CN103424674B - 一种电力电缆终端局部放电检测装置及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种电力电缆终端局部放电检测装置及方法，本发明涉及电力技术领域。该装置由局部放电采样下位机和局部放电分析上位机通过无线信号相连组成；工控机如果分析得到该局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，弹出报警提示，告知电缆已经出现严重故障；如果分析得到该局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电，弹出预警提示，告知电缆已经出现故障隐患，从而实现了对电力电缆终端局部放电检测预警。该新型的电场传感器和磁场传感器结构简单易行，在强外界干扰下仍能正常工作，同时采用了耗能低供电稳定的输电线高电位取能电源，再节约能源的同时提高整个装置的稳定性。

Description

一种电力电缆终端局部放电检测装置及预警方法

技术领域

本发明具体涉及一种电力电缆终端局部放电检测装置及方法，本发明涉及电力技术领域。

背景技术

电缆终端是电缆的重要部件，对其绝缘状态进行监测很有必要。电力电缆的绝缘故障大部分来自于电缆终端的故障，据相关统计，电缆附件内部绝缘缺陷诱发故障占总事故的39%。可是，电缆终端局部放电检测还没有好的方法。通过安装在电缆终端金属屏蔽层的电容或电磁耦合传感器来采集局放信号，存在以下不足：（1）外界强电磁场干扰源很多；（2）缺乏局放信号特征识别技术以及诊断判据等实际运行经验的积累；（3）有些情况下需要将电缆停电以便安装测试设备，不符合电网持续供电的要求，且测试时间较长、效率不高。

高电位取能电源属于现有技术，如参考文献：王赞，纵飞，王伟，高超飞，随恒，喻岩珑.输电线高电位取能电源研制[J].电网与清洁能源.2010,26(6):23-27.提到了本发明中的输电线高位取能电源。如图3所示，该输电线高位取能电源由取能线圈、前端冲击保护、整流滤波、过压保护、降压DC/DC模块降压到12V、降压DC/DC模块降压到5V组成；其中，取能线圈、前端冲击保护和整流滤波依次相连；过压保护分别与整流滤波、降压DC/DC模块降压到12V和降压DC/DC模块降压到5V相连；在导线电流变化范围内，取能线圈的二次侧通过整流滤波将其转换为两路+12V和+5V输出。

如图4所示，过压保护由SSR触点、前端电路、降压芯片、耗能电阻、电压取样和SSR线圈组成；其中，取能线圈的一端与SSR触点、前端电路和降压芯片依次相连；取能线圈的另一端与耗能电阻的一端相连，耗能电阻的另一端分别与SSR触点和前端电路相连；电压取样分别与前端电路和降压芯片相连；SSR线圈与电压取样相连。采用固态继电器（SSR）作为过压保护的核心器件，SSR线圈监测V_in，在电压过大时保护后端电路。经过调试后，将过压保护单元接入取能电源中，进行保护性能的测试，符合设计要求。

高电位取能电源的取能线圈工作原理类似一次侧只有1匝绕组的变压器，

但是其一次侧由交流电流控制。其空载等效模型如图2所示。二次侧电压有效值为：U₂≈E₂=4.44fN₂Φ_m，式中，E₂为二次侧感应电动势有效值；f为工频；N₂为二次侧匝数；Φ_m为磁通量幅值，且Φ_m=B_mSλ；式中，B_m为磁感应强度幅值；S为铁芯截面积；λ为铁芯叠片系数。由安培环路定律：式中，H_m为磁场强度幅值；l为平均磁路长度；I_E为励磁电流，空载情况下等于一次侧导线电流I₁；N₁为一次侧匝数，这里取1。磁感应强度幅值与磁场强度幅值的关系为：B_m=μ₀μ_rH_m；式中，μ₀为真空磁导率；μ_r为相对磁导率。若B_m不变，二次侧电压有效值E₂也不变。又由于H_m的增大源自导线电流的增大，因此可知：在饱和区内线圈二次侧感应电压有效值不随导线电流增大而增大。

高电位取能电源的取能线圈结构及参数的计算如下：

本设计采取给铁芯开气隙的方式引入磁阻来减小磁导率。为使线圈不易饱和而选择饱和磁感应强度大的工频磁性材料。

相应匝数N₂的由下式：

$N_2{\mathrm{\μ}}_r=\frac{U_{2}l}{\sqrt{2\×}4.44\mathrm{fS\λ}{\mathrm{\μ}}_0{I}_1}$ 其中，μ_r=μ_eq

