CN102890227B

CN102890227B - 一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置

Info

Publication number: CN102890227B
Application number: CN201210372776.7A
Authority: CN
Inventors: 黄昆彪; 李洪杰; 马楠; 唐明; 皮昊书; 时亨通
Original assignee: Xian Jiaotong University; Shenzhen Power Supply Bureau Co Ltd
Current assignee: Xian Jiaotong University; Shenzhen Power Supply Bureau Co Ltd
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102890227A

Abstract

本发明提供一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，包括：脉冲电流传感器、脉冲电压传感器、高频信号电缆和监测主机；脉冲电流传感器和脉冲电压传感器夹持在10kV配电电缆的屏蔽接地线上，用于监测屏蔽接地线的脉冲信号；脉冲电流传感器和脉冲电压传感器各自监测到的两路脉冲信号分别通过高频信号电缆传输给监测主机；监测主机接收到两路脉冲信号后进行分析，判断10kV配电电缆是否存在局部放电或电缆干扰。实施本发明，创新性地解决了在变电站现场通过在线测量配电电缆屏蔽接地线上的脉冲电流来监测电缆绝缘状态时一直存在的不能识别内部局部放电和外部噪声以及多条电缆线路之间相互干扰的问题，提高了监测效果和工作效率。

Description

一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置。

背景技术

电力设备绝缘状态监测技术的研究和应用是当前智能电网建设及其运行管理中的一项重要内容。配电电缆在配电网络中广泛应用，为确保其运行可靠性，近几年来一种局部放电监测技术在电力企业获得了越来越多的应用，这种技术能够在电缆不停电的情况下通过在电缆两端的接地线上短暂或长期安置高频电流传感器，测量流过其中的脉冲电流，分析信号的强度和活动频率，实现配电电缆绝缘状态的在线监测和故障诊断。

现有技术提供的电力设备绝缘状态监测技术在实际应用中虽然取得了较好的应用效果，但也存在若干技术问题尚待解决，具体如下：

1）在很多环境条件下，外部电磁干扰会通过接地网、接地铜排、电缆接地线向电网传播。目前的绝缘监测系统会提取到这种类型的高频干扰信号，造成绝缘状态的误判；

2）配网中多条电缆馈线的接地线经常是就近连接在一起，然后再通过一条线连接到电站的接地系统。这样，电缆之间的局部放电脉冲电流会互相干扰，难以确定真正存在局部放电的电缆，影响工作效率和诊断效果。

因此，如何解决目前10kV配电电缆局部放电在线监测中的抗干扰问题，是当前电力企业应用实践中的亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，具有安全、便携、高效的特点，创新性地解决了目前现有的监测系统难以识别外部干扰信号和真正的电缆内部局部放电信号的技术困难，提升了相关领域的技术水平和弥补了监测技术在电力企业的应用实践中存在的不足。

本发明提供的一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，包括：脉冲电流传感器（11）、脉冲电压传感器（12）、高频信号电缆（13）和监测主机（14）；

所述脉冲电流传感器（11）和脉冲电压传感器（12）分别通过两条所述高频信号电缆（13）连接至所述监测主机（14）；

所述脉冲电流传感器（11）和脉冲电压传感器（12）夹持在所述10kV配电电缆的屏蔽接地线上，用于监测所述屏蔽接地线的脉冲信号；

所述脉冲电流传感器（11）和脉冲电压传感器（12）各自监测到的两路脉冲信号分别通过所述高频信号电缆（13）传输给所述监测主机（14）；

所述监测主机（14）接收到所述两路脉冲信号后进行分析，判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或电缆干扰。

其中，所述脉冲电流传感器（11）为钳形脉冲电流传感器，其包括：钳形外壳（21）、磁芯（22）、线圈（23）、微分电阻（24）、带通滤波器（25）、放电管（26）、第一连接器接头（27）；

