CN116148571A - 一种基于磁场检测的电缆状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于磁场检测的电缆状态监测方法，具体步骤为：1）建立电缆状态信息数据库；2）准备不同状态的电缆试样；3）对所述不同状态的电缆试样，分别用磁场传感器探头进行磁场信号的测量，将测量的波形存储到的所述状态信息数据库的相应状态中；4）利用计算机处理并分析所述状态信息数据库中的状态数据，获得不同状态的特征值；5）对实际电缆进行在线监测的展示与实时分析，通过与不同状态的特征值进行比较以检测所述实际电缆的状态情况。这种基于磁场检测的电缆状态监测研究方法提高了对电缆劣化判断的准确度，为带电检测电缆劣化提供了有效手段。

Description

一种基于磁场检测的电缆状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于磁场检测的电缆状态监测方法，并设计集电缆状态信息集成、电缆状态信息在线监测与电缆磁场分布分析于一体的系统，分析电缆发生劣化前后的磁场分布变化，并进一步分析了电缆状态监测系统的影响因素。

背景技术

近几十年来，国内外电力电缆制造技术快速发展，其中XLPE(交联聚乙烯)以其结构简单、易于弯折、绝缘性能好、供电可靠性高、安装铺设方便等特点，广泛应用于低压配电网中，并逐步在高压、特高压等领域取得突破性进展。一般而言，在正常运行环境下，XLPE电缆的使用寿命可达到30年，但电缆的实际工作环境及其复杂，随着运行年限的增加，在电、热、机械、化学等多因素影响下，电缆会产生绝缘劣化、应力破坏等故障，威胁电力系统安全运行。

基于电缆在线监测获取的状态信息，可以分析电缆的状态。电缆状态分析的目的是对电缆所处的状态做一个大致评估以作为检修与否的依据。因此要对监测结果作全面的、历史的综合分析，这不仅要和规程的规定值作比较，还要与该电缆历史上的历次试验结果作纵向比较，必要时还要和其他反映电缆状态参数的监测结果进行对照，经过全面衡量后得到状态的分级结论。另外，区别于传统的分级评估方法，模糊逻辑、遗传算法理论、神经网络理论等智能算法也应用于电缆状态评估中，形成了元启发式分析算法。通过将状态信息进行立体性构建（监测方法、状态数据的重要度、各数据的关联等），形成立体摄像的评估分析手法。常用的元启发式分析算法有：模糊逻辑算法，遗传算法理论，神经网络理论。目前常用的电缆状态监测及评估方法有：直流叠加法、直流成分法、介质损耗角正切法、局部放电法、接地电流法、温度测量法。

发明内容

本发明的目的即在于，提出一种基于磁场特征提取的高压交流电缆在线监测与状态评估方法，实现了对交联聚乙烯电力电缆状态的快速监测与诊断。搭建了基于磁场检测的电缆状态在线监测平台，包括状态信息集成系统、状态信息监测系统和磁场分布分析系统，基于监测系统对劣化前后电缆的磁场特性和磁场分布进行对比分析，验证了基于电缆磁场分布判断电缆状态的有效性，从而进一步开发了基于磁场检测的电缆状态监测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于磁场检测的电缆状态监测研究方法，具体步骤为：

1）建立电缆状态信息数据库；

2）准备不同状态的电缆试样；

3）对所述不同状态的电缆试样，分别用磁场传感器探头进行磁场信号的测量，将测量的波形存储到的所述状态信息数据库的相应状态中；

4）利用计算机处理并分析所述状态信息数据库中的状态数据，获得不同状态的特征值；

5）对实际电缆进行在线监测的展示与实时分析，通过与不同状态的特征值进行比较以检测所述实际电缆的状态情况。

进一步优选的，所述准备不同状态的电缆试样，是取七段电缆试样，每段长约2m，分别作为实验样品#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7，其中，#1不作任何处理，作为对照试样；#2在电缆正中制作外护套破损缺陷，通过剥开外护套一定长度；#3在电缆正中制作金属护层破损缺陷，通过剥开金属护层一定长度；#4在电缆正中制作线芯断股，使用电锯割开试样至线芯部分断裂；#5在电缆正中制作绝缘层划伤缺陷；#6热老化处理，置于恒温老化箱中使试样热老化，老化温度为90℃，老化时间为70天；#7作为备用试样。

