CN108169536A - 一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置及方法，装置包括电流传感器、就地控制器和后台计算机；首先将电流传感器安装于电力电缆的接地线上实时采集电力电缆的接地环流信息，并将采集电力电缆的接地环流信息发送给就地控制器；然后就地控制器对接收的接地环流信息进行实时显示并上传给后台计算机；最后后台计算机根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以曲线和状态地图的方式对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。本发明能够对电缆隧道内电力电缆的接地环流进行有效监测，降低了电缆隧道内电力电缆的接地环流故障率。

Description

一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置及方法

技术领域

本发明涉及电缆接地环流监测技术领域，具体地说是一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置及方法。

背景技术

电力电缆在我国的基础设施中处于非常重要的地位，随着我国电力行业的发展，电力电缆已经取代了传统的架空线路，与传统的架空线路相比，电力电缆存在巨大的优势，不仅能够节省空间，还能够防止恶劣天气带来的安全隐患。

电力电缆常年埋在地下，周围环境复杂，给电力电缆的安全运行带来了一些隐患，电缆隧道虽然能够解决埋地电缆的一些问题，但是由于电缆隧道复杂的运行环境，极易造成电缆隧道存在积水、潮湿和通风性差等现象，导致电力电缆的绝缘性降低，甚至出现破损，因此，电力电缆的故障率始终比较高。电力电缆正常运行时，电缆线芯电流产生的交变磁场会在金属护层上产生感应电压，为了保证电力电缆的安全运行，要求电缆金属护套至少有一端接地，按照规定，单芯电缆金属护套接地环流一般不大于负荷电流10％的，环流过大，会造成电缆损耗发热，导致电缆局部发热影响载流量，加速绝缘老化，会造成引线接点或焊接点由于可能出现的连接不良而使温度局部升高，危及电缆线路的安全运行。电缆护套环流大小能够客观的反应电力线路的工作状况，由于电缆接地环流的本身特性不同，传统的电磁式电流互感器因其传感原理而出现不可克服的问题：例如：宽频谱特性；宽量程特性；若输出端开路，产生高电压对周围设备和人员存在潜在的威胁；易受电磁干扰等。

因此，为适应电力系统的快速发展，必须研制利用其它传感原理的电流互感器，并通过接地环流分析电缆运行的状况来诊断电缆环流的故障，从而保证电力系统的安全运行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置及方法，其能够对电缆隧道内电力电缆的接地环流进行有效监测，降低电缆隧道内电力电缆的接地环流故障率。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，它包括电流传感器、就地控制器和后台计算机；所述电流传感器安装于电力电缆的接地线上，用于采集电力电缆的接地环流信息；所述就地控制器用于对实时采集的接地环流信息进行显示并上传给后台计算机；所述后台计算机用于根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以此对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。

作为本实施例另一种可能的实现方式，所述电流传感器包括罗氏线圈、复合积分器、A/D转换电路和E/O转换电路，所述罗氏线圈套设在电力电缆的接地线上，罗氏线圈的输出侧与复合积分器的输入端连接，所述复合积分器的输出端与A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输出端与E/O转换电路的输入端连接，所述E/O转换电路的输出端通过光纤与就地控制器连接。

作为本实施例另一种可能的实现方式，所述复合积分器包括罗氏线圈高频自积分电路、无源RC中频积分电路和有源RC低频积分电路。

作为本实施例另一种可能的实现方式，所述就地控制器包括O/E转换电路、串并转换电路、微处理器、lora模块和电源模块，所述O/E转换电路的输入端通过光纤与E/O转换电路的输出端连接，输出端与串并转换电路的输入端连接，串并转换电路的输出端与微处理器的信号输入端连接，所述微处理器与LoRa模块交互式连接。

