CN108490329A - 配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，由电缆接地线电流传感器、电缆零序电流传感器、母线零序电压传感器、电缆接头温度传感器、以太网通讯装置、后台计算机组成。其中电缆接地线电流传感器安装在电缆接地线上，电缆零序电流传感器、母线零序电压传感器与电缆接头温度传感器安装在电缆出线上。电缆接地线电流传感器、电缆零序电流传感器、母线零序电压传感器和电缆接头温度传感器采集到的数据通过以太网通讯装置传送到后台计算机中进行处理。实时关注电缆运行情况，确保配电网安全运行的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置及监测方法。
Description
技术领域
本发明涉及的是电力设备与器材技术领域，具体涉及的是一种配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置及监测方法。
背景技术
交联聚乙烯电缆因其结构简单、质轻耐热、负载能力强、机械强度高等优点，在配电网得到广泛使用。交联聚乙烯电缆的设计使用寿命一般为30年，随着使用年限的增加，受热、氧、温度、湿度及机械应力等因素影响，电缆在使用中后期，绝缘层容易发生老化，出现树枝，导致绝缘击穿，引起单相接地故障，威胁供配电安全。
现阶段，电缆的绝缘状态判断主要是通过预防性试验来判断，即定期停电来对电缆进行测试。该方式无法探究运行中电缆的状态，对绝缘故障也不能实时反映，而且需要停电，对重要负荷的供电造成影响。
随着传感器技术、电力电子技术、微机技术的快速发展，状态监测相应发展起来。电缆绝缘发生老化过程中，会有电气、物理、化学等方面量的变化，通过采集、分析这些量的变化，实现对电缆状态的监测。在日本研制出基于GPS的监测系统，能够对陆地和海底电缆进行老化监测；在德国，将传感器、信号传输和后台数据处理组成一个连网的子系统，能够对电缆温度进行较为准确的测定。国内状态监测技术出现比较晚，杭州供电公司研发了采用PI数据库把温度、运行电缆电流及实时计算得到的载流量集中显示装置；昆明供电公司在新敷设的电缆系统中，通过监测电缆运行电流、护层电流、瞬间故障电流信号、局放信号及分布式测温光纤来监测电缆的运行状态。常用的电缆绝缘状态监测方法包括直流分量法、介损法、局部放电法、交流注入法等。直流分量法由绝缘层老化出现的树枝整流所得，但只有nA级，采集难度太大，极易淹没在噪声中；介损法利用老化电缆的容性电流分量与阻性电流分量比值得到，但反应的是整条电缆的绝缘情况，无法知悉局部状态；局部放电所得超声波或电磁波受电缆屏蔽层影响，难以有效采集；交流注入法操作复杂，不易现场普及应用。
总体上，我国对配电网交联聚乙烯电缆的状态监测研究还不是很深入，相应的装置现场应用不够成熟，急需研究一种能够有效、简便对配电网交联聚乙烯电缆进行绝缘监测的装置。
当电缆绝缘层发生老化时，电缆对地绝缘电阻与电容会发生变化，进而导致接地线电流发生变化，同时严重的老化会使供电电流出现零序电流，母线中出现零序电压，电缆接头的温度会出现一定程度的升高。以此作为特征量，进行交联聚乙烯电缆绝缘层优劣的判断。
发明内容
针对现有配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置的不足之处，本发明设计了一种能够根据上述四个监测量全方位的对电缆的状态进行监测，实时关注电缆运行情况，确保配电网安全运行的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置及监测方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，该监测装置由电缆接地线电流传感器、电缆零序电流传感器、母线零序电压传感器、电缆接头温度传感器、以太网通讯装置和后台计算机组成；其中，所述电缆接地线电流传感器安装在电缆接地线上，用以采集接地线上的电流；所述电缆零序电流传感器安装在电缆出线上，用以采集电缆传输电流中的零序分量；所述母线零序电压传感器安装在电缆出线上，用以采集母线上的电压；所述电缆接头温度传感器安装在电缆出线上，用以测量电缆导体层温度；所述以太网通讯装置输入端与电缆接地线电流传感器、电缆零序电流传感器、母线零序电压传感器、电缆接头温度传感器相连，负责将采集到的四组特征量信号传输到后台计算机中进行监测数据处理。
