CN101819244B - 交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法 - Google Patents

Abstract

一种交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，属于电力电缆在线监测领域。包括被测交联聚乙烯电力电缆，其特征在于：通过实时在线检测和记录某一条被测交联聚乙烯电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测电力电缆的金属屏蔽层接地导体的瞬时电磁暂态信号，利用特定判据进行分析，对所述被测电力电缆进行故障预警。针对电力电缆的“可恢复故障”的在线预警方法，对电缆损毁之前的“可恢复故障”，实施在线预警，便于供电部门提前或有计划检修，避免因电缆突发故障造成停电，减少因停电所造成的经济损失以及对企业生产和人民生活带来的不利影响，提高供电可靠性。

Description

交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法

技术领域

本发明属于电力电缆在线监测领域，所监测的电力电缆为小电流系统中运行的各电压等级的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆，具体说是一种交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法

背景技术

用于电力传输和分配的电缆称为电力电缆。随着社会的进步和工农业生产的发展，电缆用量在整个电力传输线路中所占的比例日益提高，电缆与架空线路相比，具有下列主要优点：

1.送电可靠性高，不易受周围环境和污染的影响；

2.线间绝缘距离小，占地少，无干扰电波；

3.地下敷设时，不占地面与空间，既安全可靠，又不易暴露目标。

电力电缆绝缘在线检测技术的应用是实现状态检修的有效手段之一，在线预警是在运行电压下对电缆的运行状态进行检测，真实反应了电缆绝缘水平。在自动连续检测状态下，依据大量的数据以及判据的数模分析可以判定绝缘状态变化趋势，从变化趋势中寻找危险征兆，从检测结果来综合判断电缆运行状况。并且利用通讯技术实时提报检修和相关人员，即达到事故之前计划检修，避免事故扩大和不必要的经济损失。

在实际应用中，针对交联聚乙烯(XLPE)电缆的特点，常采用以下几种传统的检测方法实现电缆绝缘的在线检测：直流分量法，损耗电流谐波分量法和局部放电法等几种方法，都有各自的优点和适用的具体情况。下面就几种方法做一简介：

1、直流分量法

直流分量法是K.Sona等人对实际运行的电缆进行分析后提出的一个方法，由于在交联聚乙烯(XLPE)电缆中的水树枝起“整流作用”，所以在外施电压的负半周，水树枝放电向绝缘中注入了较多的负电荷，而在正半周时注入的正电荷较少，只中和了一部分负电荷，这样在外施交流工作电压的正负半周的反复作用下，水树枝前端所聚集的负电荷逐渐向屏蔽层漂移，就像整流作用那样出现了直流分量，可以通过测量直流分量来检测交联聚乙烯(XLPE)的水树枝的发展情况。在实际现场运行情况看，此直流分量数值极小，有时仅几纳安。故在现场进行直流分量的测量时，微小的干扰电流就会引起很大的误差，且这种误差主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流。

2、损耗电流谐波分量法

谐波分量法的原理是根据水树枝引起老化的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆会在损耗电流中产生谐波分量来检测电缆的绝缘状况。研究表明，在水树枝老化的情况下，绝缘的电导会呈现出非线性特征，在正弦电压作用下，损耗电流将出现谐波分量，因此谐波分量能够很好的表征电缆的老化情况，随着电缆老化程度的增加，损耗电流会越来越畸变，含有的谐波分量也越来越大。利用检测到的损耗电流的谐波分量就能够提供更多的水树枝的老化信息，为电缆绝缘状况的监测提供了一种可供选择的方法。但此方法存在比较难以区分电容电流分量和损耗电流分量的缺点。

