CN110244178A - 智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 - Google Patents

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Abstract

一种智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，在管路封塞的上端设置一放电讯号传感器，当管路封塞夹束电缆时，该放电讯号传感器同时夹附在电缆的外周，而可对电缆内部线路的放电讯号进行感测；以及设有一信号转换器，可将传感器感测到的讯号，通过模数转换器与现场可编程门阵列放大、滤波处理，再传输至计算机端做储存及信号分析，以达到预警局部放电的作用。

Description

智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统
技术领域
本发明是有关一种智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断 系统，特别是指在感测电缆线路的放电讯号时，得预警性检知电缆线路的 不正常放电，以提供可靠供电质量，保障送电安全。
背景技术
现有地下电缆或管路施作工程，通过在地下管道内设置管路封塞，使 电缆管线安装固定。由于装设在地下管道内的电缆，容易因为受到电、热、 物理应力及环境因素的影响，在其外表层较为薄弱的位置产生局部放电， 而根据专家学者的研究显示，地下电缆的局部放电(Partial Discharge，PD) 是加速绝缘老化和导致损坏的主因之一。
根据台湾电力公司公开的资料，在2011～2014年间，输电地下电缆线 路事故计发生78次，其中电缆附属器材的接续匣事故发生30次(占比 38.4％)，电缆终端匣事故发生7次(占比8.97％)。
整理事故发生原因包括：
1.制造过程的瑕疵：在原厂制造过程中，三层押出时可能有发生停电、 设备损坏，造成绝缘物质分布不均匀，而有渗入气泡、杂质。
2.现场施工不良：在现场进行XLPE电缆延放、接续时，因施工不慎， 导致绝缘层、半导电层有裂缝、刀刻痕、尺寸差异、尖凸凹陷，或参入杂 质，造成日后尖端放电、或是电树生成。
3.应力作用：终端匣及接续匣的电力锥安装时有误差，所受电应力不 均匀，导致绝缘体与半导电体接触面产生应力作用，而发生事故；或是其 他机械应力及热应力产生的XLPE电缆劣化现象。
4.内部放电(Internal discharge)：设备绝缘介质在制造过程中，若掺有杂 质或有气穴、裂缝等瑕疵时，由于该处的介电常数远比绝缘介质的介电常 数小，当设备正常加压中，正弦波变化电场经过该些瑕疵处时，会因为电 场强度上升造成等效电容的内部气穴电压崩溃而导通，即称为内部放电， 此种型态的放电比较危险，会促使绝缘料劣化情形更加快速恶化。
5.沿面放电(Surface discharge)：绝缘体表面因电应力集中或电位梯度分 布不均匀时，电荷沿绝缘体表面放电所发生之现象称为沿面放电。此现象 可能出现在电缆终端处或出现在导体和介质弯角表面处。
6.电晕放电(Corona)：当导电体中某一部位的曲率半径较低时(尖端或突 出处)，该部位即会对尖端周围空气产生游离，俗称电晕即为尖端放电，放 电点位置分别在高压端及接地端。
7.噪声：不同的部分放电种类，将会观察到有不同的图谱产生，因此 可先由图谱大概判断放电的种类。
有鉴于此，针对该些缺失研究改进之道，经长时研究终有本发明产生。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放 电的诊断系统，可随时对电缆的部分放电进行检测，及时发现故障隐患， 预测电缆寿命，以保障电缆的安全可靠性。
本发明提供的一种智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断 系统，包括有量测单元、处理单元、传输/接口单元及监控单元；以一放电 讯号传感器采集电缆的局部放电信号后，经处理单元进行讯号处理，再经 传输/接口单元传送至后端计算机的监控单元进行监控；其中，所述放电讯 号传感器，是在一弹性体的外表面设一接点，所述弹性体内部设感应线圈， 感应线圈与接点相连通，接点可经由一导线与一信号转换器的通路接头连 接，将感测到的信号传送至该信号转换器进行处理后传输。
依本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，可 随时对电缆的部分放电进行检测，及时发现故障隐患，预测电缆寿命，以 保障电缆的安全可靠性，为本发明的一目的。
依本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，包 括量测单元：讯号由传感器采集，经类比放大电路滤波、放大，将输入信 号调整在适当电压增益范围后，传递至后端；处理单元：通过ADC与FPGA 做讯号处理，由ARM通过以太网路将资料传输至后端计算机；传输/接口 单元：使用Labview程序以算法一辨识放电脉冲信号，再将取得之资料通 过控制算法二至后端；及监控单元：经由计算机收集信息，汇集成长时间 的放电变化趋势图，为本发明的次一目的。
