CN104090219A - 一种高压电缆终端局部放电高频监测器 - Google Patents

Abstract

一种高压电缆终端局部放电高频监测器。其包括三个局放传感器、局放信号采集处理装置和电源；局放传感器为局部放电信号传感器，其由高频波传感器构成，三个局放传感器分别安装在A、B、C相电缆终端的表面，并分别与局放信号采集处理装置的三个信号采集输入端相连接。本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器采用增益大、频带宽、灵敏度高的高频局放传感器，并设计了相应的信号放大电路和滤波电路，借助ARM开发了局放高频信号后续处理程序，实现了局放信号放电幅值的显示和报警信息的发布。与此同时，利用UPS在负荷侧取电，最终实现了对电缆终端的局部放电在线监测、绝缘缺陷及时发现、实时跟踪。

Description

一种高压电缆终端局部放电高频监测器

技术领域

本发明属于高压电力输变电技术领域，特别是涉及一种高压电缆终端局部放电高频监测器。

背景技术

近年来，电力电缆在城市电网中得到了广泛的应用，随之而来的是电缆故障的不断增多。电缆终端作为电缆的重要部件，由于其绝缘结构比较复杂，所以影响其绝缘性能的原因众多，而且其通常是在现场人工制作，不良工艺容易遗留故障隐患，所以故障率远远高于电缆本体。因此，电缆终端绝缘状态的评估对电缆的安全稳定运行有着十分重要的实际意义。局部放电作为绝缘劣化的前兆和主要原因，已被国内外广大学者广泛认可。目前，电缆局部放电的检测方法主要有基于脉冲电流的电容耦合法、电感耦合法、方向耦合法，基于局放高频波信号的高频法，基于局放超高频信号的超高频法和基于光信号的光学法，而电容耦合法、电感耦合法和高频法有着较好的运行经验，方向耦合法、超高频法和光学法相关研究和运行经验较少，目前无法对高压电缆进行在线监测。电容耦合法分为内置电容耦合法和外置电容耦合法，内置电容耦合法通常将传感器安装在电缆半导电层上，这种方法检测灵敏度高，不易受到外界的电磁干扰，但需要破坏电缆的原有结构，且安装十分不便，对电缆的安全稳定运行是一个巨大的隐患；外置电容耦合法是直接将金属电极贴附于电缆或接头的护套外表面，虽安装方便，但易受到周围电磁环境的影响，获取的信号信噪比较低，且某些情况下需要停电进行系统测试。电感耦合法的传感器一般做成钳型，尺寸大，安装方便，对电缆本体没有影响，但灵敏度较低，易受空间电磁干扰，测量不准确。高频法是在现场条件下较早应用成功的技术之一，电缆中局放激发的高频信号频带在1MHz-300MHz之间，一般可以采1MHz～10MHz的高频信号检测电缆中的局放信号，采集高频信号高频传感器的频带基本可以覆盖此频带。虽然高频信号在不同介质中传输衰减较大，但变压器、GIS外壳与电缆终端的铠装有着良好的连接，信号轴向衰减小，将高频传感器安装在电缆接地线上可以有效地监测电缆终端的局部放电情况。高频法不会破坏电缆的结构，且安装十分方便，受外部电磁噪声影响较小，是比较理想的现场监测方法。

国内电缆在线监测技术研究起步较晚，至今仍在不断发展之中。目前，国内对XLPE电力电缆尤其是110kV及以上电压等级的电缆的检测及监测手段还十分落后，缺乏有效的监测手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高压电缆终端局部放电高频监测器。

为了达到上述目的，本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器包括：三个局放传感器、局放信号采集处理装置和电源；其中：局放传感器为局部放电信号传感器，其由高频波传感器构成，三个局放传感器分别安装在A、B、C相电缆终端的表面，并分别与局放信号采集处理装置的三个信号采集输入端相连接；

局放信号采集处理装置为局部放电信号采集处理及显示模块，其通过局放传感器采集三相电力电缆的局部放电信号，然后将其转换成数字信号，并进行相应的处理，最后根据得到的结果进行显示或输出报警信号；

