CN115327327A - 一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪 - Google Patents

一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪 Download PDF

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郑世洋
李凯
李文鹏
杨雪
柴房森
刘聪
任明宇
陶亮
王磊
高洋
岳思宇
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Abstract

本发明涉及一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪，包括：夹持组件、超声波传感器及数据处理装置；夹持组件包括：用于容纳超声波传感器的容纳腔和用于对电缆进行夹紧固定的卡箍，容纳腔的开口朝向卡箍的中心，超声波传感器设置于容纳腔内；超声波传感器的发射窗口朝向卡箍的中心，用于向电缆发送超声波，并接收超声波被电缆反射的反射波，并向数据处理装置输出检测信号；数据处理装置，用于基于检测信号生成电缆的放电检测结果。本申请能够有效提高对电缆局部放电的检测精确度，并且，无需人工测量登高测试，提高了工作效率，而且，可以减少工作人员登高测试受到高处坠落，误碰高处带电位等伤害的概率，保证了实验人员和试验设备的安全。

Description

一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪
技术领域
本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪。
背景技术
当今社会离不开电力，而电力设备运行过程中存在各种安全隐患。新时期随着够不断普及并发展电缆制造技术，目前我国较多成产电缆的厂商都能够对电缆产品质量进行有效控制。所以在不存在外力破坏因素的作用影响下，电力电缆由于本体因素导致发生缺陷与故障的概率比较低。
电缆中间接头以及终端有着较为复杂的结构，因而要求较高的安装工艺水平，电力电缆在现场安装过程中会受到周围环境条件以及安装人员工艺水平等因素的影响，因而安装电缆的绝缘品质比较低，在后期的长期运行过程中很容易由于这些潜在的问题因素造成各种故障与事故的发生，如：局部放电现象。
局部放电(partial discharge，PD)是电缆绝缘故障早期的主要表现形式。它是引起绝缘劣化的主要原因之一，如果不能及时处理局部放电问题，设备继续带电运行，会引发安全隐患，因此电力行业的工作人员十分重视局部放电的监测问题。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪。
第一方面，本申请提供了一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪，包括：夹持组件、超声波传感器及数据处理装置；
所述夹持组件包括：用于容纳所述超声波传感器的容纳腔和用于对电缆进行夹紧固定的卡箍，所述容纳腔的开口朝向所述卡箍的中心，所述超声波传感器设置于所述容纳腔内；
所述超声波传感器的发射窗口朝向所述卡箍的中心，用于向所述电缆发送超声波，并接收所述超声波被所述电缆反射的反射波，并向所述数据处理装置输出检测信号；
所述数据处理装置，用于基于所述检测信号生成所述电缆的放电检测结果。
可选地，所述夹持组件还包括：弹簧螺丝和设置于所述弹簧螺丝和所述超声波传感器之间的挡片；
所述弹簧螺丝的螺纹端与所述挡片螺纹固定，所述容纳腔与所述开口相对的底面设置有用于供所述弹簧螺丝的螺帽伸出的开孔。
可选地，所述弹簧螺丝包括弹簧和螺栓；
所述螺栓的底部设置有螺纹，顶部设置有螺帽，所述弹簧套在螺杆上，并与所述螺帽的底部固定。
可选地，所述卡箍呈圆环状，所述卡箍内壁的形状与所述电缆的形状适配。
可选地，所述卡箍上设置有搭扣，用于紧固所述卡箍。
可选地，所述数据处理装置包括：信号处理模块和处理器；
所述信号处理模块，用于对所述检测信号进行信号处理，得到电压信号；
所述处理器，用于基于所述电压信号生成所述放电检测结果。
可选地，所述信号处理模块包括：前置放大单元；
所述前置放大单元与所述超声波传感器的输出端连接，用于对所述检测信号进行放大处理，输出放大后的检测信号。
可选地，所述信号处理模块还包括：滤波单元；
所述滤波单元与所述前置放大单元的输出端连接，用于对所述放大后的检测进行滤波处理，输出滤波后的检测信号。
可选地，所述信号处理模块还包括：A/D转换单元；
所述A/D转换单元与所述滤波单元的输出端连接，用于对所述滤波后的检测信号进行A/D转换，得到数字检测信号，以作为所述处理器的输入。
可选地，所述数据处理装置还与外部的PC机通信连接，将所述检测信号及所述放电检测结果发送至所述PC机，以用于存储。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请利用局部放电的副产物超声波对局部放电进行检测，有效提高对电缆局部放电的检测精确度，并且，无需人工测量登高测试，提高了工作效率，而且，可以减少工作人员登高测试受到高处坠落，误碰高处带电位等伤害的概率，保证了实验人员和试验设备的安全。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪的部分结构图；
