CN106950463A - 一种多功能高压电缆监测用传感器 - Google Patents

Abstract

一种多功能高压电缆监测用传感器，涉及一种传感器。目前，传感器首先都需要应用外部电源供电，配套部件多，装置过于臃肿，操作使用不方便。本明包括用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器；用于获取母线电流的母线电流采集器；用于信号处理的信号处理装置，其与宽频电流传感器相连，对宽频电流传感器输出信号进行处理以获得高频脉冲信号、容性电流信号；用于从母线中获取电能的电缆屏蔽层环流取能装置，其与信号处理装置相连。本技术方案采用电力电缆金属屏蔽层环流取能，无需外加电源，也节约了一定资源，传感器使用更独立方便快捷，摆脱外加电源的束缚。

Description

一种多功能高压电缆监测用传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其指一种多功能高压电缆监测用传感器。

背景技术

随着超高压特高压电网建设的高速发展，高压电力电缆的使用越来越广泛，对电力电缆的安全运行性的要求也越来越高。同时，早期铺设的电缆现在陆续到了正常使用年限，在电、热、机械外力等因素的作用下，电缆的绝缘问题将会日益增加，极可能导致绝缘系统的破坏。作为电力系统输电的重要设备，其安全运行对于电力系统至关重要。当其发生故障时，不仅会产生巨大的直接和间接经济损失，而且，大面积的停电也会造成严重社会影响。

对高压电力电缆，由于其绝缘特性和实验设备的限制，目前还缺乏行之有效的预防性试验方法，因此普遍采用高压电缆传感器采集电缆信号对其进行实时在线监测。

传统的高压电缆监测用传感器常采用方向耦合传感器、电容耦合传感器、超声波传感器、电感耦合传感器、光学传感器、特高频传感器等。这些传感器，首先都需要应用外部电源供电，由此造成整套监测装置过于臃肿，配套部件多，操作使用不方便。其次上述传感器只能在同一时刻监测一种电气量，由于高压电缆局部放电信号微弱、波形复杂多变、等值频率极高，极易被外界电磁波噪声信号干扰，依靠某一种传感器采集的电缆参数很难正确判断电缆运行时会出现误判、错判的可能，难以保证电网的安全稳定运行。安装多个传感器则会增加整个监测系统的资金投入，同时使现场操作更加复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种多功能高压电缆监测用传感器，以达到降低成本，方便采集目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于包括：

用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器；

用于获取母线电流的母线电流采集器；

用于信号处理的信号处理装置，其与宽频电流传感器相连，对宽频电流传感器输出信号进行处理以获得高频脉冲信号、容性电流信号；与母线电流采集器相连，对母线电流采集器输出信号进行处理以获得实时负荷值；

用于从母线中获取电能的电缆屏蔽层环流取能装置，其与信号处理装置相连，以对信号处理装置进行供电。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，所述的电缆屏蔽层环流取能装置包括电流互感器、保护反馈控制模块、超级电容充电管理模块、输出控制模块；电流互感器从母线感应能量并供后级使用；所述的保护反馈控制模块根据后级对能量的需求自动调节输送到后级的能量大小，同时抑制瞬态峰值电流保护后级电路不被损伤，解决后级空载时的互感器震动问题；充电管理模块根据互感器线圈感应的能量动态调节对超级电容的充电电压和充电电流，达到互感器功率输出最大化的同时保护超级电容等后级电路及元器件；输出控制模块监视超级电容的储能状况对负载设备提供直流能量。

进一步的，所述的保护反馈控制模块包括瞬态抑制子模块、反馈斩波泄放控制子模块，所述的瞬态抑制子模块包括瞬态吸收保护单元、整流滤波单元、稳压单元；所述的反馈斩波泄放控制子模块包括反馈电路、斩波控制单元、能量泄放单元。

进一步的，所述的母线电流采集器包括线圈、信号调整电路、积分电路、移相电路、模/数转换电路、电光转换电路，母线电流采集器在高压侧通过线圈感应出与被测母线电流的变化率成线性关系的信号，该信号经过调理电路、积分电路、移相电路输出后，与被测电流同相位，成正比；模/数转换电路将移相电路输出的模拟信号转换成数字信号，然后驱动光源将数字电信号转换成光信号，通过将高压电缆的电流信息转换成光数字信号形式通过光纤传输到低压侧，送入信号处理装置。

