CN110031735A - 基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法、系统及介质，本发明的带电电缆绝缘状态诊断方法包括采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号；提取电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱；将电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱输入预设的多特征诊断参考库，得到被检测带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果；所述多特征诊断参考库包括波速、输出电压波形畸变及频谱及其对应的绝缘状态或老化程度诊断结果之间的数据映射关系。本发明能够针对水树老化及非贯穿性电树等缺陷实现精确地诊断和评价，具有检测准确度高、抗干扰性好、检测成本低的优点。

Description

基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法、系统及 介质

技术领域

本发明涉及电缆绝缘状态检测技术，具体涉及一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法、系统及介质。

背景技术

电缆线路较架空线路具有走廊占地面积小、运行可靠性高、改造市容市貌等优点，符合城市发展与电网建设发展的需要，成为现代电力发展的主流。同时，以XLPE电缆为代表的配电电缆因其优良的电气性能、机械性能以及耐热性能等，进一步推动了电缆在配电网中的广泛运用。但是，由于目前生产及安装工艺的不足，电缆绝缘中会出现一些缺陷或杂质，导致了电缆本体及附件的故障产生并加快了电缆的绝缘老化。XLPE电缆绝缘层中缺陷组成十分复杂，当电缆加压运行后，缺陷改变了电场分布并提高了局部电场强度，进而引发局部放电及局部过热，从而导致绝缘开始劣化。在干燥环境下运行时，电缆由于过电压的作用，局部强电应力作用加强促使聚合物绝缘劣化，引起局部降解和击穿使得缺陷进一步发展，形成电树枝击穿故障；当电缆运行在潮湿的环境时则形成水树枝，一旦树枝形成很快就会桥接到电缆线芯处，破坏电缆的正常运行。因此，在电、热、机械力以及环境作用的影响下，电缆会逐渐发生劣化及老化，相应的电气性能、机械性能将无法满足电缆的正常运行要求，进而提高了电缆的故障率并降低系统运行稳定性。

为了实时的把握电缆运行的状况，确定电缆的老化程度，需要引入电缆监测及诊断手段以完成其故障诊断及老化状态评估，并保证电缆输电的连续、可靠运行。目前针对于电缆故障诊断及老化评估的方法，大多采用的断电监测的方式，其直接影响输电的可靠性，不具有灵活性；同时，针对于水树老化及非贯穿性电树等缺陷，现有研究并未能实现可靠地诊断、监测，并且现有的在线检测方法具有成本高、抗干扰性差、特征表征不明显等不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法、系统及介质，本发明能够针对水树老化及非贯穿性电树等缺陷实现精确地诊断和评价，具有检测准确度高、抗干扰性好、检测成本低的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法，实施步骤包括：

1)采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号；

2)提取电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱；

3)将电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱输入预设的多特征诊断参考库，得到被检测带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果；所述多特征诊断参考库包括波速、电缆绝缘情况之间的映射计算关系，输出电压波形畸变、水树劣化情况之间的映射计算关系，频谱、电树老化情况之间的映射计算关系，所述带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果包括电缆绝缘情况、水树劣化情况、电树老化情况。

可选地，步骤1)采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号后还包括对采集得到的电磁脉冲信号进行滤波的步骤。

本发明提供一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的步骤，或该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，或该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

本发明还提供一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，包括相互连接的电磁脉冲信号采集装置和后台系统，所述后台系统被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的步骤，或所述后台系统的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

可选地，所述电磁脉冲信号采集装置包括信号发射及接收单元和信号接收及回传单元，所述信号发射及接收单元包括高频电压脉冲单元、第一载波通信模块、第一结合设备和第一耦合电容，所述高频电压脉冲单元的输出端与第一结合设备的输入端相连，所述第一结合设备的输出端与第一载波通信模块相连，且所述第一载波通信模块的输出端作为带电电缆绝缘状态检测装置的检测信号输出口，所述第一结合设备通过第一耦合电容与被检测电缆的一端相连；所述信号接收及回传单元包括第二耦合电容、第二结合设备、采样模块、微处理器、第二载波通信模块，所述第二结合设备的输出端通过采样模块与微处理器的输入端相连，所述微处理器的输出端通过第二载波通信模块与第二结合设备的输入端相连，所述第二结合设备通过第二耦合电容与被检测电缆的另一端相连。

