CN202057761U - 一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，其特征在于：由信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机、光纤通讯单元和直流电源单元组成，嵌入式计算机用来控制信号调理单元和数据采集单元工作，对数据采集单元传输来的数据进行预处理，并与监控中心主机进行运行通讯和数据传输；光纤通讯单元用来将嵌入式计算机输出的数字化电信号转化为光信号，并按照约定的通信协议通过光纤与监控中心主机进行数据传输；直流电源单元用来为信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机和光纤通讯单元提供满足正常工作所需的直流电。本实用新型提升了电缆局部放电在线监测的灵敏度、准确度和可信度，有效实现宽频带高速的局部放电检测。

Description

一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组

技术领域

本实用新型涉及一种高压交联电缆局部放电监测装置，属于在线监测领域，尤其涉及一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组。

背景技术

随着国民经济的快速发展和“十一五”规划的顺利实施，整个社会对包括电力等能源需求日益增长客观实际，有力地推动了以城市供电网络为重点的供电系统改造和升级工作。在城市电网中，传统的架空系统输电方式由于存在固有的技术缺陷等原因，例如杆塔占地面积大，系统空间走廊制约市政规划，电磁干扰和环保问题，以及易受外界因素影响(自然因素及人为因素)等特点，在城市供电网络中的进一步使用受到了明显的限制。尤其在以北京、上海、广州等土地利用率极高、新建架空系统受到显著制约的特大型城市中，新建的220kV及以下电压等级的输电系统建设项目已经基本上放弃了架空输电方式，而采用了占地面积小、安装维护简单的交联电力电缆系统。

交联聚乙烯(XLPE，以下简称)电力电缆由于具有制造工艺简单，安装敷设容易，而且不受落差限制，电气性能和热机械性能优良，传输容量大，运行维护方便，火灾隐患小等诸多优点已成为电缆发展和工程应用的主流。尤其在110kV及以上电压等级中，XLPE电力电缆的应用发展迅猛。据不完全统计，我国已投入运行的110kV及以上电压等级的电力电缆总长已经超过5000km，最高电压等级已达到500kV。我国各大城市如上海、北京、天津、广州等地的城市电网中，XLPE电力电缆已获得了广泛的应用，且敷设量逐年递增。电力电缆敷设范围的剧增和进度的加速，使得电力负荷更加集中，负荷容量越来越大，因此其运行的安全可靠性直接影响电力系统的正常稳定运行。

高压电缆绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料不纯而存在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因在绝缘与半导电屏蔽层之间存在间隙或半导电层向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电(PD，Partialdischarge)。局部放电作为高压电缆线路绝缘故障早期的主要表现形式，既是引起绝缘老化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要特征参数。高压电缆线路局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘中一定存在着可能危及电缆安全运行的缺陷。因此，准确测量局部放电是判断高压电缆绝缘品质的最直观、理想、有效的方法。

当前，国内缺乏对运行中电力电缆局部放电的有效检测方法和运行监测经验，尤其在高压、超高压交联电缆局部放电信号现场采集、特征提取和模式识别技术方面存在很大的不足，特别是在线监测设备多采用集中测控方式，传感器拾取的信号通过信号电缆长距离传输至监控中心，再进行转换处理，造成高频信号衰减和畸变严重，大大降低了电缆局部放电在线监测的灵敏度、准确度和可信度，无法满足局部放电分布式在线监测的要求。

有鉴于此，有必要提供一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端采集处理模块，以解决上述问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了解决现有电缆局部放电在线监测的灵敏度、准确度和可信度低的缺点，本实用新型提供了一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，作为分布式局部放电在线监测装置的硬件基础，适用于35kV～500kV电缆电压等级。

本实用新型所采用的技术方案是：一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，按照信号与数据流从前到后的关系，依次包括：信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机、光纤通讯单元和直流电源单元，其特征在于：信号调理单元对局放耦合传感器和相位耦合传感器的输出端信号进行阻抗匹配、标度转换、增益放大和抗干扰滤波处理；数据采集单元对信号调理单元输出端的4通道模拟信号进行同步高速采样，模拟量/数字量转换，并通过内部数据总线将采集数据传送到嵌入式计算机总线输入端；嵌入式计算机控制信号调理单元和数据采集单元工作，对数据采集单元传输来的数据进行预处理，并与监控中心主机进行运行通讯和数据传输；光纤通讯单元将嵌入式计算机输出端的数字化电信号转化为光信号，并按照约定的通信协议通过光纤与监控中心主机进行数据传输，将主机控制指令光信号转换为电信号给嵌入式计算机输入端处理；直流电源单元为信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机和光纤通讯单元提供满足正常工作所需的直流电。

