CN106054034A - 一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其包括宽频带高频电流传感器、信号调理单元以及上位机；信号调理单元与上位机电连接，信号调理单元包括依次电连接的多级放大器、检波器以及数字式示波器；多级放大器用于放大宽频带高频电流传感器的电信号；一种全频带扫描式局部放电检测方法，借助于上述的宽频带扫描式电缆局部放电测量装置；本发明可以全频带的扫描电缆的局部放电信号，抗干扰能力强，能更好地适用于复杂的测试环境，具有更高的检测效果和实用性。

Description

一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置及检测方法。

背景技术

目前，10kV以上高压电缆线路已广泛地应用于城市电网,并有取代架空输配电线路的趋势,其安全可靠运行关系到城市供电的可靠性。相对于其它高压电气设备，电缆绝缘故障的精确诊断难度更大。这主要是因为电缆安装在地下，距离很长，不论巡视、带电检测、检修、诊断都耗时耗力，不易实施；而且与其它设备不同，电缆本体在工厂内制作，而电缆接头要在现场安装，现场施工质量受多种因素影响，可能达不到工厂内的质量控制要求，电缆接头往往成为电缆故障的主要发生地，因接头结构复杂，其诊断难度比较大。如何实现这些电缆线路的状态评估和检修，保障电缆线路安全可靠运行，是目前研究的热点之一。

局部放电作为绝缘劣化的前兆，已被国内外广泛认可。在高压电缆上，局部放电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其运行安全的缺陷。现有电缆一般采用XLPE绝缘。理论上，XLPE电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽，最大达到GHz数量级，最小达到数kHz。电缆局部放电检测有多种方法，高频电流法是目前应用比较成功的方法。目前国内外高频测量主要检测3M-30MHz范围内的局部放电信号。然而频带检测的宽度过窄，会导致一些缺陷造成的局部放电信号被漏掉，如超高频(大于100MHz)范围或低频(小于200kHz)范围。因此，在较宽频带范围内进行局放高频信号检测是目前研究的难点。

高频电流传感器(HFCT)作为高频电流检测法检测局部放电的传感器部件，一般使用Rogowski线圈方式，在环状的磁芯材料上围绕多匝导电线圈，高频电流穿过磁芯中心引起的高频交变磁场会在线圈中产生感应电流。高频电流传感器的频带宽度和灵敏度是衡量传感器性能的最重要的两个参数。然而，现有的高频电流传感器在设计上存在频带宽而灵敏度不足或灵敏度高而频带较窄的缺陷。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的就是要提供一种设计合理的宽频带扫描式电缆局部放电测量装置及检测方法。

一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，包括宽频带高频电流传感器、信号调理单元以及上位机；

高频电流传感器通过同轴电缆与信号调理单元电连接，信号调理单元与上位机电连接，

信号调理单元包括依次电连接的多级放大器、检波器以及数字式示波器；

多级放大器用于放大宽频带高频电流传感器的电信号；

检波器用于对经多级放大器放大后的电信号进行检波并将电信号传递给数字式示波器，

数字式示波器用于对电信号采集、数字成像并传递给上位机。

进一步，所述高频电流传感器为基于罗氏线圈原理的电磁耦合开合式电流传感器。

进一步，所述高频电流传感器包括金属屏蔽外壳和传感器组件；

所述金属屏蔽外壳由两个分体式半盒构成，两个分体式半盒的一端由合页铰接，另一端通过搭扣铰接；两个分体式半盒闭合后中间形成一个轴向的圆孔，外侧为正八边形；

所述分体式半盒沿其圆周方向开设有半环型的磁芯槽，所述磁芯槽上面设有薄盖板；

所述传感器组件包括设于磁芯槽内的半环型磁芯，每一个半环型磁芯绕有3个匝数不同的线圈，所述金属屏蔽外壳的其中6个边上分别设有信号输出端口，每个线圈两端分别与相应的信号输出端口连接；所述磁芯槽与半环型磁芯之间的缝隙内填充有绝缘层。

