CN210894593U

CN210894593U - 一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器

Info

Publication number: CN210894593U
Application number: CN201921806916.0U
Authority: CN
Inventors: 郭兴帅; 陈晓萍; 张瀚; 张耀春; 乔美林; 杜飞
Original assignee: Xuejiawan Power Supply Bureau Inner Mongolia Electric Power Group Co ltd
Current assignee: Xuejiawan Power Supply Bureau Inner Mongolia Electric Power Group Co ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2029-10-25

Abstract

本实用新型公开了一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，包括高频电流电压传感器、放大滤波单元、脉冲方向提取单元、数据采集单元及处理通讯单元，高频电流电压传感器由高频电流传感、电容耦合电压传感器组成；采用高频电压电流传感器，实现局部放电传播方向的检测，区分局部放电的来源，减少局部放电源的查找时间，极大地提高了工程上的效率；采用高频电压电流传感器，实现局部放电传播方向的检测能够剔除非电缆来源方向的脉冲信号，避免的电力电子开关器件的脉冲干扰，提高了传感器的抗干扰能力。对于局部放电脉冲采用降频采样技术，极大减小了高速采集装置带来的昂贵成本，提高了检测装置的经济性。

Description

一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器

技术领域

本实用新型涉及电力设备的绝缘状态检测技术领域，特别是一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器。

背景技术

配电电缆作为电网运行的大动脉，其安全可靠性与人们的生产生活息息相关。由于电缆埋于地下，一旦出现故障，其故障查找非常困难、耗时长，造成较大的经济损失，对居民的日常生活、生产部门的日常生产以及其他社会非生产部门的照常运转造成诸多不便。

局部放电作为电缆故障前的早期表征，被国内外公认为电缆绝缘状态评估的重要手段。 IEEE在2007年推出了《IEEE Guide for Partial Discharge Testing of ShieldedPower Cable Systems in a Field Environment》关于带屏蔽的护套电缆中的局部放电检测指南，首次提出了电缆局部放电检测相关标准，国内2015年也推出了《电缆局部放电测试系统检定方法》，专门提出了对于国内常见电缆局部放电系统的检定方法。目前，电缆的局部放电检测主要分为离线检测和在线监测，离线检测方式主要以振荡波局放检测系统为主，但其需要电缆停电，不能适用于对大面积电缆进行普测，在线检测则能克服该缺点，在线检测传感器主要包括HFCT、TEV、电容耦合传感器、超声检测等，其中HFCT检测方式以其灵敏度高和检测频带宽的特点，是目前国内外应用最普遍的电缆局部放电方式，电缆及电缆附件中产生局部放电会以电磁脉冲耦合的方式沿着电缆向两端传播，将HFCT安装在电缆的接地线上，能够有效捕获电缆中传播而来的局部放电脉冲信号。现有的HFCT在灵敏度及带宽上已经能够实现局部放电脉冲的有效检测，英国EA Technology公司推出的电缆在线监测系统中的HFCT传感器灵敏度已经达到了3.5pC/mV，带宽1MHz-80MHz，国内西安交通大学自主研发的HFCT也达到了灵敏度5pC/mV，带宽1MHz-100MHz。随着HFCT在电网中的大量应用，其一个固有的缺点体现了出来，由于其不具有方向性，当HFCT检到局部放电时，其很难区别开其局部放电到底来自该条电缆还是来自于与其相连接的开关柜或其他电缆，给现场运维带来了很大不便，目前电网人员的解决方案是排除法，通过TEV和超声检测装置判断相应的开关柜是否存在局部放电，然后对比该开关柜连接的所有电缆的HFCT检测结果，认为放电幅值最大的HFCT传感所对应的电缆为缺陷电缆，但并未取得很好的运维效果，效率低下。

