CN114814461A - 一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法及系统，应用在电力系统领域，解决了现有评估方法无法在电缆运行状态下对电缆绝缘的老化性进行评估的技术问题，其技术方案要点是实时获取测试信号穿过待测电缆输电线路上两检测点的时刻；计算两时刻之间的时间间隔；获取输电线路两检测点之间的实际长度,计算测试信号的实际速度；计算测试信号的理论速度，对比实际速度和理论速度，评价运行中电缆的绝缘老化状态；具有的技术效果是获取测试信号达到两检测点的时间间隔，从而计算测试信号在运行电缆的实际速度，对比实际速度和理论速度评价电缆老化状态，即在电缆运行中得到电缆的绝缘老化状态。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法及系统。
背景技术
电缆绝缘的老化是影响电气性能的重要因素，大多数电缆故障都是由设备绝缘老化击穿所致。
目前，公告号为CN105486832A的中国专利申请公开了一种电缆绝缘老化状态评估方法，包括对电缆进行切片，选取140℃和160℃两个温度点进行热老化，老化完毕后取出式样在室温下防止24小时；对老化后的试样进行拉伸实验、差示扫描量热实验、红外光谱实验以及热重实验，并获取相关数据参数；根据数据参数评价电缆绝缘的老化状态。
这种评估方法虽然实现了对电缆绝缘老化状态的评估，但是这种评估方法需要对电缆进行破坏性实验，才能检测电缆绝缘的老化性能，因此这种评估方法无法在电缆运行状态下对电缆绝缘的老化性进行评估。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，其优点是便于对运行电缆的绝缘老化程度进行在线评估。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，包括：
实时获取单向传输的测试信号穿过待测电缆输电线路上两检测点的时刻；所述两检测点沿测试信号的传输方向间隔设置；
计算两所述时刻之间的时间间隔ΔT；
获取输电线路两检测点之间的实际长度L,计算测试信号的实际速度V2；
获取电缆型号和特征参数计算测试信号的理论速度V1，对比实际速度V2和理论速度V1，评价运行中电缆的绝缘老化状态。
通过上述技术方案，计算测试信号经过两检测点的时间间隔，进而算出测试信号的实际速度，电缆的绝缘老化会降低测试信号的实际速度，将测试信号的实际速度与理论速度相比，两者相差越大，证明电缆的绝缘老化程度越严重；在此检测过程中，无需破坏使用中的电缆进行测试，也不需对运行电缆计划停电，只需要检测待测电缆输电线路两检测点之间的测试信号，再通过信号分析及计算，即可得到电缆的绝缘老化程度，简单方便的实现了对运行电缆的绝缘老化程度在线评估。
本发明进一步设置为：所述测试信号为断路器一次动作产生的暂态高频电流信号；所述断路器设置在输电线路上且设置在两检测点的间隔之外。
通过上述技术方案，高压电缆线路在运行过程中会因局部电网运行需求发生倒负荷操作，线路中会流过暂态高频电流，并且暂态高频电流与高压电缆线路中的工频电流波形相差较大，因此使用暂态高频电流作为测试信号可以在不增加特殊信号的前提下，便于检测点分辨测试信号，即不需对运行电缆计划停电，也不需要外施激励源。
本发明进一步设置为：实时获取所述时刻的方法包括
实时采集流经待测电缆输电线路两检测点的高频电流信号；
分析所述高频电流信号信息，筛选出输电线路合闸或分闸时刻断路器产生的暂态高频电流波形和时间信息；
所述分闸时刻：工频电流波形由正常运行电流值突变至零值，对应时刻采集的暂态高频电流为线路分闸时刻断路器产生的暂态高频电流；
所述合闸时刻：工频电流波形由零值突变至较大运行电流值，对应时刻采集的暂态高频电流为线路合闸时刻断路器产生的暂态高频电流；
故障跳闸时刻：工频电流波形由正常运行电流突变至极大值，再突变至零值，此波形为输电线路故障跳闸波形，对应时刻采集的暂态高频电流为无效波形。
通过上述技术方案，合闸或分闸时，工频电流的波形变化明显，因此通过检测工频电流波形并与暂态高频电流波形做对比，便于分辨输电线路合闸或分闸时刻断路器产生的暂态高频电流波形和时间信息，进而记录合闸或分闸时刻暂态高频电流经过两检测点的时刻，计算时间间隔ΔT。
本发明进一步设置为：所述分析暂态高频电流信号信息的方法为：根据小波分析法获取暂态高频电流的起始时刻；所述两检测点暂态高频电流起始时刻的差值即为时间间隔ΔT；