所述磁芯（22）与所述钳形外壳（21）形状相同，其外缠绕所述线圈（23），所述钳形外壳（21）包覆所述磁芯（22）和线圈（23）；

一导线的一端与所述线圈（23）连接，该导线的另一端引出至所述钳形外壳（21）之外，且分为三支路，该三支路分别连接所述带通滤波器（25）、微分电阻（24）、放电管（26）；

所述带通滤波器（25）连接所述第一连接器接头（27），所述第一连接器接头（27）连接所述高频信号电缆（13）。

其中，所述脉冲电压传感器（12）为钳形脉冲电压传感器，其包括：钳形外壳（31）、电解质层（32）、电极（33）、微分电阻（34）、带通滤波器（35）、放电管（36）、第二连接器接头（37）；

所述电极（33）的两极位于所述电介质层（32）上下表层，所述钳形外壳（31）包覆所述电极（33）和所述电解质层（32）；一导线的一端与所述电极（33）的其中一极连接，该导线的另一端引出至所述钳形外壳（31）之外，且分为三支路，该三支路分别连接所述带通滤波器（35）、微分电阻（34）、放电管（36）；

所述带通滤波器（35）连接所述第二连接器接头（37），所述第二连接器接头（37）连接所述高频信号电缆（13）。

其中，所述带通滤波器（25）和所述带通滤波器（35）结构相同，其均由电感L41、电感L42、电感L43、电感L44、电感L45、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47梯形连接而成。

其中，所述监测主机（14）包括：

外壳（51）、第三连接器接头（52）、信号放大电路（53）、滤波器（54）、数据采样电路（55）、ARM处理器（56）、显示屏（57）；

所述第三连接器接头（52）为两个，其分别与两条所述高频信号电缆（13）连接；

所述两个第三连接器接头（52）均通过导线连接至所述信号放大电路（53），其将分别来自所述脉冲电流传感器（11）和脉冲电压传感器（12）监测到的两路脉冲信号传输到所述信号放大电路（53）进行信号放大处理；

所述信号放大电路（53）与所述滤波器（54）连接，经过所述信号放大电路（53）处理的两路脉冲信号经由所述滤波器（54）进行滤波处理；

所述滤波器（54）与所述数据采样电路（55）连接，经过所述滤波器（54）处理的两路脉冲信号经由所述数据采样电路（55）进行数据采样处理；

所述数据采样电路（55）与所述ARM处理器（56）连接，经过所述数据采样电路（55）处理的两路脉冲信号经由所述ARM处理器（56）进行脉冲极性、长度、频度分析，并确定该两路脉冲信号的方向，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或外部干扰；

所述ARM处理器（56）与所述显示屏（57）连接，所述显示屏（57）显示经过所述ARM处理器（56）的判断结果。

其中，所述ARM处理器（56）对所述两路脉冲信号进行脉冲极性、长度、频度分析，并确定该两路脉冲信号的方向，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或外部干扰，包括：

若两路脉冲信号的极性一致，则判定脉冲来自所述10kV配电电缆并传向所述屏蔽接地线，所述10kV配电电缆存在局部放电；

若两路脉冲信号的极性不一致，则判定脉冲来自所述10kV配电电缆并未传向所述屏蔽接地线，所述10kV配电电缆存在外部干扰。

其中，所述脉冲电流传感器（11）的钳形外壳（21）、脉冲电压传感器（12）的钳形外壳（31）、监测主机（14）的外壳（51）均采用环氧树脂绝缘材料制成。

实施本发明，至少具有如下有益效果：

使用本发明进行现场监测时，操作人员只需将脉冲电流传感器和脉冲电压传感器安装在10kV配电电缆的屏蔽接地线的同一条分支上，即可监测屏蔽接地线上的脉冲电流活动的强度和频率，通过脉冲电流传感器和脉冲电压传感器各自监测到的脉冲信号的对比分析可以进一步判断脉冲电流的方向，从而可以诊断出10kV配电电缆中是否发生局部放电以及放电活动的主要参数。实施本发明，提高了监测和诊断的可靠性以及工作人员监测的效率，有效解决了目前10kV配电电缆局部放电在线监测中的抗干扰问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置的组成示意图。