进一步，所述磁芯槽为半环型的凹槽。

进一步，所述绝缘层由环氧树脂浇注或由硅胶垫片组成。

进一步，所述半环型磁芯为镍锌铁氧体。

进一步，6个所述信号输出端口分别对应20K-1MHz，1M-30MHz，30-100MHZ，100M-200MHz，200M-500MHz，500M-700MHz的检测频带。

进一步，数字式示波器包括三个与检波器并联的PicoScope 2208A；每个PicoScope 2208A有2个数据采集通道，其频带宽度为200MHz，连续采样方式下采样率为1GS/s。

一种全频带扫描式局部放电检测方法，借助于上述的宽频带扫描式电缆局部放电测量装置；具体包括如下步骤：

a、将所述宽频带传感器安装于电缆终端接地线或电缆中间接头的交叉互联线上，将高频电流传感器的6个信号输出端口分别与所述信号调理单元的6个通道分别连接，对第一检测点进行检测；

b、上位机控制信号调理单元的依次对6个通道检测到的信号进行处理，多级放大器首先对宽频带传感器检测到的信号进行多级放大，放大后的信号经检波，传输到数字式示波器，数字式示波器高速采集信号，并通过USB数据线与上位机连接；

放大、检波和数据采集，并将采集到的信号进行分析、处理和储存；为避免传感器6个信号输出的互感，每次仅对1个端口的信号进行采集和处理；

c、完成对6个通道的全频带扫描式检测后，上位机对获得的信号进行比对、分析，判断电缆局部放电测量点最适频带及可能存在局部放电信号的频带；

d、对最适频带的信号输出进行重点监测和判断；

e、更换检测第二检测点，重复上述步骤a-d，然后与第一检测点进行对比分析。

其中上位机采用的软件基于LabVIEW编程实现对示波器采集的数据进行降噪、阈值判断及平滑处理；该软件还可以实现对多个工频周期的信号进行统计，得到局部放电的相位图谱和三维图谱。

本高频电流传感器在工作时，两个分体式半盒绕着铰接合页打开，将屏蔽盒套于接地电缆上，合上合页，扣紧搭扣以闭合金属屏蔽盒。电缆中微弱的高频电流信号在磁芯中感应生成相应变化的磁场，该变化的磁场在线圈中感应生成相应变化的电压，该感应电压经信号输出端口输出。通过分别检测不同信号输出端口的感应电压，可以检测极高频带范围内高压电缆内的局部放电信号。

本发明的有益效果在于：

当电缆发生局部放电时，宽频带电流传感器检测到放电信号，局部放电强度不同、放电点距离检测点距离不同，高频电流信号的频率范围也随之存在极大的差异；

本发明提供的多输出端口的宽频带传感器，可以全频带的扫描电缆的局部放电信号，由于采用了分频段设计，保证了每个频段都具有较高的灵敏度。因此，本发明提供的装置抗干扰能力强，能完全获得不同位置传来的不同强度的局部放电高频电流信号，避免现有高频法测量电缆局部放电往往出现漏判的现象。而且，本发明提供的基于全频带扫描的局部放电检测方法，相比现有的分布式局部放电检测等方法，能更好地适用于复杂的测试环境，具有更高的检测效果和实用性。

附图说明

图1本发明的电路框图

图2为本发明高频电流传感器的结构示意图

图3为本发明高频电流传感器半剖左视图

图4为本发明高频电流传感器的等效电路

具体实施方式

如图1-4所示，本发明包括宽频带高频电流传感器、信号调理单元以及上位机；

高频电流传感器通过同轴电缆与信号调理单元电连接，信号调理单元与上位机电连接，

信号调理单元包括依次电连接的多级放大器、检波器以及数字式示波器；

多级放大器用于放大宽频带高频电流传感器的电信号；

检波器用于对经多级放大器放大后的电信号进行检波并将电信号传递给数字式示波器，

数字式示波器用于对电信号采集、数字成像并传递给上位机。

进一步，高频电流传感器为基于罗氏线圈原理的电磁耦合开合式电流传感器。

进一步，高频电流传感器包括金属屏蔽外壳和传感器组件；

金属屏蔽外壳由两个分体式半盒1构成，两个分体式半盒1的一端由合页5铰接，另一端通过搭扣6铰接；两个分体式半盒1闭合后中间形成一个轴向的圆孔12，外侧为正八边形；

分体式半盒1沿其圆周方向开设有半环型的磁芯槽2，磁芯槽2上面设有薄盖板3；磁芯槽2和薄盖板3通过数个安装螺丝孔7以安装螺丝连接固定；磁芯槽2的两端分别设有一定位孔10和一定位钉11实现合理准确的定位；