优选的是，所述后台计算机安装了虚拟仪器LabVIEW软件，能够对监测数据进行处理。
优选的是，所述以太网通讯装置中采用同轴电缆作为传输介质。
优选的是，所述电缆接地线电流传感器采用DH-0.66系列I型电流互感器。
优选的是，所述电缆零序电流传感器采用HS-LJK零序电流互感器。
优选的是，所述母线零序电压传感器采用JDZ(X)6-35QRW电压互感器。
优选的是，所述电缆接头温度传感器采用NTC温度传感器。
一种配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态的监测方法，该方法为：
步骤一、装置安装：在电缆接地线处安装接地线电流传感器，在电缆出线处分别安装零序电流传感器、母线零序电压传感器、电缆接头温度传感器；
步骤二、数据采集与传输：对接地线电流、零序电流、零序电压和电缆接头温度四个监测量，利用基于LabVIEW的采集装置进行数据获取，再通过以太网通讯装置将获得的数据传输到后台计算机中进行处理；
步骤三、数据处理分析：在后台计算机中建立故障数据库，利用小波降噪与分频放大技术对信号进行处理，提取相关特征与数据库中的故障特征匹配，完成对应故障预警；
步骤四、图形主控界面组成：后台图形化主控界面由五部分组成，分别为系统参数设定、特征信号处理、波形分析显示、故障数据库建立和历史数据查询；其中，系统参数设定包括电缆线路参数选择和数据采集参数设定；
特征信号处理包括分频放大和小波降噪；
波形分析显示包括实时波形显示和波形细节查看；
故障数据库建立包括正常数据稀释化、故障数据写入和故障匹配预警；
历史数据查询包括历史文件查看和Excel输出接口。
优选的是，数据采集具体流程为：
步骤一：数据采集系统开始启动，初始化系统；
步骤二：系统设定采集参数，包括采样通道数、采样率，进行数据对传感器传送过来的数据进行采集；
步骤三：查看采集缓存数据量；
步骤四：将步骤三得到的数据总数与设定总数比较，若不够，则返回步骤三，重新等待数据量，否则进入步骤五；
步骤五：后台计算机读取数据采集系统中得到的数据，并转换为计算机能够识别处理的数据；
步骤六：利用LabVIEW软件对采集到的数据进行分析处理，包括电缆接地线电流、电缆零序电流、母线零序电压和电缆接头温度，并设定预警模式，新的数据与原始数据进行比较，有异常，立刻报警；
步骤七：系统采集完毕，按顺序进行软硬件的关闭退出。
与现有技术相比，本发明优点在于：
（1）电缆接地线电流能够准确反应交联聚乙烯绝缘层的绝缘情况，而且容易测量，不需要额外增加辅助设备，可操作性强；电缆零序电流与母线零序电压均为对绝缘层变化敏感的物理量，可以借助零序电容，准确表征电缆绝缘情况；电缆接头温度则可以有效表示出电缆导体层的运行情况，反应电缆的热绝缘。
（2）以太网通讯装置作为本装置数据传输方式，速度高、误码率低、程序可移植性强，可实现双向串行通信，用于工业现场设备与主机的通信。
（3）后台计算机集成了能够融合多种算法、以软件代替硬件的LabVIEW软件，在数据处理上具有无可比拟的优势。
附图说明
图1是本发明所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置结构示意图。
图2是本发明的基于LabVIEW的装置数据采集流程图。
图3是本发明的后台计算机图形主控界面功能图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
