CN1580797A - 电力电缆局部放电在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在线监测电力电缆局部放电的方法和装置，在电缆接地线上套接局部放电传感器，并在变电站电压互感器上安装电阻分压器，利用计算机进行分析处理局部放电统计分析，能够分析最大放电量、平均放电量、放电次数、放电相位、偏斜度、峭度等放电参数，具有丰富的谱图显示功能，能够显示放电量(包括最大放电量和平均放电量)与放电相位谱图、放电次数与放电相位谱图、放电椭圆谱图、放电量－放电次数－放电相位三维谱图，通过ORACLE实现数据的管理，具有历史查询功能，还具有报表打印、阈值报警、远程查询等功能。该装置由罗氏线圈局部放电传感器、前端放大器、信号电缆、后端信号调理器、电阻分压器、数据采集卡、数字IO卡、计算机等构成。

Description

电力电缆局部放电在线监测方法及装置

技术领域

本发明属于电力设备在线监测技术领域，具体涉及在线监测电力电缆局部放电的方法和装置。

背景技术

高压电缆是电力系统的重要组成部分。随着高压及超高压输电线路的发展，电力电缆由于其特有的技术优越性得到了越来越广泛地应用。电缆在运行过程中，会由于内部的杂质、半导体层凸起、电压作用下空间电荷的积累等因素造成的局部电场应力集中，产生局部放电，使电缆的安全运行受到影响。因此，通过检测电缆绝缘的局部放电，可以有效地判断电缆绝缘的老化情况，这对于电力电缆线路长期稳定运行具有重要意义。

国内外研制的电力设备局部放电检测装置很多，主要有应用于GIS超高频局部放电的检测装置、应用于发电机的局部放电检测装置、应用于变压器的超高频局部放电检测装置，但能应用于在线检测电力电缆局部放电的方法和装置并未见到相关报道。中国专利公开号1046045所介绍的检测电缆放电的便携式装置，这种装置采用探头耦合技术，在检测过程中需要人工移动探头，难以检测深埋于地下的电缆以及人员不能进入的电缆运行场所。

随着电力自动化水平的提高，电力运行部分要求电力设备监测装置具有丰富的数据分析功能、强大的数据管理能力和自动化水平。已有的电力设备的局部放电监测装置的分析参数少，往往只能分析放电量、放电次数，以及它们与放电相位之间的关系等一些基本的局部放电参量，没有分析与电力设备绝缘老化相关性很大的局部放电的偏斜度和峭度。而且已有的放电监测装置功能较简单，对大量监测数据管理能力较差，自动化水平不高，难以满足自动化水平日益增长的电力部门的要求。

发明内容

针对在线监测电力电缆绝缘状况的迫切要求，本发明专利的目的在于提供一种在线监测电力电缆局部放电的方法和装置，能够监测电缆绝缘和电缆连接盒的局部放电。

计算机技术和电子技术的飞速发展，推进了虚拟仪器技术的快速发展。这种技术采用软件直接控制底层硬件，由软件来完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了“软件就是仪器”的理念，具有高效、易用、灵活、功能强大等优点。

实现上述发明目的的技术解决方案是，一种电力电缆局部放电在线监测方法，其特征在于，采用在电缆接地线上套接局部放电传感器，并在变电站电压互感器上安装电阻分压器，利用计算机进行分析处理和结果显示，实现电力电缆局部放电在线监测；包括以下步骤：

1)在电缆接地线上套接局部放电传感器，用于耦合电缆本体和连接盒的放电信号，并将电力电缆局部放电信号经过信号调理和传输之后送入安装在计算机内的数据采集卡的第一通道进行数据采集；

2)同时在变电站电压互感器上安装电阻分压器，用于作为分析局部放电的电压参考相位信号，并将获取的电压参考相位信号经过信号调理之后送入安装在计算机内的数据采集卡的第二通道进行采集，在采集的过程中使用第二通道的电压参考相位信号触发第一通道进行采集，保证两通道的数据采集同时进行；