计算得到，式中，μ_eq为带气隙的铁芯等效相对磁导率，当μ_eq≈339.5的磁导率大大降低。

高电位取能电源的前端冲击保护设计如下：

输电线路上传导的电流，除了正常情况下的送电电流外，偶尔还会伴随短路电流和冲击电流。特别是雷电冲击电流由于作用时间短，电力系统的继电保护装置和取能电源的过压保护单元都来不及动作，会侵入取能电源的电路，对电源的安全造成威胁，冲击对电源的影响反映在电气和力学两方面。减弱电动力对取能电源的影响应采取的措施有：在铁芯与绕组间填充柔软的缓冲层、将铁芯的棱角改为弧形、增大绕组的半径、以及给取能线圈安装保护外壳抑制安培力拉伸作用。对于瞬态高压采用瞬变电压抑止二极管（TVS）作为冲击保护器件。

发明内容

本发明针对目前外界强电磁场干扰源很多和缺乏局放信号特征识别技术以及诊断判据等实际运行经验的积累等不足，提供了一种电力电缆终端局部放电检测装置及预警方法。

一种电力电缆终端局部放电检测装置及预警方法,该装置由局部放电采样下位机和局部放电分析上位机通过无线信号相连组成；其中，

局部放电采样下位机由磁场传感器、电场传感器、AD模数转换器、高电位取能电源、FPGA数据处理模块和第一无线网卡组成；其中,

FPGA数据处理模块分别与高电位取能电源、AD模数转换器和第一无线网卡相连；

AD模数转换器分别与磁场传感器和电场传感器相连；

高电位取能电源分别与磁场传感器和电场传感器相连；

局部放电分析上位机由工控机与第二无线网卡相连组成。

电场传感器由电场检测探头，滤波器和放大器；其中，电场检测探头，滤波器和放大器依次相连；电场检测探头由两同心圆柱形铝板和一个并联在两铝板间的电阻组成，两同心圆柱形铝板之间用绝缘材料填充。

磁场传感器由磁场检测探头，滤波器和放大器组成；其中，磁场检测探头，滤波器和放大器依次相连；磁场检测探头由磁芯和绕在磁芯上的一定匝数的导线组成，其中，磁芯由铁基纳米晶材料制成，且磁芯带有一定长度的气隙。

电场传感器和磁场传感器的电路要有一个公共的虚拟接地点作为屏蔽和抗干扰的基点。

电场传感器和磁场传感器的外部均有抗电磁场干扰的屏蔽罩。

一种电力电缆终端局部放电检测预警方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：安装在导线上的局部放电采样下位机对导线上的干扰信号或者电力电缆上产生的局部放电信号进行实时采集；

步骤2：电场传感器对采集到的信号的电场部分，首先进行滤波和放大处理得到电场部分采样信号，然后将电场部分采样信号送AD模数转换器；磁场传感器对采集到的信号的磁场部分，首先进行滤波和放大处理得到磁场部分采样信号，然后将磁场部分采样信号送AD模数转换器；

步骤3：AD模数转换器将送来的电场部分采样信号和磁场部分采样信号分别转换为电场数字采样信号和磁场数字采样信号，并将转换得到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号送FPGA数据处理模块；

步骤4：FPGA数据处理模块将接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号发送给第一无线网卡；

步骤5：第一无线网卡将接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号采用无线的形式发射出去；

步骤6：第二无线网卡接收第一无线网卡发射的电场数字采样信号和磁场数字采样信号，并将得到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号发送给工控机；

步骤7：工控机通过局部放电检测分析方法对接收到的电场数字信号和磁场数字信号进行分析，如果分析得到该局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，弹出报警提示，告知电缆已经出现严重故障；如果分析得到该局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电，弹出预警提示，告知电缆已经出现故障隐患，从而实现了对电力电缆终端局部放电检测预警。

所述局部放电检测分析方法包括如下步骤：

步骤S1：对接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号的波形进行正极性波和负极性波的判断；

若接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号的第一个脉冲极性为正，则判断该电场数字采样信号和该磁场数字采样信号为正极性波，反之，判断该电场数字采样信号和该磁场数字采样信号为负极性波；

步骤S2：根据电场数字采样信号和磁场数字采样信号分别同为正极性波或负极性波，进行干扰信号的剔除，局部放电信号的保留；

若接收到的电场数字采样信号和磁场采样数字信号同为正极性波或者同为负极性波，则判断该信号为干扰信号，进行剔除；反之，则判断该信号为局部放电信号保留；

步骤S3：首次提取到局部放电信号时取局部放电幅值的最大值为A1，此后每次采集提取出的局部放电信号的幅值的最大值为An，其中，n为整数且n≥2；若（An-A1）/A1≥10%，则此次局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，否则此次局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电。