结合附图1，一种配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，由电缆接地线电流传感器1、电缆零序电流传感器2、母线零序电压传感器3、电缆接头温度传感器4、以太网通讯装置5、后台计算机6组成。其中电缆接地线电流传感器1安装在电缆接地线7上，电缆零序电流传感器2、母线零序电压传感器3与电缆接头温度传感器4安装在电缆出线8上。电缆接地线电流传感器1、电缆零序电流传感器2、母线零序电压传感器3和电缆接头温度传感器4采集到的数据通过以太网通讯装置5传送到后台计算机6中进行处理。
电缆接地线电流传感器1负责采集接地线上的电流，转换到0-20mA范围，便于传输。
电缆零序电流传感器2用以采集电缆传输电流中的零序分量，转换到0-20mA范围，便于传输。
母线零序电压传感器3用以采集母线上的电压，转换为0-5V范围输出。
电缆接头温度传感器4主要负责测量电缆导体层温度，并将热量转换为电量，便于输出。
以太网通讯装置5用同轴电缆作为传输介质，负责将采集到的四组特征量信号传输到后台计算机中。
后台计算机6安装了虚拟仪器LabVIEW软件，能够对大量的监测数据进行处理，包括滤波、数据显示、波形存储、人机交互、打印输出等。
如图3所示，一种配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态的监测方法，该方法为：
步骤一、装置安装：在电缆接地线处安装接地线电流传感器1，在电缆出线处分别安装零序电流传感器2、母线零序电压传感器3、电缆接头温度传感器4；
步骤二、数据采集与传输：对接地线电流、零序电流、零序电压和电缆接头温度四个监测量，利用基于LabVIEW的采集装置进行数据获取，再通过以太网通讯装置5将获得的数据传输到后台计算机6中进行处理；
步骤三、数据处理分析：在后台计算机6中建立故障数据库，利用小波降噪与分频放大技术对信号进行处理，提取相关特征与数据库中的故障特征匹配，完成对应故障预警；
步骤四、图形主控界面组成：后台图形化主控界面由五部分组成，分别为系统参数设定、特征信号处理、波形分析显示、故障数据库建立和历史数据查询；其中，系统参数设定包括电缆线路参数选择和数据采集参数设定；
特征信号处理包括分频放大和小波降噪；
波形分析显示包括实时波形显示和波形细节查看；
故障数据库建立包括正常数据稀释化、故障数据写入和故障匹配预警；
历史数据查询包括历史文件查看和Excel输出接口。
结合附图2，数据采集流程为：
（1）步骤1、步骤2、步骤3，数据采集系统开始启动，初始化系统；
（2）步骤4、步骤5、步骤6，系统设定采集参数，包括采样通道数、采样率等，进行数据对传感器传送过来的数据进行采集；
（3）步骤7，查看采集缓存数据量；
（4）步骤8，将步骤7得到的数据总数与设定总数比较，若不够，则返回步骤7，重新等待数据量，否则进入步骤9；
（5）步骤9、步骤10，后台计算机读取数据采集系统中得到的数据，并转换为计算机能够识别处理的数据；
（6）步骤11，利用LabVIEW软件对采集到的数据进行分析处理，包括电缆接地线电流、电缆零序电流、母线零序电压和电缆接头温度，主要是波形的显示,如图3所示，并设定预警模式，新的数据与原始数据进行比较，有异常，立刻报警；
（7）步骤12、步骤13、步骤14、步骤15，系统采集完毕，按顺序进行软硬件的关闭退出。
与现有技术相比，本发明优点在于：
（1）电缆接地线电流能够准确反应交联聚乙烯绝缘层的绝缘情况，而且容易测量，不需要额外增加辅助设备，可操作性强；电缆零序电流与母线零序电压均为对绝缘层变化敏感的物理量，可以借助零序电容，准确表征电缆绝缘情况；电缆接头温度则可以有效表示出电缆导体层的运行情况，反应电缆的热绝缘。
（2）以太网通讯装置作为本装置数据传输方式，速度高、误码率低、程序可移植性强，可实现双向串行通信，用于工业现场设备与主机的通信。
（3）后台计算机集成了能够融合多种算法、以软件代替硬件的LabVIEW软件，在数据处理上具有无可比拟的优势。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：该监测装置由电缆接地线电流传感器（1）、电缆零序电流传感器（2）、母线零序电压传感器（3）、电缆接头温度传感器（4）、以太网通讯装置（5）和后台计算机（6）组成；
其中，所述电缆接地线电流传感器（1）安装在电缆接地线（7）上，用以采集接地线上的电流；