3)计算机内包括有数据采集卡、I/O卡、预处理模块、放电信号特征分析模块、绝缘趋势预测模块、阀值判断模块和报警模块；采用软件完成信号的数据采集、分析处理和结果显示；以第二通道的电压参考相位信号分析电缆局部放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度、峭度；并绘制放电量时间谱图、放电次数时间谱图、放电椭圆谱图、放电量-放电次数-放电相位三维谱图；

4)计算机通过ORACLE实现数据的管理，具有历史查询功能，还具有报表打印、阈值报警、远程查询功能，并通过编制的Web服务器软件实现远程监测。

实现上述电力电缆局部放电在线监测方法的装置，采用同轴屏蔽电缆进行信号有效传输，其特点是，该装置包括：

套接三相在电缆接地线上的罗氏线圈局部放电传感器，用于采集电力电缆局部放电信号；

一数据采集系统，数据采集系统设置有前端信号调理器，后端信号调理器、电阻分压器23；

前端信号调理器于将罗氏线圈局部放电传感器的信号放大，使信号经过远距离传输到达后端信号调理器时具有足够幅值；

后端信号调理器安装在监控室，用于对局部放电信号进行程控放大、滤波、多路选择、信号隔离，也能对电阻分压器的输出信号进行信号隔离；

电阻分压器安装在变电站电压互感器低压输出端，与局部放电信号同时采集，用于从电压互感器上分压，获取现场电压信号，作为分析放电信号的相位参考信息；

一计算机，用于分析放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度和峭度；计算机内有数据采集卡、I/O卡、预处理模块、放电信号特征分析模块、绝缘趋势预测模块、阀值判断模块和报警模块；

数据采集卡用于接收电阻分压器和后端信号调理器的信号，送入预处理模块中，经预处理的数据传输到放电信号特征分析模块中，放电信号特征分析模块经处理后一路送入绝缘趋势预测模块，绝缘趋势预测模块还通过网络服务器软件实现远程监控，另一路送入阀值判断模块中，阀值判断模块根据信号进行报警；I/O卡用于和前端放大器、后端信号调理器通讯。

所述罗氏线圈局部放电传感器的频率范围为50kHz～20MHz，它由外屏蔽盒、磁芯、线圈、积分电阻、输出同轴线插头构成；其中磁芯为环形镍锌磁芯，具体尺寸取决于所监测电缆的接地线截面积。

所述环形镍锌磁芯对于35kV～500kV的电缆，内径为30mm～45mm；所述线圈采用漆包线绕制，匝数为17匝；所述积分电阻与输出同轴线插头的阻抗相同，均为50Ω，以防止局部放电信号在传输过程中发生发射。

所述前端放大器的频带范围为50kHz～20MHz，与罗氏线圈局部放电传感器工作频带吻合。

所述电阻分压器选用大功率的电阻串连分压，电阻分别为500kΩ和2.5kΩ，功率为4W。

所述后端信号调理器具有50kHz～20MHz的带通滤波模块，以减小放电信号在经过长距离传输时可能引入的干扰信号。

所述数据采集卡最高实时采样速率为100MS/s，模拟带宽为20MHz，A/D分辨率8位，输入电压范围-25V～+25V。

所述数字采集卡具有三个端口，每个端口8位组成一个控制字，可以在每个端口上写入控制字来实现控制功能；通过该数字采集卡控制通道选通、增益调节以及滤波模块。

本发明的在线监测电力电缆局部放电的方法和装置，能够分析最大放电量、平均放电量、放电次数、放电相位、偏斜度、峭度等放电参数，具有丰富的谱图显示功能，能够显示放电量(包括最大放电量和平均放电量)与放电相位谱图、放电次数与放电相位谱图、放电椭圆谱图、放电量-放电次数-放电相位三维谱图，通过ORACLE实现数据的管理，具有历史查询功能，还具有报表打印、阈值报警、远程查询等功能。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图2为本发明的构成框图；

