CN116500499A - 一种三芯电缆故障检测装置、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三芯电缆故障检测装置、系统和方法，涉及配电线路故障检测技术领域。三芯电缆故障检测装置包括计算模块和磁场感应传感器，磁场感应传感器用于采集三芯电缆的感应电势，并将感应电势传输至计算模块；计算模块用于根据感应电势计算特征参数，并根据特征参数，结合故障判据判定三芯电缆运行状态，并输出计算结果与三芯电缆运行状态；磁场感应传感器包括绝缘筒，绝缘筒内壁沿圆周方向均匀固定有感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z。三芯电缆故障检测系统包括间隔设置在三芯电缆上的若干个故障检测装置、关口在线监测模组和云服务器。实现三芯电缆状态监测与短路故障的定位，有效解决现有技术难以实现配电网故障定位的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力线路故障检测技术领域，特别涉及一种三芯电缆故障检测装置、系统和方法。
背景技术
10kV中压配电网故障率相对较高，10kV中压配电网中常用的电线电缆为三芯电缆，故障种类以单相接地短路故障为主。电力系统通常采用综合自动化系统进行保护，并结合一些判据实现故障选线，但仅依靠该方法无法实现故障点精确定位，无法迅速排除故障。此外，越级跳闸现象不仅扩大了停电范围，还会造成故障选线的误判，这给故障点精确定位带来更多挑战。
目前，电力系统输电网的故障定位方法以阻抗法和行波法为主，然而均不适用于在配电网大规模投入使用。阻抗法所需要的故障录波装置虽因其原理简单、成本低，在输电网广泛安装，但此方法受系统运行方式和过渡电阻的影响很大，在距离短、分支多的配电网，此方法的误差已经无法满足实用性的要求；而应用行波法所需要的行波测距装置价格较为昂贵，配电网具有较多的分支线，为了保证定位的准确性，则需在每条支路都安装行波测距装置，这就使得线路成本激增。
发明内容
本发明提供了一种三芯电缆故障检测装置、系统和方法，可以实现三芯电缆状态监测与短路故障的定位，旨在解决现有技术难以实现配电网故障定位的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面，提供一种三芯电缆故障检测装置，包括：
计算模块；
磁场感应传感器；与所述计算模块连接，用于采集三芯电缆的感应电势，并将三芯电缆的感应电势传输至计算模块；
所述计算模块用于根据三芯电缆的感应电势计算特征参数，并根据特征参数，结合故障判据判定三芯电缆运行状态，并输出计算结果与三芯电缆运行状态；所述特征参数包括感应电势有效值、感应电势不平衡度以及感应电势零序相对量；
所述磁场感应传感器包括绝缘筒，所述绝缘筒内壁固定有感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z，所述感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z沿圆周方向均匀布置。
可选的，所述故障判据包括：
相间短路故障判据：根据感应电势有效值中某一相的感应电势有效值和正常运行时该相的感应电势有效值的大小关系，以及感应电势不平衡度的增大程度，判定三芯电缆是否发生相间短路故障；
单相接地短路故障判据：根据感应电势零序相对量和正常运行时感应电势零序相对量的大小关系及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生单相接地短路故障；
不平衡故障判据：根据感应电势零序相对量是否增大，以及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生不平衡故障；
断相故障判据：根据感应电势零序相对量是否增大，以及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生断相故障。
可选的，所述故障判据包括：
相间短路故障判据：若感应电势有效值中某一相的感应电势有效值相较于正常运行时该相的感应电势有效值增大k1倍以上，且感应电势不平衡度为正常运行时的k2倍以上，则判定三芯电缆发生相间短路故障；
单相接地短路故障判据：若感应电势零序相对量相较于正常运行时增大k3倍以上，且感应电势不平衡度大于第一预设值，则判定三芯电缆发生单相接地短路故障；
不平衡故障判据：若感应电势零序相对量没有增大，同时感应电势不平衡度大于第一预设值且小于第二预设值，则判定三芯电缆发生不平衡故障；
断相故障判据：若感应电势零序相对量没有增大，且感应电势不平衡度大于第二预设值，则判定三芯电缆发生断相故障；
