一种XLPE电力电缆局部放电诊断方法及系统与流程

本发明属于电力设备故障检测与诊断技术领域，具体地来讲为一种XLPE电力电缆局部放电诊断方法及系统。

背景技术：

交联聚乙烯电力电缆(Cross Linked Polyethylene,XLPE)由于其质量轻、安装敷设容易、且具有良好的电气和耐热性能等优点被广泛应用于城市电网中。然而，实际运行中的XLPE电力电缆由于受安装工艺、敷设环境、外力破坏、使用情况等因素影响，导致绝缘缺陷，甚至绝缘击穿事故不断发生，其中以电力电缆中间接头和终端头附件绝缘故障的比例为多。

目前，国内采用预防性试验是保证XLPE电力电缆可靠运行的一个重要手段。然而，预防性试验存在试验周期长、停电试验结果不能准确反映运行时的绝缘状态等缺点；此外，电力电缆绝缘下降是一个逐步发展的过程，在故障发生早期，由于电力电缆绝缘系统的局部缺陷引起的放电信号非常微弱，传统的预防性试验项目很难检测到异常的局部放电信号，另一方面，电力电缆现场局部放电检测面临的突出问题是干扰，如果无法剔除干扰信号，那么电力电缆现场局部放电检测基本无法进行，因此，单一的传统试验方法已无法满足城市配电网安全运行的要求。

局部放电(Partial Discharge,PD)是电力电缆绝缘故障早期的主要表现形式，它既是引起绝缘劣化的主要原因之一，又是表征绝缘状况的主要特征量。运行经验和研究均表明：电力电缆局部放电量与其绝缘状态密切相关，局部放电量的变化预示着电力电缆的绝缘系统在一定程度上存在着某些绝缘缺陷，是定量分析绝缘劣化程度的有效方法之一。因此，IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力标准和协会机构一致推荐局部放电试验作为XLPE电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。

当电力电缆发生局部放电时，会伴随产生脉冲电流、电磁波、声、光、热以及化学变化等物理现象，由此发展出的局部放电检测和诊断方法有脉冲电流法、特高频法、超声法、光检测法和化学检测法等。超声法是现场干扰信号很难抑制，特高频法使用一个传感器是无法对局放源定位。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种XLPE电力电缆局部放电诊断方法，实现局部放电信号的识别，干扰信号的剔除，绝缘缺陷的定位和诊断。

本发明是这样实现的，

一种XLPE电力电缆局部放电诊断方法，该方法包括：

步骤1，采集电力电缆局部放电产生的低频的超声波信号和特高频局部放电信号，以特高频局部放电信号为时间基准，计算出与低频的超声波信号的时间差，获取超声信号的时间延迟，将延迟的时间差乘以超声局部放电信号的传播速度，得到局部放电点与局部放电检测点的距离；

步骤2，将超声波信号进行分相位窗，通过相位窗内超声波信号的最大幅值绝对值与设定的放电阈值比较，确定有局部放电的相位窗；

步骤3，将超声波信号进行波形调整计算后，将相位窗的超声波信号幅值与所施加的工频电压的相位建立关系；

步骤4，将超声局部放电的相位信息和幅值信息绘制成放电幅值相位谱图、最大放电幅值相位谱图、平均放电幅值相位谱图和放电次数相位谱图；

步骤5，将步骤4中的四种超声局部放电信号的谱图进行统计特征计算，提取表征局部放电特性的27个统计算子。

进一步地，步骤2包括：采用分压器测得电力电缆施加的工频电压信号，将一个采集的1个工频周期内工频电压信号与超声波信号的数据各自分成N个相位窗，每个相位窗为M个超声波信号和M个工频电压信号，每个相位窗对应于工频电压的一个相位，对每1个相位窗内的M个超声波信号求最大幅值，将最大幅值的绝对值与设定的放电阈值比较，确定此相位窗内是否有局部放电，记录下该超声波信号的最大幅值，并把该最大幅值作为该相位窗的超声波信号幅值。