如上所述的高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，其特征在于，所述信号调理单元包括一输入限幅保护电路，限幅保护电路的快恢复二极管、TVS管和火花放电管并联。

如上所述的高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，其特征在于，所述前端采集处理模块采用符合IP55标准的具有一定防水、防尘效用的铸铝密闭机箱封装，所有信号线、数据线和电源引线均通过金属防水接头进入机箱内。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的优点在于能够根据分布式局部放电在线监测需要，通过硬件高度集成的模块化设计将传感器输出信号就近于被测对象进行信号采集、转换和预处理，优化了传统在线监测系统拓扑结构，提升整个系统工作效率，避免监控中心主机工作量过于集中，提升电缆局部放电在线监测的灵敏度、准确度和可信度，有效实现宽频带高速的局部放电检测。

附图说明

图1为本实用新型实施例的局部放电在线监测系统架构及前端模组对应关系图。

图2为本实用新型实施例的前端模组功能框图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，结合附图对本实用新型作进一步说明。

附图中的符号说明：1-信号调理单元、2-数据采集单元、3-嵌入式计算机、4-光纤通讯单元、5-直流电源单元、11-标度转换单元、12-程控放大滤波单元。

参考图1，本实用新型可实现与1只现场工频同步耦合传感器和3只高频宽带局放传感器无缝链接，将传感器拾取的放电信号和参考相位信号就近现实信号调理、高速采集、模/数转换、数字信号预处理、光电信号转换等功能。本实用新型的前端模组靠近被测电缆附件安放，能够检测电缆附件及附件一定范围内电缆本体的局部放电信号，并通过高速以太光纤网将前端模块级联，组成分布式局放在线监测系统的现场前级硬件核心单元。

参考图2，本实用新型提供的一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，按照信号与数据流从前到后的关系，依次包括：信号调理单元1、数据采集单元2、嵌入式计算机3、光纤通讯单元4和直流电源单元5组成。信号调理单元1用来与局放耦合传感器和相位耦合传感器进行阻抗匹配、标度转换、增益放大和抗干扰滤波功能；数据采集单元2用于完成对调理后的模拟信号进行4通道同步高速采样，模拟量/数字量转换，并通过内部数据总线将采集数据传送到嵌入式计算机3；嵌入式计算机3用来控制信号调理单元1和数据采集单元2工作，对数据采集单元2传输来的数据进行预处理，并与监控中心主机进行运行通讯和数据传输；光纤通讯单元4用来将嵌入式计算机3输出的数字化电信号转化为光信号，并按照约定的通信协议通过光纤与监控中心主机进行数据传输，将主机控制指令光信号转换为电信号供嵌入式计算机处理；直流电源单元5用来为信号调理单元1、数据采集单元2、嵌入式计算机3和光纤通讯单元4提供满足正常工作所需的直流电。

另外，信号调理单元1之前还设计有输入限幅保护电路，采用快恢复二极管、TVS管和火花放电管并联组合方式对传感器上耦合输入的瞬态过电压进行限幅保护，输入电压上限分别为400V(AC+DC peak，1MΩ输入阻抗)和40V(AC+DC peak，50Ω输入阻抗)。为满足现场运行条件(一般为电缆隧道或沟道敷设方式)，前端模组采用具有一定防水、防尘效用(IP55标准)的铸铝密闭机箱封装，所有信号线、数据线和电源引线均通过金属防水接头进入机箱内。

信号调理单元1输入阻抗与传感器的输出阻抗相匹配，与3只高频宽带局放传感器输出对应的输入通道阻抗为50Ω，与1只现场工频同步耦合传感器输出对应的输入通道阻抗为1MΩ。