图2是本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置的脉冲电流传感器的基本结构示意图。

图3是本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置的脉冲电压传感器的基本结构示意图。

图4是本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置的脉冲电流和脉冲电压传感器内部所用的无源滤波电路的基本组成示意图。

图5是本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置的监测主机的基本组成示意图。

图6是本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置现场应用时在电缆屏蔽接地线上安装脉冲电流传感器、脉冲电压传感器的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，主要包括脉冲电流传感器11、脉冲电压传感器12、高频信号电缆13、监测主机14。

所述脉冲电流传感器11和脉冲电压传感器12分别通过两条所述高频信号电缆13连接至所述监测主机14；

所述脉冲电流传感器11和脉冲电压传感器12夹持在所述10kV配电电缆的屏蔽接地线上，用于监测所述屏蔽接地线的脉冲信号；

所述脉冲电流传感器11和脉冲电压传感器12各自监测到的两路脉冲信号分别通过所述高频信号电缆13传输给所述监测主机14；

所述监测主机14接收到所述两路脉冲信号后进行分析，判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或电缆干扰。

优选的实施方式中，高频信号电缆13长度为2m。

监测主机14对脉冲信号进行分析，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或电缆干扰的具体实现将在后续进行详细描述。

如图2所示，所述脉冲电流传感器11具体为钳形脉冲电流传感器，钳形脉冲电流传感器11由钳形外壳21、磁芯22、线圈23、微分电阻24、带通滤波器25、放电管26、第一连接器接头27组成。

所述磁芯22与所述钳形外壳21形状相同，其外缠绕所述线圈23，所述钳形外壳21包覆所述磁芯22和线圈23；

一导线的一端与所述线圈23连接，该导线的另一端引出至所述钳形外壳21之外，并且该导线的另一端分三支路，该三支路分别连接所述带通滤波器25、微分电阻24、放电管26；

所述带通滤波器25连接所述第一连接器接头27，所述第一连接器接头27连接所述高频信号电缆13。

所述微分电阻24的作用是使得端子上的输出信号变换为接地线上脉冲电流的微分；带通滤波器25的作用是将脉冲信号的频带控制在特定的范围内，具体可以为0.5MHz-20MHz；放电管26的作用是确保本脉冲电流传感器11输出脉冲信号的幅值不大于30V，以保护接收该脉冲信号的监测主机14的信号处理电路。

在具体实现中，带通滤波器25为无源带通滤波器，第一连接器接头27为BNC（Bayonet Nut Connector，刺刀螺母连接器）接头。BNC接头27是一种同轴电缆连接器。

钳形脉冲电流传感器11主要元件参数满足以下条件：

1）磁芯22具有1000左右的相对磁导率及不小于0.8T的饱和磁通密度；

2）线圈23的线径不大于1mm，匝数为10匝左右；

3）微分电阻24的电阻值30Ω；

4）无源带通滤波器25的带宽为0.5-20MHz；

5）放电管26的放电电压为30V。

如图3所示，脉冲电压传感器12具体为钳形脉冲电压传感器12，其由钳形外壳31、电介质层32、电极33、微分电阻34、带通滤波器35、放电管36、第二连接器接头37组成。

所述电极33的两极位于所述电介质层32上下表层，所述钳形外壳31包覆所述电极33和所述电解质层32，一导线的一端与所述电极33的其中一极连接，该导线的另一端引出至所述钳形外壳31之外，且该导线的另一端分为三支路，该三支路分别连接所述带通滤波器35、微分电阻34、放电管36；

所述带通滤波器35连接所述第二连接器接头37，所述第二连接器接头37连接所述高频信号电缆13。

所述微分电阻34的作用是使得端子上的输出信号变换为接地线上脉冲电压的微分；带通滤波器35的作用是将脉冲信号的频带控制在特定的范围内，具体为0.5MHz-20MHz；放电管36的作用是确保本脉冲电压传感器12输出脉冲信号的幅值不大于30V，以保护接收该脉冲信号的监测主机14的信号处理电路。