进一步地，步骤3将超声波信号进行波形调整计算包括，对每1个相位窗内的M个工频电压信号求平均值，将相位窗的超声波信号幅值与所施加的工频电压的相位建立关系，将1～M个相位窗对应着0^°～360^°的相位，使第i个相位窗的超声波信号幅值对应正弦波形i*360^°/M的相位。

进一步地，将相位窗的超声波信号幅值与所施加的工频电压的相位建立关系包括：将1个完整工频周期内上升沿过零点的电压信号取出，将电压信号上升沿过零点窗口位置之后的超声波信号往前移，将电压信号上升沿过零点窗口位置之前的超声波信号往后移，得到相位窗的超声波信号幅值与所施加电压的相位的关系。

进一步地，特征包括：均值μ、标准差σ、偏度S_k、峰度K_u以及互相关系数cc。

进一步地，采用的参数为：采样率为20MS/s，采集时间为1个工频周期，采样长度为400000个点，即采集卡每采集1次，就获得1个完整工频周期时间内的400000个数据。

一种XLPE电力电缆局部放电诊断系统，该系统包括：

超声传感器和特高频集成传感器分别用于采集电力电缆局部放电产生的低频的超声波信号和特高频局部放电信号；

信号放大和调理单元，对超声波信号和特高频局部放电信号进行放大调理；

采集卡，通过两个通道接收超声波信号和特高频信号，实现局部放电信号的实时采集；

数据处理模块，对采集电力电缆局部放电产生的低频的超声波信号和特高频局部放电信号，以特高频局部放电信号为时间基准，计算出与低频的超声波信号的时间差，获取超声信号的时间延迟，将延迟的时间差乘以超声局部放电信号的传播速度，得到局部放电点与局部放电检测点的距离；

将超声波信号进行分相位窗，通过相位窗内超声波信号的最大幅值绝对值与设定的放电阈值比较，确定有局部放电的相位窗；

将超声波信号进行波形调整计算后，将相位窗的超声波信号幅值与所施加的工频电压的相位建立关系；

谱图绘制模块，将超声局部放电的相位信息和幅值信息绘制成放电幅值相位谱图、最大放电幅值相位谱图、平均放电幅值相位谱图和放电次数相位谱图；

放电特征参数统计模块，将四种超声局部放电信号的谱图进行统计特征计算，提取表征局部放电特性的27个统计算子；

显示模块，显示四种超声局部放电信号的谱图。

进一步地，信号放大和调理单元包括与超声传感器依次连接的前置放大器、带通滤波器和缓冲电路，以及与特高频传感器依次连接的低噪声放大器、高通滤波器和检波器；其中，前置放大器的输出与带通滤波器的输入相连，带通滤波器将与局部放电超声信号无关的各种环境噪声、机械振动噪声等滤除，带通滤波器的输出接缓冲电路的输入，增大输出电流。

进一步地，特高频传感器的输出接低噪音放大器的输入后接高通滤波器的输入，高通滤波器把与局部放电特高频信号无关的低频干扰信号滤除，高通滤波器的输出接检波器的输入，检波器把特高频段局部放电信号移至低频段。

进一步地，采集卡采样率为20MS/s，采集时间为1个工频周期，采样长度为400000个点，即采集卡每采集1次，就获得1个完整工频周期时间内的400000个数据。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明以局部放电产生的特高频局部放电信号为时间基准，并与低频的超声局部放电信号相结合，获取超声信号的时间延迟，最终实现局部放电信号的识别，干扰信号的剔除，绝缘缺陷的定位和诊断的方法。相较于其它检测方法，超声法和特高频法集成检测系统是非侵入式的、比较理想的现场检测方法，受外部电磁噪声影响较小，且易于实现带电检测。因此，能够及时而准确地判断电力电缆的绝缘状态，及早发现一些早期潜伏性缺陷，避免电力电缆击穿事故的发生。