可选地，所述高频电压脉冲单元包括驱动模块和脉冲波源，所述驱动模块的电源输入端与外部电源相连、电源输出端与脉冲波源的电源输入端相连，所述脉冲波源的输出端与第一结合设备的输入端相连。

可选地，所述高频电压脉冲单元还包括用于产生脉冲信号特征的控制模块，所述控制模块的输出端与驱动模块相连，所述控制模块包括用于和后台系统进行通讯的数据通信端口。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明通过利用电磁脉冲信号的波形特征实现了电缆水树缺陷的诊断，充分挖掘出高频条件下水树整流特性，利用高频条件下脉冲波形畸变特征，构建不同老化程度、分布位置下的水树缺陷特征参考库，以准确判断出被测电缆的水树缺陷程度及位置。

2、本发明通过利用电磁脉冲信号的波速特征实现了电缆老化评估。由于电缆性能的老化，其相应的介电常数及电阻率等电气参量发生变化，而波速由传输媒质的这两个常数决定，通过测量波速以反映出电缆的老化程度。

3、本发明可实现电缆绝缘缺陷带电监测，具有自动运算、处理功能，可自动实现缺陷诊断，并不需要现场工作人员进行数据的处理及分析。

4、本发明通过设计出基于电磁脉冲信号特征的故障诊断方法，将电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱输入预设的多特征诊断参考库，得到被检测带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果，充分挖掘电磁波传输信息，从而提高检测的准确度能够实时地把握电缆运行情况，准确地评估电缆绝缘老化状况；与现有检测技术相比，本发明检测安全、准确，具有高适用性，无需断电操作，实现了数字化电缆监测。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中电磁脉冲信号采集装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中电磁脉冲信号采集装置采集得到的电磁脉冲信号示意图。

图例说明：1、信号发射及接收单元；11、高频电压脉冲单元；111、驱动模块；112、脉冲波源；113、控制模块；12、第一载波通信模块；13、第一结合设备；14、第一耦合电容；2、信号接收及回传单元；21、第二耦合电容；22、第二结合设备；23、采样模块；24、微处理器；25、第二载波通信模块。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的实施步骤包括：

1)采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号；

2)提取电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱；

3)将电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱输入预设的多特征诊断参考库，得到被检测带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果；多特征诊断参考库包括波速、电缆绝缘情况之间的映射计算关系，输出电压波形畸变、水树劣化情况之间的映射计算关系，频谱、电树老化情况之间的映射计算关系，带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果包括电缆绝缘情况、水树劣化情况、电树老化情况。

本实施例中，步骤1)采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号后还包括对采集得到的电磁脉冲信号进行滤波的步骤。

此外，本实施例还提供一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的步骤，或该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，或该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，包括相互连接的电磁脉冲信号采集装置和后台系统，后台系统被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的步骤，或后台系统的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

