CN102749558A - 电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置及方法，包括有系统电源控制主机、高压电抗器单元、局放检测装置及软件系统、被测电缆试品，系统电源控制主机通过输入220V交流电压经整流器转换为直流电压，再经逆变器再将直流电压转换为频率、幅值可调节的交流电压。系统电源控制主机自动寻找系统谐振频率，并调整输出电压达到系统初始设定的试验电压值，用户可根据需求进行电缆耐压试验或阻尼振荡波局部放电检测试验，系统通过采集的电缆局部放电信号，并进行分析诊断、定位故障位置。

Description

电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置及方法

技术领域

本发明属于电力电缆绝缘检测领域，具体涉及一种基于变频谐振的阻尼振荡波电压下XLPE（交联聚乙烯）电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置及方法。

背景技术

近十年来，我国城市电网中大量采用XLPE电力电缆输配电。交联电缆在当前中国乃至世界的电力系统中有着至关重要的地位，成为城市内传输电力的主导产品。由于这种XLPE电缆的绝缘结构在加工技术上存在难度或原材料不纯而存在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因在绝缘与半导电屏蔽层之间存在间隙或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电，同时在电力电缆的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电。当它使用到一定年限后局部放电继续发展到一定程度导致绝缘击穿而造成电网严重事故。因而对交联聚乙烯电缆绝缘缺陷局部放电检测方法的研究就显得尤为迫切，及时、准确地检测到电缆绝缘隐患，就可以及时采取必要的应对措施，减少突发事故等带来的经济损失具有十分重要的现实意义。

局部放电（简称局放）是电力电缆运行中的一个较大的安全隐患，是电缆绝缘劣化的征兆，也是造成绝缘劣化的重要原因之一。因此对电力电缆进行局部放电检测和定位研究有着重要的意义和经济价值。IEC及世界各国都制定了相关的局部放电测试标准，通过对局部放电的检测及时发现绝缘系统中的薄弱环节，找出故障原因，保证电力电缆质量，保障电力系统安全可靠运行。电缆局放的检测方法主要有以下几种：1、工频电压下电缆局放检测；2、超低频电压下电缆局放检测；3、直流阻尼振荡波电压下电缆局放检测。这几种方法都能够检测电缆的局部放电，但同时存在一定的问题，1、工频电压下电缆局放检测设备体积大，设备笨重，不易现场检测电缆局放；2、超低频电压下检测局放结果的可信度不高，测量时间加长可能对电缆产生损伤；3、直流阻尼振荡波电压下电缆局放检测，使用直流对电缆进行充电，做完试验后可能会存残留电荷，给电缆带来了不安全性。目前对于电缆的离线检测的几种方法都存在一定的问题，亟需解决。

发明内容

为了克服上述现有检测方法存在的问题，本发明的目的是提供电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置及方法，该装置能够现场对电缆进行局放检测和故障定位，并且能够对电缆进行交流耐压试验，检测电缆的内部绝缘和耐压状况，具有抗干扰效果好，安全性高，方便易用的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置，包括系统电源控制主机1、高压电抗器单元2、局放检测装置及软件系统3、被测电缆试品4，系统电源控制主机1电压输出端与高压电抗器单元2输入端相连，同时系统电源控制主机1地线端与局放检测装置及软件系统3的地线端、被测电缆试品4屏蔽层端相连；高压电抗器单元2的输出端与局放检测装置及软件系统3的输入端相连，同时与被测电缆试品4线芯端相连；局放检测装置及软件系统3输入端还与被测电缆试品4线芯端相连，同时局放检测装置及软件系统3的地线端与被测电缆试品4屏蔽层端相连。

电缆振荡波局部放电及故障定位的检测方法，包括以下几个步骤：

第一步，振荡波局放试验设备现场进行接线，将系统电源控制主机1电压输出端与高压电抗器单元2输入端相连，同时系统电源控制主机1地线端与局放检测装置及软件系统3的地线端、被测电缆试品4屏蔽层端相连；高压电抗器单元2的输出端与局放检测装置及软件系统3的输入端相连，同时与被测电缆试品4线芯端相连；局放检测装置及软件系统3输入端还与被测电缆试品4线芯端相连，同时局放检测装置及软件系统3的地线端与被测电缆试品4屏蔽层端相连，系统完成接线后，仔细检查并核实确保接线牢固，其中高压电抗器单元2与被测电缆试品4组成LC回路，系统升压是依靠LC回路谐振，电压输出达到最大值时，然后调整系统电源控制主机1的输出电压，让被测电缆试品4两端的电压达到系统的目标电压；