附图说明

图1为本发明的系统模块框图；

图2为前置放大器的电路图；

图3为超声局部放电信号的PRPD谱图；

图4为超声局部放电信号的谱图，(a)为相位0～180°，(b)为相位180°～360°；

图5为超声局部放电信号的谱图，(a)为相位0～180°，(b)为相位180°～360°；

图6为超声局部放电信号的谱图，(a)为相位0～180°，(b)为相位180°～360°。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明的系统由超声传感器和特高频传感器(300MHz-3GHz)、信号放大和调理单元、采集卡、软件分析系统及显示装置组成。其中，信号放大和调理单元包括超声传感器的信号放大和调理单元，特高频传感器的信号放大和调理单元，其中，超声传感器的信号放大和调理单元包括前置放大器、带通滤波器和缓冲电路三部分，特高频传感器的信号放大和调理单元包括低噪声放大器、高通滤波器和检波器三部分；软件分析系统由数据采集控制模块、数据处理模块、谱图绘制模块和放电特征参数统计模块四个模块组成；图中超声传感器采用谐振式高灵敏度超声波传感器；特高频传感器采用电容圆盘式单极天线；前置放大器由低噪声运算放大器组成；带通滤波器由低失真、高速双运算放大器组成；缓冲放大器由一个缓冲放大器组成；低噪音放大器由低噪音的三极管组成；检波器用二极管检波电路组成；采集卡选用研华PCI-9810；软件分析系统使用LabVIEW语言和C语言联合开发而成。

现场检测时，超声传感器、特高频传感器贴于被检测的XLPE电力电缆上，当电力电缆的绝缘系统存在缺陷或隐患，并在正常工作电压下发生局部放电现象，此时，超声传感器与特高频传感器接收局部放电产生的超声和特高频信号。

超声传感器输出接前置放大器的输入。超声传感器输出信号较微弱，最大幅值仅为5mV左右，现场环境噪声以及干扰较大，会导致局部放电超声信号淹没在噪声中；此外，超声传感器的输出阻抗是高阻抗，因此，前置放大器主要由输入级放大部分D1、带通滤波部分D2和缓冲放大部分D3构成，固定增益为40dB，其结构示意图如图2所示，另一方面，前置放大器中使用的集成放大器具备低噪音和高输入阻抗。前置放大器的主要作用是：①放大超声传感器输出的微弱电信号；②将超声传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。

前置放大器的输出与带通滤波器的输入相连。带通滤波器主要将与局部放电超声信号无关的各种环境噪声、机械振动噪声等滤除。

带通滤波器的输出接缓冲电路的输入。目的在于增大输出电流、提高负载能力、减少负载对信号源的影响，增加抗干扰能力。

特高频传感器的输出接低噪音放大器的输入。特高频传感器输出信号非常微弱，属于V量级，现场环境噪声以及干扰较大，会导致局部放电特高频信号淹没在噪声中。

低噪音放大器的输出接高通滤波器的输入。高通滤波器的作用主要是把与局部放电特高频信号无关的低频干扰信号滤除。

高通滤波器的输出接检波器的输入。检波器主要是把特高频段局部放电信号(300MHz-3GHz)移至低频段(DC-10MHz)，这样数据采集单元的采样率就不需要太高，例如，100MS/s采样率的采集卡就能满足要求。

经信号放大和调理单元的局部放电超声信号和特高频信号分别接入采集卡的2个通道，实现局部放电信号的实时采集。

通过局部放电信号软件分析系统的数据采集模块控制数据采集卡，对其进行初始化设置，采集信号，并且把数据放入队列；数据处理模块对采集到的局部放电信号进行如下处理：

(1)进行软件滤波和小波去噪；

(2)计算超声波信号与特高频信号的时间差，进行大致故障定位。

具体为：将超声波信号峰值对应的时刻与特高频信号峰值对应的时刻相减，得到超声波信号与特高频信号的时间差，这个时间差乘以超声波信号的传播速度，就是局部放电点与局部放电检测点的距离。

(3)将超声数据进行分相位窗和波形调整计算；

分相位窗主要是为局部放电谱图绘制提供数据，其流程是：采集卡采样率为20MS/s，采集时间为1个工频周期，采样长度为400000个点，即采集卡每采集1次，就获得1个完整工频周期时间内的400000个数据。采集卡采集2路信号：第1路是由分压器测得的施加的工频电压信号，第2路是由超声波传感器获得并通过前置放大器和同轴电缆传来的超声波信号。将这1个完整工频周期内的2路信号的数据各自分成100个相位窗，那么每个相位窗就有4000个点，每个相位窗对应于工频电压的一个相位。

