CN105182199A - 高压电缆局部放电在线监测及放电位置定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案是：一种高压电缆局部放电在线监测及放电位置定位系统，至少包括两个安装在同一条电缆不同接头处的数据采集器，所述数据采集器设置有三个BNC接口，各BNC接口一端通过同轴电缆连接于高频电流传感器，一端通过网线连接至数据采集器同时并与设置于数据采集器内的数据采集卡相连，所述数据采集卡一路通过两芯信号触发线连接于同步采样触发器，另一路通过网线连接于光端机；所述同步采样触发器通过设置于数据采集器的单模光纤接口连接至单模光纤和同步采样控制单元，同步采样控制单元与工控机相连；所述光端机通过设置于数据采集器的单模光纤接口连接至单模光纤和工控机端的光端机。

Description

高压电缆局部放电在线监测及放电位置定位系统及方法

技术领域

本发明涉及电气设备绝缘监测领域，具体涉及到一种高压电缆局部放电在线监测及放电位置定位系统。

背景技术

电力电缆作为电力主要的传输通道，是输电中最为重要的设备。但是电缆运行末期,受电缆本体绝缘的树枝老化,电-热老化及附件老化的影响,电力电缆的故障率将大幅上升。一旦出现电缆事故，将会影响人民生活，对国家、企业、个人造成经济损失。

局部放电检测一直是电缆绝缘非破坏性电气检验的主要项目，越来越被看作是一种最有效的绝缘诊断方法，目的是观察和研究局部放电引起的绝缘老化问题。

电缆发生局部放电时，引起局部放电的空穴形成实阻抗。其产生的脉冲基本上是单极性脉冲，上升时间很短，并且脉冲宽度也很窄。脉冲在电缆中传播时，呈现衰减和散射特性，当到达测量点时，脉宽增加幅值减小。

国内外运行经验和研究成果表明：XLPE电力电缆性能早期劣化或使用寿命很大程度上取决于其绝缘介质的树枝状老化，而局部放电测量是定量分析树枝状劣化程度的有效方法之一。

国内外现有技术，一般采用脉冲电流传法或是超高频法等手段，实现对电缆接头的局部放电水平进行监测，判断其老化程度。目前监测方法的缺陷在于，由于电缆很长，电缆中间部分产生的局部放电电流也会沿着电缆屏蔽层经过接头处接地线往大地传播，现有的技术无法判断是接头部分的放电，还是电缆本体部分的放电。如果绝缘故障发生在非接头处，现有技术通常无法实现放电位置准确定位。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种高压电缆局部放电在线监测及放电位置定位系统，实现电缆整体的全方位局部放电在线监测，并能对放电位置准确定位，可为电缆的检修提供依据。

本发明的技术方案是：一种高压电缆局部放电在线监测及放电位置定位系统，至少包括两个安装在同一条电缆不同接头处的数据采集器，所述数据采集器设置有三个BNC接口，各BNC接口一端通过同轴电缆连接于高频电流传感器，一端通过网线连接至数据采集器同时并与设置于数据采集器内的数据采集卡相连，所述数据采集卡一路通过两芯信号触发线连接于同步采样触发器，另一路通过网线连接于光端机；

所述同步采样触发器通过设置于数据采集器的单模光纤接口连接至单模光纤和同步采样控制单元，同步采样控制单元与工控机相连；

所述光端机通过设置于数据采集器的单模光纤接口连接至单模光纤和工控机端的光端机。

进一步地，所述光端机内置有光电信号转换器。

进一步地，所述数据采集器以及同步采样触发器均设置有光电信号转换器。

进一步地，高频电缆传感器分别卡套在A、B、C三相被测电缆接头处屏蔽层接地线或者交叉互连线上，电缆无需停电即可方便地带电安装拆卸。

进一步地，所述数据采集器还设置有电源接口，其供电电压为220V。

进一步地，所述同步采样触发器与另一接口数字采集器设置的同步采样触发器通过单模光纤连接。

进一步地，所述光端机与另一接口数字采集器设置的光端机通过单模光纤连接。

进一步地，所述多个采集器有两个单模光纤接口，通过一条单模光纤与工控机端的光端机连接，光端机采用以太网网线，与工控机的RJ-45端口连接组成局域网，采集器与工控机的通信协议为TCP/IP协议，通讯速率可达100Mbps。

