CN106771933A - 基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电缆局部放电高频电流检测，为提出能够同时利用HFCT传感器及其无线传感器网络技术，对电力电缆局部放电进行在线监测和定位的基于无线网路的电力电缆局部放电高频电流监测系统。本发明采用的技术方案是，基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，包括：依次串接的信号采集单元、数据采集及分析单元、信号传输单元和人机界面，其中：信号采集单元用以获取局部放电信号；数据采集及分析单元用于采集局部放电数据并进行分析、判断和存储；信号传输单元用于数据远距离传输；上位机的人机界面用于显示整个系统的监测结果。本发明主要应用于电力电缆局部放电高频电流检测场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电缆局部放电高频电流检测，特别是涉及一种通过在线高频电流局部放电检测，能够随时监测运行的电力电缆内部局部放电水平的变化状态，并通过无线网络传输至上位机，进而从多个角度描述电力电缆局部放电特征的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统。具体讲,涉及基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统。
背景技术
电力是社会发展和城市变革最重要的技术基础，随着我国经济的飞速发展，电力行业、供电以及用电企业自动化建设和改造在不断发展与完善，电力设备的电压等级也在不断提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。
电力电缆由于敷设容易，运行维护简单等优点，近10年来已成为我国城市电网输配电的主力。据不完全统计，已投运的35kV及以下的电力电缆约有50万千米；110kV及以上的已达上千千米；应用最高电压等级为500kV。我国各大城市如上海、北京、天津、广州等地的城市电网中，电力电缆已获得广泛应用，且敷设量逐年递增。电力电缆敷设进度的提速，使得更多的电力负荷与之相连。电力电缆的安全可靠运行，在整个电网中的地位也越来越重要。电力电缆线路故障率和其他多数电力设备相似投入运行的初期(一般为1-5年)容易发生运行故障，主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量的问题。电力电缆终端绝缘结构复杂，易导致局部区域电场集中，引发局部放电。为确保供电可靠性，电力部门采取定期试验和检修的办法保证电力电缆正常运行。然而，定期检修增加了电力设备的运行费用和停电时间，甚至增加了设备的故障率，并且在检修的间隔还是有故障发生。因此，亟需对电力电缆实行状态检修，对设备运行状况进行实时和定时的在线监测，根据设备的运行状态和绝缘的劣化程度，确定检修时间和措施，减少事故的发生频率，提高电力系统运行的安全可靠性。同时，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对电力电缆的运行状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。
要进行状态检修对设备实行在线监测，必须对故障的类型特点进行分析，从而确定监测的项目。由于电力电缆的内部多涉及电、磁、温度等多种物理现象，故障的表现形式和产生机理千差万别，因此要对电力电缆进行在线监测并作出较为准确的故障判断以及故障预测，必须了解电力电缆的工作特性和故障特点。综合考虑电力电缆的上述工作特性和故障特点，电力电缆状态检修主要监测的项目有温度监测、电量监测、局部放电(PD-Partial Discharge)监测等。
国内外运行经验和研究成果表明：当电力电缆绝缘内部存在缺陷时，会导致电缆内部树枝化的产生，而其直接影响着电力电缆性能早期劣化或绝缘介质的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。因此，对电力电缆的局部放电进行检测是及时发现故障隐患和预测运行寿命及保障电力电缆安全可靠运行的重要手段。
高频局部放电检测方法是用于电力设备局部放电缺陷检测与定位的常用测量方法之一，其检测频率范围通常为3～30MHz，可广泛应用于高压电力电缆及其附件、变压器、电抗器、旋转电机等电力设备的局放检测。