进一步优选的，所述用磁场传感器探头进行磁场信号的测量，是将总长2m的电缆试样连接到升流器两个输出端，两端各留出余量0.5m，即从起始的磁场检测位置至终止磁场检测位置的距离为1 m，测量点间距为2 cm，共标定51个测量点。

进一步优选的，所述剥开外护套一定长度和剥开金属护层一定长度，其长度为4-10cm。

进一步优选的，所述测量时的提离距离为2-6mm。

进一步优选的，测量时的线芯电流为40-80A。

本发明在电力电缆状态在线检测平台的研究基础上，总结了电缆不同状态下磁场的分布特性，验证了基于磁场特性检测电缆状态方法的可行性，分析了电缆状态监测系统的影响因素，从而优化了测量参数。这种基于磁场检测的电缆状态监测研究方法提高了对电缆劣化判断的准确度，为带电检测电缆劣化提供了有效手段。

附图说明

图1为实验试样示意图，其中，图1（a）为外护套损伤，图1（b）为金属层损伤，图1（c）为线芯断股，图1（d）-图1（e）为绝缘划伤。

图2（a）为电缆磁场测量实验台，图2（b）为电缆磁场测量用钳形电流表。

图3为电缆状态信息在线监测系统采集信号示意图，其中，图3（a）为电缆无缺陷，图3（b）为电缆外护套破损，图3（c）为电缆金属层破损，图3（d）为电缆线芯断股，图3（e）为电缆绝缘划伤，图3（f）为电缆热老化。

图4为采集点波形幅值分布示意图。

图5为电缆在无缺陷和热老化时的磁场分布。

图6为电缆在其他状态下的磁场分布。

图7为不同线芯电流下电缆磁场信号幅值变化曲线。

图8为不同探头提离距离下检测信号幅值变化曲线。

图9为不同破损情况下电缆磁场分布曲线。

图10为不同劣化类型下灵敏度随破损长度变化曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

1.试样制备

取电缆七段，每段长约2m，分别作为实验样品#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7。对每个试样的处理方法见表1，对应的处理过程与结果见图1，另外，试样#7作为备用。

表1 实验试样处理方法

2.测量电缆磁场信号

完成电缆在线检测系统的搭建后，即可进行测量电缆磁场信号实验，测量实验台如图2所示，电缆总长2 m，连接到升流器两个输出端，两端各留出余量0.5 m，这是为了排除电缆与升流器的连接端对实验测量的影响以消除边缘效应。故从起始的磁场检测位置至终止磁场检测位置的距离为1 m，角码用于固定电缆以对磁场测量点进行标定，测量点间距为2 cm，共需要标定51个测量点。

（1）在实验开始之前准备好不同的电缆试样用于连接实验电路，如图2（a）所示。

（2）接通实验电源，通过调节调压器使线芯电流升高至100 A，如图2 (b)所示。

（3）对于不同状态的电缆试样，分别用磁场传感器探头进行测量点的磁场信号的测量，测量时探头提离距离即传感器与电缆之间的距离为2mm，即保持探头距离电缆表面的垂直距离为2mm，将采集点的波形存储到相应状态的状态信息数据库中。

3.建立电缆状态信息库

通过磁场传感器探头采集不同状态电缆的磁场信号。电缆线芯通过电流时，电缆周围会产生相应的磁场，电缆外部任意位置的磁场可以经由放置在该被测点的磁场传感器检测得到，经由同轴线传输至示波器并显示。通过示波器的数据存储功能，可以将示波器显示的磁场信号存储为bin格式的信号数据，可通过USB盘传输至计算机后加以处理。通过MATLAB软件编写算法对检测得到的磁场信号进行预处理与数据拟合，最终得到电缆周围的磁场分布。