信号调理单元1整个结构主要包括：标度转换单元11、程控放大滤波单元12(包含前置电压跟随电路，第一级放大电路、程控滤波电路、第二级放大电路、增益控制电路)。标度转换单元11和前置电压跟随电路将传感器输出的各类电流信号转换为与数据采集单元量程匹配的电压信号，并完成与两种传感器的阻抗匹配。第一级放大电路和第二级放大电路采用压控可变增益放大器，结合外围电阻衰减网络可实现增益调节范围为-20dB～40dB。程控滤波电路采用了高通滤波器和低通滤波器级联方式来组成带通滤波器，滤波器带宽为10kHz～25MHz，可通过程序实现滤波禁止，即直通功能。增益控制电路由D/A转换器和CPLD复杂可编程逻辑器件组成，增益控制电压由CPLD直接控制D/A转换器输出。

数据采集单元2采用四通道同步输入，每通道最高采样率可达到100MSa/s，10位模拟量输入分辨率，带宽为60MHz，配有1M Word/CH的SDRAM高速缓存，512K的先入先出存储器，双极性模拟量输入范围为±2mV～±10V，具有软件触发、前置触发、后置触发、中间触发和延迟触发5种触发模式，可采用的触发源有内部触发源、外部模拟触发源和外部数字触发源可实现多通道高速动态信号的实时记录，保证高频放电脉冲信号波形细节特征不丢失。

数据采集单元2与信号调理单元1共同接受CPLD复杂可编程逻辑器件控制，实现滤波、增益放大和数据采集控制命令的接收。

嵌入式计算机3核心功能为运行控制与预处理运算，分别由FPGA(现场可编程门阵列)结构的ASIC专用集成电路和DSP(数字信号处理器)实现。FPGA先从监控主机接收初始控制命令，继而对信号调理单元和数据采集单元施加相应控制；DSP可在现场对所采集的量化数字信号进行预处理，例如FFT变换，两通道间信号数学运算等，然后再上传预处理后的信号至监控中心主机。

光纤通讯单元4结构上是一种快速以太网光纤收发器，可以将IEEE802.3u标准的10/100 Base-TX的以太网电缆电信号和10/100 Base-FX的光信号进行相互转换，将网络的传输距离极限扩展到60km(单模)。光接口特性主要有：波长——单模双纤1300nm(30km/40km/60km)，链路损耗预算——典型29dBm(单模双纤1300nm，60km)，连接器——ST。

直流电源单元5由DC/DC转换器组成，将外界电源服务器输入的+24DC，分别转换为+12V DC和+5V DC，经过稳压和滤波后供给信号调理单元1、数据采集单元2、嵌入式计算机3和光纤通讯单元4使用。

Claims (3)

1.一种高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，按照信号与数据流从前到后的关系，依次包括：信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机、光纤通讯单元和直流电源单元，其特征在于：信号调理单元对局放耦合传感器和相位耦合传感器的输出端信号进行阻抗匹配、标度转换、增益放大和抗干扰滤波处理；数据采集单元对信号调理单元输出端的4通道模拟信号进行同步高速采样，模拟量/数字量转换，并通过内部数据总线将采集数据传送到嵌入式计算机总线输入端；嵌入式计算机控制信号调理单元和数据采集单元工作，对数据采集单元传输来的数据进行预处理，并与监控中心主机进行运行通讯和数据传输；光纤通讯单元将嵌入式计算机输出端的数字化电信号转化为光信号，并按照约定的通信协议通过光纤与监控中心主机进行数据传输，将主机控制指令光信号转换为电信号给嵌入式计算机输入端处理；直流电源单元为信号调理单元、数据采集单元、嵌入式计算机和光纤通讯单元提供满足正常工作所需的直流电。

2.根据权利要求1所述的高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，其特征在于，所述信号调理单元包括一输入限幅保护电路，限幅保护电路的快恢复二极管、TVS管和火花放电管并联。

3.根据权利要求1所述的高压交联电缆局部放电在线监测用前端模组，其特征在于，所述前端采集处理模块采用符合IP55标准的具有一定防水、防尘效用的铸铝密闭机箱封装，所有信号线、数据线和电源引线均通过金属防水接头进入机箱内。

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