传感器组件包括设于磁芯槽2内的半环型磁芯8，两个半环形磁芯8拼接成一个环状磁芯，每一个半环型磁芯8绕有3个匝数不同绕线导线直径也不同的线圈，金属屏蔽外壳的其中6个边上分别设有信号输出端口4，每个线圈两端分别与相应的信号输出端口4连接；磁芯槽8与半环型磁芯8之间的缝隙9内填充有绝缘层。

进一步，磁芯槽8为半环型的凹槽。

进一步，绝缘层由环氧树脂浇注或由硅胶垫片组成。

进一步，半环型磁芯8为镍锌铁氧体。

进一步，6个信号输出端口4分别对应20K-1MHz，1M-30MHz，30-100MHZ，100M-200MHz，200M-500MHz，500M-700MHz的检测频带。由于每个频带范围相对较窄，可以保证该频带范围内的灵敏度。

进一步，数字式示波器包括三个与检波器并联的PicoScope 2208A；每个PicoScope 2208A有2个数据采集通道，其频带宽度为200MHz，连续采样方式下采样率为1GS/s。

本实施例的全频带扫描式局部放电检测方法，借助于上述的宽频带扫描式电缆局部放电测量装置；具体包括如下步骤：

a、将宽频带传感器安装于电缆终端接地线或电缆中间接头的交叉互联线上，将高频电流传感器的6个信号输出端口分别与信号调理单元的6个通道分别连接，对第一检测点进行检测；

b、上位机控制信号调理单元的依次对6个通道检测到的信号进行处理，多级放大器首先对宽频带传感器检测到的信号进行多级放大，放大后的信号经检波，传输到数字式示波器，数字式示波器高速采集信号，并通过USB数据线与上位机连接；

放大、检波和数据采集，并将采集到的信号进行分析、处理和储存；为避免传感器6个信号输出的互感，每次仅对1个端口的信号进行采集和处理；

c、完成对6个通道的全频带扫描式检测后，上位机对获得的信号进行比对、分析，判断电缆局部放电测量点最适频带及可能存在局部放电信号的频带；

d、对最适频带的信号输出进行重点监测和判断；

e、更换检测第二检测点，重复上述步骤a-d，然后与第一检测点进行对比分析。

其中高频电流传感器在使用时，将传感器搭扣6打开，套在被测电缆的终端接地线上；利用特征阻抗为20-100欧姆的同轴电缆将6个信号输出端口4输出的信号依次连接到信号测量装置上。不同的端口检测的频带范围不同，6个信号输出端口可以检测跨度20K-700MHz这一极宽频带范围的高频电流信号。本实施例所述的高频电流传感器独特的设计，可以保证每个频带均具有极高的灵敏度。在磁芯材料和磁芯截面积固定后，检测频带宽度主要与线圈缠绕匝数以及线圈直径、材质和绝缘直接相关。

典型的电流传感器等效电路如图4所示，其类似于高频小信号并联谐振回路。其中I1(t)为原边电流，U1(t)为线圈的感应电压，M为原边和次边的互感，Ls为线圈自感，Rs为线圈自身电阻，Cs为杂散电容，R为负载电阻。采用高频小信号并联谐振回路理论分析，可得电流传感器的频带为

下限频率：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{R+R_s}{L_s+{\mathrm{RR}}_s{C}_s}---\left(1\right)$

上限频率：

$f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{L_s+{\mathrm{RR}}_s{C}_s}{L_s{\mathrm{RC}}_s}---\left(2\right)$

工作频带宽度：

$B=f_2-f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{L_s+{\mathrm{RR}}_s{C}_s}{L_s{\mathrm{RC}}_s}-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{R+R_s}{L_s+{\mathrm{RR}}_s{C}_s}---\left(3\right)$

