CN111948488A - 一种配电电缆故障监测系统及使用方法 - Google Patents

一种配电电缆故障监测系统及使用方法 Download PDF

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CN111948488A CN202010715309.4A CN202010715309A CN111948488A CN 111948488 A CN111948488 A CN 111948488A CN 202010715309 A CN202010715309 A CN 202010715309A CN 111948488 A CN111948488 A CN 111948488A
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卢雨欣
李洪杰
刘宝强
罗向源
杨毅
刘侃
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Abstract

本发明涉及一种配电电缆故障监测系统及使用方法，本发明创新性地以部分磁芯结构互感器实现了在三芯配电电缆沿线任意点拾取电能及故障信息的功能，并基于云端主机和分布式指示装置实现多点监测，从而确定故障发生的区域。本发明所述配电电缆故障的监测系统有安装便捷、安全、维护成本低和高效等特点，能够装设在配电电缆沿线任意点，便于分布式监测网的架设；本发明在在对配电电缆中的故障电流信号实现实时监测，还实现了感应取能，显著增加了装置的工程实用性；本发明基于分布式测量数据实现了对故障点区域的判断，有助于快速确定故障位置，具有重要的工程实用价值。

Description

一种配电电缆故障监测系统及使用方法
技术领域
本发明涉及电力设备绝缘状态在线监测技术及其应用领域，更具体地，涉及 一种配电电缆故障监测系统及使用方法。
背景技术
随着我国城市架空线路电缆化改造进程不算加快，电力电缆凭借其安全、可 靠、美观等特点，在配电网中得到了广泛的运用，其安全可靠性与人们的生产生 活息息相关。由于电缆常埋于地下，一旦发生故障，排查工作开展困难，容易导 致长时间停电事故，造成较大的经济损失。因此，近几年电力企业尝试采用在线 监测技术对电缆的运行状态进行监测，在第一时间发现电缆故障并开展检修工作。
然而随着在线监测技术在工程中的运用，一些实用性问题也逐渐暴露出来。 其一，现在常用封闭磁芯结构的高频电流互感器作为故障脉冲信号的监测传感器， 高频电流互感器需要安装在电缆屏蔽层引出线处，通常情况下只有电缆终端以及 交叉互联处存在电缆屏蔽层引出线，由于10kV配电电缆一般不做交叉互联，导 致封闭磁芯结构的高频电流互感器并不适用于配电电缆分布式在线监测。其二， 电缆沿线缺乏稳定的供电电源，单纯采用储能电池供电的方式，又需要对电量耗 尽的电池进行定期更换，大幅增加了运行维护费用。部分学者和企业针对这一问 题提出了感应取能与储能电池相结合的供电方式，利用感应取能为储能电池补充 电量，延长电池的使用周期。感应取能与储能电池相结合的方式已在不少输电电 缆线路的在线监测设备上得到了应用，并取得了不错的效果。但是三芯电缆在配 电电缆中占据主导地位，三芯电缆三相导体中的电流向量和为零，常用的非接触式感应取能技术并不适用于三芯配电电缆；其三，对于较长的故障电缆线路而言， 查找故障点需要耗费大量的时间，如何对故障点大致方位和区间进行定位也是当 前电缆故障在线监测的一大难点。缺乏适合的传感器、缺乏可靠的供电方式、无 法定位限制了分布式在线监测设备在配电电缆线路中的进一步推广
中国专利CN104283309A公开了一种110kV高压电缆在线监测技术系统， 包括安装在现场电缆侧的数据采集终端，与所述数据采集终端连接、且用于对数 据采集终端的采集数据进行处理和控制的数据管理中心，以及连接在所述数据采 集终端与数据管理中心之间、且用于实现数据采集终端与数据管理中心之间数据 交互的通信装置。虽然其可以克服现有技术中故障率高、检测难度大和安全性差 等缺陷，以实现故障率低、检测难度小和安全性好的优点。但其却不适用于三芯 配电电缆。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的电缆在线监测技术不适于三芯配电电缆 的缺陷，提供一种配电电缆故障监测系统及使用方法。
所述系统包括至少两个分布式指示装置以及主机单元；
分布式指示装置包括：传感器单元、取能单元、储能供电单元、信号调理单 元、测量单元、数据传输单元；
