CN109283444A - 双原理电缆局部放电传感器及其数据融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双原理电缆局部放电传感器，主要包括套设在电缆屏蔽层外的电容型传感器、电感型传感器；所述电容型传感器由内向外依次包括内层极板、防水层、外层极板，内层极板包裹在电缆外护套上；所述电感型传感器包括开口式圆形线圈骨架、均匀绕制在线圈骨架上的线圈、金属外壳，线圈骨架采用高导磁率材料制成，金属外壳设置在线圈骨架的外部；所述电感型传感器布置在电容型传感器的外侧。还公开了该传感器的数据融合方法，充分利用了双原理传感器具有分频段互补，且白噪声互不相关的特点，兼顾不同原理的传感器低频/高频段性能，通过分频段加权运算方法较好地还原波形，从而实现对电缆局部放电信号的有效提取。

Description

双原理电缆局部放电传感器及其数据融合方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化领域，特别是涉及一种双原理电缆局部放电传感器及其数据融合方法。

背景技术

电缆在长期运行中受电、热、应力的影响，以及施工、安装过程中的不当操作，都有可能导致电缆本体、附件出现局部的绝缘缺陷，发生局部放电(简称为局放)。随着局部放电的持续，绝缘的局部缺陷最终会发展为整体击穿。

在当前电力生产中，电缆的局放检测(监测)一般采用定检方式，但定检方式需要停电进行，电缆离线与运行状态存在差异，影响检测准确度，并且在定检周期内电缆状态也会发生变化。国内外技术发展趋势是从定检方式向基于在线监测数据的状态检修转变，不仅能减少试验/停电次数，而且通过在线监测数据分析可以及时发现故障风险点。电缆局放在线监测是通过测量放电过程中产生的电流脉冲、电磁波、声、热等信号实现的，从检测量上可分为非电量检测法和电量检测法。

(1)非电量检测法主要有光纤测温法、超声波检测法等，非电量检测法对局放状态的量化分析较为困难，适宜于定检和复检；

(2)根据电信号频带，电量检测法分类可分为两类：高频检测法(0～30MHz)、超高频/甚高频检测法(VHF/UHF，30MHz以上)。VHF/UHF检测由于信号本身特点，主要作为辅助手段用于“本地”(即：电缆终端、中间头等)监测，无法用于电缆全线路监测，需要布点数多，功能相对单一。从技术发展角度看，基于电容/电感传感器的高频检测法是未来发展方向，也是电缆局放在线监测系统的主要传感器。

电缆局放在线监测系统由传感器模块、高速采集模块、同步模块及后台数据处理模块构成，通过检测工频周期内局放脉冲信号(简称为局放信号)的幅值、次数以及对应工频电压相位，生成二维/三维图谱判断局放程度。传感器模块是决定电缆局放监测灵敏度、可靠性的关键环节，传感器模块核心指标是灵敏度(高信号传变比)和抗干扰能力。

目前，电感型传感器是当前主要使用的局放检测(监测)传感器，其优点是可非接触测量，安装简便，但存在以下问题：

1)带宽相对较窄，高频段灵敏度不足，一般电感型传感器检测灵敏度都在10pC以上；

2)基于电磁耦合，抗干扰能力较差，比较容易受白噪声、非周期脉冲等干扰影响，这是现有局放检测高虚警率的最主要原因，严重制约了应用效果。

相对于电感型传感器，电容型传感器具有以下特点：

1)带宽较宽，高频段灵敏度高，性能良好的传感器灵敏度可达1pC甚至更低；

2)基于静电耦合，抗干扰性能好，干扰量仅能通过传导进入传感器，而传导干扰较容易屏蔽。

在实际应用中，制约电容型传感器的主要问题是安装不便。已有的电容型传感器普遍切割电缆外层护套，或采用预埋方式安装，用于既有线路较为困难。少数研究人员提出了无需破坏外护套的电容传感器，但此类传感器低频段响应相对较差，在现场应用中传感器监测范围受到限制。但总体而言，由于电容型传感器在核心性能上具有优势，因此，电容型传感器是当前研究的热点，但技术上还有待解决安装、低频信号提取问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双原理电缆局部放电传感器及其数据融合方法，双原理传感器具有分频段互补，且白噪声互不相关的特点，并采用了分频段加权运算的方法较好地还原波形，从而实现对电缆局部放电信号的有效提取。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种双原理电缆局部放电传感器，主要包括套设在电缆屏蔽层外的电容型传感器、电感型传感器；