其中，k1、k2和k3均为预设常数。
可选的，当判定三芯电缆的运行状态为发生故障时，获取感应线圈x，感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值，并根据感应线圈x，感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小和故障相判据进行故障相位判断；其中，感应线圈x，感应线圈y和感应线圈z分别用于采集三芯电缆的A相、B相和C相的感应电势。
可选的，当判定三芯电缆的运行状态为发生相间短路故障时，故障相判据为：比较感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小，若感应线圈y的感应电势有效值最大，则故障相位为A相和B相；若感应线圈z的感应电势有效值最大，则故障相位为B相和C相；若感应线圈x的感应电势有效值最大，则故障相位为A相和C相。
可选的，当判定三芯电缆的运行状态为发生单相接地短路故障时，故障相判据为：比较感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小；若感应线圈z的感应电势有效值最小，则故障相位为A相；若感应线圈x的感应电势有效值最小，则故障相位为B相；若感应线圈y的感应电势有效值最小，则故障相位为C相。
可选的，当判定三芯电缆的运行状态为发生断相故障时，故障相判据为：比较感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小；若感应线圈z的感应电势有效值最大，则故障相位为A相；若感应线圈x的感应电势有效值最大，则故障相位为B相；若感应线圈y的感应电势有效值最大，则故障相位为C相。
可选的，所述绝缘筒的材料为绝缘布。
本发明第二方面，提供一种三芯电缆故障检测系统，包括：
若干个上述的故障检测装置，若干个故障检测装置间隔设置在三芯电缆的若干个检测点上；
关口在线监测模组，用于接收各障检测装置发送的各检测点的特征参数与三芯电缆的运行状态，据此判定整个三芯电缆的总体运行状态，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障时，根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆的总体运行状态与短路故障位置发送给云服务器；
云服务器，用于将三芯电缆的总体运行状态与短路故障位置发送给远程服务器与用户终端。
可选的，所述故障检测装置内设置通讯模块，且所有故障检测装置的通讯模块组成自组网。
可选的，所述自组网的网络结构为mesh结构。
本发明第三方面，提供一种基于上述的一种三芯电缆故障检测系统的三芯电缆故障检测方法，包括以下步骤：
步骤1、采集三芯电缆各检测点的感应电势，并依据三芯电缆各检测点的感应电势计算三芯电缆各检测点的特征参数；
步骤2、根据三芯电缆各检测点的特征参数和故障判据判定三芯电缆各检测点的运行状态，将三芯电缆各检测点的特征参数与运行状态发送给关口在线监测模组；
步骤3、根据三芯电缆各检测点的特征参数与运行状态，判定三芯电缆的总体运行状态，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障时，根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆的总体运行状态与短路故障位置发送给云服务器。
可选的，所述步骤3中，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生相间短路故障时，区段定位算法为：应用K均值聚类算法对各检测点的感应电势有效值中的最大值进行聚类分析，按照聚类分析的结果将各检测点分为两类，两类检测点的分界区段即为相间短路故障的故障点所在区段，并将相间短路故障的故障点所在区段作为短路故障位置。
可选的，所述步骤3中，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生单相短路故障时，区段定位算法为：应用K均值聚类算法对各检测点的感应电势零序相对量进行聚类分析，按照聚类分析的结果将各检测点分为两类，两类检测点的分界区段即为单相接地短路故障的故障点所在区段，并将单相接地短路故障的故障点所在区段作为短路故障位置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的三芯电缆故障检测装置，考虑到工况运行的三芯电缆周围存在旋转的泄露磁场，因此在三芯电缆外周安装磁场感应传感器，磁场感应传感器将产生感应电势，该感应电势蕴含反映三芯电缆运行状态的特征信息。通过采集该感应电势，结合故障判据来区分包括正常运行、不平衡与断相故障、单相短路与相间短路故障在内的各种三芯电缆运行状态。