传感器单元的输出端分别与取能单元的输入端、信号调理单元的输入端连接；
取能单元的输出端与储能单元的输入端连接；储能单元给信号调理单元、测 量单元、数据传输单元供电；
信号调理单元的输出端与测量单元的输入端连接，测量单元的输出端与数据 传输单元的输入端连接；输出传输单元的输出端与主机单元连接；
主机单元用来实现数据处理。
本发明以部分磁芯实现了在三芯配电电缆沿线任意位置拾取电能及故障信 息的功能，显著的提高了监测装置在工程中的实用性；创新性的利用故障脉冲传 播具有方向性的特点，实现了故障点的区间判断，缩减了停电维修时间，在工程 上具有重要的实用价值。
优选地，所述传感器单元包括：磁芯、绕组、支架；
所述磁芯为圆弧形磁芯；
所述绕组缠绕于磁芯外表面；绕组的两端为传感器单元的输出端；
所述支架用来固定磁芯和绕组。
优选地，所述磁芯为锰锌铁氧体材料，相对磁导率为2500；
支架由ABS塑料制成，绕组和磁芯设于支架内；
所述支架上设有与磁芯上圆弧同轴的弧面，用来贴合待测电缆。
优选地，所述取能单元由气体放电管、低功耗整流电路以及平波电容组成；
气体放电管安装在取能单元的输入端的两个端点之间，低通功耗整流电路的 输入端与气体放电管并联；平波电容与低功耗整流电路的输出端并联；平波电容 安装于取能单元的输出端的两个端点之间。
优选地，所述储能单元由低功耗MCU、储能电池和电量测量模块组成；
电量测量模块将取能单元的输出电压转换为数字信号后传输至低功耗MCU， 当电压低于4.5V时，所述分布式指示装置由储能电池供电；当电压高于4.5V时， 由取能单元的输出电压经低功耗MCU后为所述分布式指示装置供电，同时取能 单元的输出电压经低功耗MCU后为储能电池充电。
优选地，所述信号调理单元由带通滤波电路、信号放大电路组成；
带通滤波电路的输入端与传感器的输出端连接，信号放大电路的输入端与带 通滤波电路的输出端连接，信号放大电路的输出端与测量单元的输入端连接。
优选地，所述的带通滤波电路的通带频率为50kHz-50MHz，自身噪声水平 低于20mV，输入阻抗大于100MΩ；
所述的信号放大电路的电压增益为20，输入阻抗大于100MΩ，带宽大于 100MHz，自身噪声水平低于20mV。
优选地，测量单元由数据采集模块和环形储存模块组成；
数据采集模块的输入端与信号调理单元的输出端连接，数据采集模块的输出 端与环形储存模块的输入端连接，环形储存模块的输出端与数据传输单元的输入 端连接。
优选地，数据采集模块带宽为100MHz，采样率为500MS/s，垂直分辨率为 12位，具有触发测量模式；环形储存模块储存空间为256MB。
本发明还提供一种配电电缆故障监测系统的使用方法，所述使用方法包括： 故障脉冲检测方法、故障区间定位方法、取能方法；
(1)故障脉冲检测方法具体为：
主机将触发电压发送至数据传输单元，数据传输单元在接收到触发电压值后， 将测量单元设置为触发模式；
传感器单元将采集到的电压信号传输至信号调理单元，信号调理单元将电压 信号滤除工频干扰以及高频白噪声后的脉冲信号输出至测量单元，当脉冲信号的 幅值超过触发电压后，测量单元进行数据采集，并将采集的数据存储至环形储存 模块中，完成一次采集后，数据传输单元将环形储存模块中的数据发送给主机单 元，并等待主机单元发送下一次刺激命令；
(2)故障区间定位方法具体为：
将至少两个分布式指示装置分别装设于待检测的电缆上，且对传感器单元进 行方向标定，使得在故障点同侧的分布式指示装置所测量的波形正负相同，不同 侧的分布式指示装置所测量的波形正负相反；
当电缆发生故障后，产生两个幅值相同、方向相反的电流脉冲分别向电缆的 两端传输，电缆沿线的分布式指示装置监测到其中一个电流脉冲；
主机单元对所有分布式指示装置测量的波形进行分析，找出两个输出波形正 负相反的相邻分布式指示装置，这两个相邻分布式指示装置之间的电缆区域即为 最小故障区间；
(3)取能方法具体如下：
传感器单元将电压输出至取能单元，取能单元中的气体放电管限制了输入电 压的最大值，避免所述分布式指示装置被过电压损坏；
取能单元中的低功耗整流电路将输入的正玄电压波形整流为直流电压为平 波电容充能，平波电容将电脑输送至储能单元；