所述电容型传感器由内向外依次包括内层极板、防水层、外层极板，内层极板包裹在电缆外护套上；

所述电感型传感器包括开口式圆形线圈骨架、均匀绕制在线圈骨架上的线圈、金属外壳，线圈骨架采用高导磁率材料制成，金属外壳设置在线圈骨架的外部；

所述电感型传感器布置在电容型传感器的外侧。

在本发明一个较佳实施例中，所述外层极板的长度大于内层极板的长度，外层极板起到以下作用：机械/防水保护层、干扰屏蔽层、电容极板。

在本发明一个较佳实施例中，所述防水层为填充在外层极板与内层极板间的发泡剂，其宽度为18—22mm。

进一步的，所述外层极板与内层极板的材料为金属，所述内层极板为铜或铝环形金属极板，所述外层极板为钢制金属保护层。

在本发明一个较佳实施例中，所述外层极板通过同轴电缆接地。

在本发明一个较佳实施例中，所述外层极板、内层极板上以及所述线圈的两端均安装有TNC同轴连接器，用于引出信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述线圈骨架的尺寸、线圈的匝数根据电缆中采样信号的频带及传感器变比决定。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种双原理电缆局部放电传感器的数据融合方法，包括以下步骤：

S1：采集电缆中经过电感型传感器和电容型传感器后的电信号作为原始采样信号，并对原始采样信号进行数据预处理，包括初始滤波、波形归一化；

S2：对电容型传感器采样波形及电感型传感器采样波形进行数据同步配准；

S3：利用多尺度小波变换作为带通滤波器，将原始采样信号分解重构为多个高频频带信号及低频频带信号；

S4：对单个频带信号进行加权运算，得到多个单频带数据融合波形，求和得到最终数据融合波形。

在本发明一个较佳实施例中，在步骤S2中，数据同步配准的方法采用脉冲量同步配准或周期量同步配准。

在本发明一个较佳实施例中，步骤S4的具体过程为：

当电容型传感器/电感型传感器采集的原始信号分解i个频带时，第i(i＝1,2,……,m)个频带信号为：

a_i(n)＝x_i(n)+v_1i(n) (1)

b_i(n)＝x_i(n)+v_2i(n) (2)

其中，x_i(n)为该频带原始信号，而v_1i(n)、v_2i(n)为传感器及采集过程中的噪声干扰，则单频带加权运算公式如下：

w_i(n)＝x_i(n)*p_1i+x_i(n)*p_2i+(v_1i(n)*p_1i+v_2i(n)*p_2i) (3)

w(n)＝Σw_i(n) (4)

其中，p_1i、p_2i为对应频带的电容型传感器、电感型传感器的加权值，单频带上Σp_i＝Σ(p_1i+p_2i)＝1，w_i(n)为单频带数据融合波形，w(n)为最终数据融合波形。

本发明的有益效果是：本发明针对电缆局部放电频带较宽，单一原理信号传感器难以覆盖信号全频带的问题及现有电缆局部放电检测中电容传感器安装不便的问题，提出了基于电容与电感双原理的电缆局部放电传感器，该传感器具有以下特点：

1)传感器整体上是由两个传感器(电感/电容传感器)构成，两个传感器在频带设计上具有互补性，其中，电感型传感器用于低频段信号提取，电容型传感器重点解决高频段信号提取；

2)电感型传感器设计上采用高导磁材料替代传统罗氏线圈使用的非磁性材料，提升电感型传感器低频段性能；

3)电容型传感器设计上，将电感型传感器作为抗干扰附件布置在电容型传感器外侧，为电容型传感器提供了行波边界，屏蔽了监测范围以外的干扰，同时增强了电容型传感器的信号强度。

由于传感器整体上由两个传感器构成，针对频带范围不同，本发明还提出了一种电感/电容传感器数据融合方法，实现双通道数据融合，全面覆盖局部放电频带，并降低单一通道噪声干扰的影响。该数据融合方法具有以下特点：

1)利用脉冲信号、周期分量过零点两种数据同步方法实现双通道间的数据同步；

2)根据电容/电感传感器的静态频响曲线，利用小波变换将原始信号分为不同频带下加权值，通过双通道间数据加权运算较好地还原波形，从而实现对电缆局部放电信号的有效提取；

3)充分利用了双原理传感器具有分频段互补，且白噪声互不相关的特点，以及电感传感器较好的低频响应特性及电容传感器较好的高频响应特性，通过分频段加权运算提升传感器对微弱信号的提取能力及抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明双原理电缆局部放电传感器的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是所述双原理电缆局部放电传感器的等效电路原理图；

