CN108459244A - 基于uhf与hfct联合的电力电缆局部放电检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对金属护层交叉互联方式下三相电力电缆绝缘的局部放电检测，为提出对电力电缆绝缘局部放电缺陷进行诊断和识别的基于特高频和高频电流联合的电力电缆局部放电检测系统。为此，本发明采用的技术方案是，基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，包括：依次串接的特高频信号采集单元、数据采集及传输单元；依次串接的高频信号采集单元、数据采集及传输单元；主机和无线同步模块。本发明主要应用于相电力电缆绝缘的局部放电检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对金属护层交叉互联方式下三相电力电缆绝缘的局部放电检测，特别是涉及一种基于双CT法的双端局部放电故障检测，具体讲,涉及基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统。
背景技术
交联聚乙烯电缆(Cross-linked Polyethylene,XLPE)是构成城市供电和主网架的重要环节，由于采用直埋、排管、沟道和隧道等方式敷设，敷设环境与使用状态会极大影响电缆寿命，在投入使用后，不仅受到电场作用、机械作用、热作用，还受到环境因素的影响，在这些因素的共同作用下，电缆绝缘易发生老化，导致局部放电，这是引发电网事故的重要原因。运行经验表明，投运初期(一般为1-5年)电缆及附件或敷设安装的质量问题易发生局部放电，引起绝缘故障；投运中期(5-25年)电缆发生的故障类型较多，如由于受到外力破坏而导致电缆绝缘受损、电缆附件界面发生放电、电缆绝缘老化等引起的线路故障；投运末期(25年后)电缆附件发生老化或电缆绝缘的电老化、热老化导致电缆线路发生局部放电，导致绝缘故障的概率急剧增加。因此，为保证电缆安全可靠的运行，对其绝缘进行实时监测显得尤为重要。
然而，国家电网公司和南方电网公司所属电力公司每年均有多起电力电缆绝缘故障发生，造成巨大经济损失和社会影响。典型的如2016年6月西安变电站发生爆炸，起因是某处XLPE 电缆中间接头击穿，造成8.65万户用户停电。截至2012年底，国家电网公司系统在运6-500kV 电缆线路总长度为312441公里，同比增加29800公里，增长10.5％，其中XLPE电缆占据99.0％， 2012年国家电网公司系统共发生电缆设备故障1844回次。传统的离线检测方法增加了电力设备运行费用和停电时间，甚至增加设备的故障率，并且在检修间隔还是会有故障发生的概率，已经无法满足电力生产和人民生活的实际需求。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检测，如何准确，有效判断运行中的电力电缆绝缘是否被击穿，根据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，找出相应特征信号能够表征电力电缆绝缘性能良好，并给出相应判据，提高系统运行的安全可靠性，是目前长距离电缆绝缘局部放电检测的关键。
目前对于高压电力电缆检测技术中，应用最广泛的主要是局部放电法，主要采用如下几类传感器：1)基于罗氏线圈原理研制的传感器，超高频电感法等电磁感应传感器；2)基于电容耦合原理研制的传感器；3)基于超声波原理研制的传感器。
高频电流法是电力电缆局部放电检测中的常用方法，通过XLPE电缆接头接地线上或电力电缆本体上安装高频电流传感器(High Frequency Current Transformer,HFCT)，可以耦合高频脉冲电流流经通路上所产生的电磁场信号。高频电流法的检测频带通常在几百千赫兹到几十兆赫兹，能够有效地获取局部放电信号。高频电流传感器安装方便，是一种非侵入式的检测方法，安全可靠，高频电流传感器采用Rogowski线圈结构，当一次待测导体中加载电流时，传感器通过Rogowski线圈在二次测产生感应电动势，同时在线圈的输出端并联一个积分电阻，通过积分电阻上的电压输出反映一次导体中的电流。
特高频检测法(ultra high frequency,UHF)是指电力设备内发生局部放电时的电流脉冲(上升沿为纳秒级)能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，通过检测这种电磁波信号来实现局部放电检测。特高频检测法检测频段高(通常为300-3000MHz)，具有抗干扰能力强，检测灵敏度高等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、定位和故障类型识别。
Zigbee串口模块是基于Zigbee2007/PRO协议栈的2.4G Zigbee无线串口透明传输通信模块。模块基于TI高性能低功耗的2.4G射频收发芯片CC2530及大功率低噪声射频前端芯片 CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zigbee无线传感网络的组网。