储能单元根据平波电容的输出电压，判断所述分布式指示装置的供电模式； 当电压低于4.5V且储能电池电量大于10％时，所述分布式指示装置由储能电池 供电；当电压大于4.5V且储能电池电量低于99％时，取能单元为所述分布式指 示装置供电，同时为储能电池充电；当电压大于4.5V且储能电池电量高于99％ 时，储能电池不再充电，取能单元仅为所述分布式指示装置供电；当电压低于 4.5V且储能电池电量低于10％时，所述分布式指示装置进入休眠模式，信号调 理单元、测量单元、数据传输单元均不工作，储能电池仅为储能供电单元提供电 能。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明中的传感器单元，利用磁场感应测量故障电流大小和波形，可以安装 在电缆线路沿线任意位置，具有安装便捷、使用安全的优点；
本发明利用自取能方式解决了三芯电缆在线监测装置需要定期更换电池的 问题；
本发明可实现故障区间定位，显著提高了故障检修效率，减少停电时间。
附图说明
图1为实施例1所述配电电缆故障监测系统示意图。
图2为传感器单元结构示意图。
图中：11-传感器单元、12-取能单元、13-储能供电单元、14-信号调理单元、15- 测量单元、16-数据传输单元、17-主机单元、18-分布式指示装置、11.1-磁芯、11.2- 绕组、11.3-支架。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实 际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种配电电缆故障监测系统，具有安装便捷、安全、维护成本 低和高效的特点，创新的实现了三芯配电电缆非接触式感应取能，并对电缆中的 故障脉冲进行测量以及故障点区间定位，提升了相关领域的技术水平，弥补了现 有监测技术在工程实用中存在的不足，具有广阔的应用前景。
如图1所示，本实施例所述系统包括至少两个分布式指示装置18。每两个 指示装置之间为一段监测区间。
所述分布式指示装置18由传感器单元11、取能单元12、储能供电单元13、 信号调理单元14、测量单元15、数据传输单元16、主机单元17。其中传感器单 元11、取能单元12、储能供电单元13、信号调理单元14、测量单元15、数据 传输单元16组成。
所述的传感器单元11，如图2所示，由圆弧形磁芯11.1、绕组11.2及其支 架11.3组成。圆弧形磁芯11.1圆心角为150度，内径为120mm，外径为150mm， 高度为30mm，磁芯11.1的材料为锰锌铁氧体，相对磁导率约为2500。绕组11.2 由截面积为1mm2铜线在磁芯上密绕2000匝而成。支架11.3挖有一圆弧形凹槽， 圆弧形凹槽圆心角152度、内径123mm、外径153mm、槽深35mm，可以固定 绕有线圈后的圆弧形磁芯11.1，支架11.3由ABS塑料制成。传感器单元11安 装在被测电缆的外护套外侧，其输出端分别与取能单元12和信号调理单元14的 输入端相连。所有的传感器单元11均经过方向标定，确保每个测量节点同一方 向的故障电流所感应出电压的幅值正负相同。
所述的取能单元12，由气体放电管、低功耗整流电路以及平波电容组成。 气体放电管安装在取能单元12的两个输入端之间，低功耗整流电路的输入端与 气体放电管并联，平波电容与低功耗三相整流电路输出端并联。取能单元12的 输出端与储能供电单元13的输入端相连。
所述低功耗整流电路为由4个低功耗二极管组成的全桥整流电路，每个二极 管的正向导通电压小于30mV，最大正向导通电流大于500mA，正向耐压大于 20V。
所述的储能供电单元13由低功耗MCU、储能电池和电量测量模块组成，电 量测量模块将取能单元12的输出电压转换为数字信号后传输至低功耗MCU，当 电压低于4.5V时装置由储能电池供电；当电压高于4.5V时，装置由取能单元 12的输出电压经储能供电单元13后为装置供电，同时给储能电池充电。储能电 池输出电压为4.5V，容量大于5000mAH。
所述的信号调理单元14由带通滤波电路、信号放大电路组成。带通滤波电 路输入端与传感器单元11的输出端相连，信号放大电路的输入端与带通滤波电 路的输出端相连，信号放大电路的输出端与测量单元15的输入端相连。信号调 理单元14将传感器单元11的输入信号经滤波后获取较为纯净的故障电流信号， 再经信号放大处理后传输至测量单元15。
所述的带通滤波电路的通带频率为50kHz-50MHz，自身噪声水平低于20mV， 输入阻抗大于100MΩ。
所述的信号放大电路的电压增益为20，输入阻抗大于100MΩ，带宽大于 100MHz，自身噪声水平低于20mV。
所述的测量单元15由数据采集模块和环形储存模块组成。数据采集模块带 宽为100MHz，采样率为500MS/s，垂直分辨率为12位，具有触发测量模式。 环形储存模块储存空间为256MB。
