CN204256093U - 一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，包括两个电流传感器、差分模块、A/D转换器、下位机和电源模块；两个电流传感器安装在10～35kV配电网中电缆接头的两端，电流传感器接收的脉冲电流信号经差分模块处理获得电缆接头两端的感应电压信号，再经过A/D转换器转变为数字信号，经下位机处理获得电缆接头的绝缘状况数据。本实用新型采用了两个罗果夫斯基线圈进行高频电磁耦合，分别采集局部放电的脉冲信号，为电缆接头的局部放电信号差分处理提供了可能，信号经过差分处理后不仅能够无失真的放大局部放电脉冲信号，而且能够有效屏蔽来自外界侵入的干扰信号，有效的抑制了现场的干扰。

Description

一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置

技术领域

本发明属于绝缘状态在线监测技术领域，具体涉及一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置。本发明还涉及一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测与状态评估系统。

背景技术

随着XLPE绝缘电缆在电力系统上的应用范围及使用数量的剧增，XLPE绝缘电缆的绝缘问题也备受人们关注。XLPE电力电缆线路具有XLPE绝缘电缆本体保护，绝缘性能一般都不会出现问题，但是当一根电缆不够线路总长时，两根电缆相接的接头，或者当电压等级、附件结构不一样使用接头进行连接时，线路的绝缘问题出现概率较大。目前，电缆接头绝大部分是现场人工制作安装，其绝缘性能往往低于工厂制作的电缆本体，并且电缆附件中结构复杂，电场畸变严重；而且电缆接头在制作安装时需对电缆本体进行切割缠绕，容易引起导体和绝缘的损伤，而在连接电缆本体时，由于连接线芯不到位或连接金属接触面处理不当等情况下，都可能导致电缆接头的故障。为了保证在电力系统中XLPE电缆线路的安全运行，就需要确保XLPE电缆的接头进行在线监测，以确保线路的可靠工作。目前，对供电线路通常采用计划性离线检修的方法来保障线路的安全稳定运行，而这种离线式的检测方法虽然能排查出故障，但是由于其实时性不佳，经常在两次维护之间就出现事故；而且XLPE电缆发展时间短，其预防性试验难免存在局限性，比如传统的直流耐压试验由于XLPE电缆电容量过大会对XLPE电缆造成破坏，而其他交流试验设备除庞大复杂之外，试验繁琐、效率低下，而且还会影响其绝缘特性。目前，我国预防性试验主要是测量绝缘电阻、直流耐压试验及介质损耗角正切试验，但是，电缆接头由于其电容量大使得不利于直流试验，而且绝缘结构复杂，内部电场畸变严重，目前其预防性试验项目缺乏，数据资料不能完全反映绝缘状态，且没有一个统一的标准可以借鉴，因此，对于电缆接头的绝缘状况无法实现前瞻性和实时性，因此，国内外一直在进行这方面的研究。随着研究的深入，在线监测技术为电缆接头的检测提供了新的思路和方法，可以通过分析评估监测数据对绝缘隐患进行诊断并及时做出处理。运行经验和研究均表明： 对固体绝缘中的局部放电进行监测可以很好的反映绝缘的状态，真实的反映绝缘中存在的缺陷，而电缆接头的局部放电量的改变可以定量的反映电缆接头电树枝老化程度。目前，局部放电在线监测方法中，按局部放电是否采集电量信号分为电量检测和非电量检测，其中非电量检测的代表方法为超声波及红外温度测量法，而电量检测方法中，按采集信号的频率高低又可分为高频法、超高频法和甚高频法，按采集的方式可分为电磁耦合法、电容耦合法和电感耦合，而目前国内外基于电量在线监测已在实验室内研究成熟的检测方法有：差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容耦合法和电感耦合法。

