CN111965493A - 电缆故障点定位系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电缆故障点定位系统。电缆上设置有多个监测点，每个监测点对应设置有监测传感装置，监测传感装置包括电压传感组件，用于感应对应监测点电缆的暂态电压并输出该暂态电压的电压信号；采样单元，用于采集所述电压信号；时间同步单元，用于在采样单元接收到电压信号时，生成对应的时间标记；位置获取单元，用于在采样单元接收到电压信号时，获取监测传感装置的位置信息；以及后台控制系统，用于在电缆发生故障时，根据接收到的电压信号、时间标记和位置信息实现十米级的故障精确定位，缩短故障排修时间，保证供电的可靠性。

Description

电缆故障点定位系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种电缆故障点定位系统。

背景技术

目前城市发展越来越迅速，土地资源日益紧缺，因此逐渐不再采用500kV架空线向城市负荷中心输电，而是采用500kV电缆，通过地下管廊进行大容量的电能传输。由于超高压电力电缆采用固体绝缘，结构较为复杂，对绝缘浇注流程，以及现场终端和接头制作工艺要求较高。因此现场运行时，超高压电缆可能由于制造安装工艺的缺陷在本体和接头引起绝缘击穿事故。由于管廊空间有限，相较于架空线，高压电缆故障抢修极为不便，尤其是对于数公里的超长电缆线路，故障点的搜寻就要花费很长时间。

因此为了提高高压电缆绝缘击穿故障的抢修效率，保障供电可靠性，高压超长电缆的绝缘故障快速定位难题亟待解决。目前用于常规架空线路的故障定位技术，包括分布式行波测距，以及网络行波测距，定位精度均高于500米。因此对于高压超长电缆，现有定位技术的定位精度不能满足实际需求。

发明内容

基于此，有必要针对传统的电缆故障点定位技术定位精度不高的问题，提供一种改进的电缆故障点定位系统。

一种电缆故障点定位系统，电缆上设置有多个监测点，每个所述监测点对应设置有监测传感装置，其中，所述监测传感装置包括：

电压传感组件，用于感应对应监测点电缆的电压信号；

采样单元，与所述电压传感组件连接，用于采集所述电压信号；

时间同步单元，与所述采样单元连接，用于在所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，生成对应的时间标记并发送至所述采样单元；

位置获取单元，与所述采样单元连接，用于在所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，获取所述监测传感装置的位置信息并发送至所述采样单元；以及，

后台控制系统，与所述采样单元连接，用以接收所述采样单元采集到的电压信号、所述时间同步单元生成的时间标记和所述位置获取单元获取的位置信息；

当所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，所述后台控制系统根据所述暂态电压的电压信号判断电缆是否发生故障，若是，则根据最先接收到该暂态电压的电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。

上述电缆故障点定位系统，通过电压传感组件可感应监测点电缆中的暂态电压，并由后台控制系统根据该暂态电压的电压信号判断电路是否发生故障，若是，则可根据最先接收到该电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。上述系统可实现十米级故障的精确定位，进而可缩短电缆抢修时间，提高电缆故障处理效率，提升高压电缆向城市负荷中心供电的可靠性。

在其中一个实施例中，所述电压传感组件包括：壳体，所述壳体上开设有手孔；手孔盖板，设于所述壳体外侧，用以盖住所述手孔；感应电极，安装在所述壳体内部且与所述手孔盖板对应设置；电缆穿过所述壳体，所述感应电极和电缆构成高压臂电容，所述感应电极和所述手孔盖板构成低压臂电容；还包括，接头，设于所述手孔盖板远离所述手孔的一侧且与所述采样单元连接，所述低压臂电容的电压信号通过所述接头输出至所述采样单元。

在其中一个实施例中，所述感应电极和所述手孔盖板之间设置有绝缘薄膜。

在其中一个实施例中，所述采样单元通过通信光纤和通信交换机与所述后台控制系统连接。

在其中一个实施例中，所述后台控制系统包括：存储单元，用于存储所述采样单元采集到的电压信号、所述时间同步单元生成的时间标记和所述位置获取单元获取的位置信息；以及，控制单元，与所述存储单元连接，用于在所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，判断所述暂态电压的电压信号的电压幅值是否大于或等于预设阈值，若是，则判定该暂态电压的电压信号为故障电压信号，并根据最先接收到所述故障电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定所述故障点的位置。