图5是所述双原理电缆局部放电传感器的静态幅频响应曲线示意图；

图6是所述数据融合方法的流程示意图；

图7是所述数据融合方法的原理示意图；

图8是所述数据同步配准原理示意图；

图9是所述小波变换的原理示意图；

图10是所述单频带数据融合的波形图。

附图中各部件的标记如下：1、电缆，11、电缆屏蔽层，12、电缆外护套，2、电容型传感器，21、内层极板，22、防水层，23、外层极板，3、电感型传感器，31、线圈骨架，32、线圈，33、金属外壳，4、TNC同轴连接器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图3，本发明实施例包括：

一种双原理电缆局部放电传感器，主要包括套设在电缆屏蔽层11外的电容型传感器2、电感型传感器3，所述电感型传感器3布置在电容型传感器2的外侧。以下描述中将双原理电缆局部放电传感器简称为双原理传感器，下面分别具体描述两个传感器的结构设计及原理电路：

结合图2，所述电容型传感器2由内向外依次包括内层极板21、防水层22、外层极板23。内层极板21为环形金属极板，材料采用铜或铝，包裹并紧密贴在铠装电缆外护套12上。极板长度越长，灵敏度越高，但考虑到现场安装，优选的设计内层极板21长度为1米。外层极板23为钢制金属保护层，包裹在防水层22的外层，起到机械/防水保护层、干扰屏蔽层、电容极板的综合作用。外层极板23的长度略长于内层极板21，典型设计长度为1.2米。所述防水层22为填充在外层极板23与内层极板21间的发泡剂，其宽度为18—22mm，优选的设计为20mm。

结合图3，所述电感型传感器3包括开口式圆形线圈骨架31、均匀绕制在线圈骨架31上的线圈32、金属外壳33，构成了一个线圈式电流互感器，线圈骨架31尺寸略大于电缆1外径即可。所述线圈骨架31采用高导磁率材料制成，线圈32采用漆包线，金属外壳33设置在线圈骨架31的外部，作为线圈屏蔽层以及防水层。所述线圈骨架31的尺寸、线圈32的匝数根据电缆1中采样信号的频带及传感器变比决定，优选的，线圈32匝数为100匝，线圈骨架31内径为33mm，外径为40mm，高度为20mm。

进一步的，所述外层极板23、内层极板21上以及所述线圈32的两端均安装有TNC同轴连接器4，用于引出信号。

请参阅图4，所述双原理传感器的等效电路原理如下：

电容型传感器2的内层极板21、电缆外护套12、电缆屏蔽层11构成电容C1，电容型传感器2的内层极板21、防水层22、外层极板23构成了电容C2，对高频信号而言，零阻抗接地技术上是难以实现的。因此，绝大多数情况下，电缆屏蔽层11和外层极板23均是通过同轴电缆接地，等效于通过电感L1和L2接地，电感的具体数值与接地线缆长度相关，一般在mH级。

C1、C2、L1、L2整体上构成了一个电容分压结构，改变C1、C2容值即可改变传感器变比，传感器变比为传感器测量值/原始信号值。C1、C2、L2构成的测量支路，在谐振频率附近会发生串联谐振，此时，电容型传感器2的传变比会明显增强。

所述电感型传感器3的结构和原理上类似于罗氏线圈，但设计上具有以下特点：

1)电感型传感器3不仅作为信号传感器，同时，电感型传感器3也做为阻波线圈。阻波线圈在电容型传感器2右侧可提供行波边界，局放电压信号在此处发生反射，从而增强进入电容型传感器2的信号强度。同时，屏蔽来自电感型传感器3左侧的干扰，提升电容型传感器2的抗干扰性能。

2)传感器设计频带主要针对5MHz以下信号，现有电感传感器(例如：罗氏线圈)为改善高频段性能，采用非导磁材料制作线圈骨架，但在一定程度上限制了传感器低频性能。对于双原理传感器而言，电感型传感器3在性能上侧重于低频段性能，高频段性能由电容型传感器2保障。因此，电感型传感器3的线圈骨架31由非磁性材料改为高导磁率材料(例如：铁锰锌材质)，这提高了传感线圈低频段灵敏度，但线圈骨架31材质的改变也使得电感型传感器3存在上限频率，称为f_H，信号高于f_H后，电感型传感器3的高频传变比会相对降低。