本发明所述的三芯电缆故障检测系统，包括多个故障检测装置，能够实现故障的在线监测，将所述故障检测装置沿目标线路采用基于检测点的区段安装方式，能够实现单相短路故障与相间短路故障的区段定位。该故障检测系统与目前的行波定位系统相比，具有更低的成本；同时，与目前的阻抗故障定位系统相比，具有更好的定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的感应线圈安装角度示意图。
图2为本发明实施例中单只感应线圈感应电势随安装位置的变化规律图。
图3为本发明实施例提供的基于泄露磁场的三芯电缆在线监测与短路定位系统示意图。
图4为本发明实施例提供的关口在线监测模组结构示意图。
附图中：1-三芯电缆；2-关口在线监测模组；3-故障检测装置；4-取能电流互感器；5-云服务器；6-远程服务器；7-用户终端；8-环网柜；31-磁场感应传感器；32-关口计算模块；33-物联网通讯模块；311-感应线圈x；312-感应线圈y；313-感应线圈z。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明一实施例中，提供一种三芯电缆故障检测装置，包括计算模块和磁场感应传感器。磁场感应传感器与所述计算模块连接，用于采集三芯电缆的感应电势，并将三芯电缆的感应电势传输至计算模块；所述计算模块用于根据三芯电缆的感应电势计算特征参数，并根据特征参数，结合故障判据判定三芯电缆运行状态，并输出计算结果与三芯电缆运行状态；所述特征参数包括感应电势有效值、感应电势不平衡度以及感应电势零序相对量；参照图1，所述磁场感应传感器包括绝缘筒，所述绝缘筒内壁固定有感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313，所述感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313沿圆周方向均匀布置。图1中磁场感应传感器外侧的箭头表示旋转方向。
可选的，磁场感应传感器包含三个形状和大小一致的矩形感应线圈以及一块绝缘布料；三个矩形线圈固定在绝缘筒内壁上，空间上相差120度，分别称其为感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313。具体的，磁场感应传感器产生三组蕴含反映三芯电缆运行状态的特征信息的感应电势；然后，将感应电势传输至计算模块，计算模块根据感应电势分别计算感应电势有效值、感应电势不平衡度以及感应电势零序相对量；最后，根据计算结果，结合故障判据判定三芯电缆的运行状态。
具体的，本实施方式中，感应线圈为矩形，绝缘筒由绝缘布制成。
本实施例中，感应电势有效值的计算方法如下，选择IEC61850标准规定的80点/周波作为采样率，共采样10个周期，可以获取800个点电压数据，每相电压有效值U的计算公式如下所示：
式中，表示采样点总数，此处取800；n表示采样点序号；/>表示第n个采样点的感应电势瞬时值。
本实施例中，感应电势不平衡度与感应电势零序相对量的计算方法是基于对称分量法，感应电势不平衡度的计算公式如下所示：
感应电势零序相对量的计算公式如下所示：
式中，为感应电势正序分量有效值，/>为感应电势负序分量有效值，/>为感应电势零序分量有效值；/>和/>分别满足以下公式：
式中，为感应线圈x311感应电势的有效值相量，/>为感应线圈y312感应电势的有效值相量，/>为感应线圈z313感应电势的有效值相量，/>。感应电势不平衡度这一项指标能够体现电路三相不平衡的程度，感应电势零序相对量这一项指标则反映零序分量的含量，其大小能够说明是否存在零序电流的回路，是否发生单相接地短路。
本实施例中，所述故障判据包括：
相间短路故障判据：根据感应电势有效值中某一相的感应电势有效值和正常运行时该相的感应电势有效值的大小关系，以及感应电势不平衡度的增大程度，判定三芯电缆是否发生相间短路故障。
单相接地短路故障判据：根据感应电势零序相对量和正常运行时感应电势零序相对量的大小关系及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生单相接地短路故障。
不平衡故障判据：根据感应电势零序相对量是否增大，以及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生不平衡故障。
断相故障判据：根据感应电势零序相对量是否增大，以及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生断相故障。