在其中一个实施例中，第一个接收到所述故障电压信号的监测传感装置为第一监测传感装置，对应的时间标记为第一时间标记t1；第二个接收到所述故障电压信号的监测传感装置为第二监测传感装置，对应的时间标记为第二时间标记t2；所述控制单元根据以下关系式确定所述故障点位置：

d2+d1＝|D1-D2|；d2-d1＝v*(t2-t1)；

其中，d1表示故障点距所述第一监测传感装置的距离，d2表示故障点距所述第二监测传感装置的距离，D1表示所述第一监测传感装置距所述后台控制系统的距离，D2表示所述第二监测传感装置距所述后台控制系统的距离，v表示电磁波在电缆中的传播速度。

在其中一个实施例中，所述时间同步单元包括GPS时间同步模块，所述位置获取单元包括GPS天线，所述GPS天线与所述GPS时间同步模块连接，所述GPS时间同步模块与所述采样单元连接。

在其中一个实施例中，所述GPS时间同步模块的时间获取误差小于或等于20ns。

在其中一个实施例中，还包括供电装置，所述供电装置包括：供电单元，用于提供交流电源；变压器，用于对所述交流电源进行电压变换；以及，电源模块，用于将变换后的交流电源转化成直流输出，以为所述采样单元和所述时间同步单元供电。

在其中一个实施例中，所述电压传感组件设置在气体绝缘组合设备气室内。

附图说明

图1为本申请一实施例的电缆故障点定位系统的结构示意图；

图2为本申请一实施例的监测传感装置的结构示意图；

图3为本申请一实施例的电压传感组件的结构示意图。

图中各元件的符号表示如下：

100、监测传感装置，10、电压传感组件，11、壳体，110、手孔，12、手孔盖板，13、感应电极，14、接头。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

传统的利用行波进行测距的方法中，由于电缆线路超长，行波波阻抗变化很大，因此行波波速的波动也较大，信号衰减显著，较难精确地定位故障点。即使进行分布式测距，故障点的定位精度仍高于500米，不利于故障点的快速抢修。

针对上述缺陷，本申请提供一种可实现10米级故障定位精度的电缆故障定位系统。请参考图1和图2，该电缆故障定位系统在电缆上设置有多个监测点，每个监测点对应设置有监测传感装置100，监测传感装置100包括电压传感组件10、采样单元、时间同步单元、位置获取单元以及后台控制系统。

电压传感组件10用于感应对应监测点电缆的电压信号。具体的，电缆接入在气体绝缘组合设备(GIS)气室内，电压传感组件10也设置在GIS气室内，从而电压传感组件10可对该部分接入气室的电缆上的电压信号进行在线监测。进一步的，电压传感组件10可采用电容分压原理来获取电缆的电压信号。

采样单元与电压传感组件10连接，用于采集监测点监测点电缆的电压信号。进一步的，采样单元具有灵活的采集触发机制，可以是连续采集存储的FIFO(First In FirstOut)模式，也可以是陡度触发模式。陡度触发模式下一旦监测到电压信号的波形超过设定陡度，便会由原来的分时记录触发改变为长时间连续记录，从而保证信号采集的准确性和全面性。具体的，采样单元的采样率可以是250样本/秒，采样模拟带宽为100兆赫兹。

时间同步单元与采样单元连接，用于在采样单元接收到暂态电压的电压信号时，生成对应的时间标记并发送至采样单元，该时间标记为采样单元接收到暂态电压电压信号时的绝对时间。时间同步单元的标记精度优选控制在20ns以内。优选的，时间同步单元的标记精度为10ns级。从而在定位系统记录暂态电压波形的同时可记录接收到暂态电压的精确时刻。上述采样单元和时间同步单元均安装在不锈钢制作的屏蔽箱内，可避免外界电磁波的干扰。

位置获取单元与采样单元连接，用于在采样单元接收到暂态电压的电压信号时，获取监测传感装置的位置信息并发送至采样单元。具体的，位置信息可以是监测传感装置的经纬坐标，也可以是监测传感装置相对于某一参照物的距离。位置获取单元的位置获取精度优选控制在20米以内。

后台控制系统，与采样单元连接，用以接收采样单元采集到的电压信号、时间同步单元生成的时间标记和位置获取单元获取的位置信息。在采样单元采集到暂态电压的电压信号时，后台控制系统可根据该暂态电压的电压信号判断电缆是否发生故障，若是，则发出预警，并可根据最先接收到该暂态电压的电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。

