CN106353657A - 高压直流电缆局部放电智能监测装置及监测方法 - Google Patents

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郑柒拾
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吴华雅
张宽锋
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    • G01R31/1272—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation of cable, line or wire insulation, e.g. using partial discharge measurements

Abstract

本发明公开了一种高压直流电缆局部放电智能监测装置及监测方法，基于高频脉冲电流局部放电检测原理，利用2个外置的高频脉冲电流传感器分别连接外部高压直流电缆正负极电缆，通过智能监测装置进行双通道同步高速数据采集，在采集的同时记录高压直流电缆线路正、负极电缆的局部放电信号，并通过光纤网络将数据远程传输到主站控制计算机，利用后台专用数据分析软件对获取的数据进行对比分析，显示局部放电Q(t)等图谱、时频域特性，从而对高压直流电缆局部放电状况进行评估。

Description

高压直流电缆局部放电智能监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及高压电缆局部放电检测领域，尤其涉及到一种高压直流电缆局部放电智能监测装置及监测方法。
背景技术
高压直流电缆输电与高压交流电缆输电相比具有以下优势：(1)输送相同功率时，线路造价低；(2)线路的有功损耗小；(3)系统稳定性更加可靠；(4)能够有效的限制系统的短路电流；(5)调节速度快，运行可靠。在城市化的进程中，居民和企业用电量的大幅增加，现代城市空间的不足，对电网输电量和输电方式提出了严峻的考验和挑战。高压直流电缆输电方式以其特有的优势，近年来在高压远距离输电系统内逐渐得到了推广和应用，如何检测高压直流电缆绝缘状态，保障直流电缆输电系统安全有效地运行，并为日常运维和检修提供有效的技术手段，成为当前亟待解决的问题。
理论、试验证明，局部放电检测是能够发现直流电缆及其附件绝缘缺陷的有效方法之一。局部放电不仅是高压直流电缆绝缘老化的结果,而且是引起绝缘老化的重要原因,它与绝缘内部的缺陷密切相关。
目前公知的有关电缆局部放电的检测方法和装置，都是应用于交流电缆检测的，技术和手段已经非常成熟，并且积累了大量的现场经验。但与高压交流电缆相比，高压直流电缆的局部放电机理和特性有显著区别，例如没有高压交流电缆局部放电相位相关性、周期性等，而且二者数据图谱完全不同，因此交流电缆局部放电的检测方法和装置从根本上来说不能应用到直流电缆局部放电检测中，尤其是数据采集方式。另外目前对高压直流电缆局部放电的理论研究刚刚起步，大多在试验室中进行，缺乏现场检测手段及装置，因此有必要研究一种能在高压直流电缆现场应用的局部放电智能监测装置，进行现场检测或试验，收集直流电缆局部放电数据，为研究高压直流电缆局部放电特性、产生因素、评估绝缘状态提供试验数据和技术手段支撑。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种高压直流电缆局部放电智能监测装置及监测方法，目的在于解决现在直流电缆局部放电现场检测难的问题，为开展高压直流电缆隐患排查和状态评价分析，及早发现和消除事故隐患，提供有效工具和技术手段，进而有针对性的制定运维和检修策略，确保设备状态可控、在控，保障电网安全稳定运行。
本发明提供的技术方案如下：一种高压直流电缆局部放电智能监测装置，包括两个分别连接外部高压直流电缆正负极电缆的高频脉冲电流传感器，以及与两个高频脉冲电流传感器电连接的智能监测装置，所述智能监测装置中包括两路相互独立的A通道信号处理电路和B通道信号处理电路、以及与A通道信号处理电路和B通道信号处理电路电连接的同步触发控制电路和双通道高速采样电路，所述A通道信号处理电路和B通道信号处理电路分别与所述两个高频脉冲电流传感器电连接以对所述两个高频脉冲电流传感器检测到的局部放电信号进行放大和滤波处理，所述A通道信号处理电路输出和B通道信号处理电路输出均与所述同步触发控制电路输入相连，所述同步触发控制电路输出与所述双通道高速采样电路输入相连，所述同步触发控制电路通过比较接收来自所述A通道信号处理电路和B通道信号处理电路的输出信号是否超过预设触发阀值，从而判断输出或不输出启动信号给所述双通道高速采样电路以进行局部放电信号采集。
