CN108562834B - 一种高压电缆局部放电在线监测系统及修正幅值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压电缆局部放电在线监测系统，其包括电流传感器、信号采集装置、以及监测主机，电流传感器安装在电缆接头屏蔽层接地线上，用于耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，并传输给监测主机；信号采集装置包括处理器、信号采集芯片以及模数转换器；监测主机包括信号处理电路、计算模块、放电量幅值修正模块、显示模块以及报警模块。适用于6kV及以上电压等级电缆局部放电在线及离线监测，实时显示电缆和接头的局部放电幅值及频次，当局部放电量达到300pC、500pC和800pC时发出不同程度的报警，不会误判或漏报警。

Description

一种高压电缆局部放电在线监测系统及修正幅值的方法
技术领域
本发明涉及高压线缆放电监测领域，具体地涉及一种高压电缆局部放电在线监测系统及修正幅值的方法。
背景技术
高压线路监测仪产品用于高压线路监测，需安装在高压电缆上。现有的高压线路监测仪的安装和拆卸，需操作人员爬上高高的铁塔或电线杆才能进行操作，在装卸时还需要停电后才能操作。高压电缆局部放电测试分为离线式与在线式，都是通过高频电流传感器HFCT感应电磁脉冲信号，转换成电压信号后，经过同轴电缆、送入采集卡模数转换后，送入后台软件分析与判断。
现有技术存在以下严重缺陷：
(1)在线式局部放电监测系统没有故障定位功能；离线式的电缆局部放电测试仪故障定位需要安装两只及以上的传感器，当电缆比较长时，安装远端的传感器存在着信号传输的不便；
(2)电缆局部放电在线监测系统或电缆局部放电测试装置，都显示的是高频传感器HFCT处的局部放电幅值，该幅值是远端局部放电源发出的经过衰减后的幅值，并不是电缆故障点处的真实放电量，所以，容易造成误判或漏报警。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高压电缆局部放电在线监测系统，其设置有监测主机，适用于6kV及以上电压等级电缆局部放电在线及离线监测，实时显示电缆和接头的局部放电幅值及频次，当局部放电量达到300pC、500pC和800pC时发出不同程度的报警，从而及时发现电缆及接头的绝缘缺陷，为评估电缆绝缘水平和老化程度提供判据。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种高压电缆局部放电在线监测系统，其包括电流传感器、信号采集装置、以及监测主机，
所述电流传感器安装在电缆接头屏蔽层接地线上，用于耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，并传输给监测主机；
所述信号采集装置包括处理器、信号采集芯片以及模数转换器；
所述监测主机包括信号处理电路、计算模块、放电量幅值修正模块、显示模块以及报警模块，
所述信号处理电路包括信号放大器以及滤波器；所述计算模块包括盲信号处理单元、特征提取单元、K-means聚类计算单元以及用于计算电流传感器与故障点之间距离的距离计算单元，所述放电量幅值修正模块根据距离与幅值衰减特性，对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量，所述显示模块对所述放电量进行显示，所述报警模块根据设置的放电量阈值对放电量进行比较，当放电量大于放电量阈值时，进行报警。
优选地，所述K-means聚类计算单元用于对耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号进行聚类计算，得到沿面放电信号以及电流传感器处的局部放电信号。
优选地，所述放电量幅值修正模块通过以下公式对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正：
Figure GSB0000172728980000021
其中，α为衰减常数，W(1)Wi为提取的脉宽及初始放电脉宽，Uo、Ui分别为电流传感器处、故障点处的局部放电幅值，
Figure GSB0000172728980000025
为故障点和电流传感器之间的距离。
优选地，所述衰减常数α由以下公式获得：
α＝α1+α2+α3；
α1为电缆内导体衰减系数、α2为介质损耗衰减系数，α3为外导体引起的衰减系数。
优选地，电缆内导体衰减系数α1、介质损耗衰减系数α2以及外导体引起的衰减系数α3由以下公式获得：
Figure GSB0000172728980000022
Figure GSB0000172728980000023
Figure GSB0000172728980000024
其中，D均为电缆的有效内外电气直径；ε、δ分别为电缆绝缘本体的介电常数、介质损耗角；K为参考系数。
优选地，所述电流传感器为钳形传感器，所述钳形传感器环接在所述电缆接头屏蔽层接地线上。
优选地，所述信号采集芯片为高速采集卡。
优选地，所述报警模块为声光报警装置。
优选地，本发明还提供一种高压电缆局部放电在线监测方法，其包括以下步骤：
S1、电流传感器耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，并传输给监测主机；
S2、所述信号处理对电路脉冲电流信号进行放大及滤波；
S3、计算模块对电路脉冲电流信号依次进行盲信号处理、特征提取以及K-means聚类计算，得到沿面放电信号以及电流传感器处的局部放电信号；
S4、放电量幅值修正模块根据距离与幅值衰减特性，对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量；
