CN104459483A - 一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法及装置，该装置包括有局部放电信号传感器、下位机局部放电信号调理采集单元、光电转换模块和工控计算机。传感器用于耦合电缆线路每个附件的接地线或交叉互联线上的局部放电信号，以及本体的工频电压信号。下位机信号调理采集单元对传感器的信号进行预处理并高速采集，通过光纤传输网络方式传送至上位机工控计算机。光纤网络同步授时机制在微秒级误差范围内同步触发多路下位机单元采集。上位机监控单元显示局放时域信号、视在放电量、形成放电量-放电相位等二维放电谱图。利用多路局放信号的时延和放电谱图特征比较，来确定局放信号来源，为电缆线路绝缘薄弱环节的判定提供技术数据。本发明的优点在于能够根据现场需要，对整条高压电缆线路进行多点严格同步触发采集的局部放电在线定位，有效定位电缆线路绝缘薄弱环节，预防突发故障的产生。

Description

一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法及装置

技术领域

本发明属于一种电力电缆设备检测装置，特别是一种330kV超高压电力电缆线路局部放电监测方法及装置。

背景技术

目前，220-500kV超高压电缆线路作为城市供电和主网架的重要环节，在我国城市电网和部分水电厂中已占据非常重要的地位。如何实现这些电缆线路的状态评估和状态检修，保证电缆线路安全可靠运行，是目前国内外研究的热点。

局部放电作为电缆线路绝缘状况不良的主要表现形式，既是引起绝缘老化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要特征参数。电力电缆的局部放电量与其绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘可能存在危害电缆安全运行的缺陷。因此，准确测量电缆的局部放电量是判断电缆绝缘品质最直观、最有效的方法，但也是受外界条件制约、检测难度较大的方法。理论研究表明，XLPE电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽，最高可达到GHz数量级。目前国内外已把电缆局部放电测量的焦点转移到高频（3-30MHz）和特高频（300MHz-3GHz）方向。

许多电力公司应用了高压电缆局部放电在线检测装置，在实际应用中，局部放电（PD）信号自身非常微弱，又是在现场各种电磁干扰存在的情况下获取的，不断变化的现场干扰信号幅值常常比PD信号大2-3个数量级，将PD信号完全淹没，导致PD信号信噪比极低。因此有效地抑制和识别干扰，准确地提取PD信号的抗干扰技术成为局部放电在线检测系统的关键，直接影响到在线检测的准确度和灵敏度，是目前局部放电在线监测研究的一个重点和难点。同时，对于电缆线路进行停电的离线试验，可较好的确定局放来源。而对于送电中的高压电缆，其外界干扰复杂多变，局放信号幅值微弱，且传输速度快(约170米/微秒)、存在明显衰减现象，如何在线检测并准确判断有无局部放电信号，是目前的研究难点。

发明内容

针对目前电缆线路在线检测定位上述问题，本发明提出一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法及装置，通过分布式的监测整条电缆线路的每个附件处的局部放电信号，在微秒级同步误差范围内，根据时差和放电谱图特征与典型缺陷库进行对比确定局放来源。

本发明的技术方案是，一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法，其特征在于：整条电缆线路每组附件处安装高频宽带电磁耦合传感器，传感器套接在电缆附件接地线或交叉互联线上来耦合局部放电信号，工频相位取自220V工频电源；每组附件处的下位机在1微秒以下的同步误差范围内同步触发采集20ms信号，并通过光纤传输网络将数字信号传送至上位机；上位机将多路信号进行时差和放电谱图特征比较，确定局放来源。