在具体实现中，带通滤波器35为无源带通滤波器，第二连接器接头37为BNC接头。

钳形脉冲电压传感器12的主要元件参数满足以下条件：

1）电解质层32的厚度为2mm，相对介电常数为2.5左右；

2）电极33的厚度小于0.2mm，面积为10 × 20mm2 ；

3）微分电阻34的电阻值为2kΩ；

4）无源带通滤波器35的带宽为0.5 - 20MHz；

5）放电管36的放电电压为30V。

如图4所示为无源带通滤波器25及无源带通滤波器35的基本结构。无源带通滤波器25及无源带通滤波器35均由电感L41、电感L42、电感L43、电感L44、电感L45、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47梯形连接而成。

上述各电感的参数值为：L41=220nH，L42=220nH，L43=2.2uH，L44=1.3uH，L45=2.2uH；各电容的参数为：C41=73pF，C42=125pF，C43=73pF，C44=2.3nF，C45=588pF，C46=588pF，C47=2.3nF。

如图5所示，监测主机14由外壳51、第三连接器接头52、信号放大电路53、滤波器54、数据采样电路55、ARM处理器56、显示屏57组成。ARM处理器56为高级精简指令集制造公司（ARM，Advanced RISC Machines）制造的微处理器。第三连接器接头52具体为BNC接头。

所述第三连接器接头52为两个，其分别与两条所述高频信号电缆13连接；

所述两个第三连接器接头52均通过导线连接至所述信号放大电路53，其将分别来自所述脉冲电流传感器11和脉冲电压传感器12监测到的两路脉冲信号传输到所述信号放大电路53进行信号放大处理；

所述信号放大电路53与所述滤波器54连接，经过所述信号放大电路53处理的两路脉冲信号经由所述滤波器54进行滤波处理；

所述滤波器54与所述数据采样电路55连接，经过所述滤波器54处理的两路脉冲信号经由所述数据采样电路55进行数据采样处理；

所述数据采样电路55与所述ARM处理器56连接，经过所述数据采样电路55处理的两路脉冲信号经由所述ARM处理器56进行脉冲极性、长度、频度分析，并确定该两路脉冲信号的方向，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或电缆干扰；

所述ARM处理器56与所述显示屏57连接，所述显示屏57显示经过所述ARM处理器56的判断结果。

监测主机14的主要单元满足以下条件：

1）信号放大电路53的放大倍数至少为40dB；

2）数据采样电路的采样率为100Mb/s；

ARM处理器56对所述两路脉冲信号进行脉冲极性、长度、频度分析，并确定该两路脉冲信号的方向，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或电缆干扰，具体包括：

若两路脉冲信号的极性不一致，则判定脉冲来自所述10kV配电电缆并未传向所述屏蔽接地线，所述10kV配电电缆存在电缆干扰。

举例来讲，假设由10kV配电电缆沿屏蔽接地线至接地体的方向为 + x方向即脉冲来自电缆并传向接地体，夹在地线上的钳形脉冲电流传感器11和钳形脉冲电压传感器12的输出分别为U1和U2，这两个量会是正极性或负极性的，存在4种可能的组合，即“正正”、“正负”、“负正”和“负负”。确定脉冲传播方向的基本规则是：如果U1和U2的极性一致，即为“正正”或“负负”，那么可以判定脉冲沿 +x方向传播，属于局部放电；否则，如果U1和U2的极性不一致，即为“正负”或“负正”，那么可以判定脉冲沿 -x方向传播，即脉冲是由其它接地体传向电缆，属于外部“干扰”。这些外部“干扰”包括由接地系统沿着接地线传播到电缆的噪声以及其它电缆中发生的局部放电信号。