具体的，本实施方式中，各故障判据具体如下：
相间短路故障判据：若感应电势有效值中某一相的感应电势有效值相较于正常运行时该相的感应电势有效值增大k1倍以上，且感应电势不平衡度为正常运行时的k2倍以上，则判定三芯电缆发生相间短路故障。
单相接地短路故障判据：若感应电势零序相对量相较于正常运行时增大k3倍以上，且感应电势不平衡度大于第一预设值，则判定三芯电缆发生单相接地短路故障。
不平衡故障判据：若感应电势零序相对量没有增大，同时感应电势不平衡度大于第一预设值且小于第二预设值，则判定三芯电缆发生不平衡故障。
断相故障判据：若感应电势零序相对量没有增大，且感应电势不平衡度大于第二预设值，则判定三芯电缆发生断相故障。
本实施方式中，其中，k1、k2和k3均为预设常数，可根据实际情况适应性设置。第一预设值为10%，第二预设值为100%。
可选的，若判定三芯电缆的运行状态为发生故障时，获取感应线圈x311，感应线圈y312和感应线圈z313的感应电势有效值，并根据感应线圈x311，感应线圈y312和感应线圈z313的感应电势有效值的大小和故障相判据进行故障相位判断；其中，感应线圈x311，感应线圈y312和感应线圈z313分别用于采集三芯电缆的A相、B相和C相的感应电势。
本实施例中，故障相判据包括发生相间短路故障时的故障相判据、发生单相接地短路故障时的故障相判据以及断相故障时的故障相判据。
当判定三芯电缆的运行状态为发生相间短路故障时，故障相判据为：比较感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313的感应电势有效值的大小，若感应线圈y312的感应电势有效值最大，则故障相位为A相和B相；若感应线圈z313的感应电势有效值最大，则故障相位为B相和C相；若感应线圈x311的感应电势有效值最大，则故障相位为A相和C相。
当判定三芯电缆的运行状态为发生单相接地短路故障时，故障相判据为：比较感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313的感应电势有效值的大小；若感应线圈z313的感应电势有效值最小，则故障相位为A相；若感应线圈x311的感应电势有效值最小，则故障相位为B相；若感应线圈y312的感应电势有效值最小，则故障相位为C相。
当判定三芯电缆的运行状态为发生断相故障时，故障相判据为：比较感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313的感应电势有效值的大小；若感应线圈z313的感应电势有效值最大，则故障相位为A相；若感应线圈x311的感应电势有效值最大，则故障相位为B相；若感应线圈y312的感应电势有效值最大，则故障相位为C相。
本实施例中，磁场感应传感器在使用前，需要在现场确定安装位置，安装位置的确定包括以下步骤：
step1、初始安装位置的确定：按照图1所示，将磁场感应传感器紧贴三芯电缆的表面旋转，每隔1°～20°，记录其中一个感应线圈所感应到的感应电势有效值大小，绘制一条感应电势随安装位置变化的曲线，如图2所示；该曲线将在三处达到最小值，任选一处，将其规定为该感应线圈的初始安装位置。
step2、安装相序的确定：将感应线圈x311固定在初始安装位置，根据三个感应线圈相差120度的空间位置关系，其余两个感应线圈的位置便也已确定。检测三个感应线圈的感应电势，若在相位关系上，感应线圈x311所检出的感应电势滞后感应线圈y312，则调换感应线圈y312与z的位置；否则，保持该位置不动；这样能保证感应线圈x311的感应电势超前感应线圈y312，相序关系便已确定。
step2结束后，称感应线圈x311、感应线圈y312和感应线圈z313所对应的三芯电缆相位分别为A’相、B’相和C’相，有别于电网规定的A相、B相和C相，但两者具有相同的相序。
step3、安装位置的确定：现场度量三芯电缆的周长，得到安装角度θ=45度所对应的长度L，然后将三个感应线圈沿着感应线圈x311指向感应线圈y312的方向旋转长度为L的距离，旋转终点即为三个感应线圈的安装位置。
参照图3，本发明再一个实施例中，提供一种三芯电缆故障检测系统，包括若干个上述的故障检测装置3、关口在线监测模组2和云服务器5。若干个故障检测装置3间隔设置在三芯电缆1的若干个检测点上。
其中，关口在线监测模组2用于接收各故障检测装置3发送的各检测点的特征参数与三芯电缆的运行状态，据此判定整个三芯电缆1的总体运行状态，当判定三芯电缆1的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障时，根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆1的总体运行状态与故障位置发送给云服务器5；云服务器5用于将三芯电缆1的总体运行状态与短路故障位置发送给远程服务器6与用户终端7。
