CN102590719A

CN102590719A - 电力电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置

Info

Publication number: CN102590719A
Application number: CN201210042344XA
Authority: CN
Inventors: 周凯; 李旭涛; 万利; 赵威; 陶霰韬; 熊庆; 陶文彪; 潘荣超
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特点是该贴片式传感器装置由传感器(1)、触发信号耦合器(2)及信号处理单元(3)构成；信号处理单元(3)由选通电路(4)、辅助电路(5)、触发信号调理电路(6)及数据采集单元(7)组成；传感器输出的信号依次通过选通电路(4)、辅助电路(5)与数据采集单元(7)连接；触发信号耦合器(2)输出的信号依次通过触发信号调理电路(6)与数据采集单元(7)连接；它具有频带响应较宽，成本低廉，体积小巧，易于安装的优点。

Description

电力电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置

技术领域

本发明是一种电力电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，属于高压电力测试技术及电气设备绝缘状态监测技术领域。

背景技术

近年来随着城市电网规模的不断扩大，交联聚乙烯(XLPE)电缆凭借其制造工艺简单、安装方便、绝缘性能好、供电可靠等诸多优点，在电网建设中得到了广泛使用。电缆终端头因本身结构、制作和安装工艺及运行条件的复杂性，成为了电缆系统在实际运行中的薄弱环节。据相关统计，不计及外力破坏等原因，电缆附件故障引起的电力电缆线路运行故障超过了总量的一半以上。局部放电是引起电缆附件绝缘破坏的主要原因，同时也是表征绝缘状况的主要特征参数。因此，局部放电成为检测电缆附件状态的重要环节并越来越受到电力工业的重视。

局部放电信号是一种高频小信号，其产生时具有很强的随机性，且放电信号频率分布范围很宽，易受噪声干扰的影响。因此，用于局部放电检测的传感器需要有较高的灵敏度及良好的信噪比。国内外目前采用的局部放电检测方法多种多样，主要分为电气检测法和非电检测法。

电气检测法既可以做定量检测又可以做定性分析，目前国内外应用较多的方法主要有：脉冲电流法、电容耦合法、电磁耦合法、超高频检测法等。各种非电检测技术(声测法、红外测温法、光测法等)虽然抗电磁干扰能力强，但大多难以完成对局部放电的定量测量，因而多作为局部放电检测的辅助方法，电气检测法依旧是局部放电检测的主要手段。

国内对于电缆终端头的局部放电检测研究较少。中国专利CN200410026134.7“电力电缆局部放电在线监测方法及装置”使用罗氏线圈作为传感器从电缆接地线上耦合射频信号，并针对电缆设计了一台在线监测样机，提出了一套完整的在线监测方案。但该技术所述的传感器也存在以下不足：(1)罗氏线圈作为电磁耦合法中的一种经典传感器，通常要面临灵敏度低的问题，其采样系统需要较高的采样率，硬件开销大；(2)传感器安装在电缆接地线上将会受到流过地线的各种干扰的影响，对抗这些干扰需要较为复杂的后端处理，对后端硬件、软件的要求较高；(3)罗氏线圈是一种封闭式结构的传感器，体积大且不便于现场安装。

美国专利7202672“Partial discharge sensor”考虑到罗氏线圈封闭式结构不便于工业现场安装的缺点，将传感器设计成开口的“U”型结构，对电缆进行局部放电检测时将传感器夹持在电缆上，实现对电缆缺陷的局部放电检测。该装置检测频带较宽，设计结构简单，方便现场检测人员操作。但也有比较突出的缺点：将传统封闭式的罗氏线圈设计成开口线圈，大大降低了传感器的检测灵敏度，在电缆绝缘内部出现裂隙缺陷时才能检测到放电现象；虽然传感器具有较宽的检测频带，但为了达到理想的检测灵敏度，该发明的后端信号处理设备需要很大的硬件开销。在该发明的实施例中，信号处理设备使用了频谱分析仪，使检测装置本身成本大幅提高，难以在工业上大规模推广。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电力电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特点是将传感器单元设计为传感贴片，再由传感贴片组成传感器阵列，使传感器获得宽频带特性，在保证灵敏度的前提下实现了在电缆终端头表面进行局部放电的检测。