使用与示波器配套的Oscilloscope软件，实现对存储数据的复现，同时建立数据库，导入所有采集到的磁场信号数据，分类存储不同电缆状态下采集得到的磁场数据，实现状态信息的集成化。

4.获得电缆磁场波形

完成状态监测实验后得到了电缆不同状态下的磁场信号，基于电缆状态信息在线监测系统以直观显示磁场信号波形，图3（a）-图3（f）分别显示了电缆无缺陷、外护套破损、金属层破损、线芯断股、绝缘划伤、热老化共6种状态下的信号波形。其中横坐标表示波形数据点，纵坐标表示电压信号值。各状态下电缆磁场信号均做周期变化，需要再提取波形幅值以分析不同状态下电缆磁场分布情况。

5.电缆磁场分布分析

图4显示了电缆在不同状态下所有采集点的幅值分布情况，对这些数据分别进行曲线拟合，最终得到电缆在不同状态下的磁场分布曲线。图5显示了电缆在无缺陷和热老化时的磁场分布情况。可以看到，在这两种状态下采集点波形幅值波动范围分别为4.61-4.6362 V，4.62-4.6489 V，这是由于传感器测量信号时存在波动的原因造成的，信号波动范围与传感器的分辨率有关。经过线性拟合后，电缆无缺陷时信号幅值分布曲线为y=4.6222，电缆热老化时信号幅值分布曲线为y=4.6374。这可以说明热老化是一种全局老化，由于热老化使得电缆材料磁性能发生劣化，因此对磁场的屏蔽作用会被削弱，最终外部磁场的增强。

图6显示了电缆在其他状态下的磁场分布情况。可以看到，外护套破损、金属层破损和线芯断股均会使磁场分布发生畸变。随着破损程度的加重，畸变程度越大，这是由于磁场的泄露所导致。电缆绝缘划伤时的磁场分布与金属层破损时的磁场分布几乎一致，说明绝缘划伤对磁场分布的影响较其他老化类型最小。

6. 分析多种因素对电缆状态监测的影响

（1）线芯电流的影响

为了研究不同的线芯电流大小对磁场分布的影响，在无缺陷电缆线芯中分别通入20 A、40 A、60 A、80 A、100 A的交流电，得到了磁场信号平均幅值变化情况，如图7所示，幅值分别为0.926 V，1.842 V，2.763 V，3.681 V，4.622 V。可以看到平均幅值与线芯电流呈线性正相关。当电缆没有通电即线芯电流值为0时，根据拟合关系式，信号平均幅值也近似为0。线芯电流每增加1 A，磁场信号幅值相应增加0.046 V。当进行实验时，考虑到探头分辨率引起的测量波动，应尽量增加线芯电流大小以提高检测电缆磁场信号的灵敏度，但是电流过大对于能耗和设备损耗都有不利影响，基于灵敏度综合考虑，优选线芯电流为40-80A。

（2）磁场传感器提离值的影响

为了研究不同的探头提离距离对检测磁场信号的影响，在无缺陷电缆中通入100A交流电，取以下不同的提离值：2 mm、3 mm、4 mm、5 mm和6 mm来进行测量实验。图8反映了提离值变化对信号幅值的影响规律，当提离值越大时，所测到的磁场信号幅值越小，两者近似成线性反比关系，满足线性方程，当提离值选取过大时可能检测不到有效的磁场信号，所以在测量实验中应选选取合适的提离值，以提高检测的灵敏度，根据研究结果，当提离值超过6mm时，会导致灵敏度不可接受，而小于2mm对于灵敏度需要而言并不必要，同时给测量带来困难，因此优选提离距离为2-6mm。