所述的数据传输单元16支持4G网络，可将测量单元15所获取的数据上传 至主机单元17，也可以接收主机单元17的指令，从而控制测量单元15进行数 据采集。
所述的主机单元17由分布式指示装置通讯模块组成和电缆故障分析软件。
所述的分布式指示装置通讯模块采用无线通信方式接收(发送)测量数据(指令)，控制多个分布式指示装置18，接受数据之后对数据进行哈希检验，确保 数据的完整性。
所述的电缆故障分析软件通过测量故障电流的极性判断故障发生的区间，如 果两个分布式指示装置所测的故障电流极性相反，则故障发生在这两个装置之间 的区域，反之则故障不在这个区间内。
实施例2：
本实施例提供一种实施例1所述配电电缆故障监测系统的使用方法，可以分 为故障脉冲监测、故障区间定位和取能3个部分，下面对三个部分分别进行描述：
1、故障脉冲监测：
主机单元17通过无线传输的方式，将触发电压值发送至数据传输单元16， 触发电压默认值为300mV，操作人员可以结合被测电缆的运行状态与噪声水平， 设置不同的触发电压值。数据传输单元16在接收到触发电压值后，将测量单元 15设置为触发模式。
传感器单元11将采集到的的电压信号传输至信号调理单元14，信号调理单 元14将电压信号滤除工频干扰以及高频白噪声后的脉冲信号输出至测量单元15。 当脉冲信号的幅值超过触发电压后，测量单元15以100MHz的采样率、12位纵 向分辨率开始采集时间长度为1ms的数据，并将所测数据储存在容量256MB的 环形储存模块中。
在完成一次采集后，数据传输单元16将环形储存模块中的数据发送至主机 单元17，并等待主机单元17发送下一次采集命令。
2、故障区间定位：
电缆发生故障后，会产生两个幅值相同、方向相反的电流脉冲分别向电缆的 两端传输，电缆沿线的分布式指示装置18都会监测到其中一个电流脉冲。由于 所有的传感器单元11在安装时均经过方向标定，在故障点一侧的分布式指示装 置18所测量的波形正负相同，而在不同侧测量的波形正负相反。换言之，故障 发生在两个输出波形正负相反的分布式指示装置18之间。主机单元17在对所有 测量波形进行分析之后，即可找出两个输出波形正负相反的相邻分布式指示装置 18,这两个相邻分布式指示装置18之间的电缆区域即为最小故障区间。
3、取能：
传感器单元11将电压输出至取能单元12，取能单元12中的气体放电管限 制了输入电压的最大值，避免装置被过电压损坏。取能单元12中的低功耗整流 电路将输入的正弦电压波形整流为直流电压为平波电容充能，平波电容将电能输 送至储能供电单元13。储能供电单元13根据平波电容的输出电压，判断装置的 供电模式。当电压低于4.5V且储能电池电量大于10％时，装置由储能电池供电； 当电压大于4.5V且储能电池电量低于99％时，取能单元12为装置供电，同时为 储能电池充电；当电压大于4.5V且储能电池电量高于99％时，储能电池不再充 电，取能单元12仅为装置供电；当电压低于4.5V且储能电池电量低于10％时， 装置进入休眠模式，信号调理单元14、测量单元15、数据传输单元16均不工作， 储能电池仅为储能供电单元13提供电能。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述系统包括至少两个分布式指示装置以及主机单元；
分布式指示装置包括：传感器单元、取能单元、储能供电单元、信号调理单元、测量单元、数据传输单元；
传感器单元的输出端分别与取能单元的输入端、信号调理单元的输入端连接；
取能单元的输出端与储能单元的输入端连接；储能单元给信号调理单元、测量单元、数据传输单元供电；
信号调理单元的输出端与测量单元的输入端连接，测量单元的输出端与数据传输单元的输入端连接；输出传输单元的输出端与主机单元连接；
主机单元用来实现数据处理。
2.根据权利要求1所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述传感器单元包括：磁芯、绕组、支架；
所述磁芯为圆弧形磁芯；
所述绕组缠绕于磁芯外表面；绕组的两端为传感器单元的输出端；
所述支架用来固定磁芯和绕组。
3.根据权利要求2所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述磁芯为锰锌铁氧体材料，相对磁导率为2500；
支架由ABS塑料制成，绕组和磁芯设于支架内；
所述支架上设有与磁芯上圆弧同轴的弧面，用来贴合待测电缆。
4.根据权利要求1所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述取能单元由气体放电管、低功耗整流电路以及平波电容组成；
