CN105988066A - 一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，采用校准脉冲作为双端局部放电检测机的触发信号，解决了单端局部放电定位中，长距离电缆局部放电衰减严重从而定位难的问题。此外，该方法替代采用GPS同步授时进行定位的方法，更为简单实用，简化了装置同时降低了设备成本。该方法所使用的局部放电采集装置共两套，分为主机及从机，主机安装在电缆加压端，从机安装在电缆对端。两套局部放电采集装置，将注入的校准脉冲做为触发信号。同时，该方法考虑了校准信号在电缆中传播衰减所造成的误差，并对其进行了修正，能够达到良好的定位效果。

Description

一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及局部放电信号采集及局部放电定位技术领域，具体是一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法。

背景技术

为了城市输电的安全及城市美观，电力电缆被广泛应用于城市的配电网中。但是由于电力电缆制造工艺缺陷、安装过程不规范及后期外力破坏及老化损伤等因素，电力电缆可能存在潜在的局部缺陷，该缺陷会在运行电压下产生局部放电现象，加快电力电缆绝缘材料的老化，最终导致绝缘击穿。因此，及早发现并准确定位电缆中的局部放电点，及早排除故障隐患，对于电力电缆的安全运行有着重大意义。

目前，电力电缆的局部放电检测试验方法主要有工频局放检测、超低频局放检测及振荡波局放检测等方法。对于长距离电力电缆的局部放电试验方法推荐采用振荡波法，其具有所需电源容量小，携带方便，等效性好等优点，逐渐得到电力部门的重视。

电缆中的缺陷在电压激发下产生局部放电信号，局部放电信号产生后一路沿电缆传播到采集端被检测装置提取(入射波)，另一路反方向传播到电缆对端经全反射后再经检测装置检测提取(反射波)。对于局部放电信号的定位可通过测量入射波与反射波到达检测装置的时间差来确定，常用的方法为时域反射法(TDR)。但由于局部放电信号在电缆中传播会发生衰减和色散现象，幅值降低，对于长电缆局部放电检测，传统的单端TDR方法很难达到很好的定位效果。为了解决上述缺点，一般采用双端定位的方法。但双端定位涉及两端局部放电检测装置同步的问题。GPS通过同步授时可以较为理想的解决时钟同步问题，但在某些情况下存在GPS信号弱或接收不到GPS信号的问题，此外，采用该方法需额外的信号接收装置等，增加了设备成本；基于异步双端的局部放电定位方法，通过局部放电信号触发对端的局部放电采集装置，该方法可有效节约设备成本及操作复杂度，但由于局部放电信号的随机性以及衰减性，很难保证双端采集系统由同一局部放电脉冲触发，很可能存在双端通过不同局部放电脉冲触发的情况，这给后续的波形对齐，局放定位等数据处理工作带来了极大不便。

以上这些方法均存在诸如试验成本高，定位难，定位精度差等缺点，在一定程度上限制了长电缆局部放电检测及定位的进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的定位方法的缺点，提出了一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法。通过向电缆中注入合适的局部放电校准脉冲来触发安装在电缆两端的局部放电检测装置实现两端异步采集，然后通过计算两装置的采集时间差完成波形对齐，进而完成局部放电的定位。

本发明的所采用的技术方案介绍如下：

一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特点在于，该方法利用校准脉冲触发电缆两端的局部放电采集装置，异步开启采集，长距离电缆的局部放电试验方法采用的是振荡波电压试验方法。该方法需要两套局部放电检测装置，分为主机和从机，一台脉冲校准发生器，一套阻抗匹配装置，两套电压比较器等；

本发明所述的振荡波局部放电试验方法为通过对测试电缆一端(A端)加直流充电电压，当达到设定电压后，关闭高压电源，闭合高压开关，电缆与空心电抗器形成LC振荡回路，产生振荡波电压，振荡波电压激发电缆中的缺陷产生局部放电信号，连接在电缆两端(A、B端)的检测装置(检测阻抗或高频电缆传感器HFCT)检测局部放电信号；

本发明所述的局部放电检测主机与从机均包含局部放电检测装置，信号滤波器，信号放大器及高速数字采集卡；此外，主机具有高压电源加压控制，高压开关开断控制，高速采集卡参数设定及控制功能；上位机可以对主机及从机实现远程控制及数据传输功能；