其具体步骤如下：

（1）在整条电缆线路每个电缆附件接地线上套接高频宽带电磁耦合传感器（带宽20kHz-25MHz）。

（2）利用同步触发每组附件处的下位机单元，使得多组信号在1微秒以下的同步误差范围内同步触发采集20ms信号，并经采集后将数字信号存储于下位机ROM中。

（3）取220V工频电源通过信号调理后也接入高速数据采集卡的通道上进行采样，用于局部放电信号采集通道的触发，以确定局部放电信号的工频电压相位。

（4）下位机内包括有信号调理模块、光电转换模块、高速数据采集卡、I/O卡，用来完成局部放电信号的触发采集、数据存储。

（5）光纤传输网络将每个下位机监测单元连接至上位机监控单元。

（6）上位机监控单元完成对下位机的硬件控制，采集数据的接收、局放原始时域信号的显示、视在放电量的显示、q-φ（放电量-放电相位）等放电谱图。

（7）应用三相幅值关系图谱、三频段幅值关系图等信号分离技术，分析脉冲电流波形参数特征值（信号峰值、平均值、放电频率、放电电流、相位图等）综合信息，从时域波形特征、谱图分布差异、分离谱图角度分析，获得现场高压电缆绝缘缺陷的局部放电数据，形成现场测量数据的放电累积谱图和同类特征脉冲放电簇。通过对临近附件放电量的的时频谱图和放电谱图比较，判断局放信号来源，从而掌握整条电缆线路绝缘运行状况。

实现上述方法的330kV电力电缆线路局部放电监测方法及装置，包括：

套接在三相电缆附件接地线或交叉互联线上的高频宽带电磁传感器，用来耦合局部放电信号；

一套下位机数据预处理采集单元，用于完成三相电缆附件传感器信号的同步触发采样，包括信号前置调理单元、I/O控制单元、高速数据采集卡、光电转换模块。前置调理单元对传感器耦合的信号先进行调理，提取工频电压信号和局部放电信号；I/O控制单元完成采集的控制；高速数据采集卡完成对调理后的信号进行采集，并存储到下位机的ROM内，光纤转换模块将采集数据传送到上位机单元。

上位机通过光纤传输网络与下位机相连，用于控制下位机，接收采集数据，通过进一步的抗干扰处理，以工频电压相位为参照形成局部放电的时域信号显示、视在放电量、n-q-φ等放电谱图的实时显示。

本发明的优点在于能够根据现场需要，通过对330kV电缆线路进行分布式的微秒级同步高速采样，实现局部放电在线监测。本装置宽频高速采集的方式可获取完整的局部放电信号波形，根据信号时延和放电谱图特征，来区分放电来源，为电缆设备的状态维修提供强有力的技术支撑。

附图说明

 图1为本发明的总流程图。

     图2 下位机单元结构框图。

     图3 软件联合抗干扰方案处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1，本发明由信号传感器、局部放电信号调理采集单元、光电转换模块和上位机单元构成。高频宽带电流传感器安装于电缆附件接地线或交叉互联线上来耦合局部放电信号，50Hz工频电压传感器安装于附件附近的本体上来耦合工频电流信号或采用220V工频电源作为相位参考；局部放电信号调理采集单元完成接地线上混杂信号的预处理，将信号调理至数据采集卡输入范围内进行高速数据采集，并将采集数据存储到大容量的ROM中；光电转换模块用于同步多路信号，使得其在微秒级误差范围内触发采集，并将下位机采集数据高速传输至上位机监控单元；上位机对信号调理采集单元进行控制，接收采集数据后进行抗干扰处理，显示局放时域信号、放电视在放电量，以及q-φ等放电谱图。对多路信号的时延和放电谱图特征分析，从而确定放电源。

一) 高频宽带电磁耦合传感器

高频宽带信号传感器采用镍锌铁氧体，频率范围为20kHz-25MHz，测量时套接在三相附件接地线或交叉互联线上组成传感器对，耦合的信号包括局部放电信号、干扰、背景噪声。