(1)、差分法简单安全，但高频信号在电缆传播时衰减严重，降低了灵敏度，且中间需要安装隔离作用的绝缘垫圈对电缆破坏性较大。

(2)方向耦合法的检测灵敏度较高，检测频带宽。但是结构较复杂，安装不便，适用范围较小。

(3)、电磁耦合法易受到外界电磁干扰，单纯依赖宽频带滤波器和高倍数的放大器很难排除某些类似局部放电脉冲的干扰。

(4)、电容耦合法虽然灵敏度高，但是高频信号衰减比低频重得多，传感器需要内置，适用范围较小。

(5)电感耦合法测量频率可以达到很高，但是高频信号衰减严重，而且要求被测电缆金属屏蔽为螺旋带状绕制而成的，适用范围小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种对电缆接头的局部放电能够进行可靠的检测，反应电缆接头的绝缘状况，而且能几乎无损的对10～35kV配电网中电缆接头的故障进行在线监测的装置。本发明要解决的另一个技术问题是使用上述装置进行高频局部放电在线监测的绝缘评估方法。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，包括两个电流传感器、差分模块、A/D转换器、下位机和电源模块；其特征在于：

所述电流传感器，设置在电缆接头的两端，并获取电缆接头局部放电的脉冲信号；

所述差分模块，为电压比较器，将电流传感器输出的两个脉冲信号相减后获 得电缆接头两端的感应电压；

所述A/D转换器，对滤波后的信号转换为数字信号；

所述下位机，将获得的数字信号与预设值比较，判断电缆接头的绝缘状况；

所述电源模块，为10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置提供电源；

两个电流传感器安装在10～35kV配电网中电缆接头的两端，电流传感器接收的脉冲电流信号经差分模块处理获得电缆接头两端的感应电压信号，再经过A/D转换器转变为数字信号，经下位机处理获得电缆接头的绝缘状况数据。

为了获得更好的技术效果，还有滤波器，对电流传感器采集的信号和差分模块获得的感应电压信号进行去噪处理；还有衰减放大器，对滤波后的信号进行放大处理；还有通信模块和上位机，下位机获得的电缆接头绝缘状况数据通过通信模块发送至上位机，上位机收集线路所有电缆接头的绝缘状况数据，并筛选出临近临界值的电缆接头；所述电流传感器为罗果夫斯基线圈；所述罗果夫斯基线圈包括磁环、导线和取样电阻，磁环为中间空心的环形，在磁环上绕有导线，导线的两端连接取样电阻，磁环的圈截面为矩形，外半径为40mm、内半径为20mm，取样电阻为100Ω，罗果夫斯基线圈为工作频带范围为100kHz～30MHz的电流传感器；所述通信模块优选为GPRS无线传输网络，通过GPRS无线传输网络进行信号的传输。

本发明还提供一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置评估系统状态的方法，通过电缆接头绝缘状况的百分制的评估标准对电缆进行评估判断对电缆的检修提供参考依据，其步骤包括：

(1)当电缆中间接头处发生局部放电时，在接头两端的电流传感器上得到感应信号后，将获取的两个感应信号相减后获得感应电压；

(2)、采用现有的电子模块组成调理电路、GPRS无线传输网络及数字滤波器，对采集的可靠的电压进行处理、传输、分析及进一步的消噪处理。

(3)、利用得到的数字信号，得到状态试验数据影响因子，结合家族质量缺陷因子、不良环境影响因子和电缆接头岗位的权重W_e和各因子的相关系数k，按公式r＝kr₀p₁p₂W_e进行评分处理，从而判断电缆中间接头的绝缘状况，r的取值在0～100之间。

所述状态试验数据影响因子，为对电缆接头进行若干个试验，若对每一个试验进行评分，并按试验项目的重要性进行加权处理，就可以得到一个综合试验的分值，即：

$r_0=\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{N}_i\÷\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i;$

其中，F_i表示试验项目评分，N_i表示该试验项目的加权；

所述家族质量缺陷因子，为电缆接头制作的工艺及电压等级的不同，导致绝缘的状态评估结果也不同，因此，电缆接头家族质量缺陷因子也是影响电缆接头绝缘评估的重要方面。但缺陷的性质、家族的亲疏关系等不同，影响的程度也不同，表达为：