S5、报警模块根据设置的放电量阈值对放电量进行比较，当放电量大于放电量阈值时，进行报警。
优选地，S4中所述放电量幅值修正模块通过以下公式对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正：
Figure GSB0000172728980000031
其中，α为衰减常数，W(1)Wi为提取的脉宽及初始放电脉宽，Uo、Ui分别为电流传感器处、故障点处的局部放电幅值，
Figure GSB0000172728980000032
为故障点和电流传感器之间的距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
①本发明仅设置一个电流传感器，来耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，对模拟信号进行放大、滤波和模数转换后传输给监测主机。采用开合活扣式钳形传感器，结构紧凑，拆卸安装方便，与电力运行设备没有直接接触，不影响正常电力设备正常运行。
②本发明基于盲信号处理、K-means聚类，把局部放电区分开来后，根据基于脉冲信号在电力电缆中的传输特性及传递函数算法计算出故障点的距离，并根据距离与幅值衰减特性，对幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量，监测精度高，不会发生误判或漏报警。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供一种高压电缆局部放电在线监测系统，如图1及图2所示，其包括电流传感器1、信号采集装置2、以及监测主机3。
所述电流传感器1安装在电缆接头屏蔽层接地线上，用于耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置2，并传输给监测主机3；
所述信号采集装置2包括处理器21、信号采集芯片22以及模数转换器23；
所述监测主机3包括信号处理电路31、计算模块32、放电量幅值修正模块33、显示模块34以及报警模块35，
所述信号处理电路31包括信号放大器311以及滤波器312；所述计算模块32包括盲信号处理单元321、特征提取单元322、K-means聚类计算单元323以及用于计算电流传感器与故障点之间距离的距离计算单元324，所述放电量幅值修正模块33根据距离与幅值衰减特性，对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量，所述显示模块34对所述放电量进行显示，所述报警模块35根据设置的放电量阈值对放电量进行比较，当放电量大于放电量阈值时，进行报警。
优选地，所述K-means聚类计算单元323用于对耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号进行聚类计算，得到沿面放电信号以及电流传感器处的局部放电信号。
优选地，所述放电量幅值修正模块通过以下公式对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正：
Figure GSB0000172728980000041
其中，α为衰减常数，W(1)Wi为提取的脉宽及初始放电脉宽，Uo、Ui分别为电流传感器处、故障点处的局部放电幅值，
Figure GSB0000172728980000042
为故障点和电流传感器之间的距离。
优选地，所述衰减常数α由以下公式获得：
α＝α1+α2+α3；
α1为电缆内导体衰减系数、α2为介质损耗衰减系数，α3为外导体引起的衰减系数。
优选地，电缆内导体衰减系数α1、介质损耗衰减系数α2以及外导体引起的衰减系数α3由以下公式获得：
Figure GSB0000172728980000051
Figure GSB0000172728980000052
Figure GSB0000172728980000053
其中，D均为电缆的有效内外电气直径；ε、δ分别为电缆绝缘本体的介电常数、介质损耗角；K为参考系数。
优选地，当电缆发生局部放电时，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置2时包括硬件传递以及电缆传递，
所述硬件的传递函数为：
Figure GSB0000172728980000054
其中，Uout为电压输出量，Uin为电压输入量；
所述电缆的传递函数为：
Figure GSB0000172728980000055
Uout为电压输出量，Uin为电缆故障点处的局部放电幅值；α为电缆内导体衰减系数、β为相位衰减系数；l为电缆局部放电故障点与电流传感器之间的距离(米)、ω为脉冲基波频率；
硬件的传递函数以及电缆的传递函数得到系统的传递函数如下：
Hpro(ωl)＝Hcable(ωl)*HHFCT(ω)。
优选地，所述电流传感器1为钳形传感器，所述钳形传感器环接在所述电缆接头屏蔽层接地线上。
优选地，所述信号采集芯片22为高速采集卡，能够完成快速采集并存储。
优选地，本发明还提供一种高压电缆局部放电在线监测方法，其包括以下步骤：
S1、电流传感器耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置2，并传输给监测主机3；
S2、所述信号处理电路31对电路脉冲电流信号进行放大及滤波；
S3、计算模块32对电路脉冲电流信号依次进行盲信号处理、特征提取以及K-means聚类计算，得到沿面放电信号以及电流传感器处的局部放电信号；
S4、放电量幅值修正模块33根据距离与幅值衰减特性，对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量；