需要说明的是，本发明提供的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其脉冲电流传感器11的钳形外壳21、脉冲电压传感器12的钳形外壳31、监测主机14的外壳51均采用环氧树脂绝缘材料，该环氧树脂绝缘材料的厚度约为2mm，因此，本发明提供的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置的外壳具有10kV的绝缘水平，因此监测人员可以非常安全地操作该装置，并且，2、本发明脉冲电流传感器和脉冲电压传感器的重量均小于200g，体积也小于2cm×10cm×10cm，便于携带。

本发明智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其现场的应用方式，分为如下两种情况。如图6所示，变电站有4面相邻的馈线柜。

第一种情况：电缆的接地线直接连到变电站接地系统上。图6中电缆61对应的接地线71在节点81处直接连在接地体9上；

第二种情况：多根电缆的接地线就近先连接在一起，然后再经由一根地线接地。图6中电缆62、63、64的接地线72、73、74就近在节点82处连接，然后再在节点83处连在接地体9上。

对于以上两种情况，在开展监测工作时需要遵循的一个原则是钳形脉冲电流传感器11和钳形脉冲电压传感器12必须安装在紧邻电缆的接地线上。

可见，本发明10kV配电电缆局部放电在线监测装置，创新性地解决了在变电站现场通过在线测量配电电缆外屏蔽接地线上的脉冲电流来监测电缆绝缘状态时一直存在的不能识别内部局部放电和外部噪声以及多条电缆线路之间相互干扰的问题，提高了监测效果和工作效率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体Read-Only Memory，ROM或随机存储记忆体Random Access Memory，RAM等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，装置包括：脉冲电流传感器（11）、脉冲电压传感器（12）、高频信号电缆（13）和监测主机（14）；

2.如权利要求1所述的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述脉冲电流传感器（11）为钳形脉冲电流传感器，其包括：钳形外壳（21）、磁芯（22）、线圈（23）、微分电阻（24）、带通滤波器（25）、放电管（26）和第一连接器接头（27）；

一导线的一端与所述线圈（23）连接，该导线的另一端引出至所述钳形外壳（21）外，且分为三支路，该三支路分别连接所述微分电阻（24）、带通滤波器（25）和放电管（26）；

3.如权利要求1所述的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述脉冲电压传感器（12）为钳形脉冲电压传感器，其包括：钳形外壳（31）、电介质层（32）、电极（33）、微分电阻（34）、带通滤波器（35）、放电管（36）和第二连接器接头（37）；

所述电极（33）的两极位于所述电介质层（32）上下表层，所述钳形外壳（31）包覆所述电极（33）和所述电介质层（32），一导线的一端与所述电极（33）的其中一极连接，该导线的另一端引出至所述钳形外壳（31）之外，且分为三支路，该三支路分别连接所述微分电阻（34）、带通滤波器（35）和放电管（36）；

4.如权利要求2或3所述的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述监测主机（14）包括：

外壳（51）、第三连接器接头（52）、信号放大电路（53）、滤波器（54）、数据采样电路（55）、ARM处理器（56）和显示屏（57）；

所述第三连接器接头（52）为两个，其分别与两条高频信号电缆（13）连接；

两个第三连接器接头（52）均通过导线连接至所述信号放大电路（53），其将分别来自所述脉冲电流传感器（11）和脉冲电压传感器（12）监测到的两路脉冲信号传输到所述信号放大电路（53）进行信号放大处理；

所述数据采样电路（55）与所述ARM处理器（56）连接，经过所述数据采样电路（55）处理的两路脉冲信号经由所述ARM处理器（56）进行脉冲极性、长度和频度分析，并确定该两路脉冲信号的方向，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或外部干扰；

5.如权利要求4所述的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述ARM处理器（56）对所述两路脉冲信号进行脉冲极性、长度和频度分析，并确定该两路脉冲信号的方向，以判断所述10kV配电电缆是否存在局部放电或外部干扰，包括：

6.如权利要求5所述的智能化10kV配电电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述脉冲电流传感器（11）的钳形外壳（21）、脉冲电压传感器（12）的钳形外壳（31）和监测主机（14）的外壳（51）均采用环氧树脂绝缘材料制成。