针对目前HFCT传感器的缺点，本文提出了用于电缆局部放电预定位的检测装置，在现有传感器的基础上，研制了局部放电方向传感器，其主要由高频电流传感器和电容耦合电压传感器组成，通过高频电流传感器和电容耦合电压传感器的脉冲极性差异确定电缆接地线上局部放电脉冲的传播方向从而确定局部放电来源，相比于传统的HFCT传感器，该传感器能够显著提高电缆局部放电检测的效率，提高配网电缆的运维水平。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器。为实现上述目的本实用新型采用以下技术方案：

一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，包括高频电流电压传感器、放大滤波单元、脉冲方向提取单元、数据采集单元及处理通讯单元，高频电流电压传感器A由高频电流传感1、电容耦合电压传感器2组成；高频电流传感器1和电容耦合电压传感器2分别检测电缆地线局部放电脉冲信号产生的脉冲磁场和脉冲电场信号，经放大滤波单元B分别对检测到的脉冲磁场和脉冲电场信号进行调理放大滤波，然后通过脉冲方向提取单元C实现高频电流传感器和电容耦合电压传感器检测脉冲的极性的检测，高频电流传感器和电容耦合电压传感器的调理电路分别经过脉冲峰值保持电路实现脉冲整形，数据采集单元D将对高频电流传感器整形后的脉冲、高频电流传感器检测脉冲极性、电容耦合电压传感器整形后的脉冲、电容耦合电压传感器检测脉冲极性进行采集，并将数据存储在处理通讯单元E，处理通讯单元E对检测数据进行预处理，根据方向判定准则和采集脉冲极性差异实现局部放电传播方向判断。

优选的：高频电流电压传感器主要将高频电流传感器（HFCT）1和电容耦合电压传感器2集成于一体，高频电流传感器1主要由三部分组成：外壳、磁芯和线圈，外壳采用PVC材料，磁芯采用铁氧体材料，磁芯内半径2cm,截面积1.2cm²,线圈截面积0.9mm²,线圈匝数14匝。电容耦合电压传感器2由双极板电极组成，材料为黄铜，其分别置于高频电流传感器1磁芯的内侧和外侧，极板宽度1cm。

优选的：放大滤波单元B由电流放大滤波器3、电压放大滤波器4组成；电流放大滤波器3主要由前置差分放大电路和后级滤波电路组成，前置差分放大电路的放大倍数为10倍，后级滤波电路带宽为1MHz-100MHz ；电压放大滤波器4主要由前置差分放大电路和后级滤波电路组成，前置差分放大电路的放大倍数为30倍，后级滤波电路带宽为1MHz-100MHz。

优选的：脉冲方向提取单元C由正向脉冲比较器A5、反相脉冲比较器A6、正向脉冲比较器B7、反相脉冲比较器B8、正向峰值保持器A9、反向峰值保持器A10、正向峰值保持器B11、反向峰值保持器B12、加法器A13、加法器B14、峰值保持器A15、峰值保持器B16组成；正向脉冲比较器A5采用迟滞比较器，信号有效输入范围0-5V，比较电平100mV，当局部放电脉冲信号（振荡衰减型脉冲信号）的第一个脉冲极性为正时，当输入脉冲高于100mV时，输出高电平5V，正向峰值保持器A9将会保持该5V电平5us，峰值保持器A15的输出将会使得反相脉冲比较器A6掉电，保证加法器A13输出单极性（5V高电平），反相脉冲比较器A6和反向峰值保持器A10的工作方式与正向脉冲比较器A5和正向峰值保持器A9的工作方式一致。

优选的：数据采集单元D主要由采样率6MS/s的四通道A/D转换器17组成；其数据采集芯片选用TI公司的THS1206-EP，其具备12位纵向分辨率，采样率6MS/s，四通道同时采样。