进一步地，所述的同步采样触发器，带有单模光纤接口，通过另一条单模光纤与所有采集器的另一个单模光纤接口连接。同步采样触发器通过串口线和RS-232协议，接收工控机端的采集命令，并发出一个触发信号，这个触发信号为一个上升沿很陡的单脉冲，通过光纤传输到每一个采集器，所有采集器在接收到这个脉冲之后，开始同步采集。

进一步地，所述高频电流传感器的频率响应范围为LkHZ-100MHZ。

进一步地，所述高频电流传感器采用开合式钳形结构，拆卸安装方便。

进一步地，所述高频电流传感器通过同轴电缆与采集器上A、B、C相采集通道的BNC接口连接。

进一步地，所述的采集器中的采集卡采用高性能FPGA处理器，实现100Msps、12Bit分辨率的高速采样、存储，每次分析可连续采样50个工频周期以上的数据。

本发明还提供了高压电缆局部放电在线监测和放电位置的定位方法，其特征在于：包含如下步骤，

1)假设被测电缆为L米长的单芯电缆，高频电流传感器5安装在接头处的屏蔽层接地线上，假设电缆的一固定位置处发生局部放电，此时该放电产生的高频脉冲电流信号会同时向左右两端的接头传输。

2)假设放电位置离电缆左侧接头的距离为ΔL，放电脉冲到达左侧传感器所需的时间为t1；放点位置距离电缆右侧接头的距离为L-ΔL,时间为t2。放电形成的脉冲电流在电缆中传播的速度V为实验已测知的数据，可以得出：

ΔL＝t1*V(1)

L-ΔL＝t2*V(2)

由以上(1)和(2)两个式子可以得出：

t1＝ΔL/V(3)

t2＝(L-ΔL)/V(4)

由以上(3)和(4)两个式子可以得出：

t2-t1＝(L-2ΔL)/V(5)

该系统采用同步采集，由此可以确定该脉冲电流信号到达电缆两端的时间差，假定到达的右端电缆接头的时间t2>t1，可以得出：

Δt＝t2-t1(6)

因此联合以上(5)和(6)两个式子解方程组，可以确定出距离左端电缆接头放电位置ΔL：

ΔL＝(L-ΔtV)/2

由以上定位原理可知，实现定位的关键在于必须测量出该脉冲到达两个传感器的时间差，而能测出时间差的基础在于，这两个传感器的数据必须是同时采集到的，这样才能分析出脉冲电流信号到达两个传感器的时间差。

上述技术方案具有如下有益技术效果：

1、该系统采用双端定位法，采用光纤触发的同步数据采集技术同时采集相邻的两个接头接地线的局部放电信号，可通过电缆中间部位发生的局部放电信号传输到最近两个接头处采集器的时间差，计算出局部放电发生的位置，定位精度可达正/负3米，并可分辨出是A、B、C哪相电缆的放电；

2、该系统适合110kv及以上电压等级的电缆；

3、该系统可以在电缆正常运行时，带电安装；

4、该系统可以监测电缆的放电幅值、相位、次数等参数，能显示工频周期放电图、二维(放电量-相位，放电次数-相位,放电次数-放电量)放电谱图；并提供放电量趋势图、设置报警阀值、进行历史查询及打印报表等功能；

5、系统可以统计每次测量放电量值的最大值、平均值；

6、所有采集器组成局域网，采用手拉手式的串行组网模式通过单模光纤传输网络数据，成本低、传输距离远、稳定可靠；

7、采用所有采集器同步采集技术和脉冲到达时间分析(ATA)算法，可以定位电缆接头及电缆本体局放发生的绝对位置(而不仅仅是监测接头处放电)，定位精度可以达到正负3米；

8.整个系统只采用一个同步采样触发器，使用光信号触发所有的采集器同步采集(通过软件减掉固定的延时，可实现所有采集器真正采集到同一时刻的放电数据，并可以实现对每一个放电脉冲的精确定位)，而现有技术都是每个采集器分别有一个触发器，在工频零相位触发时，所有采集器可以做到同相位触发，但是不是同时触发，因此无法定位；

9光纤触发信号采用手拉手式的串行组网模式，进而可以实现通过一芯光纤传输触发信号到每一个采集器处；

10.用于传输触发信号的光纤，同时可以传输控制信号，进而实现工控主机通过触发光纤发送重启指令，对所有采集器实现重新启动控制，进而实现故障自恢复功能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2本发明对局放信号定位原理演示图。