3、检测局部放电法

局部放电是交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象，这种放电一股发生在电缆的局部缺陷处，放电量很小(几pC～几十pC)，在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力则会，但如果这种放电长期发生，逐渐的损坏电缆的绝缘，缩短电缆寿命。由于局部放电时，电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流都不会有太大变化，这些现象就可以作为局放因此，检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候，一股都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声、噪音等现象，检测的对象。根据检测物理量的不同，其方法有：局部放电量法、脉冲电流检测法、电磁波法、超声波法和振动加速度法。其中脉冲电流法的灵敏度最高，而且可以测得放电量、放电重复率及平均电流。但是对于交联聚乙烯(XLPE)运行的电力电缆的局部放电的研究，目前没有达到实用化，并且对于绝缘介质的损毁程度和发展过程，还没有定性和定量的认识。对于运行电缆，由于电网扰动等原因，局部放电对电缆绝缘劣化程度的分析没有可靠的依据。故局部放电检测设备无法实现电力电缆的在线监测方式。

公布号为CN101464488的中国专利公开的《一种高压电缆在线监测系统》，包括传感器，数据采集单元，取电装置，以及网络服务器，其中传感器设置在高压电缆接头处，用于采集高压电缆接头的护层循环电流、线芯电流、电缆表面温度及环境温湿度等数据并将采集的数据发送给数据采集单元，数据采集单元设置在高压电缆接头附近，用于采集传感器的数据并通过无线网络发送给网络服务器。其基本原理是采集高压电缆接头处的护层循环电流、线芯电流、电缆表面温度及环境温湿度等数据，并通过比较护层循环电流和线芯电流的大小来判断护层绝缘是否出现异常。该方法是利用稳态量的电缆在线监测方法，适合于电缆永久性绝缘下降故障的监测。

公布号为CN101533062的中国专利公开的《基于行波电气量量测的电力电缆在线绝缘监测方法》，包括：实时采集变电站同一母线上连接的所有电缆线路上量测到的行波电气量，同时监测所有电缆线路上是否发生了扰动；当监测到电缆线路上发生扰动，记录扰动发生时间；并比较所有电缆线路上的行波特征，判定出产生扰动的电缆线路；比较最近三次扰动的电缆是否为同一电缆；若为同一电缆，计算第一次发生扰动的时间与第三次发生扰动时间间隔；比较所述计算出的时间间隔与预先设定的时间间隔，若所述计算出的时间间隔小于等于所述预先设定的时间间隔，则判定该电缆绝缘降低，输出电缆在线监测结果。该方法的技术核心在于必须同时实时采集变电站同一母线上连接的所有电缆线路上量测到的行波电气量，同时监测所有电缆线路上是否发生了扰动，否则，如果其中有一条电缆没有被监测，则就无法进行后续的判定步骤；另外，本发明适用于电缆绝缘降低引起的有规律的扰动行波的故障检测。

综上所述，对于交联聚乙烯(XLPE)电力电缆，现有的在线检测方法都有各自的局限性。

经我们研究和实验发现，正常运行的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆由于制造缺陷或敷设过程中的机械损伤等因素在运行环境中水分子的作用下会产生水树枝，并且在电场的作用下水树枝逐渐生长，形成导电通道并发生击穿，击穿的能量使导电通道融化阻塞或将水分子驱散，该通道在反向电场作用下绝缘恢复，我们称这种击穿现象为“可恢复故障”。随着时间的推移，这个过程会不断加强，击穿频率也逐渐提高，直到该导电通道完全贯通不可恢复，表现为交联聚乙烯(XLPE)电力电缆发生单相接地故障。因此，对电缆损毁之前的“可恢复故障”，实施在线预警，具有重要的现实意义。