优选的：处理通讯单元E由存储单元18、微处理器19、无线通讯模块20和电源模块21组成，存储单元18的存储深度1GB，主要实现局部放电脉冲幅值、局部放电来源方向以及放电频次等数据进行存储；微处理器19采用STM32F4系列，主要实现局部放电脉冲分析，并将分析结果置于存储单元，便于历史数据对比，同时，微处理器19还能将检测结果通过无线通讯模块20将数据上传至电网公共服务平台或自建的服务平台；无线通讯模块20采用窄带物联网技术（NB-IOT）实现检测数据及预处理结果的上传；电源模块采用AC-DC转换器，输入电压AC220V，输出电压DC5V,功率10W。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：采用高频电压电流传感器，实现局部放电传播方向的检测，区分局部放电的来源，减少局部放电源的查找时间，极大地提高了工程上的效率；采用高频电压电流传感器，实现局部放电传播方向的检测能够剔除非电缆来源方向的脉冲信号，避免的电力电子开关器件的脉冲干扰，提高了传感器的抗干扰能力。对于局部放电脉冲采用降频采样技术，极大减小了高速采集装置带来的昂贵成本，提高了检测装置的经济性。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图。

图2为本实用新型的高频电流电压传感器结构示意图。

图3为本实用新型HFCT调理电路及脉冲极性提取电路图。

图4为本实用新型电容耦合电压传感器调理电路及脉冲极性提取电路图。

图5为本实用新型应用实例图。

图6为脉冲极性判断基本原理图。

图7为两种不同的局部放电传播情况示意图（a为局部放电沿着参考方向传播；b为局部放电沿着参考反方向传播）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细阐述。

如图1所示，一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，包括高频电流电压传感器、放大滤波单元、脉冲方向提取单元、数据采集单元及处理通讯单元，高频电流电压传感器A由高频电流传感1、电容耦合电压传感器2组成；高频电流传感器1和电容耦合电压传感器2分别检测电缆地线局部放电脉冲信号产生的脉冲磁场和脉冲电场信号，经放大滤波单元B分别对检测到的脉冲磁场和脉冲电场信号进行调理放大滤波，然后通过脉冲方向提取单元C实现高频电流传感器和电容耦合电压传感器检测脉冲的极性的检测，高频电流传感器和电容耦合电压传感器的调理电路分别经过脉冲峰值保持电路实现脉冲整形，数据采集单元D将对高频电流传感器整形后的脉冲、高频电流传感器检测脉冲极性、电容耦合电压传感器整形后的脉冲、电容耦合电压传感器检测脉冲极性进行采集，并将数据存储在处理通讯单元E，处理通讯单元E对检测数据进行预处理，根据方向判定准则和采集脉冲极性差异实现局部放电传播方向判断。根据传感器检测的局部放电强度及频次等信息进行危险性评估。

放大滤波单元B由电流放大滤波器3、电压放大滤波器4组成；电流放大滤波器3主要由前置差分放大电路和后级滤波电路组成，前置差分放大电路的放大倍数为10倍，后级滤波电路带宽为1MHz-100MHz ；电压放大滤波器4主要由前置差分放大电路和后级滤波电路组成，前置差分放大电路的放大倍数为30倍，后级滤波电路带宽为1MHz-100MHz。

脉冲方向提取单元C由正向脉冲比较器A5、反相脉冲比较器A6、正向脉冲比较器B7、反相脉冲比较器B8、正向峰值保持器A9、反向峰值保持器A10、正向峰值保持器B11、反向峰值保持器B12、加法器A13、加法器B14、峰值保持器A15、峰值保持器B16组成；正向脉冲比较器A5采用迟滞比较器，信号有效输入范围0-5V，比较电平100mV，当局部放电脉冲信号（振荡衰减型脉冲信号）的第一个脉冲极性为正时，当输入脉冲高于100mV时，输出高电平5V，正向峰值保持器A9将会保持该5V电平5us，峰值保持器A15的输出将会使得反相脉冲比较器A6掉电，保证加法器A13输出单极性（5V高电平），反相脉冲比较器A6和反向峰值保持器A10的工作方式与正向脉冲比较器A5和正向峰值保持器A9的工作方式一致。基本原理如下图6所示，正向脉冲比较器B7、反相脉冲比较器B8、正向峰值保持器B11、反向峰值保持器B12、加法器B14的工作原理与图1一致。