由于电缆铺设在地下，环境复杂，容易在一段时间内形成多个不同的暂态电压，因此需要对接收到的暂态电压的电压信号进行判断。在判断出是电缆产生故障的情况下，后台控制系统发出预警信息提示技术人员出发抢修，同时根据最先接收到该暂态电压信号的两个监测传感装置100的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。

上述电缆故障点定位系统，通过电压传感组件可感应监测点电缆中的暂态电压，并由后台控制系统根据该暂态电压的电压信号判断电路是否发生故障，若是，则可根据最先接收到该电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。上述系统的电压测量有效频带为2.1Hz～230MHz，监测量程为其3倍的额定电压，利用上述系统可实现电缆故障的十米级精确定位，进而缩短电缆抢修时间，提高电缆故障处理效率，保证高压电缆向城市负荷中心供电的可靠性。

在示例性实施方式中，请参考图3，电压传感组10包括壳体11，壳体11上开设有手孔110；手孔盖板12设于壳体11外侧，用以盖住手孔110；感应电极13，安装在壳体11内部且与手孔盖板12对应设置；电缆穿过壳体11，感应电极13和电缆之间的杂散电容构成高压臂电容(可以为0.001pF级)，感应电极13和手孔盖板12之间的的电容构成低压臂电容(可以为nF级)，从而通过监测低压臂电容的电压信号即可实现对该部分电缆暂态电压的在线监测；还包括接头14，设于手孔盖板12远离手孔110的一侧且与采样单元连接，低压臂电容的电压信号通过接头14输出至采样单元。具体的，手孔110的内径可以是110mm，感应电极的直径为100mm，高压臂电容可以为0.001pF级，低压臂电容可以为nF级，接头14为N型接头。通过上述方式可将高压电缆的电压信号耦合出来，从而实现对电缆暂态电压的在线监测。

在示例性实施方式中，感应电极和手孔盖板之间设置有绝缘薄膜。根据电容原理，在极板电荷一定时，在感应电极和手孔盖板之间插入绝缘介质可提高低压臂电容的大小，进而可减小感应电极和手孔盖板两端的电压，方便采样单元的电压信号采集。具体的，绝缘薄膜可以是聚四氟乙烯薄膜，厚度为100μm。

在示例性实施方式中，请参考图1，采样单元通过通信光纤与通信交换机连接，通信交换机连接至后台控制系统。具体的，通信交换机为光交换机。采用光纤进行通信，可以确保数据的高效、稳定传输，同时也可减少数据传输的误差与延时。

在示例性实施方式中，后台控制系统可以包括：存储单元，用于存储采样单元采集到的电压信号、时间同步单元生成的时间标记和位置获取单元获取的位置信息；以及控制单元，与存储单元连接，用于在采样单元采集到暂态电压的电压信号时，判断暂态电压的电压信号的电压幅值是否大于或等于预设阈值，若是，则判定该暂态电压的电压信号为故障电压信号，并根据最先接收到故障电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。具体的，控制单元可根据存储的暂态电压数据提取暂态电压的幅值并分析其时频特性，当暂态电压的幅值超过预设阈值时，控制单元便会发出预警信号，同时也会对故障点进行定位。

进一步的，可设置第一个接收到故障电压信号的监测传感装置为第一监测传感装置，对应的时间标记为第一时间标记t1；第二个接收到故障电压信号的监测传感装置为第二监测传感装置，对应的时间标记为第二时间标记t2；控制单元可根据以下关系式确定故障点位置：

d2+d1＝|D1-D2|；

d2-d1＝v*(t2-t1)；

其中，d1表示故障点距第一监测传感装置的距离，d2表示故障点距第二监测传感装置的距离，D1表示第一监测传感装置距后台控制系统的距离，D2表示第二监测传感装置距后台控制系统的距离，v表示电磁波在电缆中的传播速度。由于电磁波在电缆中的传播速度与电缆的折射率有关，而电缆的折射率并不高，例如用于绝缘的塑料材质其折射率通常小于2，因此电压信号可以以接近光速向各监测点传播，进而保证定位精度。在另一些实施方式中，后台控制系统还可包括显示器、键盘等设备。

在示例性实施方式中，请参考图2，时间同步单元包括GPS时间同步模块，位置获取单元包括GPS天线，GPS天线与GPS时间同步模块连接，GPS时间同步模块与采样单元连接。GPS天线可结合目前较先进的全球定位系统将位置获取精度控制在20米以内，从而保证故障点的定位精度。