所述实际速度V2的表达式为
。
通过上述技术方案，小波分析法能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，进而便于找出测试信号经过两检测点的时间，计算时间间隔ΔT。
本发明进一步设置为：所述评价运行中电缆的绝缘老化状态的方法为阈值法，所述理论速度V1的表达式为
;其中LO表示电缆单位长度电感值；CO表示电缆单位长度电容值；
在所述实际速度V2≤K×V1时，判断电缆老化，其中K为阈值且0＜K＜1。
通过上述技术方案，采用阈值法判断线缆的老化状态，阈值设置在0和1之间，阈值越靠近0，线缆的老化程度越严重，通过这种数值表示方式，将不明确的状态展示为表示明确的数值，便于工作人员对老化状态有直观的观测，了解老化程度。
本发明的第二目的是提供一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其优点是便于对运行电缆的绝缘老化程度进行在线评估；
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，包括
监控传感器，至少两组，间隔设置于待测电缆输电线路，用于检测沿待测电缆输电线路单向传输的测试信号；
高精度时钟模块，与监控传感器电连接，用于同步监控传感器的时间；
高速数据采集模块，与监控传感器通信，用于获取监控传感器检测到测试信号的具体时刻和时间间隔ΔT；
速度计算模块，与高速数据采集模块通信，基于监控传感器之间设置的实际长度L以及测试信号的传输时间间隔ΔT，计算测试信号在监控传感器之间的实际速度V2；
老化评估模块，用于对比测试信号在电缆输电线路的实际速度V2与理论速度V1，评估电缆绝缘老化状态。
通过上述技术方案，监控传感器监控输电线路上的工频信号和高频信号，便于筛选出输电线路合闸或分闸时刻断路器产生的暂态高频电流波形和时间信息；高精度时钟模块同步监控传感器之间的时间，保证时间间隔ΔT的精确；高速数据采集模块获取监控传感器检测到测试信号的具体时刻和时间间隔ΔT；速度计算模块计算实际速度V2，老化评估模块对比V1和V2，进而根据对比结果判断电缆的老化状态。
本发明进一步设置为：所述监控传感器和控制箱之间采用信号屏蔽电缆连接。
通过上述技术方案，信号屏蔽电缆用于屏蔽外界信号对监控传感器传递信号的影响，防止监控传感器传递信号被干扰，进而保证电缆绝缘老化状态评估的准确性。
本发明进一步设置为：所述信号屏蔽电缆包括屏蔽层、绕包带及绝缘保护套，所述屏蔽层由多股信号电线对绞成形，相邻信号电线间设有填充层，所述绕包带套设于所述填充层及所述信号电线的内层，所述绝缘保护套套设于所述绕包带的外层，所述屏蔽层内壁包覆有若干根芳纶芯和若干根动力线芯，所述芳纶芯与所述动力线芯间隔设置。
通过上述技术方案，这种信号屏蔽电缆通过设置屏蔽层，抗干扰性能强，保证电缆绝缘老化状态评估的准确性，同时电缆信号的传输效率更高。
本发明进一步设置为：所述老化评估模块连接有报警模块，所述报警模块用于在电缆绝缘老化状态超出预设报警值时输出报警信号至老化评估模块。
通过上述技术方案，老化评估模块评估电缆绝缘老化程度，并将评估所得的电缆绝缘老化程度与报警模块内预设的老化程度下限相比，在电缆绝缘老化程度超出下限后，报警模块输出报警信号至老化评估模块，提醒工作人员及时观测电缆的绝缘老化状态。
本发明进一步设置为：包括存储器与处理器，所述存储器存储有指令集供所述处理器调用以实现如权利要求1至5任一项所述高压运行电缆绝缘老化状态评估方法。
通过上述技术方案，通过监测电缆线路断路器分合闸产生的暂态高频电流信号，并获得暂态高频电流波形达到两检测点的时间间隔，从而计算暂态高频电流在运行电缆的实际速度，根据实际速度与理论波速度比值评价电缆老化状态，即在电缆运行中得到电缆的绝缘老化状态，从而在线评估其绝缘老化状态。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 通过监测电缆线路断路器分合闸产生的暂态高频电流信号，并获得暂态高频电流波形达到两检测点的时间间隔，从而计算暂态高频电流在运行电缆的实际速度，根据实际速度与理论波速度比值评价电缆老化状态，即在电缆运行中得到电缆的绝缘老化状态，从而在线评估其绝缘老化状态；
2.通过设置报警模块，老化评估模块评估的电缆绝缘老化程度低于报警模块内预设的老化程度下限，报警模块输出报警信号至老化评估模块，提醒工作人员及时观测电缆的绝缘老化状态。