第二步，开启系统电源控制主机1电源开关、开启局放检测装置及软件系统3电源开关，并启动系统，运行电缆局放检测及故障诊断定位系统软件，设置系统相关参数，系统会根据被测电缆试品4的电容量值，估算出系统的理论谐振频率，由于实际系统的谐振频率与理论频率有一定的差值，所以系统电源控制主机1会根据估算的谐振频率，设定一个频率范围，通过输出电压幅值不变，而调整电压的输出频率，判断在那个频率点下，被测电缆试品4上的电压值最大，认为此频率为系统的真正谐振频率，系统电源控制主机1会将输出的电压频率固定在此谐振频率下，然后升高主机输出电压，使被测电缆试品4上的电压值达到系统预设电压值，保持输出电压的频率和幅值不变，系统可控制进行耐压试验计时或振荡波局放试验；

第三步，系统完成第二步后，系统试验正在进行，操作人员可根据需求控制软件进行耐压试验或振荡波试验，操作人员点击局放检测装置及软件系统3中振荡波试验按钮，系统电源控制主机1输出短路，高压电抗器单元2与被测电缆试品4组成LC谐振回路进行振荡波衰减，局放检测装置及软件系统3自动测量振荡波电压信号和局部放电信号数据，试验结束，试验数据进行自动保存，方便用户后续分析使用，进行电缆的局放故障位置定位，系统局放检测装置及软件系统3控制试验进行完成后，会将振荡波电压和局放数据采集到软件系统中，通过软件系统可自动或手动进行进行诊断定位分析，确定电缆故障位置。

电缆的局放故障位置定位原理：对于被检测XLPE电缆系统，电缆材料和长度已经确定，考虑到局部放电信号的现场检测与定位的实用性与可行性，本系统仍沿用传统行波反射法，且选择中频带（一般为30kHz～30MHz）的传感器，并配合高级的数学分析手段，如时延鉴别、小波分析等提高对局部放电信号定位的准确性。

电缆行波反射法进行局部放电定位原理如下：长电缆作为分布参数来考虑，其原理示意如图2所示。测试一条长度为l的电缆，假设在距测试端处发生局部放电，脉冲将沿电缆向两个相反方向传播，其中一个脉冲经过时间t₁到达测试端；另一个脉冲向测试对端传播，并在对端发生反射，之后再向测试端传播，经过时间t₂到达测试端。根据两个脉冲到达测试端的时间差，可计算局放发生位置，即

$t_1=\frac{x}{v}---(1-1)$

$t_2=\frac{(l-x)+l}{v}---(1-2)$

$x=l-\frac{1}{2}\·v\·(t_2-t_1)=l-\frac{1}{2}\·v\·\mathrm{\Δt}---(1-3)$

上述行波法的局放准确性不高，若要提高局放定位的准确性和可靠性，就必然要借助高级的数学手段，即并配以时延鉴别法、数字滤波、小波分析、动态阈值等数字抗干扰方法。

综上，基于变频谐振的阻尼振荡波电压下的XLPE电缆局放现场检测及定位系统是采用传统脉冲电流法检测局放信号，即通过高压耦合电容CK，检测阻抗Zd，宽频放大器及NI数据采集卡进行数据的采集，并在计算机上进行显示和处理，通过Labview软件控制采集、触发、数据处理与分析保存等；通过传统的行波反射法，并借助高级数学手段实现局放信号的定位，并可绘出局部放电幅值或局部放电密集程度与电缆长度的关系曲线，从此曲线图中，可以简单看出整个电缆的大致绝缘状况和电缆的局部放电水平。由于利用变频谐振电压给电缆充电时一些可控硅动作等会给局部放电测量带来干扰，因此局部放电测量电路应在闭合组合的开关电路后，即LC回路短路后进行测量，再将每个振荡周期获得局部放电信息分解为类似于工频周期下相位相关模式，并通过统计处理和分析，以更好地识别局部放电信号，进行故障定位，为更好地判别电缆的老化状况和评估剩余寿命提供有效依据。

附图说明

图1是本发明的结构连接示意图。

图2是电缆行波反射法进行局部放电定位原理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细叙述。

参照图1，电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置，包括系统电源控制主机1、高压电抗器单元2、局放检测装置及软件系统3、被测电缆试品4，系统电源控制主机1电压输出端与高压电抗器单元2输入端相连，同时系统电源控制主机1地线端与局放检测装置及软件系统3的地线端、被测电缆试品4屏蔽层端相连；高压电抗器单元2的输出端与局放检测装置及软件系统3的输入端相连，同时与被测电缆试品4线芯端相连；局放检测装置及软件系统3输入端还与被测电缆试品4线芯端相连，同时局放检测装置及软件系统3的地线端与被测电缆试品4屏蔽层端相连。