所述电缆零序电流传感器（2）安装在电缆出线（8）上，用以采集电缆传输电流中的零序分量；
所述母线零序电压传感器（3）安装在电缆出线（8）上，用以采集母线上的电压；
所述电缆接头温度传感器（4）安装在电缆出线（8）上，用以测量电缆导体层温度；
所述以太网通讯装置（5）输入端与电缆接地线电流传感器（1）、电缆零序电流传感器（2）、母线零序电压传感器（3）、电缆接头温度传感器（4）相连，负责将采集到的四组特征量信号传输到后台计算机（6）中进行监测数据处理。
2.根据权利要求1所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：所述后台计算机（6）安装了虚拟仪器LabVIEW软件，能够对监测数据进行处理。
3.根据权利要求1所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：所述以太网通讯装置（5）中采用同轴电缆作为传输介质。
4.根据权利要求1所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：所述电缆接地线电流传感器（1）采用DH-0.66系列I型电流互感器。
5.根据权利要求1所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：所述电缆零序电流传感器（2）采用HS-LJK零序电流互感器。
6.根据权利要求1所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：所述母线零序电压传感器（3）采用JDZ(X)6-35QRW电压互感器。
7.根据权利要求1所述的配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置，其特征在于：所述电缆接头温度传感器（4）采用NTC温度传感器。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态监测装置的监测方法，其特征在于，该方法为：
步骤一、装置安装：在电缆接地线处安装接地线电流传感器，在电缆出线处分别安装零序电流传感器、母线零序电压传感器、电缆接头温度传感器；
步骤二、数据采集与传输：对接地线电流、零序电流、零序电压和电缆接头温度四个监测量，利用基于LabVIEW的采集装置进行数据获取，再通过以太网通讯装置将获得的数据传输到后台计算机中进行处理；
步骤三、数据处理分析：在后台计算机中建立故障数据库，利用小波降噪与分频放大技术对信号进行处理，提取相关特征与数据库中的故障特征匹配，完成对应故障预警；
步骤四、图形主控界面组成：后台图形化主控界面由五部分组成，分别为系统参数设定、特征信号处理、波形分析显示、故障数据库建立和历史数据查询；其中，系统参数设定包括电缆线路参数选择和数据采集参数设定；
特征信号处理包括分频放大和小波降噪；
波形分析显示包括实时波形显示和波形细节查看；
故障数据库建立包括正常数据稀释化、故障数据写入和故障匹配预警；
历史数据查询包括历史文件查看和Excel输出接口。
9.根据权利要求8所述的一种配电网交联聚乙烯电缆绝缘状态的监测方法，其特征在于：
数据采集具体流程为：
步骤一：数据采集系统开始启动，初始化系统；
步骤二：系统设定采集参数，包括采样通道数、采样率，进行数据对传感器传送过来的数据进行采集；
步骤三：查看采集缓存数据量；
步骤四：将步骤三得到的数据总数与设定总数比较，若不够，则返回步骤三，重新等待数据量，否则进入步骤五；
步骤五：后台计算机读取数据采集系统中得到的数据，并转换为计算机能够识别处理的数据；
步骤六：利用LabVIEW软件对采集到的数据进行分析处理，包括电缆接地线电流、电缆零序电流、母线零序电压和电缆接头温度，并设定预警模式，新的数据与原始数据进行比较，有异常，立刻报警；
步骤七：系统采集完毕，按顺序进行软硬件的关闭退出。
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