图3为传感器线圈示意图；

图4为电阻分压器结构示意图，其中R1为500kΩ，R2为2.5kΩ；

图5为前端放大器的放大电路原理图；

图6为后端信号调理器的滤波电路原理图，其中u1为信号输入端，u2为信号输出端；

图7为数据采集卡的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

按照上述技术方案，本发明专利所涉及的电力电缆局部放电在线监测方法是：采用局部放电传感器1套接在电缆接地线上耦合电缆本体和连接盒的放电信号，放电信号经过信号调理和传输之后送入安装在计算机内的数据采集卡的0号通道进行数据采集，同时利用安装在变电站电压互感器上的电阻分压器获取电压信号，经过信号调理之后送入数据采集卡的1号通道进行采集，在采集的过程中使用1号通道的电压信号触发0号通道进行采集，以保证两通道同时采集。1号通道的电压信号作为分析局部放电的电压参考相位信号，分析方法采用统计分析方法，即分析电缆放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度、峭度，绘制放电量时间谱图、放电次数时间谱图、放电椭圆谱图、放电量-放电次数-放电相位三维谱图，通过ORACLE实现数据的管理，具有历史查询功能，还具有报表打印、阈值报警、远程查询等功能，通过编制的Web服务器软件实现远程监测功能。

1号通道的电压信号作为分析局部放电的电压参考相位信号，具体分析方法如下：

第二通道信号是工频周期信号，它的一个时间周期正好对应0～360°的相位周期，将其数据按照工频周波分为若干数据段，第一通道的数据按照第二通道的分法也分成若干数据段(称为大数据段)，这样分可使第一通道的所有数据段分布在相同的相位段上；再将第二通道每个数据段(标记为X1，X2，X3，……，Xn，n为数据段数)平均分成N个(至少400个)更小的数据段(成为相位窗，标记为Xij，其中i对应大数据段编号，j对应小数据段i编号，i＜n，j＜N)；对于数据段Xij，j相同i不同表示不同数据段中处于相同相位窗的数据，对所有处于相同相位窗上数据段Xij求平均值和最大值得到每个相位窗的平均放电量和最大放电量，统计处于相同相位窗的放电次数得到每个相位窗的放电次数，以相位为横坐标以最大放电量为纵坐标绘制曲线就得到最大放电量-相位曲线，同样的方法可得到平均放电量-相位曲线和放电次数-相位曲线。可以将所得到的放电量、放电次数、相位窗三组数据绘制成三维曲线得到放电量-放电次数-放电相位三维谱图。如果装置的测量时间只有一个工频周波时间(0.02秒)，则上述的放电量-相位谱图、放电次数相位谱图就绘制成放电量时间谱图、放电次数时间谱图。

偏斜度按下述公式求得： $\mathrm{Sk}=\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\mathrm{\μ})}^3\·p_i}{{\mathrm{\σ}}^3}$

峭度按下述公式求得： $\mathrm{Ku}=\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\mathrm{\μ})}^4\·p_i}{{\mathrm{\σ}}^4}-3$

其中，σ²＝∑(x_i-μ)²·p_i

式中，xi表示每个相位窗的最大放电量，pi表示最大放电量出现的概率，μ表示所有相位窗最大放电量的平均值。

本发明专利所涉及的电力电缆局部放电在线监测装置，采用同轴屏蔽电缆进行信号有效传输，该装置包括：

套接三相在电缆接地线上的罗氏线圈局部放电传感器1，用于采集电力电缆局部放电信号；

一数据采集系统2，数据采集系统2设置有前端信号调理器21，后端信号调理器22、电阻分压器23；

前端信号调理器21于将罗氏线圈局部放电传感器1的信号放大，使信号经过远距离传输到达后端信号调理器22时具有足够幅值；

后端信号调理器22安装在监控室，用于对局部放电信号进行程控放大、滤波、多路选择、信号隔离，也能对电阻分压器的输出信号进行信号隔离；

电阻分压器23安装在变电站电压互感器低压输出端，与局部放电信号同时采集，用于从电压互感器上分压，获取现场电压信号，作为分析放电信号的相位参考信息；

一计算机3，用于分析放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度和峭度；计算机3内有数据采集卡31、I/O卡32、预处理模块33、放电信号特征分析模块34、绝缘趋势预测模块35、阀值判断模块36和报警模块37；

