CN102495340A - 基于电磁波及高频ct的电力电缆局部放电在线监测系统 - Google Patents

基于电磁波及高频ct的电力电缆局部放电在线监测系统 Download PDF

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赵生传
时翔
陈志勇
江川
齐蔚海
王华广
董啸
孙晓斌
张利群
蔡健
徐强
兰显明
郝代涛
庄立生
张永强
郭英雷
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Abstract

一种基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统包括分布于电缆各个监测位置的宽频带Rogowski线圈电流互感器，宽频带Rogowski线圈电流互感器与相应的信号放大模块连接，信号放大模块通过传输光纤与数据采集卡连接，数据采集卡与装有后台专家分析系统的计算机连接。它结合光纤通信系统和专家识别系统，对电力电缆的绝缘状况进行实时准确判断，验证配电电缆局放在线监测系统的有效性。提高了供电网络的安全性，避免了网线的事故发生，减低了网线的使用成本，是理想的供电网络中对电力电缆进行实时监测的局部放电在线监测专用配套装置。

Description

基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统
 
技术领域
本发明涉及供电网在线监测技术，更详细地讲是关于供电网络中对电力电缆进行实时监测的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统。
背景技术
随着我国城市电网改造和升级步伐的进一步加快，电力电缆越来越多的应用于各种电压等级的输电线路和配电网中。投入运行后，由于在电缆生产、运输、安装及运行过程中引入杂质、气泡、毛刺、凸起等缺陷，或长期受到水分、潮气、化学物质的侵蚀渗透，引发电缆绝缘老化，影响电缆运行寿命。目前，国内对高压XLPE电缆绝缘检测多进行周期性的耐压试验，该方法对明显缺陷较有效，而对于那些需发展数年才逐步显现老化迹象的绝缘薄弱点却无能为力。
局部放电指发生在电缆本体绝缘或附件中的非贯穿性放电现象。在局部放电过程中，绝缘材料高分子的化学键产生解列，在放电点上的发热可达到很高的温度，使绝缘材料在放电点被烧焦或融化；温度升高还会产生热裂解，使介质电导及损耗增加，加速绝缘老化；局部放电过程还会产生许多活性生成物，腐蚀绝缘体，使介质性能劣化；连续爆破性的放电及放电产生的高压气体都会使绝缘体产生微裂，形成电树枝老化。研究证明，电缆局部放电量与其绝缘状况密切相关，放电量增大预示着电缆绝缘可能存在危害电缆安全运行的缺陷。因此，准确测量电缆局部放电量是判断电缆绝缘品质最直观、有效的方法。
国外虽在六十年代起开展了关于电缆绝缘局部放电检测方法的研究，并进行了长期的实践摸索，但对XLPE电缆绝缘老化及其检测技术的研究仍不完善。此外，由于110 kV与220 kV级XLPE电缆在世界上开发应用至今不过30余年，不像充油电缆有50年以上成熟的使用经验并且具备完善的绝缘老化检测方法。因此，深入研究XLPE电缆局部放电的测量方法，对正确评估电缆绝缘安全状态、保障电力系统的可靠供电具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能消除上述缺点，具有结构合理、操作简单、安全可靠、监测及时、判断准确、成本低廉等特点的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，它结合光纤通信系统和专家识别系统，对电力电缆的绝缘状况进行实时准确判断，验证配电电缆局放在线监测系统的有效性。大大地提高了供电网络的安全性，避免了网线的事故发生，减低了网线的使用成本，是理想的供电网络中对电力电缆进行实时监测的局部放电在线监测专用配套装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，它包括分布于电缆各个监测位置的宽频带Rogowski线圈电流互感器，宽频带Rogowski线圈电流互感器与相应的信号放大模块连接，信号放大模块通过传输光纤与数据采集卡连接，数据采集卡与装有后台专家分析系统的计算机连接。
所述宽频带Rogowski线圈电流互感器安装在电缆接头、本体或者接地线处，感应局放脉冲信号。
所述数据采集卡为多通道高速数据采集卡。
所述信号放大模块为宽带信号放大模块。
所述宽频带Rogowski线圈电流互感器采用锰锌铁氧体材料的矩形截面环形骨架，外、内径和高度分别为120、50和50mm，线圈的积分电阻R =50Ω，匝数N=10，线圈的理论灵敏度为5V/A。
所述宽频带Rogowski线圈电流互感器设有上下盖可拆铝壳环状屏蔽盒，厚度为5mm。
本发明设计了一种基于高频传感器的电力电缆局放在线监测系统，应用于10 kV 电缆运行，对电缆局部放电进行监测和预警。 电缆局部放电在线监测系统主要由分布于电缆各个监测位置的宽频带Rogowski线圈电流互感器、信号放大模块 、传输光纤、数据采集卡及后台专家分析系统构成，实现局放信号的采集、处理、转换、传输以及显示报警等功能。
Rogowski线圈（简称罗氏线圈)由铁氧体材料制成，根据电磁场耦合原理测量局部放电脉冲电流信号。如图2所示，罗氏线圈是1：N的电流互感器，环形铁氧体材料充当原边，为单匝线圈；其副边线圈是一个窗口面积较大而截面较小的N匝环形绕组，其结构与等效电路如图3 所示。
图2、图3中，M 为罗氏线圈的互感；Rs为线圈的等效电阻；Ls为线圈的自感；Cs为线圈的等效杂散电容； R为线圈积分电阻。线圈副边绕组与原边被测电流I(t)所产生的磁通相交链，线圈输出的感应电压U0(t)与被测电流I(t)之间有如下关系[13]:
                                                            