数据采集单元D主要由采样率6MS/s的四通道A/D转换器17组成；其数据采集芯片选用TI公司的THS1206-EP，其具备12位纵向分辨率，采样率6MS/s，四通道同时采样。

处理通讯单元E由存储单元18、微处理器19、无线通讯模块20和电源模块21组成，存储单元18的存储深度1GB，主要实现局部放电脉冲幅值、局部放电来源方向以及放电频次等数据进行存储；微处理器19采用STM32F4系列，主要实现局部放电脉冲分析，并将分析结果置于存储单元，便于历史数据对比，同时，微处理器19还能将检测结果通过无线通讯模块20将数据上传至电网公共服务平台或自建的服务平台；无线通讯模块20采用窄带物联网技术（NB-IOT）实现检测数据及预处理结果的上传；电源模块采用AC-DC转换器，输入电压AC220V，输出电压DC5V,功率10W。

如图2所示，高频电流电压传感器主要将高频电流传感器（HFCT）1和电容耦合电压传感器2集成于一体，高频电流传感器1主要由三部分组成：外壳22、磁芯23和线圈24，外壳22采用PVC材料，磁芯采用铁氧体材料，磁芯内半径2cm,截面积1.2cm²,线圈24截面积0.9mm²,线圈匝数14匝。电容耦合电压传感器2由双极板电极组成，材料为黄铜，其分别置于高频电流传感器1磁芯23的内侧和外侧，极板宽度1cm。

图7为两种不同的局部放电传播情况示意图（a为局部放电沿着参考方向传播；b为局部放电沿着参考反方向传播）。当局部放电来源于电缆时，局部放电脉冲的传播方向沿参考方向，当局部放电来源于开关柜或其他电缆时，局部放电脉冲的传播方向沿参考反方向，依据高频电流传感器（HFCT）1（

）和电容耦合电压传感器2（V _{电容耦合传感器}）的输出电压脉冲的极性判断局部放电脉冲传播方向，判定准则如表1。

表1 不同情况下方向传感器的输出极性

图3为本实用新型HFCT调理电路及脉冲极性提取电路图。图4为本实用新型电容耦合电压传感器调理电路及脉冲极性提取电路图。放大滤波电路和脉冲极性提取电路原理图，主要分为两个部分，HFCT的放大滤波电路和脉冲极性提取电路和电容耦合电压放大滤波电路和脉冲极性提取电路，HFCT的放大滤波电路核心放大器芯片为ADA4899-1，放大倍数10倍，带宽1MHz-100MHz，电阻电容的取值见电路原理图；HFCT的脉冲极性提取电路的核心放大芯片同样采用ADA4899-1，比较器、跟随器、使能驱动器和加法器都是以该放大芯片作为核心芯片，具体电容电阻的取值见电路原理图；HFCT的脉冲极性提取电路中的峰值保持电路通过单向导通二极管和电容实现，具体型号及取值见电路原理图。

如图5所示，为该配电电缆局部放电预定位装置在实际应用中实例图，将两个该检测装置，安装在某条电缆的两个电缆终端的电缆接地线上，通过两个检测装置判断局部放电是否来自于该条电缆，如果该电缆中出现局部放电时，两个检测装置将发现局部放电来自于电缆测，直接将局部放电位置锁定在该电缆中，排除了相连开关柜或其他电缆对该条电缆局部放电评估的影响，极大地提高了配电电缆的运维效率，此外，通过该检测装置能够自动滤除非电缆侧的脉冲噪声，尤其随着新能源设备的接入，电力电子开关的脉冲噪声严重影响配电电缆局部放电的评估，该装置在配电电缆中的使用相比于传统HFCT，提升了抗干扰能力，针对性了进行电缆绝缘状态评估，提高了配电电缆的运维水平。