如图2所示，本实施例中电磁脉冲信号采集装置包括信号发射及接收单元1和信号接收及回传单元2，信号发射及接收单元1包括高频电压脉冲单元11、第一载波通信模块12、第一选通设备13和第一耦合电容14，高频电压脉冲单元11的输出端与第一选通设备13的输入端相连，第一选通设备13的输出端与第一载波通信模块12相连，且第一载波通信模块12的输出端作为带电电缆绝缘状态检测装置的检测信号输出口，第一选通设备13通过第一耦合电容14与被检测电缆的一端相连；信号接收及回传单元2包括第二耦合电容21、第二选通设备22、采样模块23、微处理器24、第二载波通信模块25，第二选通设备22的输出端通过采样模块23与微处理器24的输入端相连，微处理器24的输出端通过第二载波通信模块25与第二选通设备22的输入端相连，第二选通设备22通过第二耦合电容21与被检测电缆的另一端相连。本实施例带电电缆绝缘状态检测装置可运用选通设备将高频电压脉冲信号施加于带电电缆上，基于系统载波实现测试数据的捕捉、传输，从而为判断电缆绝缘故障情况完成数据采集功能，以便于后台系统对于检测信号的处理并进行信息挖掘实现电缆缺陷诊断，可实现电缆非断电条件下测量，解决了电缆布置环境内两端通讯受阻等问题，更高效、准确、安全地实现数据采集，具有带电检测不影响输电可靠性、检测连接灵活、成本低、抗干扰性强的优点。本实施例的电磁脉冲信号采集装置可利用带电条件下接入运用电力载波装置中已专设的耦合装置，在耦合低压侧实现了脉冲信号的接入，避免高频电压脉冲单元直接接入情况下操作高电压对装置的影响。本实施例的电磁脉冲信号采集装置充分利用载波通讯系统中低-高电压耦合装置，通过选通设备实现了在不断电、不增设外部器件的条件下脉冲源的接入，并保证载波信号接入和脉冲信号接入之间可靠选择，以充分利用了电力载波通信系统中的设备资源，减少了设备成本及复杂性。本实施例的电磁脉冲信号采集装置设计可靠、低成本，且主要部件可移动使用，可实现多线路的测量。本实施例可充分利用电力载波系统的通讯功能，为了实现源端、末端信号的共同比较以获取差异信息、波速等信息，运用远端电力载波通讯模块，在测试完后将选通设备切换至载波通讯模式，将远端的波形信号、时间信号传输至接入点后台系统中，节约了设备的通讯成本以及解决了特殊环境下其他通信手段的弊端(长距离、障碍物屏蔽等问题)。

高频电压脉冲单元11用于产生高频电压脉冲。如图2所示，本实施例中高频电压脉冲单元11包括驱动模块111和脉冲波源112，驱动模块111的电源输入端与外部电源相连、电源输出端与脉冲波源112的电源输入端相连，脉冲波源112的输出端与第一选通设备13的输入端相连。驱动模块111为电压转换电路，用于根据输入控制信号将输入低频电压转换为高频电压输出。脉冲波源112用于产生高频、低压、连续的周期性的电磁脉冲信号，电磁脉冲信号的波形属性为：频率为0～5KHz、幅值为500V～1000V的交流电磁脉冲信号。高频电压脉冲单元11可实现移动化使用。

如图2所示，本实施例中高频电压脉冲单元11还包括用于产生脉冲信号特征的控制模块113，控制模块113的输出端与驱动模块111相连，控制模块113包括用于和后台系统进行通讯的数据通信端口，便于与后台系统进行交互。控制模块113根据预先确定的脉冲信号特征设计出控制信号，输入至驱动模块111中。

第一载波通信模块12为整个监测系统提供通讯通道，主要用于将回传的电磁脉冲信号输出至后台系统。

第一选通设备13、第二选通设备22可实现载波通讯及绝缘检测模式的选择，实现了带电检测，又可避免对载波通讯系统的影响。第一选通设备13、第二选通设备22能够充分利用电力载波通信系统中耦合设备资源，实现在不断电、不增设外部器件的条件下脉冲源的接入，并保证载波信号接入和脉冲信号接入之间可靠选择。

第一耦合电容14、第二耦合电容21用于隔离电力线路电压。本实施例运用第一选通设备13和第一耦合电容14设计出电力线耦合接口，将脉冲波源112所产生的电磁脉冲传输入电缆一端中，并且阻碍了系统大电压对信号源的冲击；利用第二选通设备22通过第二耦合电容21在电缆另一端构建出接收端的耦合装置，剔除掉系统电压的作用并滤除了谐波对于接受信号的影响，便于采用高采样频率的采样模块23采集波形数据。