本发明的目的由以下技术措施实现：

电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置由传感器、触发信号耦合器及信号处理单元构成；信号处理单元由选通电路、辅助电路、触发信号调理电路及数据采集单元组成；传感器输出的信号依次通过选通电路、辅助电路与数据采集单元连接；触发信号耦合器输出的信号依次通过触发信号调理电路与数据采集单元连接。

传感器的结构中设有传感贴片、橡胶垫、固定螺栓、外壳接地线和信号电缆；传感贴片的厚度10um～100um，有效耦合面积100～1000mm²，响应频带范围为0～100MHz。

选通电路中的选通控制字I由数据采单元的数字信号输出端输出；选通控制字I通过光耦合隔离器II与继电器III连接；光耦合隔离器II根据控制字I对继电器III输出控制信号；继电器III根据控制信号接通相应的1a、1b、1c不同传感器；选通电路具有可扩展性，其中，一个控制字I、一只光耦合隔离器II和一只继电器III构成一套选通单元IV，两套选通单元IV能连接1a、1b、1c三个传感器；以此类推，每增加一套选通单元IV就能多连接一个传感器。

辅助电路中的二极管D1、二极管D2作为支路并联于辅助电路的输入端，另一端接地；电阻R1、电容C1构成高通滤波器；运算放大器U1同相输入端接地，电阻R2、电阻R3控制运算放大器U1的放大系数，电阻R2连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R3并联于运算放大器U1的反相输入端与U1的输出端之间；电阻R4、电容C2构成低通滤波器；电阻R4和电容C2的公共端与电容C3连接，电容C3的另一端与辅助电路的输出端连接；二极管D3、二极管D4作为支路并联于辅助电路的输出端，另一端接地。

触发信号耦合器的响应频带范围为0～1GHz；触发信号耦合器的结构中设有触发信号耦合单元、固定螺栓和信号电缆；触发信号耦合单元的输出与信号电缆的输入端连接。

触发信号调理电路中的二极管D5、二极管D6并联于触发信号调理电路的输入端，另一端接地；运算放大器U2的同相输入端与触发信号调理电路的输入端连接，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接；电阻R5连接运算放大器U3的反相输入端，电位器R6并联于运算放大器U3的反相输入端与运算放大器U3的输出端之间，运算放大器U3的同向输入端接地；运算放大器U3的输出端通过电阻R7与电压比较器U4的同相输入端连接；变阻器R8的2脚连接电压比较器U4的反相输入端，变阻器R8的1脚和3脚分别于电源和地连接；电阻R9并联于电压比较器U4的输出端；电压比较器U4的输出端连接光耦合隔离器U5的反相输入端；电阻R10连接电源与光耦合隔离器U5的同相输入端；电阻R11并联于触发信号调理电路输出端与电源之间。

本发明具有如下优点：

1.频带响应较宽。该本发明中的传感器贴片具有较宽的响应频带(0～100MHz)。环形传感器中采用将传感贴片组成传感阵列的设计方式，可以改善传感器的频带特性，提高传感器的灵敏度。在辅助电路的配合下，能够滤除大多数噪声干扰，取得良好的信噪比。

2.成本低廉。传感贴片及传感器外壳制造耗材少，成本低。触发信号耦合器、信号电缆、选通电路、辅助电路及触发信号调理电路使用的电子材料均为常见电子元件且成本低廉。本发明体现出的经济优势为其大规模工业应用推广创造了极好的条件。