依本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，通 过侦测局部放电，辨识高压电力设备绝缘劣化的程度，在放电讯号传感器 侦测电缆的放电讯号后，传送到硬件系统端，然后经由模数转化器(ADC) 与现场可编程逻辑门阵列(FPGA)做模拟讯号放大、滤波处理后，以及通过 光纤将数据传输至计算机端做储存及信号分析，以此达到预警的作用，为 本发明的再一目的。
为便对本发明的目的、形状、构造装置特征及其功效，做更进一步的 认识与了解，兹举实施例配合图式，详细说明如下：
附图说明
图1为本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 的系统方块图。
图2为本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 的管路封塞和放电讯号传感器的立体示意图。
图3为本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 的管路封塞的立体分解示意图。
图4为本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 其放电讯号传感器夹束电缆的平面示意图。
图5为本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 的信号转换器平面示意图。
图6为本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统 的远程监控流程示意图。
符号说明：
100：量测单元
200：处理单元
300：传输/接口单元
400：监控单元
500：放电讯号传感器
600：管路封塞
700：信号转换器
800：电缆
501、502：对半型弹性体
5A、5B：接点
51、52：感应线圈
511、512、521、522：螺孔
5c、5d、5e、5f：通孔
61：封塞本体
62：底座部
63：夹扣部
64：环套组件
65：盖板
600A：第一对半组体
600B：第二对半组体
61A：第一对半封塞本体
61B：第二对半封塞本体
611：孔道
612：卡扣孔
62A：第一对半底座部
62B：第二对半底座部
621：插接部
63A：第一对半夹扣部
63B：第二对半夹扣部
630：环套座
631：插接部
632：上缘部
633：阶梯部
634：穿孔
64A：第一对半环套组件
64B：第二对半环套组件
641：环套上部
642：环套下部
640：开槽
643：凸板
644：撑板
645：穿孔
646：螺纹
65A：第一对半盖板
65B：第二对半盖板
651：穿孔
652：下凹槽
71、72、73、74、75、76：通路接头
具体实施方式
本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，如图 1所示，包括：
量测单元100：讯号由传感器撷取，经类比放大电路滤波、放大，将 输入信号调整在适当电压增益范围后，传送至后端。
处理单元200：通过ADC(Analog-to-digital converter，模数转换器)与 ZC702(FPGA)讯号处理器做讯号处理，由ARM(Advanced RISC Machine， 进阶精简指令集机器)通过以太网路(Ethernet)将资料传输至后端计算机。
传输/接口单元300：使用Labview(Laboratory Virtual InstrumentationEngineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)程序以算法一(Algorithm I)辨识放电脉冲信号，再将取得之资料通过控制算法二(Algorithm II)传输至 后端。
监控单元400：经由计算机收集信息，汇集成长时间的放电变化趋势 图。
本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，用于 因应目前地下配电电缆的长度，短则2～5公里，长则10公里以上，当电缆 发生绝缘劣化时，为能有效将介质部分劣化点定位，以利后续维修的排查。 对电缆的部分放电定位采用行波法，当电缆介质发生放电脉冲时，脉冲信 号利用绝缘层的屏蔽层导体路径指向电缆两端传播，并在电缆端末产生反 射，因此利用仪器量测脉冲的时间间隔，即可按波速求得放电点的位置。
如图2所示，本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊 断系统，由于局部放电(Partial Discharge，PD)是属于高频的电流脉冲，其 主要通过一放电讯号传感器500检测高压设备的局部放电活动所引起的态 瞬磁场变化。实施时，如图所示，将该放电讯号传感器500装设在一管路 封塞600的上端，在管路封塞600夹束电缆时，同时令该放电讯号传感器 500夹附在电缆的外周表面，由此当电缆发生局部放电时，可立即感测， 并将感测的异常讯号传送至后端计算机。
请参照图3所示，该管路封塞600由封塞本体61、底座部62、夹扣部 63、环套组件64及盖板65所组合而成，该封塞本体61、底座部62、夹扣 部63、环套组件64及盖板65各具有可分离的二对半部，组合后构成环圈 状的第一对半组体600A与第二对半组体600B。