本发明所述脉冲校准发生器主要完成局部放电的视在放电量校准以及作为触发源开启采集装置完成异步采集工作；

本发明所提到的异步采集，其含义为以三相电缆中未加压的一条电缆作为信号传输线，向该电缆注入校准波形，该校准波形首先会触发A端采集装置开启采集，当信号传到电缆B端后，触发B端采集装置开启采集工作；两端的采集开始时刻存在一定时延，因此采集也是异步的，二者存在Δt_tol的时间差；

本发明所提到的电压比较器，其并联在未加压电缆的两端，内部含有检测阻抗(用于检测电缆中注入的校准脉冲)，电压比较模块(用于在脉冲超过设定值之后发出高电平触发信号)。

本发明所提到的阻抗匹配装置，其并联在电缆的B端，并与电缆的特性阻抗相匹配，以满足抑制局部放电信号反射的目的。由于本方法采用的是双端定位方法，因此不需要局部放电信号在终端进行反射，需要严格匹配防止反射波产生以降低信号处理的复杂度。

本发明所涉及的振荡波局部放电采集试验过程包含以下几个步骤：

1)首先利用局部放电校准脉冲发生器对局部放电视在放电量进行标定，该步骤中采用传统单端时域反射方法，校准脉冲信号到达电缆B端后发生全反射最后在A端被检测装置获取。通过局部放电校准操作，可对局部放电量进行标定，同时也可测定脉冲信号往返电缆全长的时间(Δt_cal＝2l/v)，确定电缆长度；

2)将高压单元(包括高压直流电源、空心电抗器、高压开关及主机)连接到1#测试电缆A端，在B端连接阻抗匹配装置，抑制局部放电信号在B端发生全反射；同时在2#未加压电缆两端连接电压比较器；

3)开启A端高压单元，程控高压直流电源对1#测试电缆进行充电升压，达到设定电压值后利用准脉冲发生器向2#未加压电缆注入校准脉冲信号(信号1)，该信号沿2#电缆传播到B端，形成衰减后的脉冲校准信号(信号2)；

4)信号1和2分别触发放置在电缆两端的电压比较器，产生高电平并触发两端的高速采集装置，开启信号采集，两端采集装置开始采样时间差为δ为系统动作误差时间)；

5)采集开始之后，主机控制延迟Δt_s时间后触发高压开关闭合并控制关闭高压电源，电缆与空心电抗器形成LC回路，产成振荡波电压并激发电缆中缺陷产生局部放电信号，局部放电信号被两端的采集装置所捕获；延迟时间Δt_s的主要目的在于保证两端的局部放电采集装置均开始采集，防止漏采样情况，造成数据错误；

6)重复步骤2-5，直至该局部放电试验完毕。

本发明所涉及的局部放电双端定位算法包含以下几个步骤：

1)将A端采集装置采集到的局部放电信号定义为局放1，相应B端信号定义为局放2；

2)通过远程数据传输功能，将局放1及局放2信号传输给上位机，在上位机上对二者进行对比；

3)对局放1和局放2信号进行滤波处理，滤波方法采用小波滤波；

4)波形对齐：局放2信号相对于局放1信号有一定延迟，其延迟时间Δt_tol共分为两部分：脉冲校准信号(信号1)沿电缆传播到对端的时间Δt_cal/2，系统动作的误差时间δ(两电压比较器的动作时间误差、两端采集装置开启采集时间误差以及由于脉冲校准信号经电缆传播发生波形衰减畸变造成的时间误差)；此外，由于高压开关闭合瞬间会产生操作冲击波，该冲击波沿电缆传播l距离后被B端检测装置，其时间延迟为l/v，根据该延迟可对Δt_tol进行修正；对齐操作可通过对局放2信号前方添加dN(dN＝Δt_tol×Fs)个零来完成对齐操作，其中Fs为采样频率。

5)查找脉冲对：设定阈值，查找超过阈值的局放1信号的局部放电脉冲，记录脉冲发生时刻t₁，提取局放1和局放2中时间窗[t₁-Δt_l，t₁+Δt_l]内的局部放电数据，其中l为电缆长度，v为局部放电信号在电缆中的传播速度。对提取的两个局部放电数据序列进行互相关分析，得出相关峰差值，该时间差即为入射波脉冲与反射波脉冲的时间差Δτ_i＝t₁-t₂

6)判定：在局放2序列中查找t₂＝t₁+Δτ_i时刻是否存在局部放电脉冲，若存在则判定其是否满足Δτ_i＞0，A₂＜A₁，τ₂＞τ₁或Δτ_i＜0，A₂＞A₁，τ₂＜τ₁特征(A₁，A₁，τ₁，τ₂分别为入射波与反射波的幅值及上升沿时间)。若满足，则保存该时间差Δτ_i，否则跳过；