数据采集卡31用于接收电阻分压器23和后端信号调理器22的信号，送入预处理模块33中，经预处理的数据传输到放电信号特征分析模块34中，放电信号特征分析模块34经处理后一路送入绝缘趋势预测模块35，绝缘趋势预测模块35还通过网络服务器软件实现远程监控，另一路送入阀值判断模块36中，阀值判断模块36根据信号进行报警；I/O卡32用于和前端放大器21、后端信号调理器22通讯。

罗氏线圈局部放电传感器1由外屏蔽盒、磁芯、线圈、积分电阻、输出同轴线插头构成。其中磁芯为环形镍锌磁芯，具体尺寸取决于所监测电缆的接地线截面积，一般对于35kV～500kV的电缆使用的磁芯内径为30～45mm。线圈采用漆包线绕制，匝数为17匝。积分电阻为50Ω，输出BNC插头的特征阻抗也是50Ω，它们的阻值和信号电缆的特征阻抗相等，防止局部放电信号在传输过程中发生发射。本发明专利使用的传感器的频率范围为50kHz～20MHz。罗氏线圈局部放电传感器为环形，安装时套接在电缆接地线耦合电缆放电信号，不影响电缆的正常运行。

前端信号调理器21安装在罗氏线圈局部放电传感器1附近，对罗氏线圈局部放电传感器输出的局部放电信号进行放大，使信号经过远距离传输到达后端信号调理单元22时具有较大幅值，以提高抗干扰水平。本发明专利所采用罗氏线圈局部放电传感器的频带范围为50kHz～20MHz，与工作频带吻合。

由于电缆接地线距离监控室的距离一般比较远，为了保证放电信号有效传输以及在传输过程中抗干扰，本装置选用了同轴屏蔽电缆进行远距离信号传输。

分压电阻器23用于从电压互感器上分压，获取电压信号，作为分析放电信号的相位参考信息。分压电阻器23具有A、B、C三相，分别对应着电缆的A、B、C三相。电阻分压器的选用大功率的电阻串连分压，电阻分别为500kΩ和2.5kΩ，功率都是4W。

后端信号调理器安装在监控室，能够对局部放电信号进行程控放大、滤波、多路选择、信号隔离，也能对电阻分压器的输出信号进行信号隔离。该器件具有的程控放大或者衰减倍数有1、2、5、10、20、50、100倍，选择合适的放大倍数，将放电信号调理到采集板卡最佳信号输入范围，以减小采集卡A/D转换时的量化误差。该器件具有50kHz～20MHz的带通滤波模块，以减小放电信号在经过长距离传输时可能引入的干扰信号。该器件具有多路选择功能，因为它有多个信号输入端，包括多根电缆的放电信号和电阻分压器输出的相位参考电压信号，在每次检测时需要选择一路放电信号和一路相位参考电压信号进行处理，需要进行多路选择。

所采用的数据采集卡最高实时采样速率为100MS/s，模拟带宽为20MHz，A/D分辨率8位，输入电压范围-25V～+25V。该卡的采样频率是放电信号最高频率的5倍，能够不失真地采集输入的放电信号。该卡具有两路模拟信号输入端，可以同时采集放电信号和电压参考信号。