电源为局放信号采集处理装置的工作电源，其与局放信号采集处理装置相连接。

所述的局放信号采集处理装置包括：局放信号放大器、硬件滤波器、局放信号采集器、局放信号处理器和显示及报警器，其中：局放信号放大器由三路差分放大电路组成，用于分别对三个局放传感器的输入信号进行放大，其三个输入端分别与三个局放传感器相连接，三个输出端分别与硬件滤波器的三个输入端相连接；

硬件滤波器由三路滤波电路组成，用于对三路局放输入信号进行整形滤波，其三个输出端分别与局放信号采集器的三个采样输入端相连接；

局放信号采集器为三通道模数转换器，其用于将三路局放模拟信号转换成数字信号，其输出端与局放信号处理器相连接；

局放信号处理器为数字信号处理器，其输出端与显示及报警器相连接，用于从局放信号采集器中读取局放数字信号，并对其进行后续处理和计算，从而根据局放信号识别局部放电的类型，并确定局放信号的幅值，然后将得到的信息传送给显示及报警器；

显示及报警器用于显示局放信号的相关信息，并根据设定的警戒值进行实时报警。

所述的电源为USP供电电路，其包括：A、B、C相电流互感器、三相整流电路、稳压电路、充放电控制电路和蓄电池；其中：A、B、C相电流互感器为安装在三相电力电缆上的三个电流互感器，其三路输出分别与三相整流电路的三相输入回路相连接，当三相电力电缆的负荷电流在电流互感器工作范围之内时，A、B、C相电流互感器从三相负荷侧取得电流，并将其输送给三相整流电路；

三相整流电路用于对A、B、C相电流互感器的三相输出进行整流，其直流输出端与稳压电路的输入端相连接；

稳压电路为直流稳压器，其输出端与充放电控制电路的输入端相连接，用于对三相整流电路输出的直流电进行稳压；

充放电控制电路与蓄电池相连接，同时通过供电输出端与局放信号采集处理装置相连接；充放电控制电路用于根据三相电力电缆的负荷电流对蓄电池的充放电进行控制，当负荷电流在电流互感器工作范围之内时，电流互感器从负荷侧取得电流，此电流经整流稳压后供给局放信号采集处理装置，并同时为蓄电池充电；当负荷电流低于电流互感器的工作范围时，由蓄电池为局放信号采集处理装置供电；

蓄电池为储能电池，用于存储电能，并在需要的时候输出电能。

本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器采用增益大、频带宽、灵敏度高的高频局放传感器，并设计了相应的信号放大电路和滤波电路，借助ARM开发了局放高频信号后续处理程序，实现了局放信号放电幅值的显示和报警信息的发布。与此同时，利用UPS在负荷侧取电，最终实现了对电缆终端的局部放电在线监测、绝缘缺陷及时发现、实时跟踪。

附图说明

图1为本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器的组成示意图。

图2为本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器中局放信号采集处理装置组成框图。

图3为本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器中工作电源组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器包括：三个局放传感器1、局放信号采集处理装置2和电源3；其中：局放传感器1为局部放电信号传感器，其由高频波传感器构成，三个局放传感器1分别安装在A、B、C相电缆终端的表面，并分别与局放信号采集处理装置2的三个信号采集输入端相连接；

局放信号采集处理装置2为局部放电信号采集处理及显示模块，其通过局放传感器1采集三相电力电缆的局部放电信号，然后将其转换成数字信号，并进行相应的处理，最后根据得到的结果进行显示或输出报警信号；

电源3为局放信号采集处理装置2的工作电源，其与局放信号采集处理装置2相连接。

如图2所示，所述的局放信号采集处理装置2包括：局放信号放大器21、硬件滤波器22、局放信号采集器23、局放信号处理器24和显示及报警器25，其中：局放信号放大器21由三路差分放大电路组成，用于分别对三个局放传感器1的输入信号进行放大，其三个输入端分别与三个局放传感器1相连接，三个输出端分别与硬件滤波器22的三个输入端相连接；