7)按照步骤5-6完成所有可能脉冲对的查找，并计算相应的时间差Δτ_i，i＝1，2，3，…，N；

8)计算局部放电位置：根据公式计算局部放电点相对于近端的位置。

9)按照步骤4-8完成所有电压等级下的局部放电定位分析

10)形成放电图谱，对局部放电定位结果进行分析，剔除异常数据，最终得出局部放电点位置。

与现有技术相比，本发明所述方法操作简单，利用局部放电检测所使用的校准脉冲发生器发射触发脉冲，并利用未加压电缆作为脉冲信号传输线完成双端采集设备触发任务，不需额外任何设备，提高了设备利用率，提高了现场操作的便捷性；由于所用触发脉冲信号所用电缆未加压，具有噪声水平低，随机干扰少等优点，触发信号信噪比高且信号唯一，触发可靠，且便于后续的波形对齐、局部放电定位等操作。

附图说明

图1振荡波电压下双端定位接线原理图

图2双端定位所涉及的触发信号图

图3波形对齐操作示意图

图4局部放电定位流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释，但本发明要求的保护范围并不限于此。

图1为本发明振荡波电压下双端定位接线原理图，图2为双端定位所涉及的信号说明图，如图1、2所示，本发明的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法其局部放电采集过程如下：

1)首先利用局部放电校准脉冲发生器对局部放电视在放电量进行标定，该步骤中采用传统单端时域反射方法：在1#测试电缆A端注入一定电荷量的准信脉冲校号，校准脉冲信号到达B端后发生全反射再次向A端传播，最后在A端被检测装置获取。通过局部放电校准操作，可对局部放电量进行标定，同时也可测定脉冲信号往返电缆全长的时间(Δt_cal＝2l/v)，确定电缆长度；

2)将高压单元(包括高压直流电源、空心电抗器、高压开关及主机)连接到1#测试电缆A端，在B端连接阻抗匹配装置，抑制局部放电信号在B端发生全反射；同时在2#未加压电缆两端连接电压比较器；

3)开启A端高压单元，程控高压直流电源对1#电缆进行充电升压，达到设定电压值后利用脉冲校准发生器向未加压2#电缆注入脉冲校准信号(信号1)，在此操作中选用脉冲校准发生器最大量程，以增大信号强度，提高系统可靠性；该信号沿2#电缆传播到电缆B端，形成衰减后的脉冲校准信号(信号2)；

4)信号1和2分别触发放置在电缆两端的电压比较器，产高电平(信号3、4)并触发两端的高速采集装置，开启信号采集；两端采集装置开始采样时间差为Δt_tol(Δt_tol＝Δt_cal/2+δ，δ为系统动作误差时间)；

5)采集装置开启之后，主机延迟Δt_s后触发高压开关闭合并关闭高压直流电源，电缆通过空心电抗器放电并形成LC振荡回路，产生振荡波电压并激发电缆中缺陷产生局部放电信号。产生的局部放电信号分别向近端和远端传播并被两端的采集装置所捕获，由于远端采用了阻抗匹配装置，因此局部放电信号不会发生发射，降低了信号的复杂程度，有利于局部放电定位算法的实现。系统延迟Δt_s时间闭合高压开关的主要目的在于保证近端与远端局部放电采集装置均开始采集，防止漏采样情况，造成数据错误；

6)重复步骤2-5，直至该局部放电试验完毕。

局部放电试验完毕之后，需对采集到的数据进行处理，包括波形对其，局部放电脉冲查找，及局部放电定位等。图2介绍了局部放电波形对齐操作示意图，图3介绍了局部放电定位的具体流程图。现结合图2、3对本发明的局部放电定位方法介绍如下：