进一步的，所述的母线电流采集器为锯齿开合式母线电流采集器。

进一步的，母线电流采集器的磁路长度为72cm，线圈匝数为200匝。

进一步的，所述的宽频电流传感器包括磁芯、罗高夫斯基线圈、滤波和采样单元以及电磁屏蔽盒；罗高夫斯基线圈绕在磁芯上，所述的罗高夫斯基线圈及滤波和采样单元均安装在金属屏蔽盒中。

进一步的，宽频电流传感器的信号频带范围为0～30MHZ,精度高于0.02，检测局部放电信号时灵敏度<10pC。

进一步的，所述的宽频电流传感器的工作状态为自积分和外积分工作状态相结合的复合式积分工作状态，其包括罗氏线圈高频自积分环节、无源RC中频外积分环节、有源RC低频积分环节和高频滤波环节。

进一步的，所述的信号处理装置包括第一信号处理单元和第二信号处理单元；

第一信号处理单元对检测局部放电信号与容性电流的传感器耦合到的信号进行放大、滤波、检波处理，使高频脉冲信号和容性电流信号能有效被数据采集模块采集到。在第一信号处理单元中，经过滤波模块，信号隔离放大模块，最终送到信号分离单元，通过分频技术，把接收到的信号分为频率在0-1MHz的低频信号和频率在1MHz-30MHz的高频信号；低频信号通过信号检波模块得到50Hz的电缆绝缘容性电流，通过第一输出口输出，高频信号即为电缆高频局部放电信号，通过第二输出口输出；

第二信号处理单元处理母线电流采集器采集到的高压电缆传输负荷信号，经过信号隔离模块，并通过限幅电路和阻抗匹配电路，通过第三输出口输出电缆传输的实时负荷值。

有益效果：

(1)本技术方案采用电力电缆金属屏蔽层环流取能，无需外加电源，也节约了一定资源，传感器使用更独立方便快捷，摆脱外加电源的束缚。

(2)本技术方案同时采集高频局放信号、电缆绝缘容性电流、电缆传输负荷，有效地提高了电力电缆的故障检测效率，降低了电力系统的在电力电缆故障监测方面的传感器制造成本。

附图说明

图1是本发明结构原理图。

图2是本发明的电缆屏蔽层环流取能装置原理图。

图3是本发明母线电流采集器原理图。

图4是本发明母线电流采集器结构示意图。

图5是本发明超宽频带传感器电路原理图。

图6是本发明超宽频带传感器幅频特性图。

图7是本发明检测局部放电信号与容性电流的传感器结构图。

图8是本发明信号处理装置原理图。

图中：1为高压电缆；2为母线电流采集器；3为电缆屏蔽层环流取能装置；4为信号处理装置；5为信号处理装置的输入x通道6；6为信号处理装置的输入y通道5；7为信号处理装置的第三输出口；8为信号处理装置的第二输出口；9为信号处理装置的第一输出口；10为用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器；11为高压电缆地线；12为母线电流采集器锁扣装置；13为信号线接头；14为可开合母线电流采集器上片；15为可开合母线电流采集器下片；16为可开合母线电流采集器锯齿开合槽；17为检测局部放电信号与容性电流的传感器上片；18为检测局部放电信号与容性电流的传感器下片；19为传感器接头；20开合中轴。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本技术方案主要由电缆屏蔽层环流取能装置3、母线电流采集器2、用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器10和信号处理装置4四部分组成。区别于以往的传感器需要外加电源，它采用电缆屏蔽层环流取能技术，通过一个由电流互感器、保护反馈控制、超级电容充电管理、输出控制等几部分组成的电缆屏蔽层环流取能装置3来获取能源，使传感器使用更独立方便快捷，摆脱外加电源的束缚。本技术方案就地取能的情况下可同时监测高频局放信号、电缆绝缘容性电流、电缆传输负荷。依靠用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器10，可以实时采集高压电缆1的地线11流过的信号，该传感器具有超宽频带的采集特性，传感器由磁芯、罗高夫斯基线圈、滤波和取样单元以及电磁屏蔽盒组成，信号频带范围为0～30MHZ，采集到的信号由x通道6送入信号处理装置4中，经过滤波模块，信号隔离放大模块，最终送到信号分离单元，通过分频技术，把接收到的信号分为频率在0-1MHz的低频信号和频率在1MHz-30MHz的高频信号。低频信号通过信号检波模块得到50Hz的电缆绝缘容性电流，通过第一输出口9输出。高频信号即为电缆局部放电高频脉冲信号，通过第二输出口8输出。通过母线电流采集器2可以实时采集高压电缆1母线的负荷电流，由y通道5输送到信号处理装置4，经过信号处理装置4中的信号隔离模块、限幅电路和阻抗匹配电路，最终通过第三输出口7输出电缆传输的实时负荷值。