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UHF天线和HFCT传感器的局部放电检测技术，对电力电缆绝缘局部放电缺陷进行诊断和识别的基于特高频和高频电流联合的电力电缆局部放电检测系统。为此，本发明采用的技术方案是，基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，包括：依次串接的特高频信号采集单元、数据采集及传输单元；依次串接的高频信号采集单元、数据采集及传输单元；主机和无线同步模块，其中：
特高频信号采集单元用以获取局部放电特高频信号，包括依次串接的特高频天线、特高频放大电路、特高频滤波电路、特高频检波电路以及特高频反馈放大电路和特高频稳压电路，所述的特高频反馈放大电路和特高频稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元，所述的数据采集及传输单元的输出端通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
高频信号采集单元用以获取局部放电高频信号，包括依次串接的高频电流传感器、高频放大电路、高频滤波电路、高频检波电路以及高频反馈放大电路和高频稳压电路，所述的高频反馈电路和高频稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元；
主机上设置有数据分析单元，用于获取从特高频局放检测模块或高频局放检测模块传输过来的数据，并进行局部放电相位谱图PRPD(Phase Resolved Partial Discharge)和脉冲序列相位谱图PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence)的描点，将结果显示在人机界面上，并可进行数据存储和读取。
所述的特高频天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺旋复合构成的PCB型外置天线，其表面附有厚度为1mm的环氧树脂浇注层，天线外壳内部为中空反射腔，外部螺纹接BNC头，所述的特高频放大电路采用两个型号为ADL5545芯片实现的二级放大电路，特高频检波电路采用SMS7630高频二极管，特高频反馈放大和特高频稳压电路采用AD8056芯片实现的电压反馈放大。
高频电流传感器为罗格夫斯基线圈构成的以镍锌为铁芯的电感型传感器，信号由高频传输导线引出，终端接BNC接头，并用外壳包装起来，所述的高频放大电路采用UA733和AD8056和TL3016芯片构成的三级放大电路，高频检波电路采用型号为1N4414的肖特基二极管。
数据分析单元采用双CT法对长距离电缆绝缘中的局部放电信号进行分析，再根据局部放电信号在电缆传播过程中的函数关系对放电点的位置进行定位，当被测信号来自电缆内部的局部放电信号时，测得放电点到达电缆两端的时间应满足关系式
v(t2-t1)＜l
假设当电缆AB线路中的某一点F发生局部放电且靠近A端时，得下列方程组：
式中：v表示局部放电信号在电缆中的传播速度，l表示电缆AB的长度，t1表示在A端测到放电信号时刻，t2表示在B端测到放电信号时刻，t3表示在A端测到放电行波反射回来的信号时刻，求得放电点F距电缆A端的距离x为：
本发明的特点及有益效果是：
(1)高频电流传感器能够直接安装在电力电缆铠装护套引出的接地线或电力电缆本体上，解决目前局部放电检测设备中所用传感器灵敏度低，干扰严重，安装要求环境苛刻等缺点；
(2)复合型螺旋天线具有更好的截止频率和更小的尺寸，能够更加准确捕捉到局部放电信号，并且采用高频和特高频配合，能够有效去除部分干扰信号；
(2)主机分析功能强大，具有数据对比库和分析模式，能够查阅存储历史数据，并能够自行定义图片编号和日期，从PRPD和PRPS两种谱图协同分析局部放电特征，并进行模式识别；
(3)具备多种图形参数设置功能，可进行可视化降噪功能，可设定阈值和采样间隔以及电源频率等；
(4)完全数字化显示，界面更加直观，简洁明了，人机交互友好；
(5)与现有检测技术和检测设备相比，本发明检测安全、迅速、准确，便于工作人员操作设置和诊断，采用高频和特高频相结合的检测系统更具优势，能够实现准确的信号捕捉，不必考虑金属护层交叉互联与否，通过将采集结果通过无线传输至数据分析单元，可以实现对电力电缆绝缘状态的精确检测，做到放电故障的及时排查。
附图说明：
图1是本发明的系统结构框图；图中：
a局部放电检测系统框图；
b高频电流脉冲局部放电检测系统框图；
c特高频局部放电检测系统框图。
图2是本发明的特高频天线外观；
图3是本发明的高频电流传感器外观；
图4是本发明的无线同步模块外观；
图5是人机界面存储设置部分；
图6是双CT法电力电缆局部放电信号定位原理图。
具体实施方式