所述的系统电源控制主机1工作原理是：系统电源控制主机通过输入220V交流电压经整流器转换为直流电压，再经逆变器再将直流电压转换为频率、幅值可调节的交流电压。逆变过程的控制以及试验电压测控、试验参数显示、外部输入指令接收和各种保护动作执行均由电源控制主机内处理器来控制完成。

所述的高压电抗器单元2与被测电缆试品4(如电力电缆)串联组成LC回路。系统电源控制主机1通过程序控制找出高压电抗器单元2与被测电缆试品4组成的串联LC回路的谐振频率，然后系统电源控制主机输出电压达到系统初始设定电压值。系统此时达到谐振状态，用户可根据需求进行电缆耐压试验或阻尼振荡波局放检测试验。高压电抗器的品质因数越高，系统升压越快。

所述的局放检测装置及软件系统3是用来现场检测电缆局部放电信号，并进行分析诊断、定位故障位置。局放检测装置及软件系统含有电缆局放检测专用高频带传感器，其主要作用是能真实有效的耦合到局部放电信号，对试验电压的工频及其谐振的低频信号则予以抑制或滤除。电缆局放检测阻抗传感器是连接试品与电源系统主体部分的一个关键部件，此传感器能够很灵敏的检测到试品电缆上的局放原波信号和反射被信号，方便系统的故障定位。局放检测装置及软件系统还包含信号采集、调理及分析软件。笔记本通过WLAN给嵌入式系统发送命令，嵌入式系统按照命令控制信号采集卡及信号调理、放大器控制相连，并将采集的数据压缩后传输给系统分析软件，软件系统经过数据分析处理、数学算法，计算出电缆的局放绝缘水平及电缆缺陷的故障位置。

所述的被测电缆试品4为系统的测试对象，主要为电力电缆，包括已投运的电缆和未投运的，系统对被测试品电缆进行谐振升压，达到预设电压时，可选择试验模式，进行振荡波局放试验，振荡波产生后，系统采集原始数据，分析此试品的局放类型和计算故障位置，找出电缆的故障点。本系统还可以对其他的容性试品也可以进行振荡波局放试验，判断设备的绝缘状态。

所述的局放检测装置及软件系统3装载有电缆局放检测及故障诊断定位系统软件，该系统软件采用图形化的编程语言LabVIEW作为开发平台，与其他语言相比，LabVIEW是一种真正意义上的可视化图形编程语言，而且具有开发难度低、开发周期短、形式比较灵活等特点。系统软件具有强大的分析功能：首先打开数据分析模块，按需求选择要查询线路电缆生成的数据文件进行分析，软件后台会对数据进行分析处理计算，然后绘制出二维谱图（Q－φ，N－L，Q－L）、椭圆谱图（Q－φ）、谱图包含放电幅值（Qm）、相位、次数，故障位置等参数；这些参数直接反映出局部放电信号的能量强度、以及对应的故障位置。根据谱图的特征判断局部放电类型，谱图特征只需要简单的学习就可掌握，不需要专业的人员判断。打开谱图查询模块，按条件选择查看某个试品在不同电压下，局放的故障谱图，从故障谱图的局放值大小、密集度、放电次数等综合判断可以确定确切的故障位置。系统可以根究需求生成相应的谱图数据报表，方便存贮，打印。

电缆振荡波局部放电及故障定位的检测方法，包括以下几个步骤：

第一步，振荡波局放试验设备现场进行接线，将系统电源控制主机1电压输出端与高压电抗器单元2输入端相连，同时系统电源控制主机1地线端与局放检测装置及软件系统3的地线端、被测电缆试品4屏蔽层端相连；高压电抗器单元2的输出端与局放检测装置及软件系统3的输入端相连，同时与被测电缆试品4线芯端相连；局放检测装置及软件系统3输入端还与被测电缆试品4线芯端相连，同时局放检测装置及软件系统3的地线端与被测电缆试品4屏蔽层端相连，系统完成接线后，仔细检查并核实确保接线牢固，其中高压电抗器单元2与被测电缆试品4组成LC回路，系统升压是依靠LC回路谐振，电压输出达到最大值时，然后调整系统电源控制主机1的输出电压，让被测电缆试品4两端的电压达到系统的目标电压；