本发明所涉及的局部放电双端定位过程包含以下几个步骤：

1)将A端采集装置采集到的局部放电信号定义为局放1，相应B端信号定义为局放2；

2)通过远程数据传输功能，将局放1及局放2信号传输给上位机，在上位机上对二者进行对比；

3)对局放1和局放2信号进行滤波处理，滤波方法采用小波滤波；

4)波形对齐：局放2信号相对于局放1信号有一定延迟，其延迟时间Δt_tol共分为两部分：脉冲校准信号(信号1)沿电缆传播到对端的时间Δt_cal/2，系统动作的误差时间δ(两电压比较器的动作时间误差、两端采集装置开启采集时间误差以及由于脉冲校准信号经电缆传播发生波形衰减畸变造成的时间误差)；此外，由于高压开关闭合瞬间会产生操作冲击波，该冲击波沿电缆传播l距离后被B端检测装置，其时间延迟为l/v，根据该延迟可对Δt_tol进行修正；对齐操作可通过对局放2信号前方添加dN(dN＝Δt_tol×Fs)个零来完成对齐操作，其中Fs为采样频率。

5)查找脉冲对：设定阈值，查找超过阈值的局放1信号的局部放电脉冲，记录脉冲发生时刻t₁，提取局放1和局放2中时间窗[t₁-Δt_l，t₁+Δt_l]内的局部放电数据，其中l为电缆长度，v为局部放电信号在电缆中的传播速度。对提取的两个局部放电数据序列进行互相关分析，得出相关峰差值，该时间差即为入射波脉冲与反射波脉冲的时间差Δτ_i＝t₁-t₂

6)判定：在局放2序列中查找t₂＝t₁+Δτ_i时刻是否存在局部放电脉冲，若存在则判定其是否满足Δτ_i＞0，A₂＜A₁，τ₂＞τ₁或Δτ_i＜0，A₂＞A₁，τ₂＜τ₁特征(A₁，A₁，τ₁，τ₂分别为入射波与反射波的幅值及上升沿时间)。若满足，则保存该时间差Δτ_i，否则跳过；

7)按照步骤5-6完成所有可能脉冲对的查找，并计算相应的时间差Δτ_i，i＝1，2，3，…，N；

8)计算局部放电位置：根据公式计算局部放电点相对于近端的位置。

9)按照步骤4-8完成所有电压等级下的局部放电定位分析

10)形成放电图谱，对局部放电定位结果进行分析，剔除异常数据，最终得出局部放电点位置。

Claims (9)

1.一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于该方法利用校准脉冲触发电缆两端的局部放电采集装置，异步开启采集，长距离电缆的局部放电试验方法采用的是振荡波电压试验方法。该方法需要两套局部放电检测装置，分为主机和从机，一台脉冲校准发生器，一套阻抗匹配装置，两套电压比较器等。

2.权利要求1所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法其特征在于，振荡波局部放电试验方法为通过对测试电缆一端(A端)加直流充电电压，当达到设定电压后，关闭高压电源，闭合高压开关，电缆与空心电抗器形成LC振荡回路，产生振荡波电压，振荡波电压激发电缆中的缺陷产生局部放电信号，连接在电缆两端(A、B端)的检测装置(检测阻抗或高频电缆传感器HFCT)检测局部放电信号。

3.权利要求1～2所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法其特征在于，主机与从机均包含局部放电检测装置(可采用检测阻抗或高频电流传感器)，信号滤波器，信号放大器及高速数字采集卡完成A/D转换和数字采集；此外，主机具有高压电源加压控制，高压开关开断控制，高速采集卡参数设定及控制功能；上位机可以对主机及从机实现远程控制及数据传输功能。

4.权利要求1～3所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于，所述脉冲校准发生器主要完成局部放电的视在放电量校准以及作为触发源开启采集装置完成异步采集工 作。

5.权利要求1～4所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于，所提到的异步采集，其含义为以三相电缆中未加压的一条电缆作为信号传输线，向该电缆注入校准波形，该校准波形首先会触发A端采集装置开启采集，当信号传到电缆B端后，触发B端采集装置开启采集工作；两端的采集开始时刻存在一定时延，因此采集也是异步的，二者存在Δt_tol的时间差。

6.权利要求1～5所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于，所提到的阻抗匹配装置，其并联在电缆的B端，并与电缆的特性阻抗相匹配，以满足抑制局部放电信号反射的目的。由于本方法采用的是双端定位方法，因此不需要局部放电信号在终端进行反射，需要严格匹配防止反射波产生以降低信号处理的复杂度。

7.权利要求1～6所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于，所提到的阻抗匹配装置，其并联在电缆的端口，并与电缆的特性阻抗相匹配，以满足抑制局部放电信号反射的目的。由于本方法采用的是双端定位方法，因此不需要局部放电信号在终端进行反射，需要严格匹配以降低信号处理的复杂度。

8.权利要求1～7所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于，该方法所涉及的振荡波局部放电采集试验过程包含以下几个步骤：