本发明涉及一种针对金属护层交叉互联方式下三相电力电缆绝缘的局部放电检测，特别是涉及一种基于双CT法的双端局部放电故障检测，通过将特高频天线和高频电流传感器相结合，能够保持高灵敏度对运行的电力电缆绝缘内部局部放电进行检测，并通过信号采集和信号处理传输至主机，进而从多个角度描述电力电缆局部放电特征的基于UHF和HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于特高频和高频电流联合的电力电缆局部放电检测系统，包括依次串接的特高频信号采集单元、数据采集及传输单元；依次串接的高频信号采集单元、数据采集及传输单元；主机数据分析单元、人机界面和无线同步模块，其中：
特高频信号采集单元用以获取局部放电特高频信号，包括依次串接的特高频放大电路、滤波电路、检波电路以及反馈放大电路和稳压电路，所述的反馈放大电路和稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元；
特高频数据采集及传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用高速ARM芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输，所述的数据采集及传输单元的输出端通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
高频信号采集单元用以获取局部放电高频信号，包括依次串接的高频放大电路、滤波电路、检波电路以及反馈放大电路和稳压电路，所述的反馈电路和稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元；
高频数据采集及传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用高速ARM芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输，所述的数据采集及传输单元的输出端通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
主机上设置有数据分析单元，用于获取从特高频局放检测模块或高频局放检测模块传输过来的数据，并进行局部放电相位谱图PRPD(Phase Resolved Partial Discharge)和脉冲序列相位谱图PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence)的描点，将结果显示在人机界面上，并可进行数据存储和读取。
无线同步模块用以提供真实的交流电频率作为信号脉冲的相位，以便准确绘制PRPD谱图，使用市电作为电源。
所述的特高频天线采用一端为BNC接头，另一端为高频RF头的传输线。
所述的特高频天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺线复合的外置型天线。
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。
下面结合附图给出具体实例，进一步说明本发明的基于UHF和HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统是如何实现的。
本发明的主要目的在于通过UHF天线和HFCT联合进行电力电缆局部放电检测，实现高灵敏度和准确度检测运行的电力电缆绝缘水平的局部放电情况，从PRPD和PRPS谱图两个方面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。本发明的目的能够通过以下措施来达到：提供一种基于双CT法的电力电缆局部放电检测系统，即一种基于特高频天线和高频电流传感器联合实现电力电缆局部放电的动态和高灵敏度检测。
图1为本发明的系统结构框图，如图1所示，本发明的基于特高频天线和高频电流传感器联合的局部放电检测系统，可用于10kV及以上电压等级的电力电缆局部放电检测。包括：依次串接的特高频信号采集单元、数据采集及传输单元；依次串接的高频信号采集单元、数据采集及传输单元；主机数据分析单元、人机界面、无线同步单元。其中，
特高频信号采集单元用以获取特高频局部放电信号，包括依次串接的特高频天线(UHF)、放大电路、滤波电路、检波电路以及反馈放大和稳压电路，所述的反馈放大和稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元；所述的特高频天线如图2所示，采用由阿基米德螺旋和平面等角螺旋复合构成的PCB型外置天线，其表面附有厚度为1mm的环氧树脂浇注层，天线外壳内部为中空反射腔，外部螺纹接BNC头，可避免外部串扰。所述的放大电路采用两个型号为ADL5545芯片实现的二级放大电路，检波电路采用SMS7630高频二极管，反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片实现的电压反馈放大。