对于小电流接地系统中运行的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆，上述“可恢复故障”的击穿放电量在十几到几十微库数量级，持续时间小于2毫秒，并且其产生的瞬时电磁暂态信号的强度和波形形态明显区别于局部放电或电网扰动产生的电磁暂态信号。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种针对电力电缆的“可恢复故障”的在线预警方法，对电缆损毁之前的“可恢复故障”，实施在线预警，便于供电部门提前或有计划检修，避免因电缆突发故障造成停电，减少因停电所造成的经济损失以及对企业生产和人民生活带来的不利影响，提高供电可靠性的交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，包括被测交联聚乙烯电力电缆，其特征在于：通过实时在线检测和记录某一条被测交联聚乙烯电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测电力电缆的金属屏蔽层接地导体的瞬时电磁暂态信号，利用特定判据进行分析，对所述被测电力电缆进行故障预警，包括以下具体步骤：

步骤1：将所述被测交联聚乙烯电力电缆的金属屏蔽层接地导体穿过一孔型高频电流传感器，该高频电流传感器的输出端接到一高速信号采集和数据处理系统，该高速信号采集和处理系统包括至少一个高速信号采集单元以及具有特定判据的数据分析和处理系统；

步骤2：利用所述的高频电流传感器和高速信号采集单元，实时在线检测和记录所述被测电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测电力电缆的接地导体的瞬时电磁暂态信号；

步骤3：利用所述的数据分析和处理系统，对步骤2所检测和记录得到的信号数据，利用特定判据进行分析和处理，通过显示数据分析结果对所述被测电力电缆进行故障预警。

其中优选的方案是：

所述特定判据为在发生第一次“可恢复故障”到电力电缆发生故障这个时间段内连续检测和记录到的所述被测电力电缆发生“可恢复故障”的次数以及所述瞬时电磁暂态信号的强度和形态。可以先实施一次本方法取得该特定判据。

步骤3中所述的分析和处理，包括对瞬时电磁暂态信号

(1)进行信号调理和模数转换，并且存储；

(2)将瞬时电磁暂态信号的强度和波形形态与特定判据比较，辨别发生误动作信号；

(3)通过瞬时电磁暂态信号记录发生“可恢复故障”的次数，如果该次数接近特定判据，则显示和报警。

步骤(2)和步骤(3)为人工辨别和操作，也可以借助计算机辅助计算提高判断速度和准确率。其显示和报警，可以通过打印机，显示器、色带、指示灯或者喇叭，优选显示器。

所述的分析和处理，还包括对瞬时电磁暂态信号进行调理和模数转换后存储的数据包进行的网络汇集、分析和处理。

所述的高频电流传感器的截止频率为2MHz-125MHz。

所述高速信号采集单元的采样频率为4MHz-250MHz。

本发明交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法所具有的有益效果是：本发明的有益效果是：

1、可以实现交联聚乙烯(XLPE)电力电缆在线故障预警；

2、不改变电缆运行方式和结构，不占用现有系统资源，在电缆的金属屏蔽层接地导体上安装高频电流传感器，安全可靠；

3、可以在线检测一条或多条电力电缆，不强制要求在连接变电站同一母线的所有电力电缆上都安装在线检测设备，不强制要求同时检测所有电力电缆的电磁暂态信号，因此系统配置灵活；

4、实现电力电缆故障预警，便于供电部门提前或有计划检修，避免因电缆突发故障造成停电，减少因停电所造成的经济损失以及对企业生产和人民生活带来的不利影响，提高供电可靠性。

附图说明

图1为本发明用于小电流系统的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆在线预警电气原理图；

图2为本发明的高速信号采集和数据处理系统的原理方框图；

图3为图2中FPGA实施例的内部原理方框图；

图4为本发明实施例现场在线运行得到的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆“可恢复故障”的原始波形(2010年4月6日)；

图5为本发明实施例现场在线运行得到的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆实测扰动原始波形(2010年4月6日)；