S5、报警模块35根据设置的放电量阈值对放电量进行比较，当放电量大于放电量阈值时，进行报警。
优选地，S4中所述放电量幅值修正模块33通过以下公式对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正：
Figure GSB0000172728980000061
其中，α为衰减常数，W(1)Wi为提取的脉宽及初始放电脉宽，Uo、Ui分别为电流传感器处、故障点处的局部放电幅值，
Figure GSB0000172728980000062
为故障点和电流传感器之间的距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
①本发明仅设置一个电流传感器，来耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，对模拟信号进行放大、滤波和模数转换后传输给监测主机。采用开合活扣式钳形传感器，结构紧凑，拆卸安装方便，与电力运行设备没有直接接触，不影响正常电力设备正常运行。
②本发明基于盲信号处理、K-means聚类，把局部放电区分开来后，根据基于脉冲信号在电力电缆中的传输特性及传递函数算法计算出故障点的距离，并根据距离与幅值衰减特性，对幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量，监测精度高，不会发生误判或漏报警。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种高压电缆局部放电在线监测系统，其特征在于：其包括电流传感器、信号采集装置、以及监测主机，
所述电流传感器安装在电缆接头屏蔽层接地线上，用于耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，并传输给监测主机；
所述信号采集装置包括处理器、信号采集芯片以及模数转换器；
所述监测主机包括信号处理电路、计算模块、放电量幅值修正模块、显示模块以及报警模块，
所述信号处理电路包括信号放大器以及滤波器；所述计算模块包括盲信号处理单元、特征提取单元、K-means聚类计算单元以及用于计算电流传感器与故障点之间距离的距离计算单元，所述放电量幅值修正模块根据距离与幅值衰减特性，对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量，所述显示模块对所述放电量进行显示，所述报警模块根据设置的放电量阈值对放电量进行比较，当放电量大于放电量阈值时，进行报警；
所述放电量幅值修正模块通过以下公式对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正：
Figure FSB0000190116040000011
其中，α为衰减常数，w(l)、w(i)为提取的脉宽及初始放电脉宽，vi、v0分别为电流传感器处、故障点处的局部放电幅值，l为故障点和电流传感器之间的距离；
所述衰减常数α由以下公式获得：
α＝α1+α2+α3；
α1为电缆内导体衰减系数、α2为介质损耗衰减系数，α3为外导体引起的衰减系数；
电缆内导体衰减系数α1、介质损耗衰减系数α2以及外导体引起的衰减系数α3由以下公式获得：
Figure FSB0000190116040000012
Figure FSB0000190116040000013
Figure FSB0000190116040000021
其中，D均为电缆的有效内外电气直径；ε、δ分别为电缆绝缘本体的介电常数、介质损耗角；K为参考系数。
2.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测系统，其特征在于：所述K-means聚类计算单元用于对耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号进行聚类计算，得到沿面放电信号以及电流传感器处的局部放电信号。
3.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测系统，其特征在于：所述电流传感器为钳形传感器，所述钳形传感器环接在所述电缆接头屏蔽层接地线上。
4.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测系统，其特征在于：所述信号采集芯片为高速采集卡。
5.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测系统，其特征在于：所述报警模块为声光报警装置。
6.根据权利要求1所述的高压电缆局部放电在线监测系统进行高压电缆局部放电修正幅值的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、电流传感器耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号，脉冲电流信号通过同轴电缆或光电转换系统传输到信号采集装置，并传输给监测主机；
S2、所述信号处理对电路脉冲电流信号进行放大及滤波；
S3、计算模块对电路脉冲电流信号依次进行盲信号处理、特征提取以及K-means聚类计算，得到沿面放电信号以及电流传感器处的局部放电信号；
S4、放电量幅值修正模块根据距离与幅值衰减特性，对电流传感器处的局部放电信号的幅值进行修正，得到局部放电源真实的放电量；
S5、报警模块根据设置的放电量阈值对放电量进行比较，当放电量大于放电量阈值时，进行报警。
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