在示例性实施方式中，还包括供电装置，供电装置包括：供电单元，用于提供交流电源；变压器，用于对交流电源进行电压变换；以及电源模块，用于将变换后的交流电源转化成直流输出，以为采样单元和时间同步单元供电。具体的，供电单元可就近从变电站的220V电源处取电，每一供电单元至少具备3路输出能力，即一个供电单元可至少对三个监测传感装置供电，且供电功率不低于30W。变压器可采用深度隔离变压器。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电缆故障点定位系统，电缆上设置有多个监测点，每个所述监测点对应设置有监测传感装置，其特征在于，所述监测传感装置包括：

电压传感组件，用于感应对应监测点电缆的电压信号；

采样单元，与所述电压传感组件连接，用于采集所述电压信号；

时间同步单元，与所述采样单元连接，用于在所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，生成对应的时间标记并发送至所述采样单元；

位置获取单元，与所述采样单元连接，用于在所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，获取所述监测传感装置的位置信息并发送至所述采样单元；以及，

后台控制系统，与所述采样单元连接，用以接收所述采样单元采集到的电压信号、所述时间同步单元生成的时间标记和所述位置获取单元获取的位置信息；

当所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，所述后台控制系统根据所述暂态电压的电压信号判断电缆是否发生故障，若是，则根据最先接收到该暂态电压的电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定故障点的位置。

2.根据权利要求1所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述电压传感组件包括：

壳体，所述壳体上开设有手孔；

手孔盖板，设于所述壳体外侧，用以盖住所述手孔；

感应电极，安装在所述壳体内部且与所述手孔盖板对应设置；

电缆穿过所述壳体，所述感应电极和电缆构成高压臂电容，所述感应电极和所述手孔盖板构成低压臂电容；

还包括，

接头，设于所述手孔盖板远离所述手孔的一侧且与所述采样单元连接，所述低压臂电容的电压信号通过所述接头输出至所述采样单元。

3.根据权利要求2所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述感应电极和所述手孔盖板之间设置有绝缘薄膜。

4.根据权利要求1所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述采样单元通过通信光纤与通信交换机连接，所述通信交换机连接至所述后台控制系统。

5.根据权利要求4所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述后台控制系统包括：

存储单元，用于存储所述采样单元采集到的电压信号、所述时间同步单元生成的时间标记和所述位置获取单元获取的位置信息；以及，

控制单元，与所述存储单元连接，用于在所述采样单元采集到暂态电压的电压信号时，判断所述暂态电压的电压信号的电压幅值是否大于或等于预设阈值，若是，则判定该暂态电压的电压信号为故障电压信号，并根据最先接收到所述故障电压信号的两个监测传感装置的位置信息及对应的两个时间标记确定所述故障点的位置。

6.根据权利要求5所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，

第一个接收到所述故障电压信号的监测传感装置为第一监测传感装置，对应的时间标记为第一时间标记t1；第二个接收到所述故障电压信号的监测传感装置为第二监测传感装置，对应的时间标记为第二时间标记t2；

所述控制单元根据以下关系式确定所述故障点位置：

d2+d1＝|D1-D2|；

d2-d1＝v*(t2-t1)；

其中，d1表示故障点距所述第一监测传感装置的距离，d2表示故障点距所述第二监测传感装置的距离，D1表示所述第一监测传感装置距所述后台控制系统的距离，D2表示所述第二监测传感装置距所述后台控制系统的距离，v表示电磁波在电缆中的传播速度。

7.根据权利要求1所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述时间同步单元包括GPS时间同步模块，所述位置获取单元包括GPS天线，所述GPS天线与所述GPS时间同步模块连接，所述GPS时间同步模块与所述采样单元连接。

8.根据权利要求7所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述GPS时间同步模块的时间获取误差小于或等于20ns。

9.根据权利要求1所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，还包括供电装置，所述供电装置包括：

供电单元，用于提供交流电源；

变压器，用于对所述交流电源进行电压变换；以及，

电源模块，用于将变换后的交流电源转化成直流输出，以为所述采样单元和所述时间同步单元供电。

10.根据权利要求1-9任一项所述的电缆故障点定位系统，其特征在于，所述电压传感组件设置在气体绝缘组合设备气室内。

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