对每1个相位窗内的4000个超声波信号求最大幅值，如果最大幅值的绝对值大于所设定的放电阈值，那么说明此相位窗内有局部放电，此时记录下该超声波信号的最大幅值，并把这个最大幅值作为该相位窗的超声波信号幅值。

对每1个相位窗内的4000个电压信号求平均值并记录下来。

波形调整主要是为了使100个相位窗的超声波信号幅值与所施加的工频电压的相位建立关系，即：使1～100个相位窗对应着0^°～360^°的相位、使第i个相位窗的超声波信号幅值对应正弦波形i*360^°/100的相位。这是因为采集卡采集的1个完整工频周期内的电压信号的起始点并不一定对应正弦波形的上升沿过零点，所以需要作出调整。

因为1个完整工频周期内的电压信号必然有上升沿过零点，所以可以将其求取出来。将电压信号上升沿过零点窗口位置记录下来。

将电压信号上升沿过零点窗口位置之后的超声波信号往前移，将电压信号上升沿过零点窗口位置之前的超声波信号往后移，这样就可以得到100个相位窗的超声波信号幅值与所施加电压的相位的关系。

(4)谱图绘制模块将超声局部放电的相位信息和幅值信息绘制成放电幅值相位谱图(PRPD谱图)(图3)、最大放电幅值相位谱图(谱图)(图4a与4b)、平均放电幅值相位谱图(谱图)(图5a与5b)和放电次数相位谱图(谱图)(图6)，这些典型的谱图如图3-图6所示。

(5)将上述四种超声局部放电信号的谱图进行统计特征计算，提取表征局部放电特性的27个统计算子。

不同局部放电类型所对应的放电谱图形状各不相同，利用各种放电谱图提供的信息，能够区分各种不同类型的放电。但是，这种区别仅仅是定性的，必须依靠肉眼和丰富的经验才能分辨出来。因此，从各种放电谱图中得到一些有用的统计参数就很有必要。表征局部放电超声波信号的统计参数是对局部放电超声波信号分布参数进行统计分析，用定量的参数来描述某种分布的形状特征。表征局部放电超声波信号的统计参数包括均值μ、标准差σ、偏度S_k、峰度K_u、互相关系数cc等，这些统计参数的计算公式如公式(1)-(5)所示。利用这些统计参数可以对放电类型进行识别。

a)均值μ

x_i──第i个样本；

f(x_i)──x_i出现的概率；

N──半周期(正半周或者负半周)内相位窗的个数；

b)标准差σ

c)偏度S_k

S_k＝0表示谱图完全对称，S_k＜0表示偏向右侧，S_k＞0表示偏向左侧；

d)峰度K_u

K_u＝0表示突出程度符合正态分布，K_u＜0表示比正态分布峰缓和，K_u＞0表示比正态分布峰更陡；

e)互相关系数cc

式中：──正、负半周第i个样本；

cc＝1表示100％的正、负半周形状对称，cc＝0表示完全不对称。

均值μ、标准差σ、偏度S_k、峰度K_u均需按正、负半周单独计算，而互相关系数cc则不必。这样，从和三种谱图中总共可以提取27个统计参数。为了方便表示，将27个统计参数编号，如表1所示。27个统计参数构成了局部放电模型的指纹。

表1超声局部放电信号的统计参数表

6)显示模块显示绘制的四种放电谱图和27个放电特性统计算子。

现场带电检测时，利用本发明进行电力电缆绝缘状态检测，对绝缘存在故障或隐患的电力电缆，进行故障定位，通过绘制放电谱图和提取统计算子的方式表征放电特性，为现场检测人员判断故障位置及故障类别提供实验依据，为降低电力电缆事故的发生，保证设备安全运行具有重要意义。

附图说明

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。