$p_1=\underset{j=1}{\overset{m_j}{\mathrm{\Σ}}}{F}_j{N}_j\÷(\underset{j=1}{\overset{m_j}{\mathrm{\Σ}}}{N}_j\×100));$

其中，F_j表示家族缺陷记录评分，N_j表示为家族缺陷权重，m_j表示家族缺陷总台次数，n表示相同的缺陷重复出现的次数评分标准为百分制；

所述不良环境影响因子，不良的运行环境也会对电缆接头造成威胁，在绝缘评估中也必须考虑是否有不良的运行环境记录，表示为：

$p_2=\underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{ki}};$

其中，n_k表示不良环境记录评分，根据不良环境对电缆接头绝缘状态潜在影响的大小，可以在0至1之间变化，m_k表示不良环境的发生次数。

本发明采用的系统与目前电缆接头的局部放电在线监测的优势有以下四点：

(1)传感器部分采用了两个罗果夫斯基线圈进行高频电磁耦合，分别采集局部放电的脉冲信号，为电缆接头的局部放电信号差分处理提供了可能，信号经过差分处理后不仅能够无失真的放大局部放电脉冲信号，而且能够有效屏蔽来自外界侵入的干扰信号，有效的抑制了现场的干扰。

(2)系统设计的调理电路及传输系统针对由传感器采集到的微弱的脉冲信号，进行针对性的滤波及放大处理，在脉冲信号的有效频带内实现信号的无失真放大采集传输。

(3)基于局部放电脉冲信号的特点，采用最近发展的小波变换原理设计了多采样率滤波器，利用现代信号处理技术对信号进一步去噪处理。

(4)基于状态评估这一思路，提出针对电缆接头的绝缘评估百分制标准，为电缆接头的状态检修提供参考思路。

附图说明

图1是本发明的系统硬件装置示意图；

图2是本发明的测量传感装置的安装示意图；

图3是本发明的测量线圈的测量结构原理图；

图4是本发明在中间接头发生局部放电时的原理示意图；

图5是本发明在中间接头外发生局部放电时的原理示意图；

图6是本发明使用的AD844芯片内部结构示意图；

图7是本发明使用的Max125芯片内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细阐释本发明的内容。

实施例1

一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，包括两个电流传感器、差分模块、滤波器、衰减放大器、A/D转换器、下位机、通信模块、上位机和电源模块；

所述电流传感器，设置在电缆接头1两端的电缆2上，并获取电缆接头1局部放电的脉冲信号；所述电流传感器3优选为罗果夫斯基线圈；所述罗果夫斯基线圈包括磁环31、导线32和取样电阻33，磁环31为中间空心的环形，在磁环31上绕有导线32，导线32的两端连接取样电阻33，磁环31的圈截面为矩形，外半径为40mm、内半径为20mm，材料选为为镍锌铁氧体NiZn-200，导线32选为耐热等级为F、直径为1mm、型号为QZY-1的聚酯亚胺漆包圆铜线，取样电阻33为100Ω，罗果夫斯基线圈为工作频带范围为100kHz～30MHz的电流传感器；

所述差分模块4，为电压比较器，将电流传感器输出的两个脉冲信号相减后获得电缆接头两端的感应电压；

所述滤波器，对电流传感器采集的信号和差分模块获得的感应电压信号进行去噪处理；

所述衰减放大器，对滤波后的信号进行放大处理；

所述A/D转换器，对滤波后的信号转换为数字信号；

所述下位机，将获得的数字信号与预设值比较，判断电缆接头的绝缘状况；

所述通信模块优选为GPRS无线传输网络，通过GPRS无线传输网络进行信号的传输；

所述上位机，下位机获得的电缆接头绝缘状况数据通过通信模块发送至上位机，上位机收集线路所有电缆接头的绝缘状况数据，并筛选出临近临界值的电缆接头；

所述电源模块，为10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置提供电源；

两个电流传感器安装在10～35kV配电网中电缆接头的两端，电流传感器接收的脉冲电流信号经差分模块处理获得电缆接头两端的感应电压信号，再经过A/D转换器转变为数字信号，经下位机处理获得电缆接头的绝缘状况数据。

