CN113671325B - 一种基于高频电场变化的终端局放监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高频电场变化的终端局放监测方法及系统，属于局放监测技术领域。本发明采用电场监测装置；电场监测装置包括高频电压传感器和信号处理装置；将电场监测装置获取的信号制作成为电场分布矩阵，分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值时，判断电场分布异常；如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，并与历史数据相比较，获取局放分析档案；通过局放分析档案制作成为电场变化趋势图；提取电场变化趋势图中的最大变化值与最大变化率，当最大变化值或者最大变化率大于预设预警值时，则进行局放信号预警，并提示电缆故障风险。本发明系统使用方便，可实现终端局放监测，易于推广应用。

Description

一种基于高频电场变化的终端局放监测方法及系统

技术领域

本发明属于局放监测技术领域，具体涉及一种基于高频电场变化的终端局放监测方法及系统。

背景技术

随着我国的城市化建设规模的逐渐扩大，以及对城市安全要求的提高，新建架空线路已不被现代城市建设所采纳，现有的城市架空线路也将逐步被地下电缆所替代，使得电力电缆的应用更加广泛，电力电缆数量也迅速增长。随着城市电网改造的进行，电力电缆被越来越多的应用到城市电网中，近年来，交联聚乙烯电缆以其成本低、可靠性高、维护简便等优点，在电力系统中应用日益广泛。然而，电缆的实际运行经验表明主绝缘交联聚乙烯（XLPE）和增强绝缘硅橡胶(SIR)间的交界面最容易发生放电事故。输电电缆中产生高热量及微放电使得绝缘材料老化，绝缘性能下降，由此产生局部绝缘放电击穿。

目前电缆的局部放电检测的主要手段有超声波、特高频电磁波等。在三芯电缆上，因为电缆相线之间距离近，且不同回路的电缆往往也在附近敷设，采用超声波、特高频电磁波等方式测量电缆局放时，因为超声波、特高频电磁波等空间穿透能力强，在空间内传输容易互相干扰，这些局放监测手段往往不能精准判断局部放电点位置，给电缆的运行排查造成实际困难。因此如何克服现有技术的不足是目前局放监测技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于高频电场变化的终端局放监测方法，该方法主要通过监测电缆终端头应力锥处的高频电场变化，收集电场突变点，最终确定终端局放位置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于高频电场变化的终端局放监测方法，采用电场监测装置；所述的电场监测装置包括高频电压传感器和信号处理装置；

高频电压传感包括信号约束层与信号采集层；高频电压传感器绕包固定在电缆应力锥底部，信号采集层朝内，信号约束层朝外；信号约束层与电缆本体的金属屏蔽层或接地线连接；

信号采集层包括电场均匀装置和电场采集装置；电场采集装置设置在电场均匀装置中，电场采集装置与信号处理装置相连；

信号处理装置用于对电场采集装置采集到的信号进行数字化处理；

所述的局放监测方法包括如下步骤：

步骤（1），将电场监测装置获取的信号制作成为电场分布矩阵，矩阵中的不同元素对应不同位置的霍尔传感器的监测值；

步骤（2），分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值的50%时，判断电场分布异常；反之，则为正常；

步骤（3），如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，将当前电场分布矩阵与历史电场分布矩阵相减，计算得到的新矩阵的均方差及标准差，当均方差与标准差之差超过新矩阵平均值的绝对值时，则将其归类为不同的异常类别并归入局放分析档案中；否则，则将新产生的异常与历史异常合并放入已有的局放分析档案中；

步骤（4），将局放分析档案中的所有的电场分布矩阵通过计算矩阵特征值代表电场分布矩阵的放电强度表征，将电场的时间分布作为横坐标，提取放电强度与时间变化制作成为电场变化趋势图，提取电场变化趋势图中的最大变化值（变化趋势图中曲线最大值）与最大变化率（变化趋势图做微分后曲线最大值），当最大变化值或者最大变化率大于预设预警值时，则进行局放信号预警，并提示电缆故障风险。

进一步，优选的是，信号约束层由带绝缘的金属屏蔽层构成。

进一步，优选的是，电场采集装置采用霍尔传感器。

进一步，优选的是，电场均匀装置为一块双层柔性电路板，一层印制蜂窝状电路用于均匀电场信号，另一层印制霍尔传感器的连接线，每个蜂窝里设置一个霍尔传感器，霍尔传感器依次通过连接线、信号线连接至信号处理装置。