图中：附图标记及标记名称如下：

1、A相被测电缆；2、B相被测电缆；3、C相被测电缆；4、电缆屏蔽层接地线或交叉互连接地线；5、高频电流传感器；6、同轴电缆；7、数据采集器；7-1、A相局放采集通道或BNC接口；7-2、B相电缆局放采集通道或BNC接口；7-3、C相电缆局放采集通道或BNC接口；7-4、数据采集卡；7-5、光端机1；7-5-1、光端机2；7-6、同步采样触发器；7-7、单模光纤接口；7-7-1、单模光纤1；7-7-2、单模光纤2；7-8、网线；7-9、两芯触发信号线；7-10、网线；8、电源；9、工控机；10、RS232串口连接线；11、同步采样控制单元；12、被测电缆；12-1、电缆左端接头；12-2、电缆右端接头；13、PD放电点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

参照图1本实施例主要包括：六个高频电流传感器5、两个数据采集器7、工控机9、同步采样控制单元11、及采集器7里面的数据采集卡7-4、光端机(7-5)以及(7-6)同步采样触发器。三个高频电流传感器(5)分别嵌套在A相电缆(1)、B相电缆(2)、C相电缆(3)接头处屏蔽层接地线(4)上，通过三个高频电流传感器5耦合A相电缆1、B相电缆2、C相电缆3的局部放电脉冲电流信号，三个高频电流传感器5通过同轴电缆6分别与采集器7上面的A相电缆采集通道7-1、B相电缆采集通道7-2、C相电缆采集通道7-3连接，接口为BNC接口。采集器7上还连接有电源8，通过220V交流电源给采集器(7)供电。工控机(9)通过9针串行接口和RS232串口连接线10，与同步采样控制单元11连接。同步采样触发器7-6通过两芯触发信号线7-9与数据采集卡7-4相连。

系统工作的流程为：工控机上的软件通过RS232串口连接线10给同步采样控制单元11发送采集命令，同步采样控制单元11通过单模光纤27-7-2给所有数据采集器7上的同步采样触发器7-6发送一个触发光信号，该光信号为上升沿，是一个很陡的单脉冲。同步采样触发器7-6在检测到该脉冲上升沿之后，立即通过两芯触发信号线7-9触发数据采集卡7-4数据采集。这样能保证所有数据采集器7上所有数据采集卡7-4都是同步采集采集的时间与同步采样控制单元11发出光信号的时间相差一个固定的时间差，该时间差为光信号传输到每一个接头处所花的时间。

高频电流传感器5通过电磁耦合到的脉冲电流信号通过同轴电缆6传送至数据采集器7，数据采集器7中数据采集卡7-4采用高性能FPGA处理器，实现100Msps、12Bit分辨率的高速采样、压缩，并通过网线7-10，将压缩过的采样数据，传输到光端机7-5，光端机7-5将电信号转化成光信号，再通过单模光纤7-7-1传送至光端机7-5-1，然后通过网线7-8传输到工控机9，通讯链路采用单模光纤7-7，通讯协议为TCP/IP协议。工控机9对A相被测电缆1、B相被测电缆2、C相被测电缆3上的三个高频电流传感器5的信号分别进行分类识别分析、计算，并将计算获得的放电量，放电次数，放电位置等数据写入到数据库中，同时在软件上显示结果。

参照图2，以实例来阐述本发明实现电缆中间局部放电位置定位的原理。

该系统采用双端定位法，即：通过同步触发器给出同步信号，电缆每个接头处的采集器接收到同步信号之后，同步开始采集信号，由于110kv电缆中间接头之间的距离是确定的，触发信号在光纤中传输的速度是确定的，到达每个采集器的延迟时间是确定的，因此通过处理可以获得每个采集器在不同地点同时采集的一段信号。电缆中局放现象发生之后，产生的高频脉冲电流信号会沿着屏蔽层向左右两端同时传播，传播速度是确定的，两个接头的距离是确定的，通过计算到达两端的接头的时间差，工控机端软件可确定出放电发生的位置。定位精度可达正/负3米。

假设被测电缆12为L米，可为三相电缆中的任意一相长的单芯电缆，高频电流传感器5安装在接头处的屏蔽层接地线4上，假设电缆的位置13处发生局部放电，此时该放电产生的高频脉冲电流信号会同时向左右两端的接头传输。