图中：1.高频电流传感器  2.在线预警装置  3.接地导体  4.交联聚乙烯(XLPE)电力电缆  5.接地点  6.母线  7.变压器  8.电源  9.开关  10.消弧线圈  11.负载  12.接地点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，电源8、变压器7、开关9、消弧线圈10、母线6、交联聚乙烯(XLPE)电力电缆4和负载11组成一个常用的小电流系统的电力电缆供电模型。交联聚乙烯(XLPE)电力电缆4设置有接地点5、12。在不接地或经消弧线圈接地的电网运行的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆4上，接入一个高频电流传感器1，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆4的金属屏蔽层的接地导体3穿过此高频电流传感器1，该高频电流传感器1的输出端接到2，该在线预警装置2由超高速信号采集和数据处理系统等构成。

通过实时在线检测和记录某一条被测交联聚乙烯电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测电力电缆的接地导体的瞬时电磁暂态信号，利用特定判据进行分析，对所述被测电力电缆进行故障预警，包括以下具体步骤：

步骤1：将所述被测交联聚乙烯电力电缆的金属屏蔽层接地导体穿过一孔型高频电流传感器，该高频电流传感器的输出端接到一高速信号采集和数据处理系统，该高速信号采集和处理系统包括至少一个高速信号采集单元以及具有特定判据的数据分析和处理系统；

步骤2：利用所述的高频电流传感器和高速信号采集单元，实时在线检测和记录所述被测电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测电力电缆的接地导体的瞬时电磁暂态信号；

步骤3：利用所述的数据分析和处理系统，对步骤2所检测和记录得到的信号数据，利用特定判据进行分析和处理，通过显示数据分析结果对所述被测电力电缆进行故障预警。

特定判据为在发生第一次“可恢复故障”到电力电缆发生故障这个时间段内连续检测和记录到的所述被测电力电缆发生“可恢复故障”的次数以及所述瞬时电磁暂态信号的强度和形态。可以先实施一次本方法取得该特定判据。

步骤3中所述的分析和处理，包括对瞬时电磁暂态信号

(1)进行信号调理和模数转换，并且存储；

(2)将瞬时电磁暂态信号的强度和波形形态与特定判据比较，辨别发生误动作信号；

(3)通过瞬时电磁暂态信号记录发生“可恢复故障”的次数，如果该次数接近特定判据，则显示和报警。

(4)对瞬时电磁暂态信号进行调理和模数转换后存储的数据包进行的网络汇集、分析和处理。

步骤(2)和步骤(3)为计算机辅助计算提高判断速度和准确率。其显示和报警，可以通过打印机，显示器、色带、指示灯或者喇叭，优选显示器。

所述的高频电流传感器的截止频率为2MHz-125MHz。

所述高速信号采集单元的采样频率为4MHz-250MHz。

如图2、图3所示，高速信号采集和处理系统包括至少一个高速信号采集单元以及具有特定判据的数据分析和处理系统，主要包括高频传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、FPGA、动态存储器、处理器、以太网芯片和网络。高频传感器的输出端连接信号调理器的输入端，信号调理器的输出端分别通过高速A/D转换器和高速比较器连接FPGA的信号输入端。FPGA的数据端设置连接存储器，其输出端连接处理器的数据端。处理器的通讯端通过以太网芯片连接网络。

处理器的输出端设置显示器和打印机，也可以设置打印机、色带、指示灯或者喇叭。

FPGA即可编程逻辑门阵，包括高速A/D接口、门限逻辑控制、动态随机存储器接口、命令寄存器和处理器接口组成，其模块结构方式为普通现有技术。使用时，高速A/D接口连接高速A/D转换器的输出端，门限逻辑控制连接高速比较器，动态存储器接口连接动态存储器DRAM，处理器接口连接处理器的输入端。

本发明中提及的对数据包进行的网络汇集、分析和处理，处理器和FPGA的设置、输入、存储和使用，为普通计算机及电气工程师等专业人员所掌握。

高速信号采集和处理系统的工作原理和过程：

由高频传感器采集到的截止频率大于2MHz的电磁暂态信号，经信号调理电路进行增益调整和低通滤波送给高速A/D转换器和高速比较器，在现场可编程逻辑门阵的控制下根据高速比较器的输出决定是否启动高速模数转换和存储，处理器通过中断得到数据有效信息，经过算法处理，通过以太网将数据以网络通讯方式上传到上位机。使用者除了在单机上监测运行状态外，还可以通过网络汇集、单一调用，分析和处理。