本发明的有益效果：本发明设计了新型的电场传感器和磁场传感器，该新型的电场传感器和磁场传感器结构简单易行，在强外界干扰下仍能正常工作，同时采用了耗能低供电稳定的输电线高电位取能电源，再节约能源的同时提高整个装置的稳定性。本发明首次提出了具有方向识别抗干扰能力的电缆终端局部放电的检测方法。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；其中，（a）为局部放电采样下位机结构示意图；（b）为局部放电分析上位机结构示意图；

图2为取能线圈的空载等效模型；

图3为取能电源原理框图；

图4为过压保护框；

图5为电场传感器检测原理图；

图6为电场传感器检测原理等效电路；

图7为磁场传感器的等效电路；

图8为本发明整体流程图；

图9为局部放电检测分析方法流程图；

图10为局放信号反方向传播波形；

图11为局放信号正方向传播波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本实用新型实施例的技术方案。

如图1所示，一种电力电缆终端局部放电检测装置，该装置由局部放电采样下位机和局部放电分析上位机通过无线信号相连组成；其中，局部放电采样下位机由磁场传感器、电场传感器、AD模数转换器、高电位取能电源、FPGA数据处理模块和第一无线网卡组成；其中,FPGA数据处理模块分别与高电位取能电源、AD模数转换器和第一无线网卡相连；AD模数转换器分别与磁场传感器和电场传感器相连；高电位取能电源分别与磁场传感器和电场传感器相连；局部放电分析上位机由工控机与第二无线网卡相连组成。

高电位取能电源为FPGA数据处理模块和AD模数转换器提供+5伏的工作电压；高电位取能电源为电场传感器和磁场传感器提供+12伏的工作电压。

电场传感器，用来采集信号的电场部分，并对集信号的电场部分进行滤波和放大处理得到电场部分采样信号，然后将电场部分采样信号送AD模数转换器；电场传感器由电场检测探头，滤波器和放大器；其中，电场检测探头，滤波器和放大器依次相连；电场检测探头由两同心圆柱形铝板和一个并联在两铝板间的电阻组成，两同心圆柱形铝板之间用绝缘材料填充。如图5所示，电场传感器检测原理图；两同心圆柱形铝板形成耦合电容为C₁，导线与内极板形成空间电容为C₂，而外极板对地电容为C₃。电场传感器的检测回路在形式上设计为容阻分压，R₁为并联在两信号极板之间的电阻。从图6的电场传感器检测原理等效电路可看出，则耦合电容C₁、空间电容C₂和外极板对地电容C₃，三者之间形成电容性分压电路。由电容性分压原理可知，在两极板之间电容C₁分压U₁为：

$U_1=\frac{C_2{C}_3}{C_1{C}_2+C_2{C}_3+C_3{C}_1}\·U---\left(1\right)$

当C₁、C₂和C₃值确定后，电场在两极板之间所产生的电压U₁能够代表电场E的幅值、极性和波形。其中，U为脉冲信号的电场部分。

从现场的条件来看，电场传感器安装于电力电缆高压端，其极板的设计需考虑以下两个方面：一、考虑架空导线的直径大小，二、考虑在留有一定安全空间范围情况下，两同心圆柱极板半径以及长度的选择。设计电场信号探头根据以上两个方面选择内外半径的同心圆柱形金属板和板的厚度，材料为铝。

在两极板间即耦合电容C₁上并联一合适的电阻R₁可以很好的起到高通滤波器的作用，效削弱两极板所感应的工频电压信号，实现电场传感器对高频电压信号的测量。

磁场传感器，用来采集信号的磁场部分，并对集信号的磁场部分进行滤波和放大处理得到磁场部分采样信号，然后将磁场部分采样信号送AD模数转换器；所述磁场传感器由磁场检测探头，滤波器和放大器组成；其中，所述磁场检测探头，滤波器和放大器依次相连；磁场检测探头由磁芯和绕在磁芯上的一定匝数的导线组成，其中，磁芯由铁基纳米晶材料制成，且磁芯带有一定长度的气隙。如图7所示，磁场传感器的等效电路，磁场传感器的检测原理是法拉第电磁感应定律。当局部放电脉冲在导线上传播时，脉冲电流产生脉冲磁场，磁力线为同心圆形式，沿磁力线方向放置一感应线圈，使磁力线穿过该线圈，则脉冲磁场能够在线圈上产生感应电势。感应电势在线圈两端引起电压，根据磁场传感器的等效电路原理可以建立起局部放电脉冲电流与电压U₀之间的关系。