进一步，优选的是，步骤（4）中，电场变化趋势图中，以时间为横坐标，以放电强度为纵坐标。

进一步，优选的是，最大变化值的阈值设为历史正常运行电缆局放极大值±20%，最大变化率的阈值设为100%。

本发明同时提供所述的电场监测装置。

本发明还提供基于高频电场变化的终端局放监测系统，包括：

电场监测装置；所述的电场监测装置包括高频电压传感器和信号处理装置；

高频电压传感包括信号约束层与信号采集层；高频电压传感器绕包固定在电缆应力锥底部，信号采集层朝内，信号约束层朝外；信号约束层与电缆本体的金属屏蔽层或接地线连接；

信号采集层包括电场均匀装置和电场采集装置；电场采集装置设置在电场均匀装置中，电场采集装置与信号处理装置相连；

信号处理装置用于对电场采集装置采集到的信号进行数字化处理；

还包括：

电场分布矩阵制作模块，用于将电场监测装置获取的信号制作成为电场分布矩阵，矩阵中的不同元素对应不同位置的霍尔传感器的监测值；

矩阵数据分析模块，用于分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值时，判断电场分布异常；反之，则为正常；

第一数据处理模块，用于如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，将当前电场分布矩阵与历史电场分布矩阵相减，计算得到的新矩阵的均方差及标准差，当均方差与标准差之差超过新矩阵平均值的绝对值时，则将其归类为不同的异常类别并归入局放分析档案中；

局放信号预警模块，用于将局放分析档案中的所有的电场分布矩阵通过计算矩阵特征值代表电场分布矩阵的放电强度表征，将电场的时间分布作为横坐标，提取放电强度与时间变化制作成为电场变化趋势图，提取电场变化趋势图中的最大变化值与最大变化率，当最大变化值或者最大变化率大于预设预警值时，则进行局放信号预警，并提示电缆故障风险。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）基于高频电场变化的终端局放监测方法通过感应电缆终端头应力锥处的电场变化获取电缆终端头处的局部放电信息，系统可以有效屏蔽相邻电缆的电磁波干扰，提高采集精准度；

（2）基于高频电场变化的局放监测方法，可以只监测当前测量电缆的局部放电信号，有效缩小电缆局部放电点巡查范围；

（3）电缆本体击穿故障的一种重要发展过程就是局部电场过高造成电缆绝缘层击穿，基于高频电场变化的局放监测能够直观反映电缆终端头处的电场变化，更加贴近电缆故障的实际发展过程，对电缆故障的预警效果更好。

附图说明

图1为正常情况下电缆终端头的电场分布图；

图2为安装本发明电场监测装置正常情况下电缆终端头的电场分布图；

图3为安装本发明电场监测装置异常情况下电缆终端头的电场分布图；

图4为高频电压传感器的结构示意图；

图5为信号采集层的结构示意图；

图6为基于高频电场变化的终端局放监测系统中的模块示意图；

图7为实验中高频电压传感安装示意图。

其中，1、高频电压传感器；2、信号处理装置；3、电缆应力锥；4、信号约束层；5、信号采集层；6、电场均匀装置；7、电场采集装置；8、升压装置；9、埋入小针。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

正常电缆终端头的电场分布如图1所示，因为电缆屏蔽层的关系，在电缆本体无电场泄露，电场线自应力锥下端至高压侧均匀分布。

本发明采用电场监测装置进行监测，电场监测装置包括高频（20kHz~200MHz）电压传感器1和信号处理装置2，高频电压传感器1安装在电缆应力锥3底部，如图2。

当电缆接头内部发生局部放电时，因为局部放电的关系，电缆终端内部的绝缘出现部分短接，导致电缆的电场出现瞬时性的突变增大，如图3，此时通过传感器采集电缆终端的瞬时电场变化情况，可以有效发现电缆终端头内部的局部放电缺陷。

