CN104614648A - 一种电声联合直流局部放电检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电声联合直流局部放电检测装置，包括卡接在接地线上的电流互感器以及紧贴于被试电缆接头的超声传感器，超声传感器通过前置放大器连接到工控机的第一数据采集卡上，高频电流互感器通过宽频放大器连接到工控机的第二数据采集卡上；第一数据采集卡和第二数据采集卡的输出端均连接到工控机的直流局部放电分析系统上，直流局部放电分析系统用于提供长时间检测与路波功能，通过Q-t图分析图像，并提供记录参数。本发明利用1MHz-30MHz外置式高频电流互感器以及超声局部放电检测法两种检测方法，可以实现实验室环境以及现场环境的直流局部放电检测，可对于被测电缆中是否存在制造或安装过程中可能存在的各种绝缘缺陷进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种电声联合直流局部放电检测装置。
背景技术
早在二十世纪五十年代人们便对于交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料用于直流海底电缆发展潜力有所认识，并进行了一定程度的研究。并且在二十世纪六十年代，交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆被成功制造并以200kV电压等级作为试验线路运行。然而由于空间电荷效应的影响，交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆往往无法通过极性翻转试验因此导致其商业发展受到阻碍。在二十世纪九十年代，由于绝缘材料以及换流技术的发展，新的柔性直流输电技术出现，即采用基于可关断器件的电压源换流器(VSC)代替电流源换流器(LCC)和XLPE绝缘电缆相结合的直流输电模式，从而避免了聚合物绝缘在极性反转时导致击穿的问题。并且基于电压源换流器(VSC)的柔性输电技术，可以向无源负荷或低短路容量的网络供电，凭借其无需滤波器和无功补偿设备、谐波电压小、占地面积小等优势，在可再生能源接入、远距离孤岛送电、电网互联等诸多重要领域得到了越来越广泛的应用。
直流输电技术常用于高电压、大功率、长距离输电系统，因此线路重要性高，并且由于世界范围内对于柔性直流电缆运行经验较少，针对直流XLPE电缆的检测方法与经验积累不多，如何通过有效的检测手段，对于直流XLPE电缆进行检测从而减少故障发生几率以保证其安全稳定运行对于整个电网系统的安全至关重要。
局部放电检测技术可以及时发现运行电缆中存在的缺陷隐患，因此该项技术在电缆系统诊断测试中得到了较好的应用。在交流XLPE电缆系统检测当中发挥了显著作用也积累了丰富的经验，而在直流XLPE电缆系统当中的研究仍然较少。由于直流电压下的局部放电相比交流下，具有放电重复率低、无相位信息等显著特点，因此传统的交流局部放电检测与分析方法不适用于直流电压下的局部放电。而目前针对应用于直流XLPE电缆的直流局部放电检测装置仍有较大空白。
局部放电过程中会产生电荷转移以及电能损耗并发射电磁波，与此同时也会产生各种非电信号，如机械波等。目前根据其检测信号的类别，可将局部放电检测分为以检测局部放电过程中产生的各种电信号的电测法，以及通过检测局部放电过程中声、光等非电信号的非电测法。
1、脉冲电流法：又称为耦合电容法，即在电缆终端外接耦合电容和检测阻抗。该方法是目前技术较为成熟的方法，并且测量灵敏度高，但在绝大多数情况下，这种检测方式主要针对传输衰减及损耗可忽略的短电缆以及无中间接头或只有少数直通接头的电缆系统，通常电缆长度小于2km，并且需外接耦合电容，只能测量电缆终端，在现场受外部干扰影响较大。