所采用的数字采集卡具有三个端口，每个端口8位组成一个控制字，可以在每个端口上写入控制字来实现控制功能。通过该数字采集卡控制通道选通、增益调节以及滤波模块。

计算机对放电信号采用统计分析方法，分析放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度、峭度，能够显示放电量(包括最大放电量和平均放电量)与放电相位谱图、放电次数与放电相位谱图、放电椭圆谱图、放电量-放电次数-放电相位三维谱图，通过ORACLE数据库实现数据的管理，具有历史数据查询功能，同时还具有报表打印、阈值报警等功能。

在计算机上安装了网络服务器软件，远程用户可以利用Internet Explorer，通过在本发明专利所设置的IP地址访问装置，以查看当前监测结果和查询历史数据。

按照上述技术方案申请人已完成一台样机，经试验证明达到了本发明的目的。

本发明专利采用虚拟仪器的设计思想，通过采集板卡和和计算机构建装置的采集和分析平台，具有界面友好、分析功能强等特点。本发明专利能够用于在线监测电力电缆的局部放电信号，频率范围为50kHz～20MHz，采用统计分析方法，能够分析最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度、峭度等局部放电的统计参量，能够显示最大放电量和平均放电量与放电相位的谱图、放电次数与放电相位谱图、放电椭圆谱图、放电量-放电次数-放电相位三维谱图，通过ORACLE数据库实现数据的管理，具有历史数据查询功能，同时还具有报表打印、阈值报警、远程查询等功能。

Claims (10)

1.电力电缆局部放电在线监测方法，其特征在于，采用在电缆接地线上套接局部放电传感器，并在变电站电压互感器上安装电阻分压器，利用计算机进行分析处理和结果显示，实现电力电缆局部放电在线监测；包括以下步骤：

1)在电缆接地线上套接局部放电传感器，用于耦合电缆本体和连接盒的放电信号，并将电力电缆局部放电信号经过信号调理和传输之后送入安装在计算机内的数据采集卡的第一通道进行数据采集；

2)同时在变电站电压互感器上安装电阻分压器，用于作为分析局部放电的电压参考相位信号，并将获取的电压参考相位信号经过信号调理之后送入安装在计算机内的数据采集卡的第二通道进行采集，在采集的过程中使用第二通道的电压参考相位信号触发第一通道进行采集，保证两通道的数据采集同时进行；

3)计算机内包括有数据采集卡、I/O卡、预处理模块、放电信号特征分析模块、绝缘趋势预测模块、阀值判断模块和报警模块；采用软件完成信号的数据采集、分析处理和结果显示；以第二通道的电压参考相位信号分析电缆局部放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度、峭度；并绘制放电量时间谱图、放电次数时间谱图、放电椭圆谱图、放电量-放电次数-放电相位三维谱图；

4)计算机通过ORACLE实现数据的管理，具有历史查询功能，还具有报表打印、阈值报警、远程查询功能，并通过编制的Web服务器软件实现远程监测。

2.如权利要求1所述的电力电缆局部放电在线监测方法，其特征在于，第二通道的电压参考相位信号具体分析方法如下：

第二通道信号是工频周期信号，它的一个时间周期正好对应0～360°的相位周期，将其数据按照工频周波分为若干数据段，第一通道的数据按照第二通道的分法也分成若干数据段，这样分可使第一通道的所有数据段分布在相同的相位段上；再将第二通道每个数据段平均分成N个更小的数据段成为相位窗，对所有处于相同相位窗上数据段求平均值和最大值得到每个相位窗的平均放电量和最大放电量，统计处于相同相位窗的放电次数得到每个相位窗的放电次数，以相位为横坐标以最大放电量为纵坐标绘制曲线就得到最大放电量-相位曲线，同样的方法可得到平均放电量-相位曲线和放电次数-相位曲线；将所得到的放电量、放电次数、相位窗三组数据绘制成三维曲线得到放电量-放电次数-放电相位三维谱图，如果装置的测量时间只有一个工频周波时间，则上述的放电量-相位谱图、放电次数相位谱图就绘制成放电量时间谱图、放电次数时间谱图；