采样模块23用于采集电磁脉冲信号，其采样频率需要达到1GHz以上；本实施例中，采样模块23具体采用采集卡实现。

微处理器24用于将采样模块23采集的电磁脉冲信号转发给第二载波通信模块25以便回传至发送端。

第二载波通信模块25为整个监测系统提供通讯通道，主要用于将回传的电磁脉冲信号输出至被检测电缆。

本实施例基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统的工作原理如下：

首先将第一选通设备13、第二选通设备22切换到绝缘检测模式的选通通道，在绝缘检测模式下，控制模块113产生脉冲信号特征给驱动模块111，驱动模块111驱动脉冲波源112将低频低电压输入转换为电磁脉冲信号并通过第一选通设备13、第一耦合电容14输出至被检测电缆的一端；同时，控制模块113将脉冲信号特征输出至后台系统；采样模块23通过第二选通设备22、第二耦合电容21从被检测电缆的另一端检测到电磁脉冲信号后并输出给微处理器24；

然后将第一选通设备13、第二选通设备22切换到载波通讯模式的选通通道，在载波通讯模式下，微处理器24将采集的信号通过第二载波通信模块25第二选通设备22、第二耦合电容21从被检测电缆的另一端回传，且第一载波通信模块12通过第一选通设备13、第一耦合电容14收到回传的电磁脉冲信号，本实施例中收到回传的电磁脉冲信号的波形具体如图3所示。同时，第一载波通信模块12将回传的电磁脉冲信号输出至后台系统。

最终，后台系统收到了控制模块113输出的脉冲信号特征、第一载波通信模块12将回传的电磁脉冲信号，并执行本实施例基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的实施步骤得到被检测带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果。

电缆老化形式包括了水树老化、电树老化等，不同老化程度将直接决定电缆老化绝缘状态，严重老化条件下将可能导致多位置绝缘击穿，进而导致电缆停运。本实施例通过利用波速、输出电压波形畸变及频谱特征利用多特征诊断参考库进行带电电缆的绝缘状态及老化程度的识别。多特征诊断参考库包括波速、输出电压波形畸变、频谱三种输入特征类别，其中：

1、波速反映的是电缆整体的介电常数、磁导率，以此判断出电缆绝缘情况；

2、输出电压波形畸变指的是输出电压波形正负周期波形序列之间的相似度，可反映水树整流下正负周期波形衰变的差异性，从而可用于判断水树的整体劣化情况；当电磁脉冲信号输入至被检测带电电缆中时，电磁脉冲信号的输入波形在正负周期内保持一致，以输出电压波形正负周期波形序列之间的相似度Cor为特征量，输入波形的Cor＝1；由于水树的整流特性，将造成引入电磁脉冲信号的波形的正负周期不同畸变，从而导致所测量的输出波(经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号的波形)的输出电压波形正负周期波形序列之间的相似度Cor不一致，通过计算输出电压波形正负周期波形序列之间的相似度Cro，即可获得水树的整体劣化情况。其中，相识度Cro的计算公式如下:

其中，x_i、y_i分别为正、负波形的序列数。

3、频谱指的是输出波形的频率谱特征，由于电树局部放电的存在将引起输出波形频谱特征的变化，不同电树缺陷程度下电缆的输出频谱具有一定的差异特征，因此可实现电树老化情况的判别。在电缆存在电树的条件下，由于高频脉冲作用下，电树缺陷中将会产生较强的局部放电，采集输出端的波形信息并进行频谱分解，基于高频频谱幅值特征实现高频局部放电强度的判别，从而判定电树老化情况。

以不同特征类别对参考库进行分类搭建，通过积累实际试验数据、历史数据构建出参量的阈值，以及所对应的绝缘缺陷情况及老化程度之间的映射关系，从而可获得波速、电缆绝缘情况之间的映射计算关系，输出电压波形畸变、水树劣化情况之间的映射计算关系，频谱、电树老化情况之间的映射计算关系。然后，就可以分别根据波速、输出电压波形畸变、频谱三种输入特征分别识别得到对应的结果。