$u_i\left(t\right)=M\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

$u_i\left(t\right)=L_s\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dx}}+R_{s}i\left(t\right)+u_0\left(t\right)---\left(3\right)$

$i\left(t\right)=C_s\frac{{\mathrm{du}}_0\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{u_0\left(t\right)}{R}---\left(4\right)$

根据式（2）、（3）、（4）可以得出磁场线圈原边电流i₁和R电阻上的电压之间的关系。即工作在在自积分状态下的线圈，原边电流和被测试的电压成正比关系。其中，u_i(t)为t时刻副边电压；i(t)为t时刻副边电流；i₁(t)为t时刻原边电流；R_s为线圈的等效电阻；u₀(t)为积分电阻的电压；R为积分电阻；L_s为线圈的自感；M为磁场传感器线圈的互感；C_s为线圈的等效杂散电容；

电场传感器安装在位于电力电缆线高压端的架空导线上，磁场传感器安装在电力电缆线的高压端。

如图8所示，本发明整体流程图，一种电力电缆终端局部放电检测预警方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：安装在导线上的局部放电采样下位机对导线上的干扰信号或者电力电缆上产生的局部放电信号进行实时采集；

步骤2：电场传感器对采集到的信号的电场部分，首先进行滤波和放大处理得到电场部分采样信号，然后将电场部分采样信号送AD模数转换器；磁场传感器对采集到的信号的磁场部分，首先进行滤波和放大处理得到磁场部分采样信号，然后将磁场部分采样信号送AD模数转换器；

步骤3：AD模数转换器将送来的电场部分采样信号和磁场部分采样信号分别转换为电场数字采样信号和磁场数字采样信号，并将转换得到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号送FPGA数据处理模块；

步骤4：FPGA数据处理模块将接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号发送给第一无线网卡；

步骤5：第一无线网卡将接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号采用无线的形式发射出去；

步骤6：第二无线网卡接收第一无线网卡发射的电场数字采样信号和磁场数字采样信号，并将得到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号发送给工控机；

步骤7：工控机通过局部放电检测分析方法对接收到的电场数字信号和磁场数字信号进行分析，如果分析得到该局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，弹出报警提示，告知电缆已经出现严重故障；如果分析得到该局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电，弹出预警提示，告知电缆已经出现故障隐患，从而实现了对电力电缆终端局部放电检测预警。

如图9所示，局部放电检测分析方法包括如下步骤：

步骤S1：对接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号的波形进行正极性波和负极性波的判断；

若接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号的第一个脉冲极性为正，则判断该电场数字采样信号和该磁场数字采样信号为正极性波，反之，判断该电场数字采样信号和该磁场数字采样信号为负极性波；

步骤S2：根据电场数字采样信号和磁场数字采样信号分别同为正极性波或负极性波，进行干扰信号的剔除，局部放电信号的保留；

若接收到的电场数字采样信号和磁场采样数字信号同为正极性波或者同为负极性波，则判断该信号为干扰信号，进行剔除；反之，则判断该信号为局部放电信号保留；

步骤S3：首次提取到局部放电信号时取局部放电幅值的最大值为A1，此后每次采集提取出的局部放电信号的幅值的最大值为An，其中，n为整数且n≥2；若（An-A1）/A1≥10%，则此次局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，否则此次局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电。

实验验证:在实验室条件下，对3米长含悬浮故障点电缆附件模型进行局部放电试验。加压至29.3kV时，示波器显示局部放电信号保持稳定，得到典型放电脉冲信号波形，如图10、11所示，1通道为电场传感器，2通道为磁场传感器。

从图10、11可以看出，电场传感器和磁场传感器都可以很好的测出局部放电信号，且脉冲极性明显，可以很好的判别脉冲信号的传播方向,有效的排除外部干扰信号。其中图10和图11的横坐标是指脉冲信号的时间，纵坐标是指脉冲信号的电压幅值。电场数字采样信号和磁场数字采样信号同为正极性波或者同为负极性波，则判断该信号为干扰信号，进行剔除；反之，则判断该信号为局部放电信号保留。图10电场数字采样信号为负极性波，磁场数字采样信号为正极性波，极性不同判断为局部放电信号；图11电场数字采样信号和磁场数字采样信号同为负极性波，极性相同判断为外界干扰信号。