高频局部放电检测所用传感器类型主要分为电容型传感器和电感型传感器。电感型传感器中的高频电流传感器(High frequency current transformer,HFCT)具有便携性强、安装方便、现场抗干扰能力较好等优点，因此应用最为广泛，其工作方式为对流经电力设备的接地线、中性点接线以及电缆本体中放电脉冲电流信号进行检测。
高频电流传感器多采用罗格夫斯基线圈结构。罗格夫斯基线圈(rogowski coils，简称罗氏线圈)用于电流检测领域，通常由环形铁氧体磁芯构成，该材质传感器对于高频电流信号具有很好的耦合能力，同时在传感器设计时，选取合适的线圈匝数和积分电阻，可保证传感器具有很高的灵敏度。可以设计成开口型结构，方便现场安装，在传感器及信号处理电路相对固定的情况下，可以对检测回路进行标定，对被测局部放电的强度进行理化描述，以便于准确评估被检测电力设备局部放电的绝缘劣化程度。
GPRS是通用分组无线服务(General Packet Radio Service)的缩写，是在GSM全球移动通信系统网络基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。随着中国移动GPRS网络建设的日趋成熟，地区的覆盖率超过90％，GPRS信号基本上达到了无盲区覆盖。GPRS属于分组交换技术，具有实时在线、按流量计费、快捷登陆、传输速率高，支持IP协议和X.25协议等特点。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种能够同时利用HFCT传感器及其无线传感器网络技术，对电力电缆局部放电进行在线监测和定位的基于无线网路的电力电缆局部放电高频电流监测系统。本发明采用的技术方案是，基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，包括：依次串接的信号采集单元、数据采集及分析单元、信号传输单元和人机界面，其中：
信号采集单元用以获取局部放电信号，包括依次串接的高频电流传感器、放大电路、滤波电路以及检波电路，所述的检波电路的输出端连接数据采集及分析单元；
数据采集及分析单元用于采集局部放电数据并进行分析、判断和存储，采用计算机或ARM芯片作为主处理器，所述的主处理器通过串口连接至信号传输单元；
信号传输单元用于数据远距离传输，包括有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置信号的GPRS接收装置，所述的GPRS发射装置的信号输入端连接数据采集及分析单元中主处理器的串口，所述的GPRS接收装置的输出端连接上位机；
上位机的人机界面用于显示整个系统的监测结果。
所述的高频电流传感器设置有3个，采用便携式夹套设计，将3个HFCT传感器分别卡在电力电缆A、B、C三相的接地线上。
所述的高频电流传感器采用由罗氏线圈构成的电感型传感器。
所述的数据采集及分析单元还设置有串口通信端口。
通过自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，计算机或ARM芯片对接收信号的幅值进行测量并且计算高频脉冲个数，以所测量的高频脉冲信号值的大小以及脉冲数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱。
本发明的特点及有益效果是：
本发明的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，具有如下优点和有益效果：
(1)高频电流传感器(HFCT)直接安装于电力电缆铠装护套引出的接地线或电力电缆本体上，解决目前局部放电在线监测中所用传感器灵敏度低、干扰严重的缺点；能在电力电缆三相的接地线安装传感器，同时监控电力电缆A、B、C三相的局部放电情况，实现电力电缆内全面的局部放电监测信息采集。
(2)HFCT传感器和信号采集单元与上位机是通过无线模式进行传输，有效隔离了检测者与现场的高压设备，使得设备和检测人员的安全得以保障；同时不存在在线结果与离线结果等效性和一致性的问题。
(3)上位机分析软件功能强大，具有数据库和分析模块，能够查阅历史信息，并从各个方面分析局部放电特征，并进行模式识别。
(4)具备数据保存功能，可进行回放和图像保存，具有可视化降噪功能，可设定阈值和采集间隔时间。
(5)完全数字化显示，界面更直观、简洁，功能全面
(6)与现有检测技术相比，本发明检测安全、迅速、准确，便于工作人员操作诊断，采用高频电流法可以在不停电状态下实现对电力电缆内局部放电强弱的检测，通过将采集结果无线传输至数据分析单元可以实现对电力电缆状态的实时监测，做到放电故障的及时发现和排除。