取自220V工频电源用于耦合电缆本体的工频电流信号，用作触发采集，并确定放电信号所在的工频相位。

二) 下位机信号调理采集单元

前端模组作为在线监测装置底层硬件核心，根据分布式局放在线监测需要，通过硬件高度集成的模块化设计将传感器输出信号就近于被测对象进行信号采集、转换和预处理。

前端模组主要包括：由信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机、光纤通讯单元和直流电源单元组成。如图2所示。高质量的信号调理单元和保护电路是前端采集模块的基础，高性能数据采集单元能实现输入/输出模块的改进和前端采集模块能力的提高，而先进的计算机技术是则是前端采集模块的支撑，采用此组成方式设计的前端模组集成度高，设计简单，易于调试。

信号调理单元用来与局放耦合传感器和相位耦合传感器进行阻抗匹配、标度转换、增益放大和抗干扰滤波功能；数据采集单元用于完成对调理后的模拟信号进行4通道同步高速采样，模拟量/数字量转换，并通过内部数据总线将采集数据传送到嵌入式计算机；嵌入式计算机用来控制信号调理单元和数据采集单元工作，对数据采集单元传输来的数据进行预处理，并与监控中心主机进行运行通讯和数据传输；光纤通讯单元用来将嵌入式计算机输出的数字化电信号转化为光信号，并按照约定的通信协议通过光纤与监控中心主机进行数据传输，将主机控制指令光信号转换为电信号供嵌入式计算机处理；直流电源单元用来为信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机和光纤通讯单元提供满足正常工作所需的直流电。

下位机单元安装在传感器附近，对传感器输出的信号进行硬件滤除部分干扰，使得后续放大单元对局部放电信号进行放大，以提高检测灵敏度。

所采用的数据采集卡最高采样率为60MS/s，模拟带宽为30MHz，A/D分辨率为12位，高速采集的信号存储到ROM中。

I/O控制卡用来上下位机间控制命令的发送接收。

三)光电转换单元

采用光纤，其中一根作为备用。每根光纤4芯，在每个节点的光纤集线器中将光纤截断熔接并引出一路光纤连接至一个下位机单元。

光电转换单元采用授时同步机制，同步多路附件处的下位机单元进行同步触发采样。

四)上位机监控单元

上位机单元用于控制下位机数据采集、设置程控信号调理单元、以及控制接收下位机ROM中存储的采集数据。

为达到最好的处理效果，保证局放信号最小能量损失和波形失真，上位机软件采用分层抗干扰模型进行干扰抑制。第一步是前端模组硬件放大器的带宽限制，等效于对信号进行带通滤波。由于窄带干扰遍布整个时域，且相对于其他干扰和局放信号来说幅值很大，第二步采用非线性的狭义数学形态滤波器和联合时频分析对中波广播窄带干扰和白噪声进行有效抑制，使信号只留下单个分离的脉冲。第三步通过同组附件的两路信号极性鉴别来区分内外放电脉冲，提取出属于本组检测点的局放脉冲信号。第四步采用多相态谱图聚类分析的方法，从多相态谱图中萃取放电特性，结合典型缺陷局放特征参量和现场干扰实测数据，依托综合特征指纹库，判断放电类型，给出风险系数评估。如图3所示。

对各相同步信号进行综合抗干扰处理后，上位机单元提取出局部放电信号原始时域波形、局部放电视在放电量、以及q-φ等放电谱图。

针对其频率分辨率不够理想的情况，将算法做改进，不但计算脉冲序列的时间“重心”，也计算其频域的频率“重心”，从而更有利的分类脉冲群。即                                                        

其中s(t)为采集得到的局部放电脉冲归一化后的序列。t0为信号的时间“重心”。利用T-F变换，将脉冲的特征信息反映到不同的聚类中。

整条电缆线路的同步触发采集的局部放电原始信号时延比较和放电谱图特征分析，可有效确定放电源的位置，对绝缘劣化进行前期预报和评估，积极有效地预防330kV电缆系统突发运行故障。 