所述双原理传感器在静态试验中幅频响应曲线如附图5所示，特点如下：

1)在f_H上限频率(约3MHz)以下，电感型传感器3具有较高传变比，灵敏度和精度也更高；

2)在f_H上限频率(约3MHz)以上，电容型传感器2具有较高传变比，灵敏度和精度也更高；

3)在测量支路谐振频率(约4MHz)附近，电容型传感器2与电感型传感器3均因为串联谐振，传变比均明显提高。

由两种传感器的幅频响应可知，双原理传感器在频带上具有一定互补性，并且白噪声互不相关，具备通过双传感器数据融合提升整体性能的可行性。基于所述双原理传感器的数据融合方法将电感/电容双原理传感器数据进行分频带融合，有效利用双原理传感器数据及电感/电容传感器的互补响应特性，在高频段以电容传感器信号为主，在低频段以电感传感器信号为主。请查阅图6和图7，该方法包括以下步骤：

S1：采集电缆中经过电感型传感器和电容型传感器后的电信号作为原始采样信号，并对原始采样信号进行数据预处理，包括：

初始滤波：通过原始波形的自相关运算降低白噪声干扰影响；

波形归一化：将波形幅值设定为-1到1区间，解决双原理传感器变比差异的影响。

S2：对电容型传感器采样波形及电感型传感器采样波形进行数据同步配准；由于传感原理、采集通道的不同，双传感器输出的波形间存在时延，因此，数据融合前需进行数据同步配准，可采用以下两种方法同步：

1)脉冲量同步：若原始波形中存在明显脉冲信号，利用脉冲信号进行同步。

2)周期量同步：若无明显脉冲信号用于数据同步，则可利用周期信号过零点进行同步。

图8(a)/(b)分别为电容型传感器采样波形、电感型传感器采样波形。该波形是在周期分量基础上叠加一高频量，模拟局放传感器工作状态。利用脉冲信号作为参考坐标，利用差分法计算可得电容型传感器脉冲信号时刻为t₁，电感型传感器脉冲信号时刻为t₂，则将电容型传感器采样波形前移或后移(t₁-t₂)，实现电容型传感器采样波形及电感型传感器采样波形的数据同步配准。若采样波形缺少脉冲信号，则依靠主要周期分量的过零点完成数据同步。

S3：利用多尺度小波变换作为带通滤波器，将原始采样信号分解重构为多个高频频带信号及低频频带信号。考虑实际应用的可操作性，避免过大的计算量，本实施例中进行二尺度分解及重构，小波基选用了Meyer小波。结合图9，当原始信号为A1f时，分解后小波系数分别为：

1)A2f信号频带为：0—0.5×f_H，此频带上，电感型传感器传变比大约是电容型传感器的4倍；

2)D2f信号频带为：0.5×f_H—f_H，此频带上，电感型传感器传变比大约是电容型传感器变比的2倍；

3)D3f信号频带为：f_H—2×f_H，此频带上，电容型传感器/电感型传感器的传变比接近；

4)D4f信号频带为：2×f_H—∞，此频带上，电容型传感器传变比大约是电感型传感器的2倍。

再利用A_2f、D_2f、D_3f、D_4f重构即可得到各频带信号波形。

S4：对单个频带信号进行加权运算，得到多个单频带数据融合波形，求和得到最终数据融合波形。具体过程为：

当电容型传感器/电感型传感器采集的原始信号分解4个频带时，第i(i＝1,2,3,4)个频带信号为：

a_i(n)＝x_i(n)+v_1i(n) (1)

b_i(n)＝x_i(n)+v_2i(n) (2)

其中，x_i(n)为该频带原始信号，而v_1i(n)、v_2i(n)为传感器及采集过程中该频带上的噪声干扰，则单频带加权运算公式如下：

w_i(n)＝x_i(n)*p_1i+x_i(n)*p_2i+(v_1i(n)*p_1i+v_2i(n)*p_2i) (3)

w(n)＝Σw_i(n) (4)

其中，p_1i、p_2i为对应频带的电容型传感器、电感型传感器的加权值，单频带上Σp_i＝Σ(p_1i+p_2i)＝1，w_i(n)为单频带数据融合波形，w(n)为最终数据融合波形。

对应于分解重构后的四频带信号，根据图5所示的幅频响应曲线，将电感型传感器信号权值分别设置为[p₁₁，p₁₂，p₁₃，p₁₄]，电容型传感器信号权重分别设置为[p₂₁，p₂₂，p₂₃，p₂₄]，其中，p₁₁+p₂₁＝1，其它频带同理。两者具体数值由图5所示的幅频响应曲线确定，在信号频率为3MHz时，电容型传感器的传变比与电感型传感器的传变比相同，因而两者的加权值相同，p₁₁＝p₂₁＝0.5；在低频带即信号频率小于30kHz时，p₁₁>p₂₁，取值范围为0—0.5；在高频带即信号频率大于3MHz时，p₁₁>p₂₁，取值范围为0.5—1。举例说明，电感型传感器信号权值分别设置为[0.8，0.67，0.5，0.33]，电容型传感器信号权重分别设置为[0.2，0.33，0.5，0.67]。