附图说明
图1是实施例1和实施例2的暂态高频电流在线监测装置及其附件原理示意图；
图2是实施例1的线路分闸工频电流波形示意图；
图3是实施例1的线路分闸暂态高频电流波形示意图；
图4是实施例1的线路合闸工频电流波形示意图；
图5是实施例1的线路合闸暂态高频电流波形示意图；
图6是实施例2的暂态高频电流在线监测装置模块组成图；
图7是实施例2的电源系统的原理示意图。
附图标记：1、断路器；2、终端头；3、监控传感器；4、输电线路；5、信号屏蔽电缆；6、控制箱；7、主系统；8、电源系统；9、信号调理单元；10、高速数据采集模块；11、高精度时钟模块；12、主控制模块；13、存储器；14、数据远距离通信模块；15、监控中心；16、报警模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例：
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
参考图1至图5，一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，包括
（1）实时获取单向传输的暂态高频电流信号穿过待测电缆输电线路4上两检测点的时刻，两检测点沿测试信号的传输方向间隔设置；两检测点为终端头2；
实时采集待测电缆输电线路4中流经两检测点的高频电流信号并对高频电流信号进行筛选，输电线路合闸或分闸时刻，断路器1会产生暂态高频电流；
分闸时刻：工频电流波形由正常运行电流值突变至零值，对应时刻采集的暂态高频电流为线路分闸时刻断路器1产生的暂态高频电流；
合闸时刻：工频电流波形由零值突变至较大运行电流值，对应时刻采集的暂态高频电流为线路合闸时刻断路器1产生的暂态高频电流；
故障跳闸时刻：工频电流波形由正常运行电流突变至极大值，再突变至零值，此波形为输电线路故障跳闸波形，对应时刻采集的暂态高频电流为无效波形；
暂态高频电流由断路器1单向传输至输电线路的另一端，传输过程中，靠近断路器1的检测点会先于另一检测点检测到暂态高频电流信号，根据小波分析法，获取暂态高频电流信号随频率改变的“时间-频率”窗口，进而获取的暂态高频电流的起始时刻即为暂态高频电流信号穿过检测点的时刻。
（2）计算暂态高频电流信号穿过两检测点的时间间隔ΔT；暂态高频电流信号穿过两检测点的时刻的差值即为时间间隔ΔT，本实施例中分闸动作对应的时间间隔和合闸动作对应的时间间隔均为14.2µs。
（3）获取输电线路两检测点之间的实际长度L，计算测试信号的实际速度V2；
本实施例中的待测电缆线路为三相单芯电缆，单相总长度2.4Km，两检测点之间的实际长度为单向总长度，内径15.3mm，外径41.8mm，电缆单位长度电感为2.61×10-7H/m；电缆单位长度电容为1.32×10-10F/m。
实际速度V2表达式为
=1.69×108m/s。
（4）根据（3）中获取的电缆型号和特征参数，计算测试信号的理论速度V1，对比实际速度V2和理论速度V1，评价运行中电缆的绝缘老化状态；
理论速度V1表达式为
=1.70×108m/s；
其中L0表示电缆单位长度电感值；C0表示电缆单位长度电容值；
电缆的绝缘老化会降低测试信号在电缆中的传输速度，使用阈值法对比实际速度V2和理论速度V1，当V2≤K×V1时，判断电缆开始老化，其中K为阈值且0＜K＜1；得到的K值越小，实际速度V2和理论速度V1的差值就越大，表示运行电缆老化越严重，反之这证明运行电缆的运行轻快良好；本实施中V2=0.99V1，证明电缆运行情况良好。
实施例2：
参考图1和图6，一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，包括两组安装在待测电缆输电线路4上的监控传感器3、分别安装在两组监控传感器3附近的两个控制箱6和与两个控制箱6连接的监控中心15；监控传感器3安装在待测电缆本体靠近电缆终端头2的位置，实时监测线路中流过的高频电流并将高频电流信息传输至控制箱6；控制箱6与监控传感器3电连接，一个控制箱6对应连接一个监控传感器3，对高频电流信息初步处理并将其传输至监控中心15；监控中心15与控制箱6信号连接，接收控制箱6传递的高频电流信息并以此评估待测电缆的绝缘老化状态。