以上所述为本实用新型较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，其特征在于：包括高频电流电压传感器、放大滤波单元、脉冲方向提取单元、数据采集单元及处理通讯单元，高频电流电压传感器由高频电流传感、电容耦合电压传感器组成；高频电流传感器和电容耦合电压传感器分别检测电缆地线局部放电脉冲信号产生的脉冲磁场和脉冲电场信号，经放大滤波单元分别对检测到的脉冲磁场和脉冲电场信号进行调理放大滤波，然后通过脉冲方向提取单元实现高频电流传感器和电容耦合电压传感器检测脉冲的极性的检测，高频电流传感器和电容耦合电压传感器的调理电路分别经过脉冲峰值保持电路实现脉冲整形，数据采集单元将对高频电流传感器整形后的脉冲、高频电流传感器检测脉冲极性、电容耦合电压传感器整形后的脉冲、电容耦合电压传感器检测脉冲极性进行采集，并将数据存储在处理通讯单元，处理通讯单元对检测数据进行预处理，根据方向判定准则和采集脉冲极性差异实现局部放电传播方向判断。

2.如权利要求1所述的一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，其特征在于：高频电流电压传感器主要将高频电流传感器和电容耦合电压传感器集成于一体，高频电流传感器主要由外壳、磁芯和线圈三部分组成，外壳采用PVC材料，磁芯采用铁氧体材料，磁芯内半径2cm,截面积1.2cm²,线圈截面积0.9mm²,线圈匝数14匝，电容耦合电压传感器由双极板电极组成，材料为黄铜，其分别置于高频电流传感器磁芯的内侧和外侧，极板宽度1cm。

3.如权利要求1所述的一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，其特征在于：放大滤波单元由电流放大滤波器、电压放大滤波器组成；电流放大滤波器由前置差分放大电路和后级滤波电路组成，前置差分放大电路的放大倍数为10倍，后级滤波电路带宽为1MHz-100MHz ；电压放大滤波器由前置差分放大电路和后级滤波电路组成，前置差分放大电路的放大倍数为30倍，后级滤波电路带宽为1MHz-100MHz。

4.如权利要求1所述的一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，其特征在于：脉冲方向提取单元由正向脉冲比较器A、反相脉冲比较器A、正向脉冲比较器B、反相脉冲比较器B、正向峰值保持器A、反向峰值保持器A、正向峰值保持器B、反向峰值保持器B、加法器A、加法器B、峰值保持器A、峰值保持器B组成；正向脉冲比较器A采用迟滞比较器，信号有效输入范围0-5V，比较电平100mV，当局部放电脉冲信号的第一个脉冲极性为正时，当输入脉冲高于100mV时，输出高电平5V，正向峰值保持器A将会保持该5V电平5us，峰值保持器A的输出将会使得反相脉冲比较器A掉电，保证加法器A输出单极性，反相脉冲比较器A和反向峰值保持器A的工作方式与正向脉冲比较器A和正向峰值保持器A的工作方式一致。

5.如权利要求1所述的一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，其特征在于：数据采集单元主要由采样率6MS/s的四通道A/D转换器组成；其数据采集芯片选用TI公司的THS1206-EP。

6.如权利要求1所述的一种增强型配电电缆绝缘缺陷检测传感器，其特征在于：处理通讯单元由存储单元、微处理器、无线通讯模块和电源模块组成，存储单元的存储深度1GB，主要实现局部放电脉冲幅值、局部放电来源方向以及放电频次等数据进行存储；微处理器采用STM32F4系列，主要实现局部放电脉冲分析，并将分析结果置于存储单元，微处理器还能将检测结果通过无线通讯模块将数据上传至电网公共服务平台或自建的服务平台；无线通讯模块采用窄带物联网技术实现检测数据及预处理结果的上传；电源模块采用AC-DC转换器，输入电压AC220V，输出电压DC5V,功率10W。