（3）破损程度的影响

当电缆的破损程度发生变化时，外部磁场分布也会随之改变，分别设置电缆外护套破损和金属层破损长度为4 cm、7 cm和10 cm来分析磁场分布与破损程度的关联特性。

图9显示了当电缆线芯电流为100 A且磁场传感器提离距离为2mm时，电缆在不同破损情况下的磁场分布曲线，可以看到，同种破损类型下，当破损加重时，磁场分布的畸变范围明显扩大。当测量点的磁场值超出正常波动范围，即4.61-4.6362 V时，可以认为该点的磁场值已经受到电缆劣化的影响而改变，因此可以看到在外护套破损长度分别为4 cm、7cm、10 cm时，电缆磁场畸变范围对应为380 mm- 620 mm、360 mm- 640 mm、340 mm- 680mm；在金属层破损长度分别为4 cm、7 cm、10 cm时，电缆磁场畸变范围对应为380 mm- 600mm、360 mm- 640 mm、320 mm- 680 mm；当破损长度一致时，畸变范围与劣化类型相关性不大。

为了定量分析劣化程度对磁场幅值的影响，将检测灵敏度定义如下式：

(3-2)

其中，

表示电缆破损后磁场畸变范围内磁通密度幅值之和，/>

表示电缆未劣化时同一测量范围内的磁通密度幅值总和。

图10为灵敏度与破损类型和破损长度的关系曲线，可以看到，随着破损的加重，灵敏度逐渐变大，意味着更容易检测到电缆的劣化状态；破损程度一致时，在金属层破损时的检测灵敏度相比外护套破损较高，说明金属破损相对外护套破损对磁场分布的畸变作用更显著。

为了保证足够的灵敏度，电缆试样外护套和金属层的剥开长度应至少为4cm，但过大的剥开长度会导致灵敏度过高从而受外界环境的干扰而影响测量结果的准确性，故剥开长度最好小于10cm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于磁场检测的电缆状态监测方法，其特征在于，具体步骤为：

1）建立电缆状态信息数据库；

2）准备不同状态的电缆试样；

3）对所述不同状态的电缆试样，分别用磁场传感器探头进行磁场信号的测量，将测量的波形存储到的所述状态信息数据库的相应状态中；

4）利用计算机处理并分析所述状态信息数据库中的状态数据，获得不同状态的特征值；

5）对实际电缆进行在线监测的展示与实时分析，通过与不同状态的特征值进行比较以检测所述实际电缆的状态情况。

2.一种根据权利要求1所述的基于磁场检测的电缆状态监测方法，其特征在于：所述准备不同状态的电缆试样，是取七段电缆试样，每段长约2m，分别作为实验样品#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7，其中，#1不作任何处理，作为对照试样；#2在电缆正中制作外护套破损缺陷，通过剥开外护套一定长度；#3在电缆正中制作金属护层破损缺陷，通过剥开金属护层一定长度；#4在电缆正中制作线芯断股，使用电锯割开试样至线芯部分断裂；#5在电缆正中制作绝缘层划伤缺陷；#6热老化处理，置于恒温老化箱中使试样热老化，老化温度为90℃，老化时间为70天；#7作为备用试样。

3.一种根据权利要求2所述的基于磁场检测的电缆状态监测方法，其特征在于：所述用磁场传感器探头进行磁场信号的测量，是将总长2m的电缆试样连接到升流器两个输出端，两端各留出余量0.5m，即从起始的磁场检测位置至终止磁场检测位置的距离为1 m，测量点间距为2 cm，共标定51个测量点。

4.一种根据权利要求2所述的基于磁场检测的电缆状态监测方法，其特征在于：所述剥开外护套一定长度和剥开金属护层一定长度，其长度为4-10cm。

5.一种根据权利要求1所述的基于磁场检测的电缆状态监测方法，其特征在于：所述测量时的提离距离为2-6mm。

6.一种根据权利要求1所述的基于磁场检测的电缆状态监测方法，其特征在于：测量时的线芯电流为40-80A。

Images