本发明的具体实施方案如下：

一：多功能传感器的电缆屏蔽层环流取能装置3，如图2所示，

电缆屏蔽层环流取能装置3由电流互感器、保护反馈控制、超级电容充电管理、输出控制等几部分组成。电流互感器从母线感应能量供后级使用；保护反馈控制包括瞬态抑制(瞬态吸收保护单元、整流滤波单元、稳压单元)、反馈斩波泄放控制(反馈电路、斩波控制、能量泄放)，主要作用是根据后级对能量的需求自动调节输送到后级的能量大小，同时抑制瞬态峰值电流保护后级电路不被损伤，也解决了后级空载时的互感器震动问题；充电管理部分主要作用是根据互感器线圈感应的能量动态调节对超级电容的充电电压和充电电流，达到互感器功率输出最大化的同时保护超级电容等后级电路及元器件；输出控制部分主要监视超级电容的储能状况对负载设备提供直流能量。

电缆屏蔽层环流取能装置的主要技术参数为：

参数	额定值(单位)
		最大一次电流	1000A
最小启动电流	20A
		输出电压	DC 5.5V
输出电流	±1％
		耐受冲击电流	30kA 1s
防护等级	IP68
		工作电源	DC5.5～24V
工作环境温度	-40℃～+65℃
		工作环境湿度	95％Rh

二：多功能监测传感器(同时监测高频局放信号、电缆绝缘容性电流、电缆传输负荷)，如图3所示。

多功能监测传感器由母线电流采集器2、用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器10三大块组成。每部分设计原理如下：

(1)母线电流采集器2

母线电流采集器2具有非常稳定的工频频率采集特性，它在高压侧通过改进的Rogowski线圈感应出高压电缆1的电压与被测母线电流的变化率成线性关系，该信号经过调理电路、积分电路、移相电路输出后，与被测电流i同相位，成正比。模/数转换电路将移相电路输出的模拟信号转换成数字信号，然后驱动光源(发光二极管LED)，将数字电信号转换成光信号(E/O转换)。通过将高压电缆1的电流信息转换成光数字信号形式通过光纤传输到低压侧，信号处理装置4中。保证了信号的稳定性和精确性。母线电流采集器2为锯齿开合式设计，现场操作简便，不需要切断高压电缆1，可以直接打开锁扣装置，将高压电缆1套住。设计的锯齿结构可以使采集器上片、采集器下片完美贴合，不会松动错位，保证了铁芯链接的紧密性，不会出现接触不良的问题，保证了稳定监测高压电缆1传输负荷的能力。

a.磁芯选择

依据安培环路定律垂直电流平面内圆环路公式：

当母线电流一定时，磁芯环路越小磁场强度越高，越有利于提高功率输出。考虑到本装置须适应不同电压等级不同直径的高压电缆(1)，按照最大内径设计，同时考虑安装便捷性，将磁芯的内径放大至210mm。再依据环形磁芯有效磁路长度计算公式(磁芯内径ID为21cm,外径OD为25cm)：

计算出磁路长度为72cm。

b.匝数选择

为防止因功率过大导致设备受损，线圈匝数应满足I2<10A，N>100T,依据公式:

和

确定设备线圈选定为200匝。

母线电流采集器2，如图4所示，可开合母线电流采集器上片14与可开合母线电流采集器下片15组成采集器主体；信号线接头13可以通过插入信号线把采集器采集的高压电缆1信号传输给信号处理装置4。待母线电流采集器2外套于母线后，并通过母线电流采集器锁扣装置12锁住，可开合母线电流采集器上片14与可开合母线电流采集器下片15之间通过锯齿开合槽16啮合。