当电力电缆发生局部放电时，会在放电点产生持续时间仅为纳秒级的脉冲电流，激发出的电磁波会透过环氧材料浇注层，通过外置式特高频天线耦合成电压信号，同时将其送入到放大滤波电路，此处需要进行放大电路进行放大，然后需要过滤掉干扰噪声，比如工频干扰等外界信号，信号经滤波后进行检波。三阶巴特沃兹高通滤波器将频带设定在五百兆赫兹以上，有效避开电晕等干扰信号，用以捕获准确的局部放电信号。
数据采集及传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至后续单元。采用高性能STM32系列ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用高性能ARM芯片自带的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，同时通过UART串口通信，与传输单元发送模块相连接，将采集到的信号进行编码，通过无线传输至主机。所述的传输单元采用ZAuZx_T系列Zigbee串口透传模块实现无线传输通信。
高频信号采集单元用以获取高频局部放电信号，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，所述的检波电路的输出端连接至数据采集及传输单元；所述的高频电流传感器如图3所示，采用罗格夫斯基线圈构成的以镍锌为铁芯的电感型传感器，信号由高频传输导线引出，终端接BNC接头，并用外壳包装起来，以避免外部干扰。所述的放大电路采用UA733和AD8056和TL3016芯片构成的三级放大电路，检波电路采用型号为1N4414的肖特基二极管。
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为三兆赫兹以上，有效避开干扰信号，用以获取更加准确的局部放电信号。
数据采集及传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至后续单元。采用高性能STM32系列ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用高性能ARM芯片自带的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，同时通过UART串口通信，与传输单元发送模块相连接，将采集到的信号进行编码，通过无线传输至主机。所述的传输单元采用ZAuZx_T系列Zigbee串口透传模块实现无线传输通信。
主机数据分析单元用于对局部放电数据进行分析以及进行PRPD和PRPS的描点，并且对电力电缆的局部放电状态做出判断，将分析的结果进行存储和查询。采用高性能ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用STM32系列高性能ARM芯片，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局部放电信号脉冲个数，以所测量的局部放电脉冲信号值的大小以及脉冲个数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱，以此进行PRPD和PRPS谱图的描点，单位为dB。
人机界面用于显示整个系统的检测结果和实现参数设定和控制。直观地显示整个系统的检测结果，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和PRPS谱图和放电最大值和实时脉冲幅值，为运行人员提供参考。可进行数据存储和查询，能够根据晶振时钟自动分配时间日期和图片编号，可使用8GB的SD闪存卡进行存储。工作人员通过此人工界面实现对于局部放电检测系统的相关设定、操作，具体为设定告警阈值和采集点数还有电源频率。
无线同步模块用于提供最准确的现场工频相位信号，并通过无线的方式传输至主机终端，具体方法是利用小型变压器再经过220V转5V的电源模块，通过AC/DC转换模块获取直流电压信号，搭建电压反馈的脉冲发生电路，通过Zigbee无线模块，将真实的工频周期信号发送至主机接收端。所述的电源模块型号为金升阳LD05-20B05，转换模块型号为A0505XT，电压反馈电路所用的芯片型号为OP37。
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UHF和HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，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)局部放电检测。本发明利用UHF天线和HFCT传感器钳装在电力电缆本体、中间接头接地线、交叉互联线、交叉互联箱及电力电缆终端接地线上。当电力电缆内发生局部放电时，UHF天线耦合电力电缆传导出来的横向电磁波信号，HFCT传感器感应电力电缆内部产生的高频脉冲电流信号，分别经过放大滤波和检波电路进行处理后，得到能够送至ARM的有效采集脉冲信号，经过A/D数模转换后，经UART串口传至Zigbee模块，通过无线传输送至主机终端，主机终端可通过无线同步模块获取准确的交流电频率，使得主机获取准确的脉冲周期时间，绘制准确的PRPD和PRPS谱图；另一方面工作人员可以通过主机终端使用主动方式将采集命令和参数设置指令发送至UHF检测单元和HFCT检测单元中。同时主机还提供人机界面和数据存储和查询功能，并实时输出PRPD和PRPS谱图，经过分析统计后得到局部放电的特征量，分别比对多种表达不同局部放电特征的局部放电量的相位分布图，放电量分布图和放电次数的相位分布图，识别局部放电的特征和归类。