作为本实施例另一种可能的实现方式，所述电源模块包括TPS61099电源管理芯片U1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2和电感L1，所述电容C1的一端分别与可充电电池的接线端、电感L1的一端以及TPS61099电源管理芯片U1的VIN引脚和EN引脚连接，输出端分别与3.8V接线端和TPS77033电源管理电路的输入端连接，电容C1的另一端接地，所述电感L1的另一端与TPS61099电源管理芯片U1的SW引脚连接,TPS61099电源管理芯片U1的VOUT引脚分别与电阻R1的一端、电容C2的一端和输出接线端VDD连接，TPS61099电源管理芯片U1的FB引脚分别与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接，TPS61099电源管理芯片U1的GND引脚和电阻R2的另一端相连后接地，所述电容C2的另一端接地。

另一方面，本发明实施例提供的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，它包括以下步骤：

步骤1，将电流传感器安装于电力电缆的接地线上实时采集电力电缆的接地环流信息，并将采集电力电缆的接地环流信息发送给就地控制器；

步骤2，就地控制器对接收的接地环流信息进行实时显示并上传给后台计算机；

步骤3，后台计算机根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以曲线和状态地图的方式对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。

作为本实施例另一种可能的实现方式，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11，套设在电力电缆的接地线上罗氏线圈采集由于电缆线芯电流产生的交变磁场导致在金属护层上产生的感应电压，

步骤12，复合积分器对采集的感应电压信号进行滤波和限幅信号调理；

步骤13，A/D转换电路将经过滤波和限幅信号调理的信号转换成数字信号；

步骤14，E/O转换电路将数字信号调制成光信号，并通过光纤传输光信号。

作为本实施例另一种可能的实现方式，在步骤12中，所述复合积分器包括罗氏线圈高频自积分电路、无源RC中频积分电路和有源RC低频积分电路，分别对感应电压信号中高、中、低频信号进行滤波和限幅处理。

作为本实施例另一种可能的实现方式，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，O/E转换电路将光信号调制成数字信号；

步骤22，串并转换电路将以串行传输方式接收的数字信号以并行传输方式发送给微处理器；

步骤23，微处理器将接收到的接地环流信息以曲线方式进行实时显示；

步骤24，lora模块将微处理器将接收到的接地环流信息以无线通信方式发送给后台计算机。

作为本实施例另一种可能的实现方式，在步骤3中，后台计算机安装有采用labview软件进行开发的接地环流信息实时监控程序，该接地环流信息实时监控程序具有数据提取、终端数据显示、数据存储和越界报警功能。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

一方面，本发明实施例技术方案提供的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置包括电流传感器、就地控制器和后台计算机；所述电流传感器安装于电力电缆的接地线上，用于采集电力电缆的接地环流信息；所述就地控制器用于对实时采集的接地环流信息进行显示并上传给后台计算机；所述后台计算机用于根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以此对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。通过实时采集接地环流信息对电力电缆的接地环流进行实时监测，降低了电缆隧道内电力电缆的接地环流故障率。

另一方面，本发明实施例技术方案提供的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，首先将电流传感器安装于电力电缆的接地线上实时采集电力电缆的接地环流信息，并将采集电力电缆的接地环流信息发送给就地控制器；然后就地控制器对接收的接地环流信息进行实时显示并上传给后台计算机；最后后台计算机根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以曲线和状态地图的方式对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。通过实时采集接地环流信息对电力电缆的接地环流进行实时监测，降低了电缆隧道内电力电缆的接地环流故障率。

与现有技术相比较，本发明实施例技术方案具有以下优点：

(1)采用的电流互感器具有宽量程、宽频谱、高精度等优点。

(2)能够有效采集接地环流信息，可以准确的分析接地环流信息。

(3)采用模块化设计，结构简单易操作。

(4)采用光信号进行传输数据，保证了数据的准确性。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置的原理框图图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置的具体结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置的电源模块的电路图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法的流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