本发明提供一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法及装置，该装置包括有局部放电信号传感器、下位机局部放电信号调理采集单元、光电转换模块和工控计算机。传感器用于耦合电缆线路每个附件的接地线或交叉互联线上的局部放电信号，以及本体的工频电压信号。下位机信号调理采集单元对传感器的信号进行预处理并高速采集，通过光纤传输网络方式传送至上位机工控计算机。光纤网络同步授时机制在微秒级误差范围内同步触发多路下位机单元采集。上位机监控单元显示局放时域信号、视在放电量、形成放电量-放电相位等二维放电谱图。利用多路局放信号的时延和放电谱图特征比较，来确定局放信号来源，为电缆线路绝缘薄弱环节的判定提供技术数据。本发明的优点在于能够根据现场需要，对整条高压电缆线路进行多点严格同步触发采集的局部放电在线定位，有效定位电缆线路绝缘薄弱环节，预防突发故障的产生。

Claims (3)

1.一种330kV电力电缆线路局部放电监测方法，其特征在于：整条电缆线路每组附件处安装高频宽带电磁耦合传感器，传感器套接在电缆附件接地线或交叉互联线上来耦合局部放电信号，工频相位取自220V工频电源；每组附件处的下位机在1微秒以下的同步误差范围内同步触发采集20ms信号，并通过光纤传输网络将数字信号传送至上位机；上位机将多路信号进行时差和放电谱图特征比较，确定局放来源。

2.如权利要求1所述的330kV电力电缆线路局部放电监测方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）在整条电缆线路每个电缆附件接地线上套接高频宽带电磁耦合传感器，带宽20kHz-25MHz；

（2）利用同步触发每组附件处的下位机单元，使得多组信号在1微秒以下的同步误差范围内同步触发采集20ms信号，并经采集后将数字信号存储于下位机ROM中；

（3）取220V工频电源通过信号调理后也接入高速数据采集卡的通道上进行采样，用于局部放电信号采集通道的触发，以确定局部放电信号的工频电压相位；

（4）下位机内包括有信号调理模块、光电转换模块、高速数据采集卡、I/O卡，用来完成局部放电信号的触发采集、数据存储；

（5）光纤传输网络将每个下位机监测单元连接至上位机监控单元；

（6）上位机监控单元完成对下位机的硬件控制，采集数据的接收、局放原始时域信号的显示、视在放电量的显示、放电量q-放电相位φ等放电谱图；

（7）应用三相幅值关系图谱、三频段幅值关系图等信号分离技术，分析脉冲电流波形参数特征值——信号峰值、平均值、放电频率、放电电流、相位图等——综合信息，从时域波形特征、谱图分布差异、分离谱图角度分析，获得现场高压电缆绝缘缺陷的局部放电数据，形成现场测量数据的放电累积谱图和同类特征脉冲放电簇；通过对临近附件放电量的的时频谱图和放电谱图比较，判断局放信号来源，从而掌握整条电缆线路绝缘运行状况。

3.实现权利要求1-2方法的330kV电力电缆线路局部放电监测方法的装置，其特征在于包括：

套接在三相电缆附件接地线或交叉互联线上的高频宽带电磁传感器，用来耦合局部放电信号；

一套下位机数据预处理采集单元，用于完成三相电缆附件传感器信号的同步触发采样，包括信号前置调理单元、I/O控制单元、高速数据采集卡、光电转换模块；前置调理单元对传感器耦合的信号先进行调理，提取工频电压信号和局部放电信号；I/O控制单元完成采集的控制；高速数据采集卡完成对调理后的信号进行采集，并存储到下位机的ROM内，光纤转换模块将采集数据传送到上位机单元；

上位机通过光纤传输网络与下位机相连，用于控制下位机，接收采集数据，通过进一步的抗干扰处理，以工频电压相位为参照形成局部放电的时域信号显示、视在放电量、n-q-φ等放电谱图的实时显示。