如图所示，所述封塞本体61，为弹性材料(例如橡胶、PU)所制成，由 第一对半封塞本体61A和第二对半封塞本体61B组成环圈状，二对半封塞 本体61A、61B组合后构成中央为轴向贯穿的单一孔道611，以供电缆穿入； 二对半封塞本体61A、61B上间隔设有轴向贯穿的卡扣孔612。
所述底座部62，设于所述封塞本体61的下方，由第一对半底座部62A 和第二对半底座部62B组成环圈状，其二对半底座部62A、62B的上端设 有数个向上凸出的插接部621，以便从下端插入封塞本体61的卡扣孔612。
所述夹扣部63，设于所述封塞本体61的上方，由第一对半夹扣部63A 和第二对半夹扣部63B组成环圈状，其中央形成一环套座630，该环套座 630的内面为斜面状；该夹扣部63的下方并设有向下凸出的多个插接部 631，以便从上端插入封塞本体61的卡扣孔612；该夹扣部63的顶端设有 较大的上缘部632，其内部设有一阶梯部633，该阶梯部633的表面设有可 供螺栓穿过的穿孔634。
所述环套组件64，设于所述夹扣部63的上方，由第一对半环套组件 64A和第二对半环套组件64B组成环圈状，其分成略呈锥状的环套上部641 与环套下部642，该环套上部641与环套下部642上设有多道开槽640，使 其具备变形弹性；该环套上部641与环套下部642之间的外围设有向外延 伸的凸板643与撑板644，其凸板643上设有可供螺栓穿过的穿孔645，其 撑板644为向下斜伸，在环套上部641与环套下部642的内面则形成有螺 纹646；因此，当其以环套下部642套设于所述夹扣部63的环套座630内， 并在撑板644嵌入阶梯部633时，得在内面为斜面状的环套座630内适度 上下移动。
所述盖板65，设于所述环套组件64的上方，由第一对半盖板65A和 第二对半盖板65B组成环圈状，其表面设有四个可供螺栓穿过的穿孔651； 其下端相对至所述环套组件64的撑板644位置，设有下凹槽652，其设在 所述环套组件64的上方时，其下凹槽652可嵌住撑板644。
因此，通过四根螺栓可将上述封塞本体61、底座部62、夹扣部63、 环套组件64及盖板65束紧成一整体，以夹束通过孔道611的电缆。
请参照图4所示，所述设于管路封塞600上端的放电讯号传感器500， 其包括二对半型弹性体501、502，每一对半型弹性体501、502为半环圈 状，其外表面的一端各设有一接点5A、5B，其内部设有感应线圈51、52， 其感应线圈51、52与接点5A、5B相连通。该二对半型弹性体501、502 的另外两端分别为一螺孔511、512、521、522，可通过一螺丝将二对半型 弹性体501、502连接成一体，以牢固地包夹电缆800。当电缆800的内部 线路发生局部放电时，感应线圈51、52感应放电产生的电磁波而产生磁场 变化。而且，该二对半型弹性体501、502的表面上设有通孔5c、5d、5e、 5f，可供管路封塞600的螺栓通过，而和管路封塞600结合成一体。
请同时参照图5所示，该接点5A、5B可经由一导线与一信号转换器 700连通，该信号转换器700上设有数个通路接头71、72、73、74、75、 76。该二对半型弹性体501、502上的接点5A、5B分别经由一导线与其中 之一接头连接。因此，当放电讯号传感器500的内部感应线圈51、52感应 到电缆内部线路发生局部放电而产生磁场变化时，讯息传送至该信号转换器700，经该信号转换器700处理后，再传送至后端计算机，由后端计算 机监控人员进行监控及修复。
当放电讯号传感器500的二对半型弹性体501、502包夹电缆800时， 在检测到电缆介质发生放电脉冲时，脉冲信号利用绝缘层的屏蔽层导体路 径指向电缆两端传播，并在电缆端末产生反射，如此通过放电讯号传感器 500量测脉冲的时间间隔，即可按波速求得放电点的位置。
由于电缆的脉波电流的电流信号频率分布很高，约在几MHz至十几 MHz之间，利用设计完善的滤波器及处理与计算机软件滤波处理，即可精 准侦测电力电缆局部放电的脉波电流信号。
本发明以放电讯号传感器500，实施时，也可装设在地下人孔道内， 直接贴附于电缆上，再以导线接至人孔外之信号转换器700，再与后端监 控单元联机。
本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，在实 施检测时，将低于150MHz的输入信号的低频分量滤除，再从剩余信号中 提取PD(Partial Discharge)脉冲。通过对这些脉冲的峰值进行一段时间的平 均来计算PD水平，以形成PD趋势。如果PD等级超过规定时间，将发出 警告/报警信号。当PD电频低于指定电频时，警告/报警信号将立即消失。
本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其网 络通讯协议(TCP/IP)与PDMS协议的协议转化器可为光电转换器，即采 用IMC21A以太光纤转换器，输入电压在12～48VDC间，输入电流为 265mA@12VDC或135mA@24VDC或75mA@48VDC，而可在-40至75℃ 温度间操作，以适用于人孔道的恶劣环境，提供可靠稳定的操作。