电力电缆在电缆芯的外部从内到外依次设置有主绝缘层、金属护层和外绝缘层，当其电缆芯流经电流时会在一定空间内产生电磁场，这种现象会影响到电缆的金属护层，在金属护层上产生感应电动势，称为感应电压。当流经的电缆芯电流增大，其周围磁场相应的增强，在金属护层上所引起的感应电压也就相应的增大，当电缆线路发生故障或金属护层裸露造成金属护层短接时，金属护层就会与大地之间构成一个有效的电流通路，在其感应电压的条件下产生回路电流，即电缆的接地环流。因此，本发明通过对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控来实现电力电缆接地环流的监测。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，它包括电流传感器、就地控制器和后台计算机；所述电流传感器安装于电力电缆的接地线上，用于采集电力电缆的接地环流信息；所述就地控制器用于对实时采集的接地环流信息进行显示并上传给后台计算机；所述后台计算机用于根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以此对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。

在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述电流传感器包括罗氏线圈、复合积分器、A/D转换电路和E/O转换电路，所述罗氏线圈套设在电力电缆的接地线上，罗氏线圈的输出侧与复合积分器的输入端连接，所述复合积分器的输出端与A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输出端与E/O转换电路的输入端连接，所述E/O转换电路的输出端通过光纤与就地控制器连接。

A/D转换电路主要采用ADS7805高速转换器，ADS7805采用CMOS工艺制造，具有转换速度快、功耗低等优点。E/O转换电路采用LTX-510电光转换器，电信号经过调制电路的输出去驱动光源，在光源处实现电光转换，把电信号变为携带信息的光信号。光源采用发光二极管LED，光信号通过光纤传输到接收部分，在此光纤仅作为传输媒介。在低压区的接收部分，由光探测器PNI光电二极管实现光电转换，将光信号变为电信号通过光纤将模拟信号或数字信号转换成远程控制。

该电流传感器具有宽量程、宽频谱、高精度的特点，其使用的频率范围从几Hz到几MHz，测量电流的大小从几A到数百kA的测量范围而且可以方便地实现对高压回路的隔离测量能够将接地环流的信息采集，满足接地环流监测的要求。

在一种可能的实现方式中，所述复合积分器包括罗氏线圈高频自积分电路、无源RC中频积分电路和有源RC低频积分电路，分别对感应电压信号中高、中、低频信号进行滤波和限幅处理。

在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述就地控制器包括O/E转换电路、串并转换电路、微处理器、lora模块和电源模块，所述O/E转换电路的输入端通过光纤与E/O转换电路的输出端连接，输出端与串并转换电路的输入端连接，串并转换电路的输出端与微处理器的信号输入端连接，所述微处理器与LoRa模块交互式连接。

微处理器主要选用STM32F10ZET6，STM32F10ZET6微处理器是32位基于ARM核心的带512字节闪存的微控制器。STM32F10ZET6含有3个12位数模转换器，能够满足数据采集的要求。微处理器能够对接地环流信息进行实时的曲线显示，能够根据接地环流信息计算出电缆中的谐波信息，并可将接地环流信息传送给后台计算机。

微处理器与后台计算机通过lora模块通信。Lora模块采用SX1278无线串口模块，SX1278无线串口模块可用于超长距离扩频通信，抗干扰能力强，能够最大限度的降低电流消耗，能够满足接地环流数据采集的需要。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，所述电源模块包括TPS61099电源管理芯片U1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2和电感L1，所述电容C1的一端分别与可充电电池的接线端、电感L1的一端以及TPS61099电源管理芯片U1的VIN引脚和EN引脚连接，输出端分别与3.8V接线端和TPS77033电源管理电路的输入端连接，电容C1的另一端接地，所述电感L1的另一端与TPS61099电源管理芯片U1的SW引脚连接,TPS61099电源管理芯片U1的VOUT引脚分别与电阻R1的一端、电容C2的一端和输出接线端VDD连接，TPS61099电源管理芯片U1的FB引脚分别与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接，TPS61099电源管理芯片U1的GND引脚和电阻R2的另一端相连后接地，所述电容C2的另一端接地。TPS61099电源管理电路用于对可充电电池或外接电源的电压进行稳压处理，为系统输出稳定的电压。