本实施方式中，在应用时将关口在线监测模组2安装在环网柜8出线处的三芯电缆1上。
故障检测装置3根据需要定位的精度安装，故障检测装置3可以等间距设置，例如，相邻的两个故障检测装置3之间的距离可以为1米、2米或其它合适的长度；也可以在某段容易发生故障的位置加大故障检测装置3的安装数量，在不易发生故障的位置减小故障检测装置3的安装数量。
各故障检测装置3用于采集三芯电缆1的感应电势，并依据三芯电缆1的感应电势计算获得特征参数，然后结合故障判据判定三芯电缆1检测点，即安装点位置的运行状态，将各检测点的特征参数与三芯电缆的运行状态发送给关口在线监测模组2。特征参数包括感应电势的有效值、感应电势不平衡度以及感应电势零序相对量。
关口在线监测模组2除前述作用，作为地下电缆沟道内各个故障检测装置3与地上的云服务器5通讯的信号中继站，以及地上的4G/5G通信(或者其他物联网接口)与地下自组网通信的通信枢纽，还用于接收三芯电缆1各检测点位置的特征参数与三芯电缆1的运行状态，据此判定整个三芯电缆1的总体运行状态，若判定三芯电缆1的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障，则根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆1的总体运行状态与短路故障位置通过4G/5G网络（或其他物联网接口）发送给云服务器5。
云服务器5用于接收关口在线监测模组2发送的三芯电缆1的总体运行状态，并将三芯电缆1的总体运行状态与短路故障位置发送给远程服务器6与用户终端7，若检测到相间短路故障和单相接地短路故障，同时还将短路故障位置发送给远程服务器6与用户终端7。
可选的，该三芯电缆故障检测系统还包括取能电流互感器4，取能电流互感器4安装在三芯电缆1上，取能电流互感器4用于通过三芯电缆1取能并给关口在线监测模组2供电。
本实施例中，所有故障检测装置3均向关口在线监测模组2实时发送包括三芯电缆1的运行状态、感应电势有效值（包括三相的感应电势有效值）、感应电势不平衡度和感应电势零序相对量的数据。
参照图3，对故障检测装置3依次编号，故障检测装置3序号记为module1、module2、module3…，其中故障检测装置module1为距离关口在线监测模组2距离最近的故障检测装置3，当短路故障发生在故障检测装置module2与故障检测装置module3之间时，以故障点为分界线，关口在线监测模组2、故障检测装置module1和故障检测装置module2计算得到的特征参数，将与故障检测装置module3以及图3中未展示的其他故障检测装置3计算得到的特征参数存在显著差异，可以据此判定故障点位于故障检测装置module2的检测点与故障检测装置module3的检测点之间。
具体的，当发生单相接地短路故障时，关口在线监测模组2、故障检测装置module1和故障检测装置module2均会判定发生了单相接地短路故障，感应电势零序相对量增大为正常时的k3倍以上；故障检测装置module3及后续故障检测装置3的感应电势零序相对量相对于正常时则不会增大。据此，运行k均值聚类算法，聚类对象为各个故障检测装置3测量的感应电势零序相对量，便可将各个检测点分为两类，两类检测点的边界即在故障检测装置module2的检测点与故障检测装置module3的检测点之间，也即单相接地短路故障点所处区段，其中，k为2；当发生相间短路故障时，关口在线监测模组2、故障检测装置module1和故障检测装置module2均会判定发生了相间短路故障，感应电势有效值的最大值将增大为正常时的k1倍以上；故障检测装置module3及后续故障检测装置3的感应电势有效值的最大值相对于正常运行则不会增大，反而会减小，据此，采用和单相接地短路同样的方法，以各个检测点的感应电势有效值的最大值为聚类对象，运行k均值聚类算法(k为2)，得到聚类结果，根据聚类结果便能判定相间短路故障发生在故障检测装置module2的检测点与故障检测装置module3的检测点之间。
可选的，本实施方式中，故障检测装置3还包括通讯模块，故障检测装置3将计算结果与运行状态经通讯模块发送至关口在线监测模组2。由于电缆沟道的4G/5G信号较差，该过程采用自组网通信；三芯电缆1通常很长，为克服远距离通信造成的信号强度衰减，自组网的网络结构选用mesh（无线网格网络）结构。