图2为本申请实施例提供的一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪的原理示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1和图2所示，本申请实施例提供的一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪，包括：夹持组件、超声波传感器1(参见图1)及数据处理装置；
所述夹持组件包括：用于容纳所述超声波传感器1的容纳腔5和用于对电缆进行夹紧固定的卡箍6，所述容纳腔5的开口朝向所述卡箍6的中心，所述超声波传感器1设置于所述容纳腔5内；
所述卡箍6呈圆环状，所述卡箍6内壁的形状与所述电缆的形状适配，所述卡箍6上设置有搭扣，用于紧固所述卡箍6。
所述夹持组件还包括：弹簧螺丝和设置于所述弹簧螺丝和所述超声波传感器1之间的挡片2；
所述弹簧螺丝的螺纹端与所述挡片2螺纹固定，所述容纳腔5与所述开口相对的底面设置有用于供所述弹簧螺丝的螺帽伸出的开孔。
所述弹簧螺丝包括弹簧4和螺栓3；
所述螺栓3的底部设置有螺纹，顶部设置有螺帽，所述弹簧4套在螺杆上，并与所述螺帽的底部固定。
如图1所示，夹持组件由金属外壳(即容纳腔的外壁)，弹簧4，不锈钢卡箍6以及螺栓3组成，在无需检测时螺栓3与金属外壳紧密贴合，弹簧4处于松弛状态，当传感器与电缆接触时，受到压力影响，弹簧4发生形变，螺栓3的螺帽凸出，使用不锈钢卡箍6将超声波传感器1与电缆绑紧，尽量减少传播损耗。
所述超声波传感器1的发射窗口朝向所述卡箍6的中心，用于向所述电缆发送超声波，并接收所述超声波被所述电缆反射的反射波，并向所述数据处理装置输出检测信号；
局部放电形成的超声波信号极为微弱，其能量一般为μJ级，检测过程中必须通过前置放大器将信号进行放大。由于声信号不易放大，需要通过具有压电效应的传感器进行声—电转换。传感器中的压电元件材料通常采用锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体或者钛酸锂、碘酸锂等单晶体。其中锆钛酸铅灵敏度高，是最常用的压电材料。在超声波局部放电检测使用的传感器有单端式传感器和差分式传感器。
所述数据处理装置，用于基于所述检测信号生成所述电缆的放电检测结果。
所述数据处理装置包括：信号处理模块和处理器；
所述信号处理模块，用于对所述检测信号进行信号处理，得到电压信号；
所述处理器，用于基于所述电压信号生成所述放电检测结果。
如图2所示，所述信号处理模块包括：前置放大单元；
所述前置放大单元与所述超声波传感器1的输出端连接，用于对所述检测信号进行放大处理，输出放大后的检测信号。
前置放大单元采用精密运算放大器，对超声波传感器1产生的信号放大。超声波传感器1获得信号为差模小信号，并有些共模成分，因此，放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。精密运算放大器具有放大倍数高、高输入阻抗和高共模抑制比的特点，其构成的前置放大电路适合于放大超声波传感器1的输出电压信号。作为一级放大电路，可以对电路放大一倍。
所述信号处理模块还包括：滤波单元；
所述滤波单元与所述前置放大单元的输出端连接，用于对所述放大后的检测进行滤波处理，输出滤波后的检测信号。
滤波单元可以采用运放构建有源滤波器，通常，有源滤波电路按照其工作频带命名，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、阻带滤波器和全通滤波器。根据系统速波器电路结构和指标性能，选择合适的方法运算出滤波器各级电路的参数是滤波器设计中非常关键的一步。理想滤波器的幅频响应函数是一个突变函数，难以实现，只能以物理电路可实现的高阶滤波网路来逼近其特性，常用的逼近函数有巴特沃思、切比雪夫、贝塞尔等，但这几种滤波器的幅频响应、瞬态响应特性有较大的差别。根据局部放电信号产生的超声波信号的特点，在这里我们采用贝塞尔带通滤波器，低频截止频率选为40kHz，高频截止频率选为200kHz，增益设置为10左右，以便将信号进一步放大。这样，便可以得到频率在40～200kHz之间的电压信号。经过滤波电路的作用，将机械运动噪声，电晕产生的电脉冲及强烈电磁感应干扰信号进行有效滤除。
所述信号处理模块还包括：A/D转换单元；
所述A/D转换单元与所述滤波单元的输出端连接，用于对所述滤波后的检测信号进行A/D转换，得到数字检测信号，以作为所述处理器的输入。
为了能将获得的局部放电信号进行后续处理，需要将模拟信号转换为数字信号，将滤波后得到的电信号经过A/D转换器件，转换精度根据实际需要选择。本申请实施例采用集成化的数据采集模块，根据采样定律，采样频率ω，必须大于带限信号截止须率的2倍，即2ω。信号的后续处理主要通过计算机软件进行。同时编写了相关的软件程序进行放电信号幅值、放电信号相位的辨识、从而为决策系统提供依据以判断电缆终端内部绝缘的局部放电信号强弱以及绝缘状态。
