CN109782130A - 高铁电缆在线监测系统 - Google Patents

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李建明
孙志强
沈豪龙
王心刚
栗国东
张非平
王建
闻博
田智
李飞
尹亚刚
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Abstract

本发明公开了一种高铁电缆在线监测系统，包括主控单元和数据采集单元；数据采集单元测量电缆接地导体上的电流信号，并将测量结果传递至主控单元；当测量到的电流信号i大于等于设定值iset时，主控单元对包含触发时刻的t时段内的电流采样值进行积分，如果积分结果|A|大于等于设定值Aset，主控单元存储t时段内的电流信号波形，同时主控单元将存储的所有或部分电流信号波形进行相关度检验，如果相关度超过临界值，主控单元判定电缆发生了一次可恢复故障；当电缆发生的可恢复故障的次数超过设定次数后，主控单元发出预警；实现对电力贯通线的在线监测，提高铁路运输的安全性。

Description

高铁电缆在线监测系统
技术领域
本发明涉及电力监控设备领域，尤其涉及一种高铁电缆在线监测系统。
背景技术
电力贯通线主要是指为沿线铁路信号、通信等一级负荷供电的输电线路，电力贯通线的安全性和可靠性不仅影响到铁路沿线信号、通信等一级负荷安全运行，同时还影响到铁路运输畅通。由于电力贯通线沿铁路分布，具有线路长、地理条件复杂、施工难度大的特点，故而在发生故障时，故障既不容易查找，也不容易排除，维修电力贯通线的准确性、实时性差，往往给铁路运输带来重大的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高铁电缆在线监测系统，解决高铁电力贯通线故障难以查找和排除的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高铁电缆在线监测系统，包括主控单元和数据采集单元；
数据采集单元测量电缆接地导体上的电流信号，并将测量结果传递至主控单元，数据采集单元需高频采集，例如100MHz；
当测量到的电流信号i大于等于设定值iset(可恢复故障的电流信号的最低波幅)时，主控单元对包含触发时刻的t时段内的电流采样值进行积分：
j0为每个积分周期初始时刻电流的采样序号；Δj为每个积分周期包含的采样点数；
如果|A|大于等于设定值Aset，主控单元存储t时段内的电流信号波形，同时主控单元将存储的所有或部分电流信号波形进行相关度检验，如果相关度超过临界值，主控单元判定电缆发生了一次可恢复故障；
当电缆发生的可恢复故障的次数超过设定次数后，主控单元发出预警。
在电缆绝缘中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔处的电场畸变，水分在电场的作用下，受到不均匀电场的吸引，产生极化迁移，逐渐积累而产生局部过饱和状态，会导致电缆主绝缘在运行电压下引发水树枝。水树枝的微观结构是由一系列含水微孔构成，微孔之间存在极细微的连接通道。对于交联聚乙烯电缆来说，水树枝现象是造成电缆老化、绝缘下降，以致在运行中被击穿的主要原因。
水树枝的生长相对较慢，但伴随水树枝生长，水树枝尖端的电场将愈加集中，局部高电场强度最终会导致水树枝尖端产生电树枝。当过电压引起绝缘击穿放电时，造成运行电缆的瞬间燃弧，故障电弧使水气蒸发烘干，电弧熄灭后绝缘又恢复到能够耐受正常运行电压的水平。这种由水树枝造成的瞬时性燃弧具有可恢复性的特点，被称为为“可恢复故障”。
通过特高频技术研究发现：由水树枝造成的“可恢复故障”引起的电缆击穿放电量在十几到几十微库数量级，持续时间小于2毫秒，并且其产生的瞬时电磁暂态信号的强度和波形形态明显区别于局部放电(据资料显示对于普通的局部放电局放量在5-20pC以内，持续时间3～5毫秒)或电网扰动产生的电磁暂态信号。
根据水树枝造成的“可恢复故障”的电流信号波形特点，本发明将满足条件的波形判定为可能发生了“可恢复故障”的电流信号波形，当这种波形或者近似波形多次出现之后，判定发生了一次“可恢复故障”。
本发明使用卷积结果Cj表示相关度：
其中，a[j+i+32]为滤波完成后的信号函数，b[i]为所选用的卷积窗函数，n为卷积窗的采样点数。
为了测量故障发生地的具体位置：本发明还包括计时单元，计时单元记录数据采集单元测量电流信号的时刻，电缆的两端均设置有接地导体和数据采集单元；
主控单元依据计时单元的数据计算可恢复故障发生地的位置：
其中：DMF表示可恢复故障发生地距离电缆M端的距离；
DNF表示可恢复故障发生地距离电缆N端的距离；
L表示电缆M端和N端的距离；
v表示电流信号波的传播速度；
TM表示电流信号波到达M端的时刻；
TN表示电流信号波到达N端的时刻。
进一步的，所述计时单元为GPS授时装置。
如果电缆为金属护层单端接地式的单芯电缆，则数据采集单元测量金属护层的接地电流，并将测量结果传递至主控单元；
如果接地电流超过设定值，主控单元发出预警。
根据权利要求4或5所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：还包括无线通讯模块，数据采集单元与主控单元通过无线通讯模块传递数据。
进一步的，主控单元接收多个数据采集单元的数据，多个数据采集单元安装在多条电缆上，使得一套在线监测系统可以同时监测多条电缆。
进一步的，本发明还包括监控中心，主控单元通过互联网将预警信息发送至监控中心，电缆维护人员通过监控中心了解电缆状态，普通个人计算机即可用作监控中心。