本实施方式中，参照图4，关口在线监测模组2包括磁场感应传感器31、关口计算模块32和两个物联网通讯模块33。关口在线监测模组2中的磁场感应传感器31和故障检测装置3中的磁场感应传感器结构和作用相同，用于产生三组蕴含反映三芯电缆运行状态的特征信息的感应电势；关口在线监测模组2的关口计算模块32有两个作用：一是：根据感应电势计算感应电势有效值、感应电势不平衡度以及感应电势零序相对量；并根据计算结果结合故障判据判定三芯电缆1的运行状态；二是：接收各故障检测装置3输出的计算结果与三芯电缆1的运行状态，根据各故障检测装置3输出的计算结果与三芯电缆1的运行状态，以及其判定的三芯电缆的总体运行状态进行故障区段定位。其中，一个物联网通讯模块33用于与故障检测装置3通讯，另一个物联网通讯模块33用于与云服务器5通讯。
本实施例中，三芯电缆故障检测系统在初次使用前需要进行相位标定，所述相位标定可内置为各故障检测装置3和关口在线监测模组2的程序，无需人工操作；相位标定方法包括以下步骤：
step1、关口在线监测模组2的相位标定：人工查询环网柜出线的A相、B相和C相的相位标识，以此对关口在线监测模组2的三个感应线圈标号进行重新排序，使得感应线圈x311对应A相，感应线圈y312对应B相，感应线圈z313对应C相。
step2、故障检测装置3的相位标定：首先，通过网络授时，使得各个区段的时钟同步；然后，以关口在线监测模组2为基准，当关口在线监测模组2中的感应线圈x311的感应电势过零点时，各故障检测装置3也会存在感应电势过零点的感应线圈，将这些感应线圈的标号改为感应线圈x311；然后，按照已经确定好的安装相序，将各故障检测装置3的剩余感应线圈标记为感应线圈y312和感应线圈z313。
本发明再一实施例中，提供一种基于上述的三芯电缆故障检测系统的三芯电缆故障检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采集三芯电缆1各检测点的感应电势，并依据三芯电缆1各检测点的感应电势计算三芯电缆1各检测点的特征参数。
步骤2、根据三芯电缆1各检测点的特征参数和故障判据判定三芯电缆1各检测点的运行状态，将三芯电缆1各检测点的特征参数与运行状态发送给关口在线监测模组2。
步骤3、根据三芯电缆1各检测点的特征参数与运行状态，判定三芯电缆1的总体运行状态，当判定三芯电缆1的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障时，根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆1的总体运行状态与短路故障位置发送给云服务器5。
本实施例中，区段定位算法包括相间短路区段定位算法与单相接地短路区段定位算法。
相间短路区段定位算法为：当判定三芯电缆1的总体运行状态为发生相间短路故障时，应用K均值聚类算法对各检测点的感应电势有效值中的最大值进行聚类分析，按照聚类分析的结果将各检测点分为两类，两类检测点的分界区段即为相间短路故障的故障点所在区段，并将相间短路故障的故障点所在区段作为短路故障位置。
单相接地短路区段定位算法为：当判定三芯电缆1的总体运行状态为发生单相短路故障时，应用K均值聚类算法对各检测点的感应电势零序相对量进行聚类分析，按照聚类分析的结果将各检测点分为两类，两类检测点的分界区段即为单相接地短路故障的故障点所在区段，并将单相接地短路故障的故障点所在区段作为短路故障位置。
在一实施例中，进行三芯电缆故障的仿真时，先在Simulink上建立电路仿真模型以获得三芯电缆故障时的电流参数，然后将所获电流参数设置为Comsol仿真的三芯电缆电流并运行Comsol仿真，从而得到感应电势的仿真结果。系统不平衡运行与开路运行的特征在于，感应电势不平衡度大于10%且感应电势零序相对量小于1%；开路运行的特征在于，感应电势不平衡度大于95%，且感应电势零序相对量小于1%。
系统单相接地短路运行的特征在于，感应电势零序相对量相对于正常运行时显著增大，增大为5倍以上；系统相间短路故障的特征在于，感应电势不平衡度增大为正常时的10倍以上，且感应电势有效值最大值增大为正常时的1.5倍以上。因此，可通过感应电势有效值、感应电势不平衡度和感应电势零序相对量的计算结果来判断此时系统的运行状态。
据分析，故障相的差别将影响三个感应线圈的感应电势有效值的大小。本实施方式中，设定感应线圈x311，感应线圈y312和感应线圈z313分别用于采集三芯电缆的A相、B相和C相的感应电势。
当发生相间短路故障时，若A相和B相故障，感应电势有效值最大的感应线圈为感应线圈y312；若C相和B相故障，感应电势有效值最大的感应线圈为感应线圈z313；若A相和C相故障，感应电势有效值最大的感应线圈为感应线圈x311。