2、外置式高频电流互感器(HFCT)法：用于局部放电测量的罗氏线圈称为高频电流传感器(High Frequency Current Transformer)，常简称为HFCT。HFCT是从局部放电产生的磁场中耦合能量，再经罗氏线圈转化为电信号。局部放电发生后，放电脉冲电流将沿着电缆的轴向方向传播，即会在垂直于电流传播方向的平面上产生磁场，当电缆中存在局部放电时，接地线及金属屏蔽层中流过脉冲电流，高频电流互感器利用电流磁效应对于局部放电脉冲电流信号进行耦合，当其穿过传感器时会在二次绕组上感应出信号，这样便可获取局部放电信息。外置式HFCT传感器按安装位置不同又可分为接地线HFCT和电缆本体HFCT。安装在电缆屏蔽接地线或电缆交叉互联系统接地线上的HFCT传感器，内径一般为几十毫米；安装在单芯电力电缆本体上的HFCT传感器，内径一般在100毫米以上，传感器灵敏度相对接地线HFCT较低。
3、超声局部放电检测法：声波是一种机械振动波。当局部放电发生时，在放电的区域中分子间产生剧烈的碰撞，这种撞击在会产生压力，由于放电是一连串的脉冲形成，由此产生的压力波也是脉冲形成的，它含有各种频率分量，它的频谱分布很广，10-107Hz数量级范围。根据在局部放电过程中，会发生震动而产生声信号的现象，因而利用超声信号来对于局部放电信号进行测量并利用超声信号的传播特性可以对局部放电发生部位进行定位。超声传感器为压电材料，对超声信号进行耦合后即转化为电信号。目前超声局部放电测试已经被广泛的使用于GIS以及变压器等，而使用在电缆中间接头上的则较少。局部放电过程中产生的机械振动信号的传播特性依赖于介质的特性，GIS，变压器，电缆本体以及电缆中间接头中传播介质分别主要为SF6气体、变压器油、交联聚乙烯和硅橡胶，这些介质中可传播的声波振动模式是不同的，因此超声传感器的频带等特性应当根据测试的电气对象不同而有所不同。超声局部放电检测最突出的优点是受电磁噪声干扰小，并且是一种无损检测，测量方法简单，并且利用超声检测可以进行故障定位。但其无法进行校准，并且灵敏度较低，在长距离检测当中声信号衰减尤为严重。
综合以上，局部放电检测手段具有不同特性与优缺点，根据直流电缆运行工况如综合采用多种方法配合适用于直流局部放电检测的检测分析系统，可以更为有效地对于检测与评估。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种针对于直流电缆局部放电检测的电声联合直流局部放电检测装置，可通过后台专用直流局部放电分析系统，对于各传感器采集信号进行综合处理分析，能够实现缺陷检测、缺陷定位以及缺陷类别的模式识别功能。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方法实现的：
一种电声联合直流局部放电检测装置，包括卡接在接地线上的电流互感器以及紧贴于被试电缆接头的超声传感器，超声传感器通过前置放大器连接到工控机的第一数据采集卡上，高频电流互感器通过宽频放大器连接到工控机的第二数据采集卡上；第一数据采集卡和第二数据采集卡将数据传送给直流局部放电分析系统，直流局部放电分析系统用于提供长时间检测与录波功能，通过Q-t图分析图像，并提供记录参数。
所述超声传感器通过BNC接头与前置放大器连接。
所述被试电缆接头上设置有两个超声传感器，并分别连接两个前置放大器，两前置放大器的信号输出端汇合后，连接到第一数据采集卡上。
所述超声传感器采用检测频率35kHz-100kHz、中心频率为55kHz的接触式超声传感器.