第二步，开启系统电源控制主机1电源开关、开启局放检测装置及软件系统3电源开关，并启动系统，运行电缆局放检测及故障诊断定位系统软件，设置系统相关参数，系统会根据被测电缆试品4的电容量值，估算出系统的理论谐振频率，由于实际系统的谐振频率与理论频率有一定的差值，所以系统电源控制主机1会根据估算的谐振频率，设定一个频率范围，通过输出电压幅值不变，而调整电压的输出频率，判断在那个频率点下，被测电缆试品4上的电压值最大，认为此频率为系统的真正谐振频率，系统电源控制主机1会将输出的电压频率固定在此谐振频率下，然后升高主机输出电压，使被测电缆试品4上的电压值达到系统预设电压值，保持输出电压的频率和幅值不变，系统可控制进行耐压试验计时或振荡波局放试验；

第三步，系统完成第二步后，系统试验正在进行，操作人员可根据需求控制软件进行耐压试验或振荡波试验，操作人员点击局放检测装置及软件系统3中振荡波试验按钮，系统电源控制主机1输出短路，高压电抗器单元2与被测电缆试品4组成LC谐振回路进行振荡波衰减，局放检测装置及软件系统3自动测量振荡波电压信号和局部放电信号数据，试验结束，试验数据进行自动保存，方便用户后续分析使用，进行电缆的局放故障位置定位，系统局放检测装置及软件系统3控制试验进行完成后，会将振荡波电压和局放数据采集到软件系统中，通过软件系统可自动或手动进行进行诊断定位分析，确定电缆故障位置。

Claims (2)

1.电缆振荡波局部放电及故障定位的检测装置，其特征在于，包括系统电源控制主机（1）、高压电抗器单元（2）、局放检测装置及软件系统（3）、被测电缆试品（4），系统电源控制主机（1）电压输出端与高压电抗器单元（2）输入端相连，同时系统电源控制主机（1）地线端与局放检测装置及软件系统（3）的地线端、被测电缆试品（4）屏蔽层端相连；高压电抗器单元（2）的输出端与局放检测装置及软件系统3的输入端相连，同时与被测电缆试品（4）线芯端相连；局放检测装置及软件系统（3）输入端还与被测电缆试品（4）线芯端相连，同时局放检测装置及软件系统（3）的地线端与被测电缆试品（4）屏蔽层端相连。

2.权利要求1所述装置的检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：第一步，振荡波局放试验设备现场进行接线，将系统电源控制主机（1）电压输出端与高压电抗器单元（2）输入端相连，同时系统电源控制主机（1）地线端与局放检测装置及软件系统（3）的地线端、被测电缆试品（4）屏蔽层端相连；高压电抗器单元（2）的输出端与局放检测装置及软件系统（3）的输入端相连，同时与被测电缆试品（4）线芯端相连；局放检测装置及软件系统（3）输入端还与被测电缆试品（4）线芯端相连，同时局放检测装置及软件系统（3）的地线端与被测电缆试品（4）屏蔽层端相连，系统完成接线后，仔细检查并核实确保接线牢固，其中高压电抗器单元（2）与被测电缆试品（4）组成LC回路，系统升压是依靠LC回路谐振，电压输出达到最大值时，然后调整系统电源控制主机（1）的输出电压，让被测电缆试品（4）两端的电压达到系统的目标电压；

第二步，开启系统电源控制主机（1）电源开关、开启局放检测装置及软件系统（3）电源开关，并启动系统，运行电缆局放检测及故障诊断定位系统软件，设置系统相关参数，系统会根据被测电缆试品（4）的电容量值，估算出系统的理论谐振频率，由于实际系统的谐振频率与理论频率有一定的差值，所以系统电源控制主机（1）会根据估算的谐振频率，设定一个频率范围，通过输出电压幅值不变，而调整电压的输出频率，判断在那个频率点下，被测电缆试品（4）上的电压值最大，认为此频率为系统的真正谐振频率，系统电源控制主机（1）会将输出的电压频率固定在此谐振频率下，然后升高主机输出电压，使被测电缆试品（4）上的电压值达到系统预设电压值，保持输出电压的频率和幅值不变，系统可控制进行耐压试验计时或振荡波局放试验；

第三步，系统完成第二步后，系统试验正在进行，操作人员可根据需求控制软件进行耐压试验或振荡波试验，操作人员点击局放检测装置及软件系统（3）中振荡波试验按钮，系统电源控制主机（1）输出短路，高压电抗器单元（2）与被测电缆试品（4）组成LC谐振回路进行振荡波衰减，局放检测装置及软件系统（3）自动测量振荡波电压信号和局部放电信号数据，试验结束，试验数据进行自动保存，方便用户后续分析使用，进行电缆的局放故障位置定位，系统局放检测装置及软件系统（3）控制试验进行完成后，会将振荡波电压和局放数据采集到软件系统中，通过软件系统可自动或手动进行进行诊断定位分析，确定电缆故障位置。