1、对输入的波速：本实施例中根据波速的不同取值可根据波速、电缆绝缘情况之间的映射计算关系获益获得不同的电缆绝缘情况，包括可靠运行、局部绝缘受损、局部高阻导通、局部击穿等。此外，也可以进一步根据波速特征提取出电缆整体等效的介电常数、磁导率，随着电缆性能的劣化，内部绝缘材料的介电特征、磁导率将发生变化，基于历史性的介电常数、磁导率的特征比较，可获取出电缆性能的劣化趋势及程度。

2、对输入的电压波形畸变：本实施例中将输入的电压波形畸变(输出电压波形正负周期波形序列之间的相似度Cro)和预设的阈值T-cro进行比较，如果满足条件Cro<T-cro，则判定该电缆水树老化比较严重，可能需要进行停运检修。此外，本实施例中还进一步设置历史相似度Cro1，如果满足条件Cro<Cro1，则判定整体水树劣化程度加剧，需要引起注意。

3、对输入的频谱：本实施例中根据频谱的不同取值可根据频谱、电树老化情况之间的映射计算关系获益获得不同的电树老化情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法，其特征在于实施步骤包括：

1)采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号；

2)提取电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱；

3)将电磁脉冲信号的波速、输出电压波形畸变及频谱输入预设的多特征诊断参考库，得到被检测带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果；所述多特征诊断参考库包括波速、电缆绝缘情况之间的映射计算关系，输出电压波形畸变、水树劣化情况之间的映射计算关系，频谱、电树老化情况之间的映射计算关系，所述带电电缆的绝缘状态及老化程度诊断结果包括电缆绝缘情况、水树劣化情况、电树老化情况。

2.根据权利要求1所述的基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法，其特征在于，步骤1)采集传输经过被检测带电电缆的电磁脉冲信号后还包括对采集得到的电磁脉冲信号进行滤波的步骤。

3.一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1或2所述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的步骤，或该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1或2所述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，或该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1或2所述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

5.一种基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，其特征在于，包括相互连接的电磁脉冲信号采集装置和后台系统，所述后台系统被编程或配置以执行权利要求1或2所述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的步骤，或所述后台系统的存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1或2所述基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断方法的计算机程序。

6.根据权利要求5所述的基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，其特征在于：所述电磁脉冲信号采集装置包括信号发射及接收单元(1)和信号接收及回传单元(2)，所述信号发射及接收单元(1)包括高频电压脉冲单元(11)、第一载波通信模块(12)、第一结合设备(13)和第一耦合电容(14)，所述高频电压脉冲单元(11)的输出端与第一结合设备(13)的输入端相连，所述第一结合设备(13)的输出端与第一载波通信模块(12)相连，且所述第一载波通信模块(12)的输出端作为带电电缆绝缘状态检测装置的检测信号输出口，所述第一结合设备(13)通过第一耦合电容(14)与被检测电缆的一端相连；所述信号接收及回传单元(2)包括第二耦合电容(21)、第二结合设备(22)、采样模块(23)、微处理器(24)、第二载波通信模块(25)，所述第二结合设备(22)的输出端通过采样模块(23)与微处理器(24)的输入端相连，所述微处理器(24)的输出端通过第二载波通信模块(25)与第二结合设备(22)的输入端相连，所述第二结合设备(22)通过第二耦合电容(21)与被检测电缆的另一端相连。

7.根据权利要求6所述的基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，其特征在于：所述高频电压脉冲单元(11)包括驱动模块(111)和脉冲波源(112)，所述驱动模块(111)的电源输入端与外部电源相连、电源输出端与脉冲波源(112)的电源输入端相连，所述脉冲波源(112)的输出端与第一结合设备(13)的输入端相连。

8.根据权利要求7所述的基于高频脉冲电压的带电电缆绝缘状态诊断系统，其特征在于：所述高频电压脉冲单元(11)还包括用于产生脉冲信号特征的控制模块(113)，所述控制模块(113)的输出端与驱动模块(111)相连，所述控制模块(113)包括用于和后台系统进行通讯的数据通信端口。