参考图6，一组监控传感器3包括一个高频电流传感器和一个工频电流传感器，两个固定在待测电缆的相同位置；监控传感器3与控制箱6之间使用信号屏蔽电缆5连接，信号屏蔽电缆5包括屏蔽层、绕包带及绝缘保护套，屏蔽层由多股信号电线对绞成形，相邻信号电线间设有填充层，绕包带套设于填充层及信号电线的内层，绝缘保护套套设于绕包带的外层，屏蔽层内壁包覆有若干根芳纶芯和若干根动力线芯，芳纶芯与动力线芯间隔设置。
参考图6和图7，控制箱6包括与监控传感器3电连接的主系统7和为主系统7提供运转动力的电源系统8；主系统7包括
高速数据采集模块10，高速数据采集模块10接收监控传感器3传递的信号，并根据小波分析法，获取暂态高频电流信号随频率改变的“时间-频率”窗口，进而获取的暂态高频电流的起始时刻即为暂态高频电流信号穿过检测点的时刻，随后根据两具体时刻，计算时间间隔ΔT；连接监控传感器3和主控制模块12，将监控传感器3传递的信号转换为数字信号并传输至主控制模块12；高速数据采集模块10优选为FPGA（现场可编程门阵列）或DSP（数字信号处理器）；监控传感器3与高速数据采集模块10之间电连接有信号调理单元9，信号调理单元9接收高频电流传感器和工频电流传感器传递的电流信号并将其变送为模拟电压信号传递至高速数据采集模块10，再由高速数据采集模块10将模拟电压信号转换为数字信号，并将数字信号传递至主控制模块12。
高精度时钟模块11，与高速数据采集模块10连接，对高速数据采集模块10传递至主控制模块12的数字信号进行时间标识；一组监控传感器3对应连接一个控制箱6，即一组监控传感器3对应一个主系统7，每个主系统7内均设置一个高精度时钟模块11，每个高精度时钟模块11的时间同步，则每个主系统7的时间同步；高精度时钟模块11优选为GPS时钟模块或北斗时钟模块。
主控制模块12：控制各模块和数据本地存储，主控制模块12连接电源系统8，控制主系统7的供电；主控制模块12与高速数据采集模块10连接，接收高速数据采集模块10传递的数字信号；主控制模块12连接有存储器13，将接收的数字信号存储至存储器13内。
数据远距离通信模块14：连接主控制器和监控中心15，将主控制模块12接收的数字信号回传至监控中心15；数据远距离通信模块14采用远程传输方式，优选为3G/4G/5G通信模块。
参考图6和图7，电源系统8与主控制模块12连接，电源系统8支持感应取能、太阳能供电或市电供电;电源系统8包括
一电源转换模块，电源转换模块的输入端连接一感应取能模块的输出端和一太阳能电池的输出端，感应取能模块安装于输电线路上用于感应出交流电压；
一恒流充电模块，恒流充电模块输入端连接电源转换模块的第一输出端；
一锂电池组，锂电池组输入端连接恒流充电模块输出端，锂电池组输出端连接一升压模块输入端；升压模块输出端连接一供电切换模块的第一输入端和一供电状态监测模块的第一输入端，供电切换模块的第二输入端和供电状态监测模块的第二输入端与电源转换模块的第二输出端连接。
监控中心15，包括速度计算模块和老化评估模块，速度计算模块与两个控制箱6的数据远距离通信模块14连接，接收两个数据远距离通信模块14传输的数字信号实际长度L和时间间隔ΔT，计算高频电流信息的实际速度V2；老化评估模块对比实际速度V2和待测电缆输电线路的预设速度V1评估电缆绝缘老化状态。
报警模块16：与监控中心15的老化评估模块电连接，报警模块16内部设有电缆绝缘老化程度下限；监控中心15评估电缆的绝缘老化状态后将老化状态信息传递至报警模块16，电缆的绝缘老化状态低于电缆绝缘老化程度下限时，报警模块16输出报警信号至监控中心15，提醒工作人员及时观测电缆的绝缘老化状态。
本实施例的工作过程和原理
监控传感器3检测待测电缆输电线路4上的高频电流信号和工频电流信号，并将电流信号传递至信号调理单元9；电流信号经过信号调理单元9转换成模拟电压信号，并传递至高速数据采集模块10，并在高速数据采集模块10内转换为数字信号；高精度时钟模块11为数字信号提供时间标识；具有时间标识的数字信号传输至主控制模块12，主控制模块12将数字信号存储至存储器13，并将数字信号由数据远距离通信模块14传递至监控中心15；监控中心15对两个控制箱6上的数据远距离通信模块14回传的数字信号进行分析，评估待测电缆的绝缘老化状态。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，
其特征在于，包括：
实时获取单向传输的测试信号穿过待测电缆输电线路(4)上两检测点的时刻；所述两检测点沿测试信号的传输方向间隔设置；