偏斜度按下述公式求得： $\mathrm{Sk}=\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\mathrm{\μ})}^3\·p_i}{{\mathrm{\σ}}^3}$

峭度按下述公式求得： $\mathrm{Ku}=\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\mathrm{\μ})}^4\·p_i}{{\mathrm{\σ}}^4}-3$

其中，σ²＝∑(x_i-μ)²·p_i

式中，xi表示每个相位窗的最大放电量，pi表示最大放电量出现的概率，μ表示所有相位窗最大放电量的平均值。

3.一种实现权利要求1所述的电力电缆局部放电在线监测方法的装置，采用同轴屏蔽电缆进行信号有效传输，其特征在于，该装置包括：

套接三相在电缆接地线上的罗氏线圈局部放电传感器(1)，用于采集电力电缆局部放电信号；

一数据采集系统(2)，数据采集系统(2)设置有前端信号调理器(21)，后端信号调理器(22)、电阻分压器(23)；

前端信号调理器(21)于将罗氏线圈局部放电传感器(1)的信号放大，使信号经过远距离传输到达后端信号调理器(22)时具有足够幅值；

后端信号调理器(22)安装在监控室，用于对局部放电信号进行程控放大、滤波、多路选择、信号隔离，也能对电阻分压器的输出信号进行信号隔离；

电阻分压器(23)安装在变电站电压互感器低压输出端，与局部放电信号同时采集，用于从电压互感器上分压，获取现场电压信号，作为分析放电信号的相位参考信息；

一计算机(3)，用于分析放电信号的最大放电量、平均放电量、放电次数、偏斜度和峭度；计算机(3)内有数据采集卡(31)、I/O卡(32)、预处理模块(33)、放电信号特征分析模块(34)、绝缘趋势预测模块(35)、阀值判断模块(36)和报警模块(37)；

数据采集卡(31)用于接收电阻分压器(23)和后端信号调理器(22)的信号，送入预处理模块(33)中，经预处理的数据传输到放电信号特征分析模块(34)中，放电信号特征分析模块(34)经处理后一路送入绝缘趋势预测模块(35)，绝缘趋势预测模块(35)还通过网络服务器软件实现远程监控，另一路送入阀值判断模块(36)中，阀值判断模块(36)根据信号进行报警；I/O卡(32)用于和前端放大器(21)、后端信号调理器(22)通讯。

4.如权利要求3所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述罗氏线圈局部放电传感器(1)的频率范围为50kHz～20MHz，它由外屏蔽盒、磁芯、线圈、积分电阻、输出同轴线插头构成；其中磁芯为环形镍锌磁芯，具体尺寸取决于所监测电缆的接地线截面积。

5.如权利要求4所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述环形镍锌磁芯对于35kV～500kV的电缆，内径为30mm～45mm；所述线圈采用漆包线绕制，匝数为17匝；所述积分电阻与输出同轴线插头的阻抗相同，均为50Ω，以防止局部放电信号在传输过程中发生发射。

6.如权利要求3所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述前端放大器(21)的频带范围为50kHz～20MHz，与罗氏线圈局部放电传感器(1)工作频带吻合。

7.如权利要求3所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述电阻分压器(23)选用大功率的电阻串连分压，电阻分别为500kΩ和2.5kΩ，功率为4W。

8.如权利要求3所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述后端信号调理器(22)具有50kHz～20MHz的带通滤波模块，以减小放电信号在经过长距离传输时可能引入的干扰信号。

9.如权利要求3所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述数据采集卡(31)最高实时采样速率为100MS/s，模拟带宽为20MHz，A/D分辨率8位，输入电压范围-25V～+25V。

10.如权利要求3或9所述的电力电缆局部放电在线监测装置，其特征在于，所述数字采集卡(31)具有三个端口，每个端口8位组成一个控制字，可以在每个端口上写入控制字来实现控制功能；通过该数字采集卡控制通道选通、增益调节以及滤波模块。

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