在一种可能的实现方式中，所述电源模块还包括充放电管理电路，所述充放电管理电路分别与外接电源和可充电电池连接，用于对可充电电池进行充放电管理，在充电的同时给电源管理电路进行供电，可充电电池完全处于充电状态，充电过程中实时检测可充电电池充电状态，充满后停止为可充电电池充电；待外接电源掉电后，充放电管理电路控制可充电电池给电源管理电路进行供电，待可充电电池电量降至预置电压后停止可充电电池给电源管理电路进行供电，使电池进行保护状态。在需要持续工作的装置应用场合，如何延长电池使用寿命尤其显得非常重要，因此，充放电管理电路通过对可充电电池的充放电管理，减少了可充电电池的充放电次数，有效延长其使用寿命。

后台计算机那能够完成对接地环流信息的综合分析。后台计算机安装的相关程序采用labview软件进行开发，其主要功能包括数据接收、终端数据显示、数据存储以及越界报警等四个功能。后台计算机软件能够对根据整条隧道内的接地环流信息建立接地环流地形图，实时的对各个接地环流点进行数据显示，实现电缆隧道内接地环流的监测。

本实施例通过实时采集接地环流信息对电力电缆的接地环流进行实时监测，降低了电缆隧道内电力电缆的接地环流故障率。

图3是根据一示例性实施例示出的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法的流程图。如图3所示，本发明实施例提供的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，它包括以下步骤：

步骤1，将电流传感器安装于电力电缆的接地线上实时采集电力电缆的接地环流信息，并将采集电力电缆的接地环流信息发送给就地控制器；

步骤2，就地控制器对接收的接地环流信息进行实时显示并上传给后台计算机；

步骤3，后台计算机根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以曲线和状态地图的方式对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。

将电流传感器安装于电缆接地线，由于电缆线芯电流产生的交变磁场会在金属护层上产生感应电压，电流传感器采集到的接地环流信息经过信号调理处理后传送到就地控制器处理，就地控制器主要功能是数据的采集与显示，能够将电流传感器采集到的接地环流信息发送给后台计算机，就地控制器能够将A,B,C三相的接地环流以时间曲线的形式显示的显示屏上，并通过lora模块实现与后台计算机的通信，后台计算机能够对整条隧道的接地环流信息进行实时显示，当接地环流超过阈值进行预警。

在一种可能的实现方式中，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11，套设在电力电缆的接地线上罗氏线圈采集由于电缆线芯电流产生的交变磁场导致在金属护层上产生的感应电压，

步骤12，复合积分器对采集的感应电压信号进行滤波和限幅信号调理；

步骤13，A/D转换电路将经过滤波和限幅信号调理的信号转换成数字信号；

步骤14，E/O转换电路将数字信号调制成光信号，并通过光纤传输光信号。

在一种可能的实现方式中，在步骤12中，所述复合积分器包括罗氏线圈高频自积分电路、无源RC中频积分电路和有源RC低频积分电路，分别对感应电压信号中高、中、低频信号进行滤波和限幅处理。

在一种可能的实现方式中，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，O/E转换电路将光信号调制成数字信号；

步骤22，串并转换电路将以串行传输方式接收的数字信号以并行传输方式发送给微处理器；

步骤23，微处理器将接收到的接地环流信息以曲线方式进行实时显示；

步骤24，lora模块将微处理器将接收到的接地环流信息以无线通信方式发送给后台计算机。

在一种可能的实现方式中，在步骤3中，后台计算机安装有采用labview软件进行开发的接地环流信息实时监控程序，该接地环流信息实时监控程序具有数据提取、终端数据显示、数据存储和越界报警功能。