附图说明：
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的传感器外观；
图3是人机界面实时采集显示部分；
图4是人机界面数据查询显示部分。
具体实施方式
本发明所采用的技术方案是：一种基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，包括：依次串接的信号采集单元、数据采集及分析单元、信号传输单元和人机界面，其中：
信号采集单元用以获取局部放电信号，包括依次串接的高频电流传感器、放大电路、滤波电路以及检波电路，所述的检波电路的输出端连接数据采集及分析单元；
数据采集及分析单元用于采集局部放电数据并进行分析、判断和存储，采用计算机或高速ARM芯片作为主处理器，所述的主处理器通过串口连接至信号传输单元；
信号传输单元用于数据远距离传输，包括有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置信号的GPRS接收装置，所述的GPRS发射装置的信号输入端连接数据采集及分析单元中主处理器的串口，所述的GPRS接收装置的输出端连接上位机；
上位机的人机界面用于显示整个系统的监测结果。
所述的高频电流传感器设置有3个。
所述的高频电流传感器采用由罗氏线圈构成的电感型传感器。
所述的高频电流传感器采用便携式夹套设计。
所述的数据采集及分析单元还设置有串口通信端口。
下面结合附图给出具体实例，进一步说明本发明的基于无线网络的电力电缆局部放电监测系统是如何实现的。
本发明的主要目的在于通过在线电力电缆局部放电监测，实现实时监测运行的电力电缆局部放电水平的状态变化，从多个角度描述电力电缆的局部放电特征，研究电力电缆内部绝缘部分的介电性能。本发明的目的可以通过以下措施来达到：提供一种基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，即一种基于GPRS网络实现电力电缆局部放电的实时、动态监测。
图1为本发明的系统结构示意图，如图1所示，本发明的基于无线网络的GPRS局部放电监测系统，可用于10kV及以上电压等级电力电缆局部放电监测。包括：依次串接的信号采集单元、数据采集及分析单元、信号传输单元、和人机界面。其中，
信号采集单元用以获取局部放电信号，包括依次串接的高频电流传感器(HFCT)、放大电路、滤波电路以及检波电路，所述的模数转换电路的输出端连接信号传输单元；所述的高频电流传感器设置有多个，所述的高频电流传感器如图所示，采用由罗格夫斯基线圈构成的电感型传感器，信号由一条导线引出，终端接BNC头，并用外壳包装起来，以避免外部干扰。所述的放大电路采用型号为UA733和AD8056芯片和OP37芯片实现的三级放大电路。
当电力电缆发生局部放电时，在电力电缆铠装护套引出接地线上会产生出相应的高频脉冲信号，此信号会由HFCT感应出一个电压信号，同时将其送入到放大滤波电路，此处需要进入放大电路进行放大，然后需要过滤掉干扰信号，比如工频干扰等外界信号，信号经滤波后进行检波。采用高通电路将频带设定在几兆赫兹至几十兆赫兹，有效的避开干扰信号，用以获取局部放电信号。
数据采集及分析单元用于采集局部放电数据并进行分析和传输，并且对电力电缆的局部放电状态做出判断，将分析的结果传送到后续单元。采用高性能ARM芯片作为主处理器；具体方法是利用高性能ARM芯片作为主处理器，通过自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，对接收信号的幅值进行测量并且计算高频脉冲个数。以所测量的高频脉冲信号值的大小以及脉冲数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱。所述的数据采集及分析单元2还设置有串口通信端口，可实现将监测结果进行网络传输，实现远程控制和诊断，及时了解被测电力电缆的局部放电情况。
信号传输单元进行远距离传输，包括有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置信号的GPRS接收装置，所述的GPRS发射装置的信号输入端连接数据采集及分析单元的串口通信端口，所述的GPRS接收装置的输出端连接人机界面；
测量到的信号输入GPRS发射装置，经GPRS网络进行传播，远距离传输至GPRS接收装置，然后进入下一级处理单元，即人机界面。