(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：采用双CT 法对长距离电缆绝缘中的局部放电信号进行测量，再根据局部放电信号在电缆传播过程中的函数关系对放电点的位置进行定位。以单相电缆为例，当被测信号来自电缆内部的局部放电信号时，测得放电点到达电缆两端的时间应满足关系式
v(t2-t1)＜l
假设当电缆AB线路中的某一点F发生局部放电且靠近A端时，可得下列方程组：
式中：v表示局部放电信号在电缆中的传播速度，可求得放电点F距电缆A端的距离为：
在电缆局部放电定位中，行波波速可能会有所变化，可以看出放电点的计算公式中不含波速，消除了波速对放电点位置的影响。
Claims (4)
1.一种基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，其特征是，包括：依次串接的特高频信号采集单元、数据采集及传输单元；依次串接的高频信号采集单元、数据采集及传输单元；主机和无线同步模块，其中：
特高频信号采集单元用以获取局部放电特高频信号，包括依次串接的特高频天线、特高频放大电路、特高频滤波电路、特高频检波电路以及特高频反馈放大电路和特高频稳压电路，所述的特高频反馈放大电路和特高频稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元，所述的数据采集及传输单元的输出端通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
高频信号采集单元用以获取局部放电高频信号，包括依次串接的高频电流传感器、高频放大电路、高频滤波电路、高频检波电路以及高频反馈放大电路和高频稳压电路，所述的高频反馈电路和高频稳压电路的输出端连接至数据采集及传输单元；
主机上设置有数据分析单元，用于获取从特高频局放检测模块或高频局放检测模块传输过来的数据，并进行局部放电相位谱图PRPD(Phase Resolved Partial Discharge)和脉冲序列相位谱图PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence)的描点，将结果显示在人机界面上，并可进行数据存储和读取。
2.如权利要求1所述的基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，其特征是，所述的特高频天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺旋复合构成的PCB型外置天线，其表面附有厚度为1mm的环氧树脂浇注层，天线外壳内部为中空反射腔，外部螺纹接BNC头，所述的特高频放大电路采用两个型号为ADL5545芯片实现的二级放大电路，特高频检波电路采用SMS7630高频二极管，特高频反馈放大和特高频稳压电路采用AD8056芯片实现的电压反馈放大。
3.如权利要求1所述的基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，其特征是，高频电流传感器为罗格夫斯基线圈构成的以镍锌为铁芯的电感型传感器，信号由高频传输导线引出，终端接BNC接头，并用外壳包装起来，所述的高频放大电路采用UA733和AD8056和TL3016芯片构成的三级放大电路，高频检波电路采用型号为1N4414的肖特基二极管。
4.如权利要求1所述的基于UHF与HFCT联合的电力电缆局部放电检测系统，其特征是，数据分析单元采用双CT法对长距离电缆绝缘中的局部放电信号进行分析，再根据局部放电信号在电缆传播过程中的函数关系对放电点的位置进行定位，当被测信号来自电缆内部的局部放电信号时，测得放电点到达电缆两端的时间应满足关系式：
v(t2-t1)＜l
假设当电缆AB线路中的某一点F发生局部放电且靠近A端时，得下列方程组：
式中：v表示局部放电信号在电缆中的传播速度，l表示电缆AB的长度，t1表示在A端测到放电信号时刻，t2表示在B端测到放电信号时刻，t3表示在A端测到放电行波反射回来的信号时刻，求得放电点F距电缆A端的距离x为：
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Application publication date: 20180828 |
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