硬件滤波器22由三路滤波电路组成，用于对三路局放输入信号进行整形滤波，其三个输出端分别与局放信号采集器23的三个采样输入端相连接；

局放信号采集器23为三通道模数转换器，其用于将三路局放模拟信号转换成数字信号，其输出端与局放信号处理器24相连接；

局放信号处理器24为数字信号处理器，其输出端与显示及报警器25相连接，用于从局放信号采集器23中读取局放数字信号，并对其进行后续处理和计算，从而根据局放信号识别局部放电的类型，并确定局放信号的幅值，然后将得到的信息传送给显示及报警器25；

显示及报警器25用于显示局放信号的相关信息，并根据设定的警戒值进行实时报警。

所述的局放信号采集器23和局放信号处理器24的功能可由高性能ARM微控制器芯片来完成。

如图3所示，所述的电源3为USP供电电路，其包括：A、B、C相电流互感器31、三相整流电路32、稳压电路33、充放电控制电路34和蓄电池35；其中：A、B、C相电流互感器31为安装在三相电力电缆上的三个电流互感器，其三路输出分别与三相整流电路32的三相输入回路相连接，当三相电力电缆的负荷电流在电流互感器工作范围之内时，A、B、C相电流互感器31可从三相负荷侧取得电流，并将其输送给三相整流电路32；

三相整流电路32用于对A、B、C相电流互感器31的三相输出进行整流，其直流输出端与稳压电路33的输入端相连接；

稳压电路33为直流稳压器，其输出端与充放电控制电路34的输入端相连接，用于对三相整流电路32输出的直流电进行稳压；

充放电控制电路34与蓄电池35相连接，同时通过供电输出端与局放信号采集处理装置2相连接；充放电控制电路34用于根据三相电力电缆的负荷电流对蓄电池35的充放电进行控制，即当负荷电流在电流互感器31工作范围之内时，电流互感器31从负荷侧取得电流，此电流经整流稳压后供给局放信号采集处理装置2，并同时为蓄电池35充电；当负荷电流低于电流互感器31的工作范围时，由蓄电池35为局放信号采集处理装置2供电；

蓄电池35为储能电池，用于存储电能，并在需要的时候输出电能。

本发明提供的高压电缆终端局部放电高频监测器的工作原理如下：当电缆终端发生局部放电时，会辐射出高频波，利用局放传感器1的声电换能功能可实现对高频信号的采集和声电转换，并通过差分放大电路获得毫伏级的高频局放信号，将此信号进行滤波整形后再进行模数转换，得到相应的局放数字信号；然后通过数字处理器对局放数字信号进行识别分析和运算，从而确定局部放电的类型和强度，以便进行进一步处理，及时发现电缆终端的绝缘缺陷，并实现实时跟踪。

目前，国内外主要通过监测电缆终端绝缘的局部放电对其绝缘老化状态进行评价。电缆终端绝缘局部放电会辐射出微弱高频波信号，高频波信号的获取需要具有带宽宽、增益大且线性度高的传感器；其次，由于局放高频信号小，信噪比低，对信号的放大、滤波以及后续的处理也提出了更高的要求；再次，在现场没有稳定电源供电的情况下如何实现在线监测也是一个难点。本发明针对以上难点，设计了符合电缆终端局放高频信号频带的高频传感器，此高频传感器在高频局放信号主频带内具有良好的线性度和稳定的增益，能够有效地获取局放高频信号；针对局放高频信号的提取难度大这一难点，设计了放大、滤波电路，并运用有效的混合算法，实现了局放高频信号的准确提取；针对现场没有稳定电压源的情况，选择了符合要求的UPS电源，实现了装置的连续工作，最终达到了电缆终端的局放在线检测的目的。