实施例2

本发明还提供一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测评估方法，通过电缆接头绝缘状况的百分制的评估标准对电缆进行评估判断对电缆的检修提供参考依据，其步骤包括：

(1)当电缆中间接头处发生局部放电时，在接头两端的电流传感器上得到感应信号后，将获取的两个感应信号相减后获得感应电压；

(2)、采用现有的电子模块组成调理电路、GPRS无线传输网络及数字滤波器，对采集的可靠的电压进行处理、传输、分析及进一步的消噪处理。

(3)、利用得到的数字信号，得到状态试验数据影响因子，结合家族质量缺陷因子、不良环境影响因子和电缆接头岗位的权重W_e和各因子的相关系数k，按公式r＝kr₀p₁p₂W_e进行评分处理，从而判断电缆中间接头的绝缘状况。

对电缆接头进行若干个试验，若对每一个试验进行评分，并按试验项目的重要性进行加权处理，就可以得到一个综合试验的分值，即状态试验数据影响因子：

$r_0=\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{N}_i\÷\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i;$

其中，F_i表示试验项目评分，N_i表示该试验项目的加权。而对于绝缘评估来说对于试验项目的评价打破合格与不合格的评价体制，采取百分制是完全有必要的，比如在做局部放电测量时，运行十年的电缆逐年缓慢增加到100pC，与只运 行了一年就达到100pC比较，明显绝缘状态是不相同的，但是如按常规的思路看结果却会是一样的，要么合格，要么不合格，因此，为了区别不同，可以考虑引入百分制。而在具体的评分操作上，还应需考虑以下几个方面：(1)基本界限值。除目前《预防性试验规程》中给出的试验值仍然适用，还需要增加出厂值、定期计划检修所取得的值，特别对于电缆接头检测方法多种多样，还应针对其特殊性建立专门的数据库。(2)老化评价。理论上讲，反映运行状态的试验值总是在老化中的，但不同的是个体老化的速率可能不同。对于那些明显偏离同类的状态量值，应确定为超常老化。(3)状态量的预报。即根据历史数值，按一定的规则预报下一次检测前状态量达到的数值。(4)权值的确定。权重的值应根据实验项目对反映状态的准确度和重要性来确定。

同样的，由于电缆接头制作的工艺及电压等级的不同，导致绝缘的状态评估结果也不同，因此，电缆接头家族质量缺陷因子也是影响电缆接头绝缘评估的重要方面。但缺陷的性质、家族的亲疏关系等不同，影响的程度也不同，因此，家族质量缺陷因子可以表达为：

$p_1=\underset{j=1}{\overset{m_j}{\mathrm{\Σ}}}{F}_j{N}_j\÷(\underset{j=1}{\overset{m_j}{\mathrm{\Σ}}}{N}_j\×100));$

其中，F_j表示家族缺陷记录评分，N_j表示为家族缺陷权重，m_j表示家族缺陷总台次数，n表示相同的缺陷重复出现的次数评分标准为百分制。由上公式结合电缆接头的出厂资料、在线监测系统的历史数据、上述的试验规程可得到各个权重系数，从而以此为依据得出后续电缆的分数。

不良的运行环境也会对电缆接头造成威胁，在绝缘评估中也必须考虑是否有不良的运行环境记录。因此不良环境影响因子可表示为：

$p_2=\underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{ki}};$

其中，n_k表示不良环境记录评分，根据不良环境对电缆接头绝缘状态潜在影响的大小，可以在0至1之间变化，m_k表示不良环境的发生次数。同样的，依据环境的监测数据、在线监测系统的历史数据、上述的试验规程得到权重系数后，结合公式得出不良的运行环境的影响因子评分。