所述前置放大器设置有20/40/60dB三个档位，工作频率为10kHz-1200kHz。
所述前置放大器通过28V直流电源进行供电。
所述电流互感器通过BNC接头与宽频放大器相连。
所述电流互感器采用-6dB频段范围为1MHz-60MHz、最高灵敏度为42MHz的高频电流互感器。
所述宽频放大器采用频段为1MHz-500MHz的放大器，宽频放大器与电流互感器之间还设置有用于保护元件的滤波器。
所述宽频放大器和滤波器均使用工频220V供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用1MHz-30MHz外置式高频电流互感器以及超声局部放电检测法两种检测方法，可以实现实验室环境以及现场环境的直流局部放电检测，可对于被测电缆中是否存在制造或安装过程中可能存在的各种绝缘缺陷进行检测。本发明针对直流局部放电与交流局部放电不同的特点，采用适用于直流局部放电检测分析的手段，填补了直流局部放电分析的空白。局部放电电测法与声测法互有利弊，电测法灵敏、准确但易受到电磁噪声信号的干扰，而声测法不受电磁干扰的影响，并且实现放缺陷定位，但声测法无法校正、灵敏度低。而本发明采用电声综合分析，结合二者优势在能够提供更为准确与完备的参考信息。本发明同时适用于现场与实验室环境，并且能够进行长时间检测以及在线监测。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的使用方式示意图；
图3为本发明的Q-t谱图；
图4为本发明脉冲波形捕捉；
图5为本发明所捕捉脉冲波形对应频域分布谱图；
图6为本发明N-t谱图；
图7为本发明N-Q谱图；
图8为本发明Q-Δt谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
参见图1，本发明采用利用高压变压器将工频交流220V电压升高到100kV，经由耐压300kV通流能力1A的硅堆进行半波整流，串接1MΩ限流电阻，向0.1nF滤波电容充电的方式，在滤波电容高压端输出直流高压。
超声传感器采用接触式超声传感器，检测频率35kHz-100kHz，中心频率为55kHz，适合于电缆及其附件中局部放电产生的超声信号的耦合。在信号较弱情况下，将超声传感器由BNC接头与前置放大器连接，前置放大器分为20/40/60dB三个档位，根据实际测量信号以及干扰强度对于耦合到的信号进行放大，工作频率为10kHz-1200kHz，可以同时作为抗混叠滤波器，对于其他频段信号进行滤波减少噪声干扰。前置放大器由直流28V可充电锂电池进行供电。
电流互感器采用-6dB频段范围为1MHz-60MHz，最高灵敏度为42MHz(50Ω负载下：Vout/Iin比值)的高频电流互感器；在信号较弱情况下，将HFCT由BNC接头与放大器相连，放大器采用频段1MHz-500MHz放大器，根据实际测试环境以及放电信号强度选择宽频放大器的放大倍数，在屏蔽条件较差以及现场进行试验时，根据噪声频段选择滤波器类型，使信噪比不小于2:1。本发明采用最高放大倍数20dB的放大器，放大器与滤波器均使用工频220V供电。其中放大器以及滤波器同时作为保护原件，防止被测试验击穿产生的瞬间电流对于后端设备以及人员造成伤害，起到保护人员以及工控机安全的作用。
高频电流互感器卡接在接地线上，接触式超声传感器紧贴于被试电缆接头(如被试电缆配有电缆接头或终端等附件，最好贴放于附件上)。配备两个超声传感器置于被测接头不同位置，根据采集得到脉冲强度不同进行故障定位。配备两个超声传感器是为了将传感器置于被测接头不同位置，根据两个传感器不同信号强弱以及超声波的传输特性对于放电部位进行定位。
工控机由工频220V供电，配有两组数据采集卡，超声检测电路由放大器输出信号由BNC接头接于第一数据采集卡，第一数据采集卡采用14位分辨率，48kS/s实时采样双踪多通道高速数据采集卡，使用双踪采集卡同时记录两个置于不同位置超声传感器的放电信号测量结果，通过超声波的传播特性来进行定位，并且使用14位的高分辨率采集卡以保证数据精度。
高频电流互感器检测电路由放大器输出信号由BNC接头接于第二数据采集卡，第二数据采集卡采用8位分辨率，100MS/s实时采样的采集卡进行采集。
直流局部放电分析设备设备由双通道，两路信号可同时输入，由电信号触发声信号进行采集，即电信号检测法检测到局部放电脉冲后，触发声信号检测法采集，同时输出两路回路采样所得谱图。
本发明的工作过程：
如图2所示，本发明采用基于高采样率的连续触发采集工作模式，通过设置噪声的正阈值，一则屏蔽噪声误触发采集，二则对外部干扰引入的负极性脉冲也可起到抑制作用。
如图3所示，直流局部放电分析系统根据直流局部放电重复率低的特点，提供长时间检测与录波功能，采用Q-t图为主要分析图像，并提供记录参数做截图。
如图4，本发明实时显示局放脉冲的时域波形和频域功率谱分布。采集时间长度在us量级，保证波形刷新率达到每秒2000次以上。监测过程实现硬件定时功能，可以捕捉到局部放电脉冲的波形及其发生的精准时刻，精度达us级。采用离线小波分析降噪算法，提高局部放电脉冲识别的信噪比。
如图5所示，根据放电幅值Q，时间t以及一分钟内的放电次数N间的关系建立各种统计直方图(N-t直方图、N-Q直方图等)。