本发明装置具有以下特点：

1、结构简单，体积小，容易实现、人员操作方便；

2、与系统实现了电气上的隔离，保证了设备的安全；

3、该装置不会破坏电缆本体，安装不需要电缆线路停电；

4、不受现场电磁环境干扰，适应性强，能够得到广泛的应用；

5、灵敏度高，能够发现最小1pC的放电，实现了对电缆终端局放的精确测量。

Claims (3)

1.一种高压电缆终端局部放电高频监测器，其特征在于：所述的高压电缆终端局部放电高频监测器包括：三个局放传感器(1)、局放信号采集处理装置(2)和电源(3)；其中：局放传感器(1)为局部放电信号传感器，其由高频波传感器构成，三个局放传感器(1)分别安装在A、B、C相电缆终端的表面，并分别与局放信号采集处理装置(2)的三个信号采集输入端相连接；

局放信号采集处理装置(2)为局部放电信号采集处理及显示模块，其通过局放传感器(1)采集三相电力电缆的局部放电信号，然后将其转换成数字信号，并进行相应的处理，最后根据得到的结果进行显示或输出报警信号；

电源(3)为局放信号采集处理装置(2)的工作电源，其与局放信号采集处理装置(2)相连接。

2.根据权利要求1所述的高压电缆终端局部放电高频监测器，其特征在于：所述的局放信号采集处理装置(2)包括：局放信号放大器(21)、硬件滤波器(22)、局放信号采集器(23)、局放信号处理器(24)和显示及报警器(25)，其中：局放信号放大器(21)由三路差分放大电路组成，用于分别对三个局放传感器(1)的输入信号进行放大，其三个输入端分别与三个局放传感器(1)相连接，三个输出端分别与硬件滤波器(22)的三个输入端相连接；

硬件滤波器(22)由三路滤波电路组成，用于对三路局放输入信号进行整形滤波，其三个输出端分别与局放信号采集器(23)的三个采样输入端相连接；

局放信号采集器(23)为三通道模数转换器，其用于将三路局放模拟信号转换成数字信号，其输出端与局放信号处理器(24)相连接；

局放信号处理器(24)为数字信号处理器，其输出端与显示及报警器(25)相连接，用于从局放信号采集器(23)中读取局放数字信号，并对其进行后续处理和计算，从而根据局放信号识别局部放电的类型，并确定局放信号的幅值，然后将得到的信息传送给显示及报警器(25)；

显示及报警器(25)用于显示局放信号的相关信息，并根据设定的警戒值进行实时报警。

3.根据权利要求1所述的高压电缆终端局部放电高频监测器，其特征在于：所述的电源(3)为USP供电电路，其包括：A、B、C相电流互感器(31)、三相整流电路(32)、稳压电路(33)、充放电控制电路(34)和蓄电池(35)；其中：A、B、C相电流互感器(31)为安装在三相电力电缆上的三个电流互感器，其三路输出分别与三相整流电路(32)的三相输入回路相连接，当三相电力电缆的负荷电流在电流互感器工作范围之内时，A、B、C相电流互感器(31)从三相负荷侧取得电流，并将其输送给三相整流电路(32)；

三相整流电路(32)用于对A、B、C相电流互感器(31)的三相输出进行整流，其直流输出端与稳压电路(33)的输入端相连接；

稳压电路(33)为直流稳压器，其输出端与充放电控制电路(34)的输入端相连接，用于对三相整流电路(32)输出的直流电进行稳压；

充放电控制电路(34)与蓄电池(35)相连接，同时通过供电输出端与局放信号采集处理装置(2)相连接；充放电控制电路(34)用于根据三相电力电缆的负荷电流对蓄电池(35)的充放电进行控制，当负荷电流在电流互感器工作范围之内时，电流互感器从负荷侧取得电流，此电流经整流稳压后供给局放信号采集处理装置(2)，并同时为蓄电池(35)充电；当负荷电流低于电流互感器的工作范围时，由蓄电池(35)为局放信号采集处理装置(2)供电；

蓄电池(35)为储能电池，用于存储电能，并在需要的时候输出电能。