如图4、图5所示，为本发明实施例现场于2010年4月6日在线运行现场得到的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆“可恢复故障”的原始波形和本发明实施例现场于2010年4月6日在线运行现场得到的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆实测扰动原始波形。

可以明显的辨别区分两种波形的差异，可以有效去除扰动信号，提高监测预警的准确性。

实施例2：

本发明的步骤3中所述的分析和处理，包括对瞬时电磁暂态信号

(1)进行信号调理和模数转换，并且存储；

(2)将瞬时电磁暂态信号的强度和波形形态与特定判据比较，辨别发生误动作信号；

(3)通过瞬时电磁暂态信号记录发生“可恢复故障”的次数，如果该次数接近特定判据，则显示和报警。

步骤(2)和步骤(3)为人工辨别和操作。

Claims (6)

1.交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，包括被测交联聚乙烯电力电缆，其特征在于：通过实时在线检测和记录某一条被测交联聚乙烯电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测交联聚乙烯电力电缆的金属屏蔽层接地导体的瞬时电磁暂态信号，利用特定判据进行分析，对所述被测交联聚乙烯电力电缆进行故障预警，所述“可恢复故障”为一种击穿现象，这种击穿现象是指正常运行的交联聚乙烯电力电缆由于制造缺陷或敷设过程中的机械损伤在运行环境中水分子的作用下会产生水树枝，并且在电场的作用下水树枝逐渐生长，形成导电通道并发生击穿，击穿的能量使导电通道融化阻塞或将水分子驱散，该通道在反向电场作用下绝缘恢复；该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将所述被测交联聚乙烯电力电缆的金属屏蔽层接地导体穿过一孔型高频电流传感器，该高频电流传感器的输出端接到一高速信号采集和数据处理系统，该高速信号采集和数据处理系统包括至少一个高速信号采集单元以及具有特定判据的数据分析和处理系统；

步骤2：利用所述的高频电流传感器和高速信号采集单元，实时在线检测和记录所述被测交联聚乙烯电力电缆发生“可恢复故障”时，产生的流经所述被测交联聚乙烯电力电缆的接地导体的瞬时电磁暂态信号；

步骤3：利用所述的数据分析和处理系统，对步骤2所检测和记录得到的信号数据，利用特定判据进行分析和处理，通过显示数据分析结果对所述被测交联聚乙烯电力电缆进行故障预警;所述特定判据为在发生第一次“可恢复故障”到电力电缆发生故障这个时间段内连续检测和记录到的所述被测交联聚乙烯电力电缆发生“可恢复故障”的次数以及所述瞬时电磁暂态信号的强度和形态。

2.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，其特征在于：所述的分析和处理，包括以下具体步骤：

步骤(1)：对瞬时电磁暂态信号进行信号调理和模数转换，并且存储；

步骤(2)：将瞬时电磁暂态信号的强度和波形形态与特定判据比较，辨别发生误动作信号；

步骤(3)：通过瞬时电磁暂态信号记录发生“可恢复故障”的次数，如果该次数接近特定判据，则显示和报警。

3.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，其特征在于：所述的高频电流传感器的截止频率为2MHz-125MHz。

4.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，其特征在于：所述高速信号采集单元的采样频率为4MHz-250MHz。

5.根据权利要求2所述的交联聚乙烯电力电缆故障的在线预警方法，其特征在于：所述的分析和处理，还包括对瞬时电磁暂态信号进行调理和模数转换后存储的数据包进行的网络汇集、分析和处理。

6.根据权利要求2所述的电力电缆故障的在线预警方法，其特征在于：所述的步骤(2)和步骤(3)为人工辨别和操作。

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