计算两所述时刻之间的时间间隔ΔT；
获取输电线路(4)两检测点之间的实际长度L,计算测试信号的实际速度V2；
获取电缆型号和特征参数计算测试信号的理论速度V1，对比实际速度V2和理论速度V1，评价运行中电缆的绝缘老化状态。
2.根据权利要求1所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述测试信号为断路器(1)一次动作产生的暂态高频电流信号；所述断路器(1)设置在输电线路(4)上且设置在两检测点的间隔之外。
3.根据权利要求2所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，实时获取所述时刻的方法包括
实时采集流经待测电缆输电线路(4)两检测点的高频电流信号；
分析所述高频电流信号信息，筛选出输电线路(4)合闸时刻或分闸时刻断路器(1)产生的暂态高频电流波形和时间信息；
所述分闸时刻：工频电流波形由正常运行电流值突变至零值，对应时刻采集的暂态高频电流为线路分闸时刻断路器(1)产生的暂态高频电流；
所述合闸时刻：工频电流波形由零值突变至较大运行电流值，对应时刻采集的暂态高频电流为线路合闸时刻断路器(1)产生的暂态高频电流；
故障跳闸时刻：工频电流波形由正常运行电流突变至极大值，再突变至零值，此波形为输电线路(4)故障跳闸波形，对应时刻采集的暂态高频电流为无效波形。
4.根据权利要求3所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，分析所述高频电流信号信息的方法为：
根据小波分析法获取暂态高频电流的起始时刻；所述两检测点暂态高频电流起始时刻的差值即为时间间隔ΔT；
所述实际速度V2的表达式为
。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述评价运行中电缆的绝缘老化状态的方法为阈值法，所述理论速度V1的表达式为
;其中LO表示电缆单位长度电感值；CO表示电缆单位长度电容值；
在所述实际速度V2≤K×V1时，判断电缆老化，其中K为阈值且0＜K＜1。
6.一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，包括
监控传感器(3)，至少两组，间隔设置于待测电缆输电线路(4)，用于检测沿待测电缆输电线路(4)单向传输的测试信号；
高精度时钟模块(11)，与监控传感器(3)电连接，用于同步监控传感器(3)的时间；
高速数据采集模块(10)，与监控传感器(3)通信，用于获取监控传感器(3)检测到测试信号的具体时刻和时间间隔ΔT；
速度计算模块，与高速数据采集模块(10)通信，基于监控传感器(3)之间设置的实际长度L以及测试信号的传输时间间隔ΔT，计算测试信号在监控传感器(3)之间的实际速度V2；
老化评估模块，用于对比测试信号在电缆输电线路(4)的实际速度V2与理论速度V1，评估电缆绝缘老化状态。
7.根据权利要求6所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，所述监控传感器(3)和控制箱(6)之间采用信号屏蔽电缆(5)连接。
8.根据权利要求7所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，所述信号屏蔽电缆(5)包括屏蔽层、绕包带及绝缘保护套，所述屏蔽层由多股信号电线对绞成形，相邻信号电线间设有填充层，所述绕包带套设于所述填充层及所述信号电线的内层，所述绝缘保护套套设于所述绕包带的外层，所述屏蔽层内壁包覆有若干根芳纶芯和若干根动力线芯，所述芳纶芯与所述动力线芯间隔设置。
9.根据权利要求6所述的一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，所述老化评估模块连接有报警模块(16)，所述报警模块(16)用于在电缆绝缘老化状态超出预设报警值时输出报警信号至老化评估模块。
10.一种高压运行电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，包括存储器与处理器，所述存储器存储有指令集供所述处理器调用以实现如权利要求1至5任一项所述高压运行电缆绝缘老化状态评估方法。
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