电缆终端处的高频电压传感器1采用双层结构，主要由信号约束层4与信号采集层5构成，如图4，高频电压传感器1绕包固定在电缆应力锥3底部，其中信号采集层5朝内，信号约束层4朝外，信号约束层4由带绝缘的金属屏蔽层构成，金属屏蔽层与电缆本体的金属屏蔽层（或接地线）连接，信号采集层5包括电场均匀装置6和电场采集装置7，通过信号线连接至信号处理装置2，具体结构见图5。电场采集装置7采用霍尔传感器；电场均匀装置6为一块双层柔性电路板，一层印制蜂窝状电路用于均匀电场信号，另一层印制霍尔传感器的连接线，每个蜂窝里设置一个霍尔传感器，霍尔传感器依次通过连接线、信号线连接至信号处理装置2；

通过高频电压传感器1采集的信号经过信号处理装置2数字化处理后发送到后台系统进行计算，最终得到局放信号结果。

先将电场监测装置回传的信号制作成为电场分布矩阵，矩阵中的不同元素对应不同位置的霍尔传感器的监测值，即矩阵的横向、纵向分别与不同位置的霍尔传感器对应，矩阵内部取值为霍尔传感器读数；例如，电场分布矩阵A，其元素a_ij为第i行第j列的霍尔传感器的读数；

分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值的50%时，判断电场分布异常；

如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，将当前电场分布矩阵与历史电场分布矩阵相减，计算得到的新矩阵的均方差及标准差，当均方差与标准差之差超过新矩阵平均值的绝对值时，则将其归类为不同的异常类别并归入局放分析档案中；否则，则将新产生的异常与历史异常合并放入已有的局放分析档案中；

将局放分析档案中的所有的电场分布矩阵通过计算矩阵特征值代表电场分布矩阵的放电强度表征，将电场的时间分布作为横坐标，放电强度作为纵坐标，提取放电强度与时间变化制作成为电场变化趋势图，提取电场变化趋势图中的最大变化值（变化趋势图中曲线最大值）与最大变化率（变化趋势图做微分后曲线最大值），当最大变化值与最大变化率大于预设预警值（变化值按照正常历史最大运行情况留一定余量设置，可以设为历史正常运行电缆局放极大值±20%；变化率一般设置为100%）时，系统进行局放信号预警，提示电缆故障风险。

一种基于高频电场变化的终端局放监测系统，包括：

电场监测装置；所述的电场监测装置包括高频电压传感器1和信号处理装置2；

高频电压传感1包括信号约束层4与信号采集层5；高频电压传感器1绕包固定在电缆应力锥3底部，信号采集层5朝内，信号约束层4朝外；信号约束层4与电缆本体的金属屏蔽层或接地线连接；

信号采集层5包括电场均匀装置6和电场采集装置7；电场采集装置7设置在电场均匀装置6中，电场采集装置7与信号处理装置2相连；

信号处理装置2用于对电场采集装置采集到的信号进行数字化处理；

还包括：

电场分布矩阵制作模块101，用于将电场监测装置获取的信号制作成为电场分布矩阵，矩阵中的不同元素对应不同位置的霍尔传感器的监测值；

矩阵数据分析模块102，用于分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值时，判断电场分布异常；反之，则为正常；

第一数据处理模块103，用于如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，将当前电场分布矩阵与历史电场分布矩阵相减，计算得到的新矩阵的均方差及标准差，当均方差与标准差之差超过新矩阵平均值的绝对值时，则将其归类为不同的异常类别并归入局放分析档案中；

局放信号预警模块104，用于将局放分析档案中的所有的电场分布矩阵通过计算矩阵特征值代表电场分布矩阵的放电强度表征，将电场的时间分布作为横坐标，提取放电强度与时间变化制作成为电场变化趋势图，提取电场变化趋势图中的最大变化值与最大变化率，当最大变化值或者最大变化率大于预设预警值时，则进行局放信号预警，并提示电缆故障风险，如图6所示。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

在实验室中，使用三芯电缆搭建局放环境，在三芯电缆中的A相内部，通过埋入小针来预制电缆缺陷，将本发明所采用的高频电压传感器分别安装于三相终端头应力锥处，并对电缆升压产生局放，如图7所示；通过对数据的分析发现，本发明能够对A相进行局放信号预警，并提示电缆故障风险，即能够有效监测电缆内部的局放电场变化。B相、C相则无任何预警，证明本发明能够有效避免其他相别的局放信号的干扰，只预警当前项局部放电隐患。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于高频电场变化的终端局放监测方法，其特征在于，采用电场监测装置；所述的电场监测装置包括高频电压传感器和信号处理装置；