本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的具体实现方式不应构成本发明的限定，本发明也可以用到变压器局部放电的检测中。

Claims (6)

1.一种电力电缆终端局部放电检测装置，其特征在于，该装置由局部放电采样下位机和局部放电分析上位机通过无线信号相连组成；其中，

局部放电采样下位机由磁场传感器、电场传感器、AD模数转换器、高电位取能电源、FPGA数据处理模块和第一无线网卡组成；其中,

FPGA数据处理模块分别与高电位取能电源、AD模数转换器和第一无线网卡相连；

AD模数转换器分别与磁场传感器和电场传感器相连；

高电位取能电源分别与磁场传感器和电场传感器相连；

局部放电分析上位机由工控机与第二无线网卡相连组成；

所述电力电缆终端局部放电检测装置的工作方式包括以下步骤：

步骤1：安装在导线上的局部放电采样下位机对导线上的干扰信号或者电力电缆上产生的局部放电信号进行实时采集；

步骤2：电场传感器对采集到的信号的电场部分，首先进行滤波和放大处理得到电场部分采样信号，然后将电场部分采样信号送AD模数转换器；磁场传感器对采集到的信号的磁场部分，首先进行滤波和放大处理得到磁场部分采样信号，然后将磁场部分采样信号送AD模数转换器；

步骤3：AD模数转换器将送来的电场部分采样信号和磁场部分采样信号分别转换为电场数字采样信号和磁场数字采样信号，并将转换得到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号送FPGA数据处理模块；

步骤4：FPGA数据处理模块将接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号发送给第一无线网卡；

步骤5：第一无线网卡将接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号采用无线的形式发射出去；

步骤6：第二无线网卡接收第一无线网卡发射的电场数字采样信号和磁场数字采样信号，并将得到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号发送给工控机；

步骤7：工控机通过局部放电检测分析方法对接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号进行分析，如果分析得到该局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，弹出报警提示，告知电缆已经出现严重故障；如果分析得到该局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电，弹出预警提示，告知电缆已经出现故障隐患，从而实现了对电力电缆终端局部放电检测预警。

2.根据权利要求1所述一种电力电缆终端局部放电检测装置，其特征在于，电场传感器由电场检测探头，滤波器和放大器组成；其中，电场检测探头，滤波器和放大器依次相连；电场检测探头由两同心圆柱形铝板和一个并联在两铝板间的电阻组成；两同心圆柱形铝板之间用绝缘材料填充。

3.根据权利要求1所述一种电力电缆终端局部放电检测装置，其特征在于，磁场传感器由磁场检测探头，滤波器和放大器组成；其中，磁场检测探头，滤波器和放大器依次相连；磁场检测探头由磁芯和绕在磁芯上的一定匝数的导线组成，其中，磁芯由铁基纳米晶材料制成，且磁芯带有一定长度的气隙。

4.根据权利要求1所述一种电力电缆终端局部放电检测装置，其特征在于，电场传感器和磁场传感器的电路要有一个公共的虚拟接地点作为屏蔽和抗干扰的基点。

5.根据权利要求2或3所述一种电力电缆终端局部放电检测装置，其特征在于，电场传感器和磁场传感器的外部均有抗电磁场干扰的屏蔽罩。

6.根据权利要求1所述一种电力电缆终端局部放电检测装置，其特征在于，所述局部放电检测分析方法包括如下步骤：

步骤S1：对接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号的波形进行正极性波和负极性波的判断；

若接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号的第一个脉冲极性为正，则判断该电场数字采样信号和该磁场数字采样信号为正极性波，反之，判断该电场数字采样信号和该磁场数字采样信号为负极性波；

步骤S2：根据电场数字采样信号和磁场数字采样信号分别同为正极性波或负极性波，进行干扰信号的剔除，局部放电信号的保留；

若接收到的电场数字采样信号和磁场数字采样信号同为正极性波或者同为负极性波，则判断该信号为干扰信号，进行剔除；反之，则判断该信号为局部放电信号保留；

步骤S3：首次提取到局部放电信号时取局部放电幅值的最大值为A1，此后每次采集提取出的局部放电信号的幅值的最大值为An，其中，n为整数且n≥2；若(An-A1)/A1≥10％，则此次局部放电为会导致电力电缆击穿的危险放电，否则此次局部放电为不会导致电力电缆击穿的隐患放电。