3、体积小巧。相对于一些传统的局部放电检测传感器，本发明中传感器贴片设计面积仅几百mm²，制成的环状传感器时体积小巧，空间占用小。有利于传感器安装在设计预留空间狭小的环网柜单元内。

4、易于安装。外壳开口通过螺栓固定的设计方法使传感器在现场安装时更加方便，适于多种规格电缆终端头，这为本发明运用到电力工业中搭建局部放电在线监测系统创造了很好的操作条件。

附图说明

图1为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置示意图

1、为传感器，2、为触发信号耦合器，3、为信号处理单元，4、为选通电路，5、为辅助电路，6、为触发信号调理电路，7、为数据采集单元。

图2为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器示意图

8、为传感贴片，9、为橡胶垫，10、为固定螺栓，11、为外壳接地线，12、为信号电缆。

图3为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置的选通电路原理图

I、为选通控制字，II、为光耦合隔离器，III、为继电器。

图4为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置的辅助电路原理图

图5为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置的触发信号耦合器设计示意图

13、为触发信号耦合单元，14、为固定螺栓，15、为信号电缆。

图6为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置的触发信号调理电路原理图

图7为电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置检测到的局部放电相位分布散点图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述：有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例

如图1所示，电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置由传感器1、触发信号耦合器2及信号处理单元3构成；信号处理单元3由选通电路4、辅助电路5、触发信号调理电路6及数据采集单元7组成；传感器输出的信号依次通过选通电路4、辅助电路5与数据采集单元7连接；触发信号耦合器2输出的信号依次通过触发信号调理电路6与数据采集单元7连接。

如图2所示，传感器1的结构中设有传感贴片8、橡胶垫9、固定螺栓10、外壳接地线11和信号电缆12；传感贴片的厚度10um～100um，有效耦合面积100～1000mm²，响应频带范围为0～100MHz。

如图3所示，选通电路4中的选通控制字I由数据采单元7的数字信号输出端输出；选通控制字I通过光耦合隔离器II与继电器III连接；光耦合隔离器II根据控制字I对继电器III输出控制信号；继电器III根据控制信号接通相应的1a、1b、1c不同传感器；选通电路4具有可扩展性，其中，一个控制字I、一只光耦合隔离器II和一只继电器III构成一套选通单元IV，两套选通单元IV能连接1a、1b、1c三个传感器；以此类推，每增加一套选通单元IV就能多连接一个传感器。

如图4所示，辅助电路5中的二极管D1、二极管D2作为支路并联于辅助电路5的输入端，另一端接地；电阻R1、电容C1构成高通滤波器；运算放大器U1同相输入端接地，电阻R2、电阻R3控制运算放大器U1的放大系数，电阻R2连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R3并联于运算放大器U1的反相输入端与U1的输出端之间；电阻R4、电容C2构成低通滤波器；电阻R4和电容C2的公共端与电容C3连接，电容C3的另一端与辅助电路5的输出端连接；二极管D3、二极管D4作为支路并联于辅助电路5的输出端，另一端接地。

如图5所示，触发信号耦合器2的响应频带范围为0～1GHz；触发信号耦合器2的结构中设有触发信号耦合单元13、固定螺栓14和信号电缆15；触发信号耦合单元13的输出与信号电缆15的输入端连接。

如图6所示，触发信号调理电路6中的二极管D5、二极管D6并联于触发信号调理电路6的输入端，另一端接地；运算放大器U2的同相输入端与触发信号调理电路6的输入端连接，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接；电阻R5连接运算放大器U3的反相输入端，电位器R6并联于运算放大器U3的反相输入端与运算放大器U3的输出端之间，运算放大器U3的同向输入端接地；运算放大器U3的输出端通过电阻R7与电压比较器U4的同相输入端连接；变阻器R8的2脚连接电压比较器U4的反相输入端，变阻器R8的1脚和3脚分别于电源和地连接；电阻R9并联于电压比较器U4的输出端；电压比较器U4的输出端连接光耦合隔离器U5的反相输入端；电阻R10连接电源与光耦合隔离器U5的同相输入端；电阻R11并联于触发信号调理电路6输出端与电源之间。