灵敏度：

$K=\frac{MR}{L_s+{\mathrm{RR}}_s{C}_s}=\frac{L_s}{N}\·\frac{R}{L_s+{\mathrm{RR}}_s{C}_s}---\left(4\right)$

高频电流传感器的带宽B和灵敏度K由线圈的自感Ls，自身电阻Rs，杂散电容Cs，互感M和负载电阻R共同决定。由1-4式可知，要提高传感器带宽，就要使f2尽可能大，f1尽可能小。如果提高线圈自感Ls，就会降低下限截止频率f1；同样，如果减小线圈的杂散电容Cs和自身电阻Rs，就会增大上限截止频率f2，两种方式都会扩大带宽，但都使得传感器灵敏度下降；当负载电阻R减小时，下限截止频率f1降低，上限截止频率f2增大，即工作频带变宽，但随着R的减小，传感器的灵敏度也随之下降。可见，既要保证传感器有足够高的灵敏度，又要保证它有较宽的频带是很难实现的。

线圈的Ls、Cs和Rs这些参数决定于磁芯的内外径、高度，线圈匝数，线圈本身的长度和截面积(5-7式)。其中N为线圈匝数，A为磁芯的截面积，l为磁路的平均长度，μ为初始磁导率，ε为线圈绝缘的介电常数，r2和r1分别为磁芯的外径和内径；ρ、L和S分别为线圈所用导线的电阻率、总长度和截面积。

线圈自感：

$L_s=\frac{N^{2}A\mathrm{\μ}}{l}---\left(5\right)$

线圈杂散电容：

$C_s=\frac{4\mathrm{\π}(r_2+r_1)\mathrm{\ϵ}}{log\left(\frac{r_2+r_1}{r_2-r_1}\right)}---\left(6\right)$

线圈电阻：

$R_s=\frac{\mathrm{\ρ}L}{S}---\left(7\right)$

由5-7式并结合前面的分析，关于频带宽度，为了使传感器的频带宽，需要选用磁导率大的磁芯，增加线圈缠绕匝数和磁芯截面积，降低磁路长度以使线圈自感增加；通过增加线圈长度和截面积来减小线圈电阻Rs；通过增加磁芯直径和内外径差异来减小线圈杂散电容Cs。关于灵敏度，根据分析可知灵敏度大小与负载电阻R成正比，与线圈匝数N成反比。这样就存在了矛盾，即减小负载电阻，可以扩宽频带，但是会降低灵敏度，增加绕线匝数也可以扩宽频带，同样会降低灵敏度。

经过理论计算和试验验证，本实施例中传感器磁芯材料为镍锌铁氧体，磁芯尺寸为50×80×20mm，6个频带线圈特征分别为：

频带1(10K-1M)：绕线材料为直径为1mm双股的铜导线，绕线匝数为10匝，积分电阻50Ω；

频带2(1M-30M)：绕线材料为直径为1mm双股的铜导线，绕线匝数为10匝，积分电阻100Ω；

频带1(30M-100M)：绕线材料为直径为1mm双股的铜导线，绕线匝数为10匝，积分电阻1kΩ；

频带2(100M-300M)：绕线材料为直径为1mm的铜导线，绕线匝数为10匝，积分电阻10kΩ；

频带1(300M-500M)：绕线材料为直径为0.8mm的铜导线，绕线匝数为20匝，积分电阻20kΩ；

频带2(500M-700M)：绕线材料为直径为0.5mm的铜导线，绕线匝数为25匝，积分电阻25kΩ；

多级放大器与宽频带传感器之间的输出端口之间有多路开关，上位机软件控制放大器每次测量仅与1个传感器输出端口连接，这样可以避免6个线圈之间产生电流互感，造成测试误差。