本申请利用局部放电的副产物超声波对局部放电进行检测，有效提高对电缆局部放电的检测精确度，并且，无需人工测量登高测试，提高了工作效率，而且，可以减少工作人员登高测试受到高处坠落，误碰高处带电位等伤害的概率，保证了实验人员和试验设备的安全。
所述数据处理装置还与外部的PC机通信连接，将所述检测信号及所述放电检测结果发送至所述PC机，以用于存储。
为了实时检测是否发生了局部放电，本申请还搭建了一个PC端采集软件设计，该平台主要有三个坐标代表三个指数，x相位，y时间，z赋值。每分钟记录当时的波形并与局部放电波形进行比较，一旦发生局部放电便及时确定放电点位置。将采集到的数据进行整理并存储到数据库中。如果发生局部放电能够判断出放电类型。
本装置采用超声波在线监测方法，超声波信号从内部放电点，通过绝缘层向外表面传播，通过声发射传感器可以将生信号转换为电信号，在进行信号处理和诊断。本项目研究的电缆附件终端外挂式局放监测装置，通过采集局部放电的超声波信号，再经过前置放大，滤波就可以得到局放的监测信号，经过A/D转换，可将模拟信号转换为数字信号，传输给信号处理单元，处理单元依据边缘计算方法进行数据处理，最后上传至软件分析后台，实时在线展示监测数据信息，并通过设置的报警策略进行预警。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波技术的电缆局部放电检测仪，其特征在于，包括：夹持组件、超声波传感器及数据处理装置；
所述夹持组件包括：用于容纳所述超声波传感器的容纳腔和用于对电缆进行夹紧固定的卡箍，所述容纳腔的开口朝向所述卡箍的中心，所述超声波传感器设置于所述容纳腔内；
所述超声波传感器的发射窗口朝向所述卡箍的中心，用于向所述电缆发送超声波，并接收所述超声波被所述电缆反射的反射波，并向所述数据处理装置输出检测信号；
所述数据处理装置，用于基于所述检测信号生成所述电缆的放电检测结果。
2.根据权利要求1所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述夹持组件还包括：弹簧螺丝和设置于所述弹簧螺丝和所述超声波传感器之间的挡片；
所述弹簧螺丝的螺纹端与所述挡片螺纹固定，所述容纳腔与所述开口相对的底面设置有用于供所述弹簧螺丝的螺帽伸出的开孔。
3.根据权利要求2所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述弹簧螺丝包括弹簧和螺栓；
所述螺栓的底部设置有螺纹，顶部设置有螺帽，所述弹簧套在螺杆上，并与所述螺帽的底部固定。
4.根据权利要求1所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述卡箍呈圆环状，所述卡箍内壁的形状与所述电缆的形状适配。
5.根据权利要求1所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述卡箍上设置有搭扣，用于紧固所述卡箍。
6.根据权利要求1所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述数据处理装置包括：信号处理模块和处理器；
所述信号处理模块，用于对所述检测信号进行信号处理，得到电压信号；
所述处理器，用于基于所述电压信号生成所述放电检测结果。
7.根据权利要求6所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述信号处理模块包括：前置放大单元；
所述前置放大单元与所述超声波传感器的输出端连接，用于对所述检测信号进行放大处理，输出放大后的检测信号。
8.根据权利要求7所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述信号处理模块还包括：滤波单元；
所述滤波单元与所述前置放大单元的输出端连接，用于对所述放大后的检测进行滤波处理，输出滤波后的检测信号。
9.根据权利要求8所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述信号处理模块还包括：A/D转换单元；
所述A/D转换单元与所述滤波单元的输出端连接，用于对所述滤波后的检测信号进行A/D转换，得到数字检测信号，以作为所述处理器的输入。
10.根据权利要求1所述的电缆局部放电检测仪，其特征在于，所述数据处理装置还与外部的PC机通信连接，将所述检测信号及所述放电检测结果发送至所述PC机，以用于存储。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117347797A (zh) * 2023-09-28 2024-01-05 中国长江电力股份有限公司 一种用于局部放电的超声波阵列检测装置和方法

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