Figure 259945DEST_PATH_IMAGE001
             (1)
式中，M为线圈与载流导体间的互感系数。
由于XLPE电力电缆局部放电脉冲持续时间短，信号幅值小，根据电流传感器等效电路，适合采用高频小信号并联谐振回路理论对电缆局部放电信号进行分析[10]。选取不同的线圈负载，罗氏线圈又可分为外积分式和自积分式。外积分式罗氏线圈的负载包括积分电容和积分电阻，但因受积分器频率性能的影响，其测量的频率响应受到限制，在纳秒级电流信号测量中很难应用。而自积分式罗氏线圈直接采用积分电阻，频率响应高，是测量纳秒级脉冲电流信号的理想手段，本文所研究的罗氏线圈采用自积分式。
不考虑杂散电容Cs，根据图1所示等效电路，其传递函数为：
                           (2)
式中，R为积分电阻，N为线圈匝数。
由式(2)可以看出，罗式线圈的传递函数是常数，与频率无关；响应灵敏度与R成正比，与N成反比。
但是在高频下，杂散电容的影响很大，不能被忽略,传递函数为：
     （3）
式中各参数解释与上文同。
电流传感器的工作频带用上限频率fh与下限频率fl表示；图3中罗氏线圈电流传感器的工作频带见公式（4）、公式（5）。
 
Figure 743511DEST_PATH_IMAGE004
             (4)
 
Figure 557884DEST_PATH_IMAGE005
            （5）
分析公式（2）、公式（3）可知，传感器的灵敏度由传感器线圈的电感Ls、电阻Rs、线圈杂散电容Cs以及负载电阻R共同决定。要使传递函数大则要求使Rs和Ls尽可能小。而由式(4)、（5）可见，为使罗式线圈工作频带足够宽，在磁芯材料和线圈尺寸确定的情况下，应使其上限频率尽可能大而下限频率尽可能小，则要求Rs和R尽可能小， Ls尽可能大。但要增大线圈Ls，则线圈匝数N应尽可能大。增大绕线直径可减少Rs，但增大绕线直径与增大线圈匝数N是相互制约的。此外，负载电阻R对带宽和响应灵敏度均有影响。
因此，为了使线圈具有较宽的频带和合适的灵敏度，综合考虑各种因素后，传感器采用锰锌铁氧体材料的矩形截面环形骨架，外、内径和高度分别为120、50和50mm。选择线圈的积分电阻R =50Ω，匝数N=10。这样，可得线圈的理论灵敏度为5V/A。为使线圈尽量减少受到外界干扰，传感器设计了上下盖可拆铝壳环状屏蔽盒，厚度为5mm。屏蔽后，传感器受外界电磁场干扰极小（小于1mV）。
本发明的有益效果是：结构简单，安装方便，通过对电缆本体及电缆接头进行在线监测，对实际XLPE绝缘电缆的局放检测表明该传感器灵敏度较高，能满足局放监测的要求，有利于安排检修工作，且有针对性地进行缺陷处理，减少因安装工艺或电缆劣化导致的突发性事故发生，确保城市配电网安全可靠运行。
附图说明
图1：基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统结构示意图；
图2：图1中Rogowski线圈电流互感器结构示意图；
图3：图2的等效电路图。
其中，1. 宽频带Rogowski线圈电流互感器，2. 信号放大模块，3. 传输光纤，4. 数据采集卡，5. 计算机。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的结构：
如图所示的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，它包括分布于电缆各个监测位置的宽频带Rogowski线圈电流互感器1，宽频带Rogowski线圈电流互感器1与相应的信号放大模块2连接，信号放大模块2通过传输光纤3与数据采集卡4连接，数据采集卡4与装有后台专家分析系统的计算机5连接。数据采集卡4为多通道高速数据采集卡。所述的宽频带Rogowski线圈电流互感器1安装在电缆接头、本体或者接地线处，感应局放脉冲信号。所述的信号放大模块2为宽带信号放大模块。所述的宽频带Rogowski线圈电流互感器1采用锰锌铁氧体材料的矩形截面环形骨架，外、内径和高度分别为120、50和50mm，线圈的积分电阻R =50Ω，匝数N=10，线圈的理论灵敏度为5V/A。宽频带Rogowski线圈电流互感器1设有上下盖可拆铝壳环状屏蔽盒，厚度为5mm。

Claims (6)

1.一种基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，其特征在于它包括分布于电缆各个监测位置的宽频带Rogowski线圈电流互感器，宽频带Rogowski线圈电流互感器与相应的信号放大模块连接，信号放大模块通过传输光纤与数据采集卡连接，数据采集卡与装有后台专家分析系统的计算机连接。
2.如权利要求1所述的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，其特征在于所述的宽频带Rogowski线圈电流互感器安装在电缆接头、本体或者接地线处，感应局放脉冲信号。
3.如权利要求1所述的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，其特征在于所述数据采集卡为多通道高速数据采集卡。
4.如权利要求1所述的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，其特征在于所述信号放大模块为宽带信号放大模块。
5.如权利要求1所述的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，其特征在于所述宽频带Rogowski线圈电流互感器采用锰锌铁氧体材料的矩形截面环形骨架，外、内径和高度分别为120、50和50mm，线圈的积分电阻R =50Ω，匝数N=10，线圈的理论灵敏度为5V/A。
6.如权利要求1或2或5所述的基于电磁波及高频CT的电力电缆局部放电在线监测系统，其特征在于所述宽频带Rogowski线圈电流互感器设有上下盖可拆铝壳环状屏蔽盒，厚度为5mm。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120613