(2)用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器10

该传感器具有超宽频带的采集特性，传感器由磁芯、罗高夫斯基线圈、滤波和取样单元以及电磁屏蔽盒组成。该传感器的信号频带范围为0～30MHZ,精度可达0.02，检测局部放电信号时灵敏度<10pC，能够同时采集电力电缆的接地容性电流信号与局部放电的脉冲信号。线圈绕在高频下具有较高导磁率的磁芯上，滤波及取样单元的设计，兼顾测量灵敏度和信号响应频带的要求。为了抑制干扰，提高信噪比，并考虑到防雨、防尘等要求，罗高夫斯基线圈及滤波采样单元都安装在金属屏蔽盒中。

对于设备中罗高夫斯基线圈选择：

传统的罗氏线圈按工作状态的不同可以分为自积分工作状态和外积分工作状态，本发明设计的超宽频带传感器将自积分和外积分工作状态相结合的复合积分的工作状态。复合积分环节由罗氏线圈高频自积分环节、无源RC中频外积分环节、有源R₁，C₁低频积分环节和高频滤波环节构成。其中有源积分环节电阻RL为反馈电阻，其可以有效降低直流增益，减少输出失调，有效抑制积分漂移现象，并可防止积分输出饱和。如图5所示。

H₂(s)、H₃(s)、H₄(s)分别无源RC外积分环节、有源外积分环节、高通滤波环节传递函数。

由于H₁(s)、H₂(s)、H₃(s)、H₄(s)相互级联，因此复合积分环节传递函数为

对比分析幅频特性，若使T_L＝T_h，T₀＝T₁，T₂＝T_a，则上式可进一步化简成其中，M/T₀为其灵敏度。其幅频特性如图6所示。

由图4可知，复合积分器其基本原理是通过各个环节频带的合理配置达到拓宽测量频带的功能。基于复合积分电路原理并在此线圈基础上计算出复合积分线圈传感器基本参数，设计时考虑常用元器件的标称值，并基于如下要求：

1)下限频率扩展到f_L＝1/2πT_L＜1KHz；

2)灵敏度S＝M/T₀＝100mV/A；

3)保证R₁×R_L。

检测局部放电信号与容性电流的传感器结构如图7所示：其包括检测局部放电信号与容性电流的传感器上片17、检测局部放电信号与容性电流的传感器下片18、传感器接头19及用于连接检测局部放电信号与容性电流的传感器上片17和检测局部放电信号与容性电流的传感器下片18的开合中轴20，使连接检测局部放电信号与容性电流的传感器上片17和检测局部放电信号与容性电流的传感器下片18可相对转动。

三：信号处理装置4

信号处理装置4由信号处理单元A和信号处理单元B两部分组成；信号处理单元A主要功能是对检测局部放电信号与容性电流的传感器耦合到的信号进行放大、滤波、检波处理等，使高频脉冲信号和容性电流信号能有效被数据采集模块采集到。在信号处理单元A中，经过滤波模块，信号隔离放大模块，最终送到信号分离单元，通过分频技术，把接收到的信号分为频率在0-1MHz的低频信号和频率在1MHz-30MHz的高频信号。低频信号通过信号检波模块得到50Hz的电缆绝缘容性电流，通过第一输出口9输出。高频信号即为电缆高频局部放电信号，通过第二输出口8输出。信号处理单元B主要功能是处理母线电流采集器2采集到的高压电缆1传输负荷信号，经过信号隔离模块，并通过限幅电路和阻抗匹配电路，通过第三输出口7输出电缆传输的实时负荷值。其原理图如图8所示。

本技术方案与现有技术相比具有以下优点

(1)传统的高压电缆1传感器需要另配电源进行供电，增加了设备使用的复杂性，本发明设计了电力电缆金属屏蔽层环流取能装置，无需外加电源，也节约了一定资源。

(2)传统的电力电缆故障检测传感器只有采集单一信号的能力，如特高频传感器只能用来采集高频局部放电信号、电缆绝缘容性传感器只能用来检测高压电缆地线流过的容性电流；高压电缆电流传感器只能用来监测流过电缆的传输负荷。本发明设计一种多功能传感器，它主要由电缆屏蔽层环流取能装置3、母线电流采集器2、用于检测局部放电信号与容性电流的传感器和信号处理装置4四部分组成。可以同时采集高频局放信号、电缆绝缘容性电流、电缆传输负荷。有效地提高了电力电缆的故障检测效率，降低了电力系统的在电力电缆故障监测方面的传感器制造成本。