本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其后 端软件的处理与分析系使用如图6所示，使用LabVIEW图像仪控程序，在 “身份选择”确认后，“观看者”可进行“实时监控”，监看“实时波形图” 和“趋势图”；“分析者”可依“功能选择”进行“图谱分析”和“脉冲 分析”，由于LabVIEW软件是以图控的方式撰写程序，在人机接口呈现 的部分，有易操作、方便观看的特性。
综上所述，本发明智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断 系统，通过放电讯号传感器与管路封塞结合，能随时侦测电缆的放电信号， 及时安排检修。
以上所述乃是本发明较佳具体的实施例，若依本发明的构想所作的改 变，其产生的功能作用，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在 本发明之范围内。

Claims (8)

1.一种智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，包括有量测单元、处理单元、传输/接口单元及监控单元；以一放电讯号传感器采集电缆的局部放电信号后，经处理单元进行讯号处理，再经传输/接口单元传送至后端计算机的监控单元进行监控；其特征在于，所述放电讯号传感器，是在一弹性体的外表面设一接点，所述弹性体内部设感应线圈，感应线圈与接点相连通，接点可经由一导线与一信号转换器的通路接头连接，将感测到的信号传送至该信号转换器进行处理后传输。
2.根据权利要求1所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于，所述放电讯号传感器的弹性体为两对半型弹性体所组成，该两对半型弹性体组合后围成环圈状，以包夹电缆。
3.根据权利要求1所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于，所述放电讯号传感器的两对半型弹性体的两端各设有一螺孔，使两对半型弹性体可经由一螺丝旋入所述螺孔后，将其组合成环圈状。
4.根据权利要求1-3任一项所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于，所述放电讯号传感器设在一管路封塞的上端，使该管路封塞夹束电缆时，同时令该放电讯号传感器夹附在该电缆的外周表面，以对电缆进行感测。
5.根据权利要求4所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于，所述管路封塞包括：
一封塞本体，由弹性材料制成，由两对半封塞本体组成环圈状，其中央为轴向贯穿的单一孔道，以供电缆穿入；其封塞本体上间隔设有轴向贯穿的卡扣孔；
一底座部，设于所述封塞本体的下方，由两对半底座部组成环圈状，其上端设有数个向上凸出的插接部，以便从下端插入所述封塞本体的卡扣孔；
一夹扣部，设于所述封塞本体的上方，由两对半夹扣部组成环圈状，其中央形成一环套座，该环套座的内面为斜面状；该夹扣部的下方并设有向下凸出的多数插接部，以便从上端插入封塞本体的卡扣孔；其顶端设有一上缘部，其内部设有一阶梯部，该阶梯部的表面设有可供螺栓穿过的穿孔；
一环套组件，设于所述夹扣部的上方，由两对半环套组件组成环圈状，其分成呈锥状的环套上部与环套下部，该环套上部与环套下部上设有多道开槽，使其具备变形弹性；该环套上部与环套下部之间的外围设有向外延伸的凸板与撑板，其凸板上设有可供螺栓穿过的穿孔，其撑板为向下斜伸，在环套上部与环套下部的内面形成有螺纹；环套下部套设在所述夹扣部的环套座内，并在撑板嵌入阶梯部时，得以在环套座内适度上下移动；
一盖板，设于所述环套组件的上方，由两对半盖板组成环圈状，其表面设有可供螺栓穿过的穿孔；其下端相对至所述环套组件的撑板位置，设有下凹槽，其设在所述环套组件的上方时，其下凹槽可嵌住撑板；
通过数根螺栓可将上述封塞本体、底座部、夹扣部、环套组件及盖板束紧成一整体，以夹束通过孔道的电缆。
6.根据权利要求5所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于，所述放电讯号传感器的对半型弹性体的表面上设有通孔，可供所述管路封塞的螺栓通过，以和所述管路封塞结合成一体。
7.根据权利要求4所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于：
所述量测单元以放电讯号传感器在采集信号后，经类比放大电路滤波、放大，将输入信号调整在设定电压增益范围后，传递至后端；所述处理单元通过ADC与FPGA做讯号处理，由ARM通过ether网路将资料传输至后端PC；所述传输/接口单元：使用Labview程序以算法一辨识放电脉冲信号，再将取得的资料通过控制算法二至后端；所述监控单元：经由计算机收集信息，汇集成长时间的放电变化趋势图。
8.根据权利要求4所述的智能管路封塞输电级地下电缆线路部份放电的诊断系统，其特征在于，网络通讯协议与PDMS协议的协议转换器为光电转换器，采用IMC21A以太光纤转换器，输入电压在12～48VDC间，输入电流则为265mA@12VDC或135mA@24VDC或75mA@48VDC，硬件设计可操作温度在-40至75℃间。
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