人机界面用于显示整个系统的监测结果和实现远程参数设定和控制。直观的显示整个系统的监测结果，包括局部放电是否存在，局部放电信号强弱等，可以直观输出PRPD、PRPS以及放电统计，为运行人员提供参考。工作人员通过此界面实现对于局部放电监测系统的相关设定、操作。具体方法是可以将实时采集的信息显示在计算机界面上，能够进行电缆单相或三相的采集设定，能够进行定时自动采集或人工手动采集的设定，在定时自动采集可进行采集时间间隔的设定，可进行阈值的设定以及高滤波或低滤波的选取。
电源采用外置锂电池供电，方便拆卸进行充电。
本发明的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，具体的使用环境及其方法如下。
1、使用环境
海拔高度：≤1000m
工作温度：-20℃-40℃
工作湿度：0-90％，无凝露
无火灾、爆炸危险，严重污秽化学腐蚀、剧烈振动、强电磁干扰及雷击场所被测设备要良好接地
2、使用方法
(1)局部放电监测。本发明利用HFCT传感器卡装在电缆本体、中间接头接地线、交叉互联线、交叉互联箱及电缆终端接地线上。当电力电缆内发生局部放电时，HFCT传感器采集电力电缆内部的高频电流信号，再经放大滤波电路进行处理，得出模拟信号，经过ARM数模转换，并转送给GPRS模块，通过GPRS网络将数据传送到远程监控中心；另一方面监控中心也可以使用主动方式发送高频电流局部放电采集命令给GPRS模块。监控中心提供基于Labvi ew开发的电力电缆高频电流局部放电监测、分析软件，软件集成了数据配置、数据采集、数据监控和数据管理查询功能。数据传输至监控中心后，经过分析、统计计算出局部放电的特征量，识别局部放电的特性：分别绘制多种表达不同局部放电特征的局部放电量的相位分布图，放电量分布图，放电次数的相位分布图。
(2)局部放电定位。当使用本发明进行局部放电定位时，对于具体使用方法为：将3个HFCT传感器分别卡在电力电缆A、B、C三相的接地线上，通过终端显示的传感器HFCT信号值进行比较，HFCT信号值较高的传感器距离放电点的位置越近，当其中一个传感器显示的HFCT信号值大于另外两个传感器显示的HFCT信号值，则说明放电点在该传感器所钳的相位。可以通过此方法定位出电力电缆局部放电点的位置，为检修提供支持。
Claims (5)
1.一种基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，其特征是，包括：依次串接的信号采集单元、数据采集及分析单元、信号传输单元和人机界面，其中：
信号采集单元用以获取局部放电信号，包括依次串接的高频电流传感器、放大电路、滤波电路以及检波电路，所述的检波电路的输出端连接数据采集及分析单元；
数据采集及分析单元用于采集局部放电数据并进行分析、判断和存储，采用计算机或ARM芯片作为主处理器，所述的主处理器通过串口连接至信号传输单元；
信号传输单元用于数据远距离传输，包括有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置信号的GPRS接收装置，所述的GPRS发射装置的信号输入端连接数据采集及分析单元中主处理器的串口，所述的GPRS接收装置的输出端连接上位机；
上位机的人机界面用于显示整个系统的监测结果。
2.如权利要求1所述的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，其特征是，所述的高频电流传感器设置有3个，采用便携式夹套设计，将3个高频电流传感器分别卡在电力电缆A、B、C三相的接地线上。
3.如权利要求1所述的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，其特征是，所述的高频电流传感器采用由罗氏线圈构成的电感型传感器。
4.如权利要求1所述的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，其特征是，所述的数据采集及分析单元还设置有串口通信端口。
5.如权利要求1所述的基于无线网络的电力电缆局部放电高频电流监测系统，其特征是，通过A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，计算机或ARM芯片对接收信号的幅值进行测量并且计算高频脉冲个数，以所测量的高频脉冲信号值的大小以及脉冲数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱。
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