1)首先利用局部放电校准脉冲发生器对局部放电视在放电量进行 标定，该步骤中采用传统单端时域反射方法，校准脉冲信号到达电缆B端后发生全反射最后在A端被检测装置获取。通过局部放电校准操作，可对局部放电量进行标定，同时也可测定脉冲信号往返电缆全长的时间(Δt_cal＝2l/v)，确定电缆长度；

2)将高压单元(包括高压直流电源、空心电抗器、高压开关及主机)连接到1#测试电缆A端，在B端连接阻抗匹配装置，抑制局部放电信号在B端发生全反射；同时在2#未加压电缆两端连接电压比较器；

3)开启A端加压装置，程控高压直流电源对1#测试电缆进行充电升压，达到设定电压值后利用准脉冲发生器向2#未加压电缆注入校准脉冲信号(信号1)，该信号沿2#电缆传播到B端，形成衰减后的脉冲校准信号(信号2)；

4)信号1和2分别触发放置在电缆两端的电压比较器，产生高电平并触发两端的高速采集装置，开启信号采集，两端采集装置开始采样时间差为Δt_tol(Δt_tol＝Δt_cal/2+δ，δ为系统动作误差时间)；

5)采集开始之后，主机控制延迟Δt_s时间后触发高压开关闭合并控制关闭高压电源，电缆与空心电抗器形成LC回路，产成振荡波电压并激发电缆中缺陷产生局部放电信号，局部放电信号被两端的采集装置所捕获；延迟时间Δt_s的主要目的在于保证两端的局部放电采集装置均开始采集，防止漏采样情况，造成数据错误；

6)重复步骤2-5，直至该局部放电试验完毕。

9.权利要求1～8所述的一种基于校准脉冲的长距离电缆双端局部放电定位方法，其特征在于，该方法所涉及的局部放电双端定位算法包含以下几个步骤：

1)将A端采集装置采集到的局部放电信号定义为局放1，相应B端信号定义为局放2；

2)通过远程数据传输功能，将局放1及局放2信号传输给上位机，在上位机上对二者进行对比；

3)对局放1和局放2信号进行滤波处理，滤波方法采用小波滤波；

4)波形对齐：局放2信号相对于局放1信号有一定延迟，其延迟时间Δt_tol共分为两部分：脉冲校准信号(信号1)沿电缆传播到对端的时间Δt_cal/2，系统动作的误差时间δ(两电压比较器的动作时间误差、两端采集装置开启采集时间误差以及由于脉冲校准信号经电缆传播发生波形衰减畸变造成的时间误差)；此外，由于高压开关闭合瞬间会产生操作冲击波，该冲击波沿电缆传播l距离后被B端检测装置，其时间延迟为l/v，根据该延迟可对Δt_tol进行修正；对齐操作可通过对局放2信号前方添加dN(dN＝Δt_tol×Fs)个零来完成对齐操作，其中Fs为采样频率。

5)查找脉冲对：设定阈值，查找超过阈值的局放1信号的局部放电脉冲，记录脉冲发生时刻t₁，提取局放1和局放2中时间窗[t₁-Δt_l，t₁+Δt_l]内的局部放电数据，其中l为电缆长度，v为局部放电信号在电缆中的传播速度。对提取的两个局部放电数据序列进行互相关分析，得出相关峰差值，该时间差即为入 射波脉冲与反射波脉冲的时间差Δτ_i＝t₁-t₂

6)判定：在局放2序列中查找t₂＝t₁+Δτ_i时刻是否存在局部放电脉冲，若存在则判定其是否满足Δτ_i＞0，A₂＜A₁，τ₂＞τ₁或Δτ_i＜0，A₂＞A₁，τ₂＜τ₁特征(A₁，A₁，τ₁，τ₂分别为入射波与反射波的幅值及上升沿时间)。若满足，则保存该时间差Δτ_i，否则跳过；

7)按照步骤5-6完成所有可能脉冲对的查找，并计算相应的时间差Δτ_i，i＝1，2，3，…，N；

8)计算局部放电位置：根据公式计算局部放电点相对于近端的位置。

9)按照步骤4-8完成所有电压等级下的局部放电定位分析

10)形成放电图谱，对局部放电定位结果进行分析，剔除异常数据，最终得出局部放电点位置。

本发明所保护的范围并不止限于上述所述内容，任何对本发明所提出的方法进行改进或对具体实施步骤进行修改的内容均在本发明保护范围之内 。