双原理传感器加权运算后x_i(n)的幅值基本不变。由于采集通道不同，以及干扰进入传感器的原理不同，双传感器及采集通道中的噪声v₁(n)、v₂(n)理论上是不相关，加权运算后会抑制一部分干扰。当原始信号为图8所示时，低频段的单频带信号融合波形如图10所示，(a)为电感型传感器低频段采样波形，(b)为电容型传感器低频段采样波形，(c)为双原理传感器融合后波形。

本发明针对电缆局部放电频带较宽，单一原理信号传感器难以覆盖信号全频带的问题及现有电缆局部放电检测中电容传感器安装不便的问题，提出了基于电容与电感双原理的电缆局部放电传感器，基于电容/电感双传感原理，兼顾不同原理的传感器低频/高频段性能，扩展了传感器信号带宽，具有较高的灵敏度；同时具备较好的抗干扰能力，在传感器结构设计上，利用电感传感器线圈构造行波边界，抑制了监测范围以外干扰信号的影响，提升了系统抗干扰能力；在采集环节，双传感器采集通道白噪声干扰理论上是不相关的，通过双传感器/通道加权运算降低了噪声干扰影响。

由于传感器整体上由两个传感器构成，针对频带范围不同，本发明还提出了一种电感/电容传感器数据融合方法，充分利用了双原理传感器具有分频段互补，且白噪声互不相关的特点，以及电感传感器较好的低频响应特性及电容传感器较好的高频响应特性，通过分频段加权运算提升传感器对微弱信号的提取能力及抗干扰能力，实现双通道数据融合，全面覆盖局部放电频带，并降低单一通道噪声干扰的影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，主要包括套设在电缆屏蔽层外的电容型传感器、电感型传感器；

所述电容型传感器由内向外依次包括内层极板、防水层、外层极板，内层极板包裹在电缆外护套上；

所述电感型传感器包括开口式圆形线圈骨架、均匀绕制在线圈骨架上的线圈、金属外壳，线圈骨架采用高导磁率材料制成，金属外壳设置在线圈骨架的外部；

所述电感型传感器布置在电容型传感器的外侧。

2.根据权利要求1所述的双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，所述外层极板的长度大于内层极板的长度。

3.根据权利要求1所述的双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，所述防水层为填充在外层极板与内层极板间的发泡剂，其宽度为18—22mm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，所述外层极板与内层极板的材料为金属。

5.根据权利要求1所述的双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，所述外层极板通过同轴电缆接地。

6.根据权利要求1所述的双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，所述外层极板、内层极板上以及所述线圈的两端均安装有TNC同轴连接器。

7.根据权利要求1所述的双原理电缆局部放电传感器，其特征在于，所述线圈骨架的尺寸、线圈的匝数根据电缆中采样信号的频带及传感器变比决定。

8.一种双原理电缆局部放电传感器的数据融合方法，包括以下步骤：

S1：采集电缆中经过电感型传感器和电容型传感器后的电信号作为原始采样信号，并对原始采样信号进行数据预处理，包括初始滤波、波形归一化；

S2：对电容型传感器采样波形及电感型传感器采样波形进行数据同步配准；

S3：利用多尺度小波变换作为带通滤波器，将原始采样信号分解重构为多个高频频带信号及低频频带信号；

S4：对单个频带信号进行加权运算，得到多个单频带数据融合波形，求和得到最终数据融合波形。

9.根据权利要求8所述的双原理电缆局部放电传感器的数据融合方法，其特征在于，在步骤S2中，数据同步配准的方法采用脉冲量同步配准或周期量同步配准。

10.根据权利要求8所述的双原理电缆局部放电传感器的数据融合方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：

当电容型传感器/电感型传感器采集的原始信号分解i个频带时，第i(i＝1,2,……,m)个频带信号为：

a_i(n)＝x_i(n)+v_1i(n) (1)

b_i(n)＝x_i(n)+v_2i(n) (2)

其中，x_i(n)为该频带原始信号，而v_1i(n)、v_2i(n)为传感器及采集过程中该频带上的噪声干扰，则单频带加权运算公式如下：

w_i(n)＝x_i(n)*p_1i+x_i(n)*p_2i+(v_1i(n)*p_1i+v_2i(n)*p_2i) (3)

w(n)＝Σw_i(n) (4)

其中，p_1i、p_2i为对应频带的电容型传感器、电感型传感器的加权值，单频带上Σp_i＝Σ(p_1i+p_2i)＝1，w_i(n)为单频带数据融合波形，w(n)为最终数据融合波形。