因此，由上影响因子并考虑电缆接头岗位的权重W_e及各因子的相关系数k，得到电缆接头的一个总分值：

r＝kr₀p₁p₂W_e；

其中，通过k的变化可使r的取值在0～100之间，并且使得该系统具有灵活的可操控性及扩展性。

配电网任意10kV电缆接头都采用基于高频电磁耦合原理，采用两个罗果夫斯基线圈组成电流互感器，采集来自局部放电的脉冲信号，进行对在电缆接头处的局部放电进行在线监测，得到清晰的局部放电信号；配电网中每个10kV电缆接头都采用相同的电流传感器和差分模块得到可靠的采集信号。

当电缆接头发生局部放电时，发出局部放电信号11，如图4所示。外界干扰信号0在电流互感器,3上产生的干扰电压信号分别为U_g1、U_g2，局部放电信号在电流互感器,3上产生的有效电压信号分别为U_j1、U_j2，电流互感器,3的输出电压31、32分别为U_i1、U_i2，则

U_i1＝U_j1+U_g1；

U_i2＝-U_j2+U_g2；

因此，经过差分模块4处理后获得的输出电压41为：

U₀＝U_i1-U_i2＝(U_j1+U_j2)+(U_g1-U_g2)。

由于电缆连接头相对于整条线路来说很短，传感器可以看作是同时感应到脉冲信号，且脉冲信号及干扰信号在中间接头上的衰减可以忽略，即U_j1＝U_j2，U_g1＝U_g2，因此，输出电压U₀变为U₀＝2U_j1。由上推导分析可知，当局部放电信号发生在电缆绝缘内部时，该系统方案可以有效的防止干扰侵入检测信号当中。

而当外界发生局部放电时，发出外界干扰信号0，如下图5所示。同理可得电流互感器,3的输出电压301、302分别为U_i1、U_i2：

U_i1＝-U_j1+U_g1；

U_i2＝-U_j2+U_g2；

而由于U_j1＝U_j2，U_g1＝U_g2，这时经过差分模块4处理后获得的输出电压401为U₀＝0。

因此，当电缆中间接头外发生局部放电时，在接头两端的电流传感器上得到感应信号后，通过差分模块运算后抵消，从而排除电缆接头外局部放电的可能性， 使得外部的干扰信号得到有效的抑制，提高该装置对接头局部放电的灵敏度；配电网中每个10kV电缆接头都采用相同的基于加权系数的评分系统对得到的数字信息进行处理，从而判断电缆接头的绝缘状态。

传感器部分主要实现当电缆接头发生局部放电时，真实的测量局部放电的脉冲电流信号，并转化为电压信号，为下一步信号调理提供信号来源。而为了能够真实的测量局部放电信号，系统的电流传感器需要安装在接头上实现测量的信号的差分放大，并具有对外界的电磁干扰有良好的屏蔽。本发明从局部放电信号的差分测量原理出发，提出了在电缆接头的两端测量脉冲信号进行差分计算的测量方案，使得系统在测量部分就能对现场干扰进行抑制。同时考虑到局部放电高频脉冲信号较微弱，而一般的电流传感器都为测量脉冲大电流而设计的，因此，基于罗果夫斯基线圈的工作原理，结合测量高频信号的设计要求，设计了罗果夫斯基线圈的线圈截面为矩形、工作在自积分状态下、外半径为40mm、内半径为20mm，厚度为20mm、工作频带范围为100kHz～30MHz及取样电阻为100Ω的罗果夫斯基线圈电流传感器。

信号调理电路需要实现由传感器测量出的μV级的电压信号放大，及从mV级的干扰信号需要衰减及滤除，同时结合局部放电高频脉冲信号的特点，设计采用AD844芯片实现在有效频段内高频低噪的滤波及放大电路，而为了达到信号采集的不失真，选用了Max125芯片，其芯片内部结构示意图如图所示。

无线传输网络采用了GPRS无线传输技术作为传输路径，使用驿唐MD-309G，大幅度降低用户DTU采购成本和集成成本，同时兼顾工业级DTU产品的稳定性和可靠性。MD-309G性价比高、接口更丰富、软件集成方式更加多样化，与上位机进行通讯，满足在线监测实时性的要求。本发明交联聚乙烯电缆接头局部放电在线监测与状态评估系统基本原理为：