在本发明的较佳实施例中，所述A通道信号处理电路和B通道信号处理电路与所述双通道高速采样电路之间分别电连接有A通道模数转换电路和B通道模数转换电路，所述A通道模数信号处理电路和B通道信号处理电路的信号处理带宽均不低于100MHz，所述A通道模数转换电路和B通道模数转换电路的转换速度均不低于100MS/s。
在本发明的较佳实施例中，还包括数据存储器和通讯电路，所述数据存储器和通讯电路均与所述双通道高速采样电路电连接，所述通讯电路用于与外部控制计算机进行数据传输。
在本发明的较佳实施例中，所述A通道信号处理电路包括A通道放大电路和A通道滤波电路，所述A通道放大电路的输入和输出分别与所述高频脉冲电流传感器和所述A通道滤波电路的输入电连接，所述A通道滤波电路的输出与所述A通道模数转换电路的输入电连接，所述B通道信号处理电路包括B通道放大电路和B通道滤波电路，所述B通道放大电路的输入和输出分别与所述高频脉冲电流传感器和所述B通道滤波电路的输入电连接，所述B通道滤波电路的输出与所述B通道模数转换电路的输入电连接。
在本发明的较佳实施例中，所述A通道放大电路和B通道放大电路中均设置有频带不低于100MHz的精密运算放大器，所述A通道滤波电路和B通道滤波电路中均设置有带宽为100kHz-50MHz的带通滤波器。
在本发明的较佳实施例中，所述A通道放大电路和B通道放大电路均采用AD8009，所述A通道模数转换电路和B通道模数转换电路均采用AD9288。
在本发明的较佳实施例中，所述双通道高速采样电路采用FPGA控制芯片，所述双通道高速采样电路的采样速度不低于100MS/s，所述同步触发控制电路中设置有高速比较器。
在本发明的较佳实施例中，还包括壳体，所述智能监测装置内置于所述壳体中，所述2个高频脉冲电流传感器接于所述壳体外，所述智能监测装置上还设置有2个信号输入接口，所述2个高频脉冲电流传感器分别电连接到所述2个信号输入接口上。
在本发明的较佳实施例中，所述通讯电路设置有USB接口和光纤通讯接口。
一种高压直流电缆局部放电智能监测方法，包括以下步骤：
1)现场测试人员在高压直流电缆中间接头或户外终端处，把2个高频脉冲电流传感器安装在金属套引出高压直流电缆正负极电缆上，并保持2个高频脉冲电流传感器的信号极性一致；
2)用尽可能短的同轴线，把2个高频脉冲电流传感器分别连接到智能监测装置的2个信号输入接口上，利用智能监测装置上的通讯接口连接控制计算机；
3)首先完成系统的信号校准工作，保存校准数据；
4)对直流电缆进行局部放电测量，利用2个外置高频脉冲电流传感器，同时同步采集、记录高压直流电缆线路正、负极电缆的局部放电信号，测量时可以根据现场情况，在智能监测装置中设置测量参数(如数据采集的时间、量程、时长等)；
5)通过光纤网络将数据远程传输到主站控制计算机，利用后台专用数据分析软件对获取的数据进行对比分析，显示局部放电Q(t)图谱、时频域特性，还原疑似局部放电信号原始波形，并记录测量数据(信号幅值、重复率等)，从而对高压直流电缆局部放电状况进行评估分析，判断是否存在局部放电信号、评估高压直流电缆绝缘健康状态；
6)拆除脉冲电流传感器和智能监测装置，清理现场，测试结束。
本发明产生的有益效果在于：该高压直流电缆局部放电智能监测装置，基于高频脉冲电流局部放电检测原理，利用2个外置的高频脉冲电流传感器分别连接外部高压直流电缆正负极电缆，通过智能监测装置进行双通道同时同步高速数据采集，在采集的同时记录高压直流电缆线路正、负极电缆的局部放电信号，并通过光纤网络将数据远程传输到主站控制计算机，利用后台专用数据分析软件对获取的数据进行对比分析，显示局部放电Q(t)图谱、时频域特性，从而对高压直流电缆局部放电状况进行评估。