气体放电管安装在取能单元的输入端的两个端点之间，低通功耗整流电路的输入端与气体放电管并联；平波电容与低功耗整流电路的输出端并联；平波电容安装于取能单元的输出端的两个端点之间。
5.根据权利要求1所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述储能单元由低功耗MCU、储能电池和电量测量模块组成；
电量测量模块将取能单元的输出电压转换为数字信号后传输至低功耗MCU，当电压低于4.5V时，所述分布式指示装置由储能电池供电；当电压高于4.5V时，由取能单元的输出电压经低功耗MCU后为所述分布式指示装置供电，同时取能单元的输出电压经低功耗MCU后为储能电池充电。
6.根据权利要求1所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述信号调理单元由带通滤波电路、信号放大电路组成；
带通滤波电路的输入端与传感器的输出端连接，信号放大电路的输入端与带通滤波电路的输出端连接，信号放大电路的输出端与测量单元的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，所述的带通滤波电路的通带频率为50kHz-50MHz，自身噪声水平低于20mV，输入阻抗大于100MΩ；
所述的信号放大电路的电压增益为20，输入阻抗大于100MΩ，带宽大于100MHz，自身噪声水平低于20mV。
8.根据权利要求1所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，测量单元由数据采集模块和环形储存模块组成；
数据采集模块的输入端与信号调理单元的输出端连接，数据采集模块的输出端与环形储存模块的输入端连接，环形储存模块的输出端与数据传输单元的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的配电电缆故障监测系统，其特征在于，数据采集模块带宽为100MHz，采样率为500MS/s，垂直分辨率为12位，具有触发测量模式；环形储存模块储存空间为256MB。
10.一种权利要求6-9任一项所述配电电缆故障监测系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：故障脉冲检测方法、故障区间定位方法、取能方法；
(1)故障脉冲检测方法具体为：
主机将触发电压发送至数据传输单元，数据传输单元在接收到触发电压值后，将测量单元设置为触发模式；
传感器单元将采集到的电压信号传输至信号调理单元，信号调理单元将电压信号滤除工频干扰以及高频白噪声后的脉冲信号输出至测量单元，当脉冲信号的幅值超过触发电压后，测量单元进行数据采集，并将采集的数据存储至环形储存模块中，完成一次采集后，数据传输单元将环形储存模块中的数据发送给主机单元，并等待主机单元发送下一次刺激命令；
(2)故障区间定位方法具体为：
将至少两个分布式指示装置分别装设于待检测的电缆上，且对传感器单元进行方向标定，使得在故障点同侧的分布式指示装置所测量的波形正负相同，不同侧的分布式指示装置所测量的波形正负相反；
当电缆发生故障后，产生两个幅值相同、方向相反的电流脉冲分别向电缆的两端传输，电缆沿线的分布式指示装置监测到其中一个电流脉冲；
主机单元对所有分布式指示装置测量的波形进行分析，找出两个输出波形正负相反的相邻分布式指示装置，这两个相邻分布式指示装置之间的电缆区域即为最小故障区间；
(3)取能方法具体如下：
传感器单元将电压输出至取能单元，取能单元中的气体放电管限制了输入电压的最大值，避免所述分布式指示装置被过电压损坏；
取能单元中的低功耗整流电路将输入的正玄电压波形整流为直流电压为平波电容充能，平波电容将电脑输送至储能单元；
储能单元根据平波电容的输出电压，判断所述分布式指示装置的供电模式；当电压低于4.5V且储能电池电量大于10％时，所述分布式指示装置由储能电池供电；当电压大于4.5V且储能电池电量低于99％时，取能单元为所述分布式指示装置供电，同时为储能电池充电；当电压大于4.5V且储能电池电量高于99％时，储能电池不再充电，取能单元仅为所述分布式指示装置供电；当电压低于4.5V且储能电池电量低于10％时，所述分布式指示装置进入休眠模式，信号调理单元、测量单元、数据传输单元均不工作，储能电池仅为储能供电单元提供电能。
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