有益效果：(1)本发明的在线监测系统集贯通线电缆的运行状态监测、预警和故障点指示于一体，方法简明高效、抗干扰能力强、预警精确度高、故障点指示精准、产品性能可靠。(2)本发明的在线监测系统装置结构紧凑，施工安装方便，且系统安装不改变电缆运行方式和结构，不占用现有系统资源。(3)本发明的在线监测系统的主控单元接入互联网，操作人员访问方便，不受时间、地点限制，可实时查看线路运行情况，方便管理。(4)本发明的在线监测系统提高工区电网自动化水平，做到线路故障前自动报警，使电缆在故障前得到有效的处理，及时修复或切换，保障了贯通线电网的可靠供电，避免了由于突发停电而造成的不必要的经济损失。(5)本发明的在线监测系统可实时监测金属护层的接地电流，实现对电缆金属护层接地电流异常报警。
附图说明
图1是实施例1在线监测系统结构框图。
图2是实施例1中可恢复故障电流信号波形图。
图3是实施例1测量故障发生地的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的高铁电缆在线监测系统，包括主控单元、数据采集单元、无线通讯模块、GPS授时装置和监控中心；
数据采集单元测量电缆接地导体上的电流信号，并将测量结果通过无线通讯模块传递至主控单元，数据采集单元需高频采集，频率为100MHz；GPS授时装置同步将数据采集单元测量电流信号的时刻记录并传递至主控单元，GPS授时装置的精度为50nS；
当测量到的电流信号i大于等于设定值iset(可恢复故障的电流信号的最低波幅)时，主控单元对包含触发时刻的t时段内的电流采样值进行积分：
j0为每个积分周期初始时刻电流的采样序号；Δj为每个积分周期包含的采样点数；具体如图2所示；
如果|A|大于等于设定值Aset，主控单元存储t时段内的电流信号波形，同时主控单元将存储的所有电流信号波形安装如下方法进行相关度检验：
其中，a[j+i+32]为滤波完成后的信号函数，b[i]为所选用的卷积窗函数，n为卷积窗的采样点数；
如果卷积结果Cj超过设定值时，判定电缆发生了一次可恢复故障；
当电缆发生的可恢复故障的次数超过设定次数后，主控单元向控制中心发出预警，并给出故障发生地的位置。
主控单元计算故障发生地的方法如下：
如图3所示，故障发生地产生的行波到达左右两端数据采集单元的时刻分别为TM和TN，那么
其中：DMF表示可恢复故障发生地距离电缆M端的距离；
DNF表示可恢复故障发生地距离电缆N端的距离；
L表示电缆M端和N端的距离；
v表示电流信号波的传播速度；
TM表示电流信号波到达M端的时刻；
TN表示电流信号波到达N端的时刻。
求解上式可以得到
电缆M端和电缆N端的位置由设计和施工决定，依据故障发生地与电缆M端和电缆N端的距离即可准确定位故障发生地，在预警的同时将故障发生地信息发送至控制中心，方便技术人员及时排查故障。为了进一步提高系统的预警功能，本实施例也可以增加更多更丰富的预警手段，例如短信通知、警铃通知等。
如果电缆为金属护层单端接地式的单芯电缆，则数据采集单元测量金属护层的接地电流，并将测量结果传递至主控单元；如果接地电流超过设定值，主控单元发出预警。在测量金属护层接地电流时，采样频率取100KHz即可。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高铁电缆在线监测系统，其特征在于：包括主控单元和数据采集单元；数据采集单元测量电缆接地导体上的电流信号，并将测量结果传递至主控单元；
当测量到的电流信号i大于等于设定值iset时，主控单元对包含触发时刻的t时段内的电流采样值进行积分：
j0为每个积分周期初始时刻电流的采样序号；Δj为每个积分周期包含的采样点数；
如果|A|大于等于设定值Aset，主控单元存储t时段内的电流信号波形，同时主控单元将存储的所有或部分电流信号波形进行相关度检验，如果相关度超过临界值，主控单元判定电缆发生了一次可恢复故障；
当电缆发生的可恢复故障的次数超过设定次数后，主控单元发出预警。
2.根据权利要求1所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：使用卷积结果Cj表示相关度；
其中，a[j+i+32]为滤波完成后的信号函数，b[i]为所选用的卷积窗函数，n为卷积窗的采样点数。
3.根据权利要求2所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：还包括计时单元，计时单元记录数据采集单元测量电流信号的时刻，电缆的两端均设置有接地导体和数据采集单元；
主控单元依据计时单元的数据计算可恢复故障发生地的位置：
其中：DMF表示可恢复故障发生地距离电缆M端的距离；
DNF表示可恢复故障发生地距离电缆N端的距离；
L表示电缆M端和N端的距离；
v表示电流信号波的传播速度；
TM表示电流信号波到达M端的时刻；
TN表示电流信号波到达N端的时刻。
4.根据权利要求3所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：所述计时单元为GPS授时装置。
5.根据权利要求2所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：如果电缆为金属护层单端接地式的单芯电缆，则数据采集单元测量金属护层的接地电流，并将测量结果传递至主控单元；
如果接地电流超过设定值，主控单元发出预警。
6.根据权利要求4或5所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：还包括无线通讯模块，数据采集单元与主控单元通过无线通讯模块传递数据。
7.根据权利要求6所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：主控单元接收多个数据采集单元的数据，多个数据采集单元安装在多条电缆上。
8.根据权利要求7所述的高铁电缆在线监测系统，其特征在于：还包括监控中心，主控单元通过互联网将预警信息发送至监控中心。
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