本发明的优点在于：1)针对高压直流电缆输电线路系统特点，即采用正负两根单芯XLPE电缆输电，提出一种能够应用于实际现场检测的直流电缆局部放电智能监测装置，该装置具有双通道同时同步检测的特点，抗干扰能力强，分析手段多样化，解决了目前高压直流电缆缺乏现场局部放电检测设备的难题；2)该装置双路局部放电信号采集处理通道完全独立，实现了真正意义上同时同步采集数据，利用采样率达100MS/s的高速采样、A/D转换电路和大容量数据存储器，实现了长度达数十毫秒，甚至上百毫秒的原始数据采集、存储，可以还原局部放电信号的原始波形，用来对比分析、区分判断局部放电与背景噪声，准确定位局部放电源点；3)该装置具有USB接口，可以进行单机测试，即单台设备可以通过USB信号线直接与控制电脑的USB接口相连，进行现场测试；4)该装置具有光纤接口，可以将多台装置通过光纤级连，即插即用，最终于控制电脑相连，组成测试网络，进行分布式现场测试。
附图说明
图1为本发明中的高压直流电缆局部放电智能监测装置的原理框图；
图2为本发明中的高压直流电缆局部放电智能监测装置现场检测应用连接示意图。
具体实施方式
参见图1至图2，该高压直流电缆局部放电智能监测装置，包括壳体(图未示)，和设置在壳体中的智能监测装置(2)和外接于壳体外的高频脉冲电流传感器(1)，高频脉冲电流传感器(1)包括分别连接外部高压直流电缆正负极电缆的高频脉冲电流传感器A(11)和高频脉冲电流传感器B(12),2个高频脉冲电流传感器(11,12)的信号极性一致,智能监测装置(2)中有2路完全独立的信号采集通道A通道和B通道，其中A通道包括A通道放大电路(201)、A通道滤波电路(202)和A通道100MHz A/D转换电路(203),B通道包括B通道放大电路(204)、B通道滤波电路(205)和B通道100MHz A/D转换电路(206)，A通道输出和B通道输出均与所述同步触发控制电路(207)输入相连，同步触发控制电路(207)输出与双通道高速采样电路输入相连，双通道高速采样电路采用FPGA控制芯片(208)，同步触发控制电路(207)比较接收来自所述A通道和B通道的处理信号是否超过预设触发阀值,从而判断输出或不输出启动信号给FPGA控制芯片(208)以进行局部放电信号采集。
其中，关于A通道：高频脉冲电流传感器A(11)安装在待测高压直流电缆上，耦合局部放电脉冲电流信号，通过同轴线与A通道放大电路(201)输入相连，进行信号放大，A通道放大电路(201)的输出与A通道滤波电路(202)输入相连，进行信号滤波，滤除信号中叠加的工频干扰和空间射频干扰噪声，A通道放大电路(201)和A通道滤波电路(202)采用频带至少在100MHz以上的精密运算放大器设计，本实施例采用AD8009，A通道滤波电路(202)为带通滤波器，带宽为100kHz-50MHz，A通道滤波电路(202)输出与A通道100MHz的A/D转换电路(203)输入相连，对局部放电模拟信号进行数字化，A/D转换芯片的速度至少在100MS/s以上，本实施例采用AD9288，B通道信号处理方式相同，两个通道完全独立。
A通道滤波电路(202)输出和B通道滤波电路(205)输出同时连接同步触发控制电路(207)输入，双通道高速采样电路采用FPGA控制芯片(208)，同步触发控制电路(207)输出与FPGA控制芯片(208)I/O连接，同步触发控制电路(207)核心为高速比较器，判断高频脉冲电流传感器耦合信号是否超过预设的触发阈值，如超过，输出启动信号给FPGA控制芯片(208)，同时启动2个A/D转换电路(203,206)，FPGA控制芯片(208)的I/O口与同步触发控制电路(207)输入连接，以设置同步触发控制电路阈值，本实施例中FPGA控制芯片采用Altera公司的CycloneII系列芯片。
A通道100MHz的A/D转换电路(203)和B通道100MHz的A/D转换电路(206)的输出分别连接到FPGA控制芯片(208)的2个I/O口上，FPGA控制芯片(208)的1个I/O口同时连接A通道100MHz的A/D转换电路(203)和B通道100MHz的A/D转换电路(206)的转换启动输入，FPGA控制芯片(208)的数据总线I连接大容量RAM(209)的并行数据接口，地址总线连接大容量RAM(209)的并行地址接口，FPGA控制芯片(208)接收到同步触发控制电路(207)启动信号时，输出1个启动控制信号给A通道100MHz的A/D转换电路(203)和B通道100MHz的A/D转换电路(206)，同时启动2路通道的进行局部放电信号模数转换，数据通过FPGA控制芯片(208)数据总线I和地址总线存储到大容量RAM(209)中。