在实验时，将传感器1安装在有内部缺陷的电缆终端上。典型的内部缺陷产生的局部放电的相位集中分布在工频电压周期的一、三象限，利用这一特点绘制局部放电相位谱图可以验证检测效果。图7为根据传感器装置检测到的信号绘制出的局部放电相位分布图，散点出现位置即为局部放电的相位分布散点图。

Claims

1.电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特征在于该贴片式传感器装置由传感器(1)、触发信号耦合器(2)及信号处理单元(3)构成；信号处理单元(3)由选通电路(4)、辅助电路(5)、触发信号调理电路(6)及数据采集单元(7)组成；传感器输出的信号依次通过选通电路(4)、辅助电路(5)与数据采集单元(7)连接；触发信号耦合器(2)输出的信号依次通过触发信号调理电路(6)与数据采集单元(7)连接。

2.如权利要求1所述电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特征在于传感器(1)的结构中设有传感贴片(8)、橡胶垫(9)、固定螺栓(10)、外壳接地线(11)和信号电缆(12)；传感贴片(8)的厚度为10um～100um，有效耦合面积为100～1000mm²，响应频带范围为0～100MHz。

3.如权利要求1所述电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特征在于选通电路(4)中的选通控制字I由数据采单元(7)的数字信号输出端输出；选通控制字I通过光耦合隔离器II与继电器III连接；光耦合隔离器II根据控制字I对继电器III输出控制信号；继电器III根据控制信号接通相应的(1a)、(1b)、(1c)不同传感器(1)；选通电路(4)具有可扩展性，其中，一个控制字I、一只光耦合隔离器II和一只继电器III构成一套选通单元IV，两套选通单元IV能连接(1a)、(1b)、(1c)三个传感器(1)；以此类推，每增加一套选通单元IV就能多连接一个传感器(1)。

4.如权利要求1所述电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特征在于辅助电路(5)中的二极管D1、二极管D2作为支路并联于辅助电路(5)的输入端，另一端接地；电阻R1、电容C1构成高通滤波器；运算放大器U1同相输入端接地，电阻R2、电阻R3控制运算放大器U1的放大系数，电阻R2连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R3并联于运算放大器U1的反相输入端与U1的输出端之间；电阻R4、电容C2构成低通滤波器；电阻R4和电容C2的公共端与电容C3连接，电容C3的另一端与辅助电路(5)的输出端连接；二极管D3、二极管D4作为支路并联于辅助电路(5)的输出端，另一端接地。

5.如权利要求1所述电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特征在于触发信号耦合器(2)的响应频带范围为0～1GHz；触发信号耦合器(2)的结构中设有触发信号耦合单元(13)、固定螺栓(14)和信号电缆(15)；触发信号耦合单元(13)的输出与信号电缆(15)的输入端连接。

6.如权利要求1所述电缆终端头局部放电检测贴片式传感器装置，其特征在于触发信号调理电路(6)中的二极管D5、二极管D6并联于触发信号调理电路(6)的输入端，另一端接地；运算放大器U2的同相输入端与触发信号调理电路(6)的输入端连接，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接；电阻R5连接运算放大器U3的反相输入端，电位器R6并联于运算放大器U3的反相输入端与运算放大器U3的输出端之间，运算放大器U3的同向输入端接地；运算放大器U3的输出端通过电阻R7与电压比较器U4的同相输入端连接；变阻器R8的2脚连接电压比较器U4的反相输入端，变阻器R8的1脚和3脚分别于电源和地连接；电阻R9并联于电压比较器U4的输出端；电压比较器U4的输出端连接光耦合隔离器U5的反相输入端；电阻R10连接电源与光耦合隔离器U5的同相输入端；电阻R11并联于触发信号调理电路(6)输出端与电源之间。