当发生单相接地短故障时，若A相故障，感应电势有效值最小的感应线圈为感应线圈z313；若B相故障，感应电势有效值最小的感应线圈为感应线圈x311；若C相故障，感应电势有效值最小的感应线圈为感应线圈y312。
当发生断相故障时，若A相故障，感应电势有效值最大的感应线圈为感应线圈z313；若B相故障，感应电势有效值最大的感应线圈为感应线圈x311；若C相故障，感应电势有效值最大的感应线圈为感应线圈y312。
本三芯电缆故障检测系统，主要应用于10kV中压配电系统，能够实现包括相间短路故障、单相接地短路故障、断相故障与不平衡故障在内的故障识别，并且能够实现包括相间短路故障和单相接地短路故障在内的短路故障定位。此外，对于高电压等级的单芯电缆以及380V的低压四芯电缆等其他类型的电缆也适用。
在一些实施例中，在上面所描述的功能单元可以实现为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称：PLC）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称：DSP）、专用集成电路（ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称：ASIC）、现场可编程门阵列（Field-ProgrammableGate Array，简称：FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (14)
1.一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，包括：
计算模块；
磁场感应传感器；与所述计算模块连接，用于采集三芯电缆的感应电势，并将三芯电缆的感应电势传输至计算模块；
所述计算模块用于根据三芯电缆的感应电势计算特征参数，并根据特征参数，结合故障判据判定三芯电缆运行状态，并输出计算结果与三芯电缆运行状态；所述特征参数包括感应电势有效值、感应电势不平衡度以及感应电势零序相对量；
所述磁场感应传感器包括绝缘筒，所述绝缘筒内壁固定有感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z，所述感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z沿圆周方向均匀布置。
2.根据权利要求1所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，所述故障判据包括：
相间短路故障判据：根据感应电势有效值中某一相的感应电势有效值和正常运行时该相的感应电势有效值的大小关系，以及感应电势不平衡度的增大程度，判定三芯电缆是否发生相间短路故障；
单相接地短路故障判据：根据感应电势零序相对量和正常运行时感应电势零序相对量的大小关系及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生单相接地短路故障；
不平衡故障判据：根据感应电势零序相对量是否增大，以及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生不平衡故障；
断相故障判据：根据感应电势零序相对量是否增大，以及感应电势不平衡度的大小，判定三芯电缆是否发生断相故障。
3.根据权利要求2所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，所述故障判据包括：
相间短路故障判据：若感应电势有效值中某一相的感应电势有效值相较于正常运行时该相的感应电势有效值增大k1倍以上，且感应电势不平衡度为正常运行时的k2倍以上，则判定三芯电缆发生相间短路故障；
单相接地短路故障判据：若感应电势零序相对量相较于正常运行时增大k3倍以上，且感应电势不平衡度大于第一预设值，则判定三芯电缆发生单相接地短路故障；
不平衡故障判据：若感应电势零序相对量没有增大，同时感应电势不平衡度大于第一预设值且小于第二预设值，则判定三芯电缆发生不平衡故障；
断相故障判据：若感应电势零序相对量没有增大，且感应电势不平衡度大于第二预设值，则判定三芯电缆发生断相故障；
其中，k1、k2和k3均为预设常数。
4.根据权利要求1所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，当判定三芯电缆的运行状态为发生故障时，获取感应线圈x，感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值，并根据感应线圈x，感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小和故障相判据进行故障相位判断；其中，感应线圈x，感应线圈y和感应线圈z分别用于采集三芯电缆的A相、B相和C相的感应电势。