FPGA控制芯片(208)的数据总线II连接通讯电路(210)的并行数据接口，通讯电路(210)具有USB2.0接口和光纤通讯接口，连接外设控制计算机，控制计算机通过装置通讯电路与装置进行数据传输，包括读取测试数据、设置装置工作参数、控制装置测试等。
还包括供电电路(211)给壳体内置的监测装置各个电路进行供电，为了使装置能够适应多种使用现场，供电电路(211)可将外部市电或蓄电池等交直流电源转换为纹波小于2mV的DC5V电源，供给各个电路，降低电源噪声对测试的影响。
参见图2，具体使用的步骤如下：
1)现场测试人员在高压直流电缆中间接头或户外终端处，把2个高频脉冲电流传感器安装在金属套引出高压直流电缆正负极电缆上，并保持2个高频脉冲电流传感器的信号极性一致；
2)用尽可能短的同轴线，把2个高频脉冲电流传感器分别连接到智能监测装置的2个信号输入接口上，利用智能监测装置上的通讯接口连接控制计算机；
3)首先完成系统的信号校准工作，保存校准数据；
4)对直流电缆进行局部放电测量，利用2个外置高频脉冲电流传感器，同时同步采集、记录高压直流电缆线路正、负极电缆的局部放电信号，测量时可以根据现场情况，在智能监测装置中设置测量参数(如数据采集的时间、量程、时长等)；
5)通过光纤网络将将数据远程传输到主站控制计算机，利用后台专用数据分析软件对获取的数据进行对比分析，显示局部放电Q(t)图谱、时频域特性，还原疑似局部放电信号原始波形，并记录测量数据(信号幅值、重复率等)，从而对高压直流电缆局部放电状况进行评估分析，判断是否存在局部放电信号、评估高压直流电缆绝缘健康状态。
综上所述，该高压直流电缆局部放电智能监测装置，基于高频脉冲电流局部放电检测原理，利用2个外置的高频脉冲电流传感器分别连接外部高压直流电缆正负极电缆，通过智能监测装置进行双通道同时同步高速数据采集，在采集的同时记录高压直流电缆线路正、负极电缆的局部放电信号，并通过光纤网络将数据远程传输到主站控制计算机，利用后台专用数据分析软件对获取的数据进行对比分析，显示局部放电Q(t)图谱、时频域特性，从而对高压直流电缆局部放电状况进行评估，本发明的有益效果在于：1)针对高压直流电缆输电线路系统特点，即采用正负两根单芯XLPE电缆输电，提出一种能够应用于实际现场检测的直流电缆局部放电智能监测装置，该装置具有双通道同时同步检测的特点，抗干扰能力强，分析手段多样化，解决了目前高压直流电缆缺乏现场局部放电检测设备的难题；2)该装置双路局部放电信号处理通道完全独立，实现了真正意义上同时同步采集数据，利用采样率达100MS/s的高速采样、A/D转换电路和大容量数据存储器，实现了长度达数十毫秒，甚至上百毫秒的原始数据采集、存储，可以还原局部放电信号的原始波形，用来对比分析、区分判断局部放电与背景噪声，准确定位局部放电源点；3)该装置具有USB接口，可以进行单机测试，即单台设备可以通过USB信号线直接与控制电脑的USB接口相连，进行现场测试和高速数据传输；4)该装置具有光纤接口，可以将多台装置通过光纤级连，即插即用，最终于控制电脑相连，组成测试网络，进行分布式现场测试。
上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：包括两个分别连接外部高压直流电缆正负极电缆的高频脉冲电流传感器，以及与两个高频脉冲电流传感器电连接的智能监测装置，所述智能监测装置中包括两路相互独立的A通道信号处理电路和B通道信号处理电路、以及与A通道信号处理电路和B通道信号处理电路电连接的同步触发控制电路和双通道高速采样电路，所述A通道信号处理电路和B通道信号处理电路分别与所述两个高频脉冲电流传感器电连接以对所述两个高频脉冲电流传感器检测到的局部放电信号进行放大和滤波处理，所述A通道信号处理电路输出和B通道信号处理电路输出均与所述同步触发控制电路输入相连，所述同步触发控制电路输出与所述双通道高速采样电路输入相连，所述同步触发控制电路通过比较接收来自所述A通道信号处理电路和B通道信号处理电路的输出信号是否超过预设触发阀值，从而判断输出或不输出启动信号给所述双通道高速采样电路以进行局部放电信号采集。