根据直流局部放电分析方式与交流局部放电不同的特点，由于直流局放无放电脉冲对应的工频相位φ的概念，摒弃交流局部放电使用的放电幅值-放电相角-时间(φ-q-t)图像等与相角φ相关的传统分析方法，对当前放电与其前一次放电的时间间隔Δtpre和与其后一次放电的时间间隔Δtsuc两个特征参量对比当前放电量Q的H(Q,Δt)的三维模型特征分布谱图，以此进行放电模式识别。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：包括卡接在接地线上的电流互感器以及紧贴于被试电缆接头的超声传感器，超声传感器通过前置放大器连接到工控机的第一数据采集卡上，高频电流互感器通过宽频放大器连接到工控机的第二数据采集卡上；第一数据采集卡和第二数据采集卡将数据传送给直流局部放电分析系统，直流局部放电分析系统用于提供长时间检测与录波功能，通过Q-t图分析图像，并提供记录参数。
2.根据权利要求1所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述超声传感器通过BNC接头与前置放大器连接。
3.根据权利要求1或2所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述被试电缆接头上设置有两个超声传感器，并分别连接两个前置放大器，两前置放大器的信号输出端汇合后，连接到第一数据采集卡上。
4.根据权利要求3所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述超声传感器采用检测频率35kHz-100kHz、中心频率为55kHz的接触式超声传感器。
5.根据权利要求3所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述前置放大器设置有20/40/60dB三个档位，工作频率为10kHz-1200kHz。
6.根据权利要求5所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述前置放大器通过28V直流电源进行供电。
7.根据权利要求1所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述电流互感器通过BNC接头与宽频放大器相连。
8.根据权利要求1或7所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述电流互感器采用-6dB频段范围为1MHz-60MHz、最高灵敏度为42MHz的高频电流互感器。
9.根据权利要求1或7所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述宽频放大器采用频段为1MHz-500MHz的放大器，宽频放大器与电流互感器之间还设置有用于保护元件的滤波器。
10.根据权利要求9所述的电声联合直流局部放电检测装置，其特征在于：所述宽频放大器和滤波器均使用工频220V供电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: POWER GRID TECHNIQUE RESEARCH CENTER OF CHINA SOUT Effective date: 20150608 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Yang Inventor after: Kang Qiang Inventor after: Chen Hao Inventor after: Fu Mingli Inventor after: Hou Shuai Inventor after: Tian Ye Inventor after: Zhuo Ran Inventor before: Xu Yang Inventor before: Kang Qiang Inventor before: Chen Hao |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: XU YANG KANG QIANG CHEN HAO TO: XU YANG KANG QIANG CHEN HAO FU MINGLI HOU SHUAI TIAN YE ZHUO RAN |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150608 Address after: 710049 Xianning West Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant after: Xi'an Jiaotong University Applicant after: Power Grid Technique Research Center of China Southern Power Grid Co., Ltd. Address before: 710049 Xianning West Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant before: Xi'an Jiaotong University |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150513 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |