干扰对照混沌模型子系统阀值，调整混沌状态为无序混沌状态和大在系周期相变临界状态，获得某一窄带干扰的初始相位，调整策动力和窄带干扰基本相同，统中加入局部待测信号，计算最大李氏指数识别混沌系统的运行状态，减去相位差重新计算李氏指数，重复上述步骤，直至全部干扰识别和抑制。4.3双耦合Dufing振子系统局放脉冲检测XLPE电力电缆半导电层脉冲沿着电缆存在着频散衰变现象，局放脉冲信号传播距离 很长之后会出现波形畸变，并且电缆运行现场干扰情况非常严重，

40、导致局放检测灵敏度不高。为了获得更好的电缆局放检测精度，人们开始使用双耦合 Duffing混沌振子方程进行局放检测。振子周期策动力以及初始值设置对脉冲激励下的振子间瞬态同步突变结果有着严重的 影响， 根据仿真研究的结果发现， 脉冲信号宽度和周期策动力周期基本一致时脉冲信号会 激励耦合系统产生比较理想的瞬态同步突变现象。 振子间同步误差会对检测信号中的脉冲 信号真实反映， 能够对脉冲信号的宽度、幅值等特征产生较好的检测效果。电缆中的局放脉冲上升时间很短并且宽度也很窄， 在电缆半导电层影响下局放脉冲会 出现频散衰变现象。 使用双耦合 Duffing 混沌振子检测信号，传感器检测信号在抑制周期 窄带

41、和周期干扰之后还存在着局放脉冲、 白噪以及随机脉冲干扰， 把检测信号时间序列作 为扰动放入第一个振子周期策动力中，使用四阶龙格 - 库塔算法计算，当初始值均小于零 时正脉冲信号会激励耦合系统产生理想的瞬态同步突变。双耦合 Duffing 振子系统瞬态突变现象对脉冲激励敏感，但是对白噪声免疫力很强，可 是有效抑制白噪音。 周期策动力周期会影响检测效果， 脉宽与之相当的局放脉冲才能够激励 其发生瞬态同步突变， 但是实际检测中脉冲沿电缆方向衰减导致了脉冲宽度差异， 在应用中 需要构建多组不同的双耦合振子系统适应不同脉宽的局放检测。4.4 小结 应用混沌系统对初始相的敏感性依赖和双耦合混沌振子系统同步瞬态突变对脉冲激励 的敏感性进行电缆局放的检测巧妙的利用了混沌系统的性质，获得了更高的灵敏度和抗干 扰能力，在电缆局放检测方面有着广阔的应用空间。5 结论本文着重论述了 XLPE 电缆局部放电的几种常规的监测方法，指出了它们的优势与缺 点，在实际测试工作中灵活运用各种测试方法，主要的目的就是想方设法提高测试灵敏度， 降低现场干扰对测试工作的影响， 有助于综合分析电缆局放状况。 本文讨论的混沌法局放检 测利用混沌系统的性质获得了更高的灵敏度和抗干扰能力， 在 XLPE