2.根据权利要求1所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：所述A通道信号处理电路和B通道信号处理电路与所述双通道高速采样电路之间分别电连接有A通道模数转换电路和B通道模数转换电路，所述A通道模数信号处理电路和B通道信号处理电路的信号处理带宽均不低于100MHz，所述A通道模数转换电路和B通道模数转换电路的转换速度均不低于100MS/s。
3.根据权利要求1所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：还包括数据存储器和通讯电路，所述数据存储器和通讯电路均与所述双通道高速采样电路电连接，所述通讯电路用于与外部控制计算机进行数据传输。
4.根据权利要求2所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：所述A通道信号处理电路包括A通道放大电路和A通道滤波电路，所述A通道放大电路的输入和输出分别与所述高频脉冲电流传感器和所述A通道滤波电路的输入电连接，所述A通道滤波电路的输出与所述A通道模数转换电路的输入电连接，所述B通道信号处理电路包括B通道放大电路和B通道滤波电路，所述B通道放大电路的输入和输出分别与所述高频脉冲电流传感器和所述B通道滤波电路的输入电连接，所述B通道滤波电路的输出与所述B通道模数转换电路的输入电连接。
5.根据权利要求4所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：所述A通道放大电路和B通道放大电路中均设置有频带不低于100MHz精密运算放大器，所述A通道滤波电路和B通道滤波电路中均设置有带宽为100kHz-50MHz的带通滤波器。
6.根据权利要求4所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：所述A通道放大电路和B通道放大电路均采用AD8009，所述A通道模数转换电路和B通道模数转换电路均采用AD9288。
7.根据权利要求1所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：所述双通道高速采样电路采用FPGA控制芯片，所述双通道高速采样电路的采样速度不低于100MS/s，所述同步触发控制电路中设置有高速比较器。
8.根据权利要求1所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：还包括壳体，所述智能监测装置内置于所述壳体中，所述2个高频脉冲电流传感器接于所述壳体外，所述智能监测装置上还设置有2个信号输入接口，所述2个高频脉冲电流传感器分别电连接到所述2个信号输入接口上。
9.根据权利要求3所述的高压直流电缆局部放电智能监测装置，其特征在于：所述通讯电路设置有USB接口和光纤通讯接口。
10.一种高压直流电缆局部放电智能监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)现场测试人员在高压直流电缆中间接头或户外终端处，把2个高频脉冲电流传感器安装在金属套引出高压直流电缆正负极电缆上，并保持2个高频脉冲电流传感器的信号极性一致；
2)用尽可能短的同轴线，把2个高频脉冲电流传感器分别连接到智能监测装置的2个信号输入接口上，利用智能监测装置上的通讯接口连接控制计算机；
3)首先完成系统的信号校准工作，保存校准数据；
4)对直流电缆进行局部放电测量，利用2个外置高频脉冲电流传感器，同时同步采集、记录高压直流电缆线路正、负极电缆的局部放电信号，测量时可以根据现场情况，在智能监测装置中设置测量参数(如数据采集的时间、量程、时长等)；5)通过光纤网络将数据远程传输到主站控制计算机，利用后台专用数据分析软件对获取的数据进行对比分析，显示局部放电Q(t)图谱、时频域特性，还原疑似局部放电信号原始波形，并记录测量数据(信号幅值、重复率等)，从而对高压直流电缆局部放电状况进行评估分析，判断是否存在局部放电信号、评估高压直流电缆绝缘健康状态；
6)拆除脉冲电流传感器和智能监测装置，清理现场，测试结束。
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