高频电压传感包括信号约束层与信号采集层；高频电压传感器绕包固定在电缆应力锥底部，信号采集层朝内，信号约束层朝外；信号约束层与电缆本体的金属屏蔽层或接地线连接；

信号采集层包括电场均匀装置和电场采集装置；电场采集装置设置在电场均匀装置中，电场采集装置与信号处理装置相连；

信号处理装置用于对电场采集装置采集到的信号进行数字化处理；

所述的局放监测方法包括如下步骤：

步骤（1），将电场监测装置获取的信号制作成为电场分布矩阵，矩阵中的不同元素对应不同位置的霍尔传感器的监测值；

步骤（2），分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值的50%时，判断电场分布异常；反之，则为正常；

步骤（3），如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，将当前电场分布矩阵与历史电场分布矩阵相减，计算得到的新矩阵的均方差及标准差，当均方差与标准差之差超过新矩阵平均值的绝对值时，则将其归类为不同的异常类别并归入局放分析档案中；

步骤（4），将局放分析档案中的所有的电场分布矩阵通过计算矩阵特征值代表电场分布矩阵的放电强度表征，将电场的时间分布作为横坐标，提取放电强度与时间变化制作成为电场变化趋势图，提取电场变化趋势图中的最大变化值与最大变化率，当最大变化值或者最大变化率大于预设预警值时，则进行局放信号预警，并提示电缆故障风险。

2.根据权利要求1所述的基于高频电场变化的终端局放监测方法，其特征在于，信号约束层由带绝缘的金属屏蔽层构成。

3.根据权利要求1所述的基于高频电场变化的终端局放监测方法，其特征在于，电场采集装置采用霍尔传感器。

4.根据权利要求3所述的基于高频电场变化的终端局放监测方法，其特征在于，电场均匀装置为一块双层柔性电路板，一层印制蜂窝状电路用于均匀电场信号，另一层印制霍尔传感器的连接线，每个蜂窝里设置一个霍尔传感器，霍尔传感器依次通过连接线、信号线连接至信号处理装置。

5.根据权利要求1所述的基于高频电场变化的终端局放监测方法，其特征在于，步骤（4）中，电场变化趋势图中，以时间为横坐标，以放电强度为纵坐标。

6.根据权利要求1所述的基于高频电场变化的终端局放监测方法，其特征在于，最大变化值的阈值设为历史正常运行电缆局放极大值±20%，最大变化率的阈值设为100%。

7.一种基于高频电场变化的终端局放监测系统，其特征在于，包括：

电场监测装置；所述的电场监测装置包括高频电压传感器和信号处理装置；

高频电压传感包括信号约束层与信号采集层；高频电压传感器绕包固定在电缆应力锥底部，信号采集层朝内，信号约束层朝外；信号约束层与电缆本体的金属屏蔽层或接地线连接；

信号采集层包括电场均匀装置和电场采集装置；电场采集装置设置在电场均匀装置中，电场采集装置与信号处理装置相连；

信号处理装置用于对电场采集装置采集到的信号进行数字化处理；

还包括：

电场分布矩阵制作模块，用于将电场监测装置获取的信号制作成为电场分布矩阵，矩阵中的不同元素对应不同位置的霍尔传感器的监测值；

矩阵数据分析模块，用于分析矩阵数据，当矩阵数据均方差读数大于矩阵平均值时，判断电场分布异常；反之，则为正常；

第一数据处理模块，用于如果电场分布异常时，搜索该电场监测装置历史数据，将当前电场分布矩阵与历史电场分布矩阵相减，计算得到的新矩阵的均方差及标准差，当均方差与标准差之差超过新矩阵平均值的绝对值时，则将其归类为不同的异常类别并归入局放分析档案中；

局放信号预警模块，用于将局放分析档案中的所有的电场分布矩阵通过计算矩阵特征值代表电场分布矩阵的放电强度表征，将电场的时间分布作为横坐标，提取放电强度与时间变化制作成为电场变化趋势图，提取电场变化趋势图中的最大变化值与最大变化率，当最大变化值或者最大变化率大于预设预警值时，则进行局放信号预警，并提示电缆故障风险。

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