具体使用时：将宽频带传感器安装于电缆终端接地线或电缆中间接头的交叉互联线上，将传感器的6个信号输出端口分别与信号调理单元的6个通道分别连接；信号调理单元与上位机连接。打开上位机软件，建立信号调理单元和上位机通讯，上位机软件控制放大器与传感器之间的多路开关，依次连接6个通道进行检测，软件对采集到的信号进行分析、处理和储存；完成对6个通道的全频带扫描式检测后，上位机软件对获得的信号进行比对、分析，判断电缆局部放电测量点最适频带及可能存在局部放电信号的频带；随后软件自动连接最适频带所在的传感器信号输出端口，对该信号输出进行重点监测；在对数个工频信号内局部放电信号进行统计分析后，显示该局部放电的相位图谱和实时三维放电图谱，并判定局部放电的位置；对可能存在局部放电信号的频带，人工更换传感器位置，重复前面的测定步骤，以进一步确认该局部放电是否来源于另一位置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于：包括宽频带高频电流传感器、信号调理单元以及上位机；

高频电流传感器通过同轴电缆与信号调理单元电连接，信号调理单元与上位机电连接，

信号调理单元包括依次电连接的多级放大器、检波器以及数字式示波器；

多级放大器用于放大宽频带高频电流传感器的电信号；

检波器用于对经多级放大器放大后的电信号进行检波并将电信号传递给数字式示波器，

数字式示波器用于对电信号采集、数字成像并传递给上位机。

2. 根据权利要求1所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于: 所述高频电流传感器为基于罗氏线圈原理的电磁耦合开合式电流传感器。

3. 根据权利要求2所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于: 所述高频电流传感器包括金属屏蔽外壳和传感器组件；

所述金属屏蔽外壳由两个分体式半盒（1）构成，两个分体式半盒（1）的一端由合页（5）铰接，另一端通过搭扣（6）铰接；两个分体式半盒（1）闭合后中间形成一个轴向的圆孔（12），外侧为正八边形；

所述分体式半盒（1）沿其圆周方向开设有半环型的磁芯槽（2），所述磁芯槽（2）上面设有薄盖板（3）；

所述传感器组件包括设于磁芯槽（2）内的半环型磁芯（8），每一个半环型磁芯（8）绕有3个匝数不同的线圈，所述金属屏蔽外壳的其中6个边上分别设有信号输出端口（4），每个线圈两端分别与相应的信号输出端口（4）连接；所述磁芯槽（8）与半环型磁芯（8）之间的缝隙（9）内填充有绝缘层。

4. 根据权利要求3所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于: 所述磁芯槽（8）为半环型的凹槽。

5. 根据权利要求3所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于: 所述绝缘层由环氧树脂浇注或由硅胶垫片组成。

6. 根据权利要求3所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于: 所述半环型磁芯（8）为镍锌铁氧体。

7. 根据权利要求1-6所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于:6个所述信号输出端口（4）分别对应20K-1MHz，1M-30MHz，30-100MHZ，100M-200MHz，200M-500MHz，500M-700MHz的检测频带。

8. 根据权利要求1所述的一种宽频带扫描式电缆局部放电测量装置，其特征在于: 数字式示波器包括三个与检波器并联的PicoScope 2208A；每个PicoScope 2208A有2个数据采集通道，其频带宽度为200MHz，连续采样方式下采样率为1GS/s。

9.一种全频带扫描式局部放电检测方法，其特征在于:借助于权利要求1-8所述的宽频带扫描式电缆局部放电测量装置；具体包括如下步骤：

a、将所述宽频带传感器安装于电缆终端接地线或电缆中间接头的交叉互联线上，将高频电流传感器的6个信号输出端口分别与所述信号调理单元的6个通道分别连接，对第一检测点进行检测；

b、上位机控制信号调理单元的依次对6个通道检测到的信号进行处理，多级放大器首先对宽频带传感器检测到的信号进行多级放大，放大后的信号经检波，传输到数字式示波器，数字式示波器高速采集信号，并通过USB数据线与上位机连接；

放大、检波和数据采集，并将采集到的信号进行分析、处理和储存；为避免传感器6个信号输出的互感，每次仅对1个端口的信号进行采集和处理；

c、完成对6个通道的全频带扫描式检测后，上位机对获得的信号进行比对、分析，判断电缆局部放电测量点最适频带及可能存在局部放电信号的频带；

d、对最适频带的信号输出进行重点监测和判断；

e、更换检测第二检测点，重复上述步骤a-d，然后与第一检测点进行对比分析。