以上图所示的一种多功能高压电缆监测用传感器是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于包括：

用于检测局部放电信号与容性电流的宽频电流传感器；

用于获取母线电流的母线电流采集器；

用于信号处理的信号处理装置，其与宽频电流传感器相连，对宽频电流传感器输出信号进行处理以获得高频脉冲信号、容性电流信号；与母线电流采集器相连，对母线电流采集器输出信号进行处理以获得实时负荷值；

用于从母线中获取电能的电缆屏蔽层环流取能装置，其与信号处理装置相连，以对信号处理装置进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的电缆屏蔽层环流取能装置包括电流互感器、保护反馈控制模块、超级电容充电管理模块、输出控制模块；电流互感器从母线感应能量并供后级使用；所述的保护反馈控制模块根据后级对能量的需求自动调节输送到后级的能量大小，同时抑制瞬态峰值电流保护后级电路不被损伤，解决后级空载时的互感器震动问题；充电管理模块根据互感器线圈感应的能量动态调节对超级电容的充电电压和充电电流，达到互感器功率输出最大化的同时保护超级电容等后级电路及元器件；输出控制模块监视超级电容的储能状况对负载设备提供直流能量。

3.根据权利要求2述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的保护反馈控制模块包括瞬态抑制子模块、反馈斩波泄放控制子模块，所述的瞬态抑制子模块包括瞬态吸收保护单元、整流滤波单元、稳压单元；所述的反馈斩波泄放控制子模块包括反馈电路、斩波控制单元、能量泄放单元。

4.根据权利要求1所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的母线电流采集器包括线圈、信号调整电路、积分电路、移相电路、模/数转换电路、电光转换电路，母线电流采集器在高压侧通过线圈感应出与被测母线电流的变化率成线性关系的信号，该信号经过调理电路、积分电路、移相电路输出后，与被测电流同相位，成正比；模/数转换电路将移相电路输出的模拟信号转换成数字信号，然后驱动光源将数字电信号转换成光信号，通过将高压电缆的电流信息转换成光数字信号形式通过光纤传输到低压侧，送入信号处理装置。

5.根据权利要求4所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的母线电流采集器为锯齿开合式母线电流采集器。

6.根据权利要求5所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：母线电流采集器的磁路长度为72cm，线圈匝数为200匝。

7.根据权利要求1所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的宽频电流传感器包括磁芯、罗高夫斯基线圈、滤波和采样单元以及电磁屏蔽盒；罗高夫斯基线圈绕在磁芯上，所述的罗高夫斯基线圈及滤波和采样单元均安装在金属屏蔽盒中。

8.根据权利要求7所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：宽频电流传感器的信号频带范围为0～30MHZ,精度高于0.02，检测局部放电信号时灵敏度<10pC。

9.根据权利要求7所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的宽频电流传感器的工作状态为自积分和外积分工作状态相结合的复合式积分工作状态，其包括罗氏线圈高频自积分环节、无源RC中频外积分环节、有源RC低频积分环节和高频滤波环节。

10.根据权利要求1所述的一种多功能高压电缆监测用传感器，其特征在于：所述的信号处理装置包括第一信号处理单元和第二信号处理单元；

第一信号处理单元对检测局部放电信号与容性电流的传感器耦合到的信号进行放大、滤波、检波处理，使高频脉冲信号和容性电流信号能有效被数据采集模块采集到；在第一信号处理单元中，经过滤波模块，信号隔离放大模块，最终送到信号分离单元，通过分频技术，把接收到的信号分为频率在0-1MHz的低频信号和频率在1MHz-30MHz的高频信号；低频信号通过信号检波模块得到50Hz的电缆绝缘容性电流，通过第一输出口输出，高频信号即为电缆高频局部放电信号，通过第二输出口输出；

第二信号处理单元处理母线电流采集器采集到的高压电缆传输负荷信号，经过信号隔离模块，并通过限幅电路和阻抗匹配电路，通过第三输出口输出电缆传输的实时负荷值。