本实施例通过实时采集接地环流信息对电力电缆的接地环流进行实时监测，降低了电缆隧道内电力电缆的接地环流故障率。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，其特征是，包括电流传感器、就地控制器和后台计算机；所述电流传感器安装于电力电缆的接地线上，用于采集电力电缆的接地环流信息；所述就地控制器用于对实时采集的接地环流信息进行显示并上传给后台计算机；所述后台计算机用于根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以此对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。

2.如权利要求1所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，其特征是，所述电流传感器包括罗氏线圈、复合积分器、A/D转换电路和E/O转换电路，所述罗氏线圈套设在电力电缆的接地线上，罗氏线圈的输出侧与复合积分器的输入端连接，所述复合积分器的输出端与A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输出端与E/O转换电路的输入端连接，所述E/O转换电路的输出端通过光纤与就地控制器连接。

3.如权利要求1所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，其特征是，所述复合积分器包括罗氏线圈高频自积分电路、无源RC中频积分电路和有源RC低频积分电路。

4.如权利要求1至3任意一项所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，其特征是，所述就地控制器包括O/E转换电路、串并转换电路、微处理器、lora模块和电源模块，所述O/E转换电路的输入端通过光纤与E/O转换电路的输出端连接，输出端与串并转换电路的输入端连接，串并转换电路的输出端与微处理器的信号输入端连接，所述微处理器与LoRa模块交互式连接。

5.如权利要求4所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测装置，其特征是，所述电源模块包括TPS61099电源管理芯片U1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2和电感L1，所述电容C1的一端分别与可充电电池的接线端、电感L1的一端以及TPS61099电源管理芯片U1的VIN引脚和EN引脚连接，输出端分别与3.8V接线端和TPS77033电源管理电路的输入端连接，电容C1的另一端接地，所述电感L1的另一端与TPS61099电源管理芯片U1的SW引脚连接,TPS61099电源管理芯片U1的VOUT引脚分别与电阻R1的一端、电容C2的一端和输出接线端VDD连接，TPS61099电源管理芯片U1的FB引脚分别与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接，TPS61099电源管理芯片U1的GND引脚和电阻R2的另一端相连后接地，所述电容C2的另一端接地。

6.一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，将电流传感器安装于电力电缆的接地线上实时采集电力电缆的接地环流信息，并将采集电力电缆的接地环流信息发送给就地控制器；

步骤2，就地控制器对接收的接地环流信息进行实时显示并上传给后台计算机；

步骤3，后台计算机根据接收的接地环流信息建立接地环流实时曲线，并根据电缆隧道建立接地环流状态地图，以曲线和状态地图的方式对电缆隧道内电力电缆的接地环流信息进行实时监控。

7.如权利要求6所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，其特征是，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11，套设在电力电缆的接地线上罗氏线圈采集由于电缆线芯电流产生的交变磁场导致在金属护层上产生的感应电压，

步骤12，复合积分器对采集的感应电压信号进行滤波和限幅信号调理；

步骤13，A/D转换电路将经过滤波和限幅信号调理的信号转换成数字信号；

步骤14，E/O转换电路将数字信号调制成光信号，并通过光纤传输光信号。

8.如权利要求7所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，其特征是，在步骤12中，所述复合积分器包括罗氏线圈高频自积分电路、无源RC中频积分电路和有源RC低频积分电路，分别对感应电压信号中高、中、低频信号进行滤波和限幅处理。

9.如权利要求6所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，其特征是，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，O/E转换电路将光信号调制成数字信号；

步骤22，串并转换电路将以串行传输方式接收的数字信号以并行传输方式发送给微处理器；

步骤23，微处理器将接收到的接地环流信息以曲线方式进行实时显示；

步骤24，lora模块将微处理器将接收到的接地环流信息以无线通信方式发送给后台计算机。

10.如权利要求6至9任意一项所述的一种宽量程高精度的电缆隧道接地环流监测方法，其特征是，在步骤3中，后台计算机安装有采用labview软件进行开发的接地环流信息实时监控程序，该接地环流信息实时监控程序具有数据提取、终端数据显示、数据存储和越界报警功能。