(1)、系统分为离线数据分析和在线监测两个部分，离线数据分析主要基于采集的历史数据的比较分析，判断电缆接头的绝缘状况。

(2)、在线监测的数据采集主要基于高频电磁耦合原理，采用两个罗果夫斯基线圈组成的特别设计的电流传感器实现，并通过差分算法提高采集信号的可靠性。

(3)、系统采集的信号通过利用现有的AD844芯片及Max125芯片组成的调 理电路实现不失真的滤波放大，并通过无线传输网络传输至上位机。

(4)、系统的上位机采用基于小波原理的数字滤波器对传输的数据进行进一步消噪，并采用加权系数的评分机制对数据进行处理分析，得出结论。若未超设置的阈值，则存储为历史数据，方便查询对比；若超过设置的阈值，则存储并报警，提醒相关人员进行该电缆接头的处理。从而实现判断电缆接头的绝缘状况。

(5)、系统的状态评价的评分方法基于电缆接头的状态信息，对状态做出一个初步的评价，作为对电缆接头绝缘状态评估的一个参考，为检修的安排提供一个依据。其中，状态信息又可分为以下三个方面：状态试验数据、不良运行环境记录和家族质量缺陷记录，这些数据的标准评分可参见对应国家标准GB/T3048.12—2007《电线电缆电性能试验方法》及DL596-2005《预防性试验规程》进行评判。这三个方面就构成了评估系统的主要的三个影响因子。由于电缆接头从老化到击穿过程中引去变化的状态量多种多样而且相互交叉影响，状态评估系统如要准确的说明电缆接头将会存在何种缺陷是不现实的，且为了使电缆接头的绝缘评估有一个相近的标准，那么研究的这种状态评估系统就需要进行必要的规范，本系统一种从0-100分的评分标准来对电缆接头的绝缘状态进行评估，如下表1所示。

表1电缆接头状态及评分标准

。

Claims (6)

1.一种10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，包括两个电流传感器、差分模块、A/D转换器、下位机和电源模块；其特征在于：

所述电流传感器，设置在电缆接头的两端，并获取电缆接头局部放电的脉冲信号；

所述差分模块，为电压比较器，将电流传感器输出的两个脉冲信号相减后获得电缆接头两端的感应电压；

所述A/D转换器，对滤波后的信号转换为数字信号；

所述下位机，将获得的数字信号与预设值比较，判断电缆接头的绝缘状况；

所述电源模块，为10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置提供电源；

两个电流传感器安装在10～35kV配电网中电缆接头的两端，电流传感器接收的脉冲电流信号经差分模块处理获得电缆接头两端的感应电压信号，再经过A/D转换器转变为数字信号，经下位机处理获得电缆接头的绝缘状况数据。

2.如权利要求1所述的10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，其特征在于，还有滤波器，对电流传感器采集的信号和差分模块获得的感应电压信号进行去噪处理。

3.如权利要求1或2所述的10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，其特征在于，还有衰减放大器，对滤波后的信号进行放大处理。

4.如权利要求1或2所述的10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，其特征在于，还有通信模块和上位机，下位机获得的电缆接头绝缘状况数据通过通信模块发送至上位机，上位机收集线路所有电缆接头的绝缘状况数据，并筛选出临近临界值的电缆接头。

5.如权利要求1或2所述的10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，其特征在于，所述电流传感器为罗果夫斯基线圈。

6.如权利要求5所述的10～35kV配电网中电缆接头的故障在线监测装置，其特征在于，所述罗果夫斯基线圈包括磁环、导线和取样电阻，磁环为中间空心的环形，在磁环上绕有导线，导线的两端连接取样电阻，磁环的圈截面为矩形，外半径为40mm、内半径为20mm，取样电阻为100Ω，罗果夫斯基线圈为工作频带范围为100kHz～30MHz的电流传感器。