假设放电位置离电缆左侧接头12-1的距离为ΔL，放电脉冲到达左侧传感器所需的时间为t1；放点位置距离电缆右侧接头12-2的距离为L-ΔL,时间为t2。放电形成的脉冲电流在电缆中传播的速度V为实验已测知的数据，我们可以得出：

ΔL＝t1*V(1)

L-ΔL＝t2*V(2)

由以上(1)和(2)两个式子可以得出：

t1＝ΔL/V(3)

t2＝(L-ΔL)/V(4)

由以上(3)和(4)两个式子可以得出：

t2-t1＝(L-2ΔL)/V(5)

因为本系统采用前面所述的同步采集技术，我们可以确定该脉冲电流信号到达电缆两端的时间差，假定到达的右端电缆接头的时间t2>t1，可以得出：

Δt＝t2-t1(6)

因此联合以上(5)和(6)两个式子解方程组，可以确定出距离左端电缆接头放电位置ΔL：

ΔL＝(L-ΔtV)/2

由以上定位原理可知，实现定位的关键在于必须测量出该脉冲到达两个传感器的时间差，而能测出时间差的基础在于，这两个传感器的数据必须是同时采集到的，这样才能分析出脉冲电流信号到达两个传感器的时间差。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.高压电缆局部放电在线监测和放电位置定位系统，其特征在于：至少包括两个安装在同一条电缆不同接头处的数据采集器，所述数据采集器设置有三个BNC接口，各BNC接口一端通过同轴电缆连接于高频电流传感器，一端通过网线连接至数据采集器并同时与设置于数据采集器内的数据采集卡相连，所述数据采集卡一路通过两芯信号触发线连接于同步采样触发器，另一路通过网线连接于光端机；

所述同步采样触发器通过设置于数据采集器的单模光纤接口连接至单模光纤和同步采样控制单元，同步采样控制单元与工控机相连；

所述光端机通过设置于数据采集器的单模光纤接口连接至单模光纤和工控机端的光端机。

2.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测和放电位置定位系统，其特征在于：所述高频电流传感器分别卡套在A、B、C三相被测电缆接头处屏蔽层接地线或者交叉互连线上，电缆无需停电即可方便地带电安装拆卸。

3.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测和放电位置定位系统，其特征在于：所述数据采集器还设置有电源接口，其供电电压为220V。

4.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测和放电位置定位系统，其特征在于：所述同步采样触发器与另一接口数字采集器设置的同步采样触发器通过单模光纤连接。

5.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测和放电位置定位系统，其特征在于：所述光端机与另一接口数字采集器设置的光端机通过单模光纤连接。

6.根据权利要求1-5所述的高压电缆局部放电在线监测和放电位置的定位方法，其特征在于：包含如下步骤，

1)假设被测电缆为L米长的单芯电缆，高频电流传感器5安装在接头处的屏蔽层接地线上，假设电缆的一固定位置处发生局部放电，此时该放电产生的高频脉冲电流信号会同时向左右两端的接头传输。

2)假设放电位置离电缆左侧接头的距离为ΔL，放电脉冲到达左侧传感器所需的时间为t1；放点位置距离电缆右侧接头的距离为L-ΔL,时间为t2。放电形成的脉冲电流在电缆中传播的速度V为实验已测知的数据，可以得出：

ΔL＝t1*V(1)

L-ΔL＝t2*V(2)

由以上(1)和(2)两个式子可以得出：

t1＝ΔL/V(3)

t2＝(L-ΔL)/V(4)

由以上(3)和(4)两个式子可以得出：

t2-t1＝(L-2ΔL)/V(5)

该系统采用同步采集，由此可以确定该脉冲电流信号到达电缆两端的时间差，假定到达的右端电缆接头的时间t2>t1，可以得出：

Δt＝t2-t1(6)

因此联合以上(5)和(6)两个式子解方程组，可以确定出距离左端电缆接头放电位置ΔL：

ΔL＝(L-ΔtV)/2

由以上定位原理可知，实现定位的关键在于必须测量出该脉冲到达两个传感器的时间差，而能测出时间差的基础在于，这两个传感器的数据必须是同时采集到的，这样才能分析出脉冲电流信号到达两个传感器的时间差。