5.根据权利要求4所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，当判定三芯电缆的运行状态为发生相间短路故障时，故障相判据为：比较感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小，若感应线圈y的感应电势有效值最大，则故障相位为A相和B相；若感应线圈z的感应电势有效值最大，则故障相位为B相和C相；若感应线圈x的感应电势有效值最大，则故障相位为A相和C相。
6.根据权利要求4所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，当判定三芯电缆的运行状态为发生单相接地短路故障时，故障相判据为：比较感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小；若感应线圈z的感应电势有效值最小，则故障相位为A相；若感应线圈x的感应电势有效值最小，则故障相位为B相；若感应线圈y的感应电势有效值最小，则故障相位为C相。
7.根据权利要求4所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，当判定三芯电缆的运行状态为发生断相故障时，故障相判据为：比较感应线圈x、感应线圈y和感应线圈z的感应电势有效值的大小；若感应线圈z的感应电势有效值最大，则故障相位为A相；若感应线圈x的感应电势有效值最大，则故障相位为B相；若感应线圈y的感应电势有效值最大，则故障相位为C相。
8.根据权利要求1所述的一种三芯电缆故障检测装置，其特征在于，所述绝缘筒的材料为绝缘布。
9.一种三芯电缆故障检测系统，其特征在于，包括：
若干个如权利要求1-8中任一项所述的故障检测装置，若干个故障检测装置间隔设置在三芯电缆的若干个检测点上；
关口在线监测模组，用于接收各故障检测装置发送的各检测点的特征参数与三芯电缆的运行状态，据此判定整个三芯电缆的总体运行状态，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障时，根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆的总体运行状态与短路故障位置发送给云服务器；
云服务器，用于将三芯电缆的总体运行状态与短路故障位置发送给远程服务器与用户终端。
10.根据权利要求9所述的一种三芯电缆故障检测系统，其特征在于，所述故障检测装置内设置通讯模块，且所有故障检测装置的通讯模块组成自组网。
11.根据权利要求10所述的一种三芯电缆故障检测系统，其特征在于，所述自组网的网络结构为mesh结构。
12.一种基于权利要求9所述的一种三芯电缆故障检测系统的三芯电缆故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采集三芯电缆各检测点的感应电势，并依据三芯电缆各检测点的感应电势计算三芯电缆各检测点的特征参数；
步骤2、根据三芯电缆各检测点的特征参数和故障判据判定三芯电缆各检测点的运行状态，将三芯电缆各检测点的特征参数与运行状态发送给关口在线监测模组；
步骤3、根据三芯电缆各检测点的特征参数与运行状态，判定三芯电缆的总体运行状态，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生相间短路故障或者单相短路故障时，根据区段定位算法确定短路故障位置，然后将三芯电缆的总体运行状态与短路故障位置发送给云服务器。
13.根据权利要求12所述的一种三芯电缆故障检测方法，其特征在于，所述步骤3中，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生相间短路故障时，区段定位算法为：应用K均值聚类算法对各检测点的感应电势有效值中的最大值进行聚类分析，按照聚类分析的结果将各检测点分为两类，两类检测点的分界区段即为相间短路故障的故障点所在区段，并将相间短路故障的故障点所在区段作为短路故障位置。
14.根据权利要求12所述的一种三芯电缆故障检测方法，其特征在于，所述步骤3中，当判定三芯电缆的总体运行状态为发生单相短路故障时，区段定位算法为：应用K均值聚类算法对各检测点的感应电势零序相对量进行聚类分析，按照聚类分析的结果将各检测点分为两类，两类检测点的分界区段即为单相接地短路故障的故障点所在区段，并将单相接地短路故障的故障点所在区段作为短路故障位置。
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