高压电缆故障判定系统及方法与流程

本发明属于高压电缆技术领域，尤其涉及一种高压电缆故障判定系统及方法。

背景技术：

高压电力电缆绝缘性能的好坏在很大程度上影响着电网的安全稳定运行。据统计，在高压供电事故中，电缆故障所引发的事故约占事故总数的半数以上，而电缆发生故障的80%为线路绝缘降低到一定程度时，导致绝缘击穿，进而引起单相接地的故障。因此，研究并掌握电缆的绝缘状况，开发有效的在线绝缘监测装置，对于减少甚至避免电缆故障来说就显得尤为重要。

现阶段，国内外对高压电缆的在线绝缘状态的监测方法主要包括：局部放电法、直流分量法、谐波分量法、直流叠加法、低频叠加法和交流叠加法等。

这些方法在实际运行中都存在着些许障碍。局部放电法是国内外专家一致推荐的用于高压电缆绝缘状况监测的最佳方法，并且局部放电法已在城市配电网得到了一定的范围的推广。

但是，在实际应用的过程中局部放电法，需要将检测到的信号值与阈值进行比较，从而判断高压电缆是否被损坏。在比较的过程中，阈值为确定值，判定结果很容易受到周围环境的影响。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种处理速度快，判定效果好的高压电缆故障判定系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

高压电缆故障判定系统，包括监控客户端、局部放电脉冲信号采集单元、信号处理单元、第一处理单元和与第一处理单元无线通信的第二处理单元，第一处理单元包括第一无线通信模块和第一控制器，第二处理单元包括第二无线通信模块和第二控制器；

局部放电脉冲信号采集单元设置于高压电缆上；

信号处理单元包括滤波电路和模数转换芯片，滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和运算放大器；

局部放电脉冲信号采集单元的信号输出端依次通过第一电阻和第二电阻连接运输放大器的同相输入端，运输放大器的同相输入端通过第一电容接地；运输放大器的反相输入端连接运输放大器的输出端，运输放大器的输出端连接模数转换芯片的信号输入端，运输放大器的输出端还通过第二电容连接于第一电阻和第二电阻之间；

模数转换芯片的信号输出端连接第一控制器，第一控制器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块将信号传输到第二控制器，第二控制器将接收到的信号传输到监控客户端。

局部放电脉冲信号采集单元包括高频电流传感器，高频电流传感器套设于高压电缆的屏蔽层上。

高频电流传感器上设有gps定位模块，gps定位模块将定位信息传输到第一处理单元，第一处理单元将定位信息传输到第二处理单元，第二处理单元将定位信息传输到监控客户端。

高频电流传感器处设有湿度传感器，湿度传感器将检测到的湿度信息传输到第一处理单元，第一处理单元将湿度信息传输到第二处理单元。

局部放电脉冲信号采集单元与信号处理单元通过光纤连接；信号处理单元与第一处理单元也通过光纤连接。

监控客户端上连接有报警电路，报警电路包括报警驱动芯片和与报警驱动芯片的信号输出端连接的压电喇叭，报警驱动芯片连接监控客户端的警示信息输出端。

第一控制器和第二控制器分别为fpga控制器和dsp控制器。

利用上述系统进行的高压电缆故障判定方法，所述方法包括如下步骤：

(1)局部放电脉冲信号采集单元采集高压电缆上的局部放电脉冲信号；

(2)信号处理单元对局部放电脉冲信号采集单元采集到的局部放电脉冲信号进行滤波和放大；

(3)经过处理的局部放电脉冲信号传输到第二处理单元；

(4)第二处理单元根据接收到的湿度传感器发送的湿度信息，得出空气的相对湿度；第二处理单元对接收到的信号与阈值进行比较，当信号大于阈值时，进行步骤(5)；

其中，阈值的确定方法为：

其中，fa为阈值；b为步骤(2)中信号处理单元对局部放电脉冲信号处理时的放大倍数；l为电缆的长度；s为电缆的横截面面积；α为校正系数，α的取值为：

α取0.3～0.7，当sd为40％～60％；

α取1.5～2.4，当sd＞60％或sd＜40％；sd为步骤(4)中计算出的空气的相对湿度。

（5）第二处理单元将故障信息传输到监控客户端，监控客户端上弹出提示屏进行提示。

第二处理单元将接收到的故障信息和时刻变化的阈值信息均在显示屏上以横轴为时间，纵轴为电压值进行显示。

第二处理单元实时接收到局部放电脉冲信号采集单元的位置信息和图像信息，并将接收到的位置信息和图像信息传输到监控客户端，当位置信息出现变化时，工作人员通过图像信息复核，查看局部放电脉冲信号采集单元是否被人为移动。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、本发明所述的系统可以实现高压电缆故障的及时采集，同时通过设置第一处理单元和第二处理单元提高了信号的处理速度；可以通过监控客户端实现远程监控，使用方便；设置的滤波电路元件少，同时可以起到较好的滤波效果，提高判定结果的准确性。2、高频电流传感器上设有gps定位模块，从而实时得知高频电流传感器的位置信息。3、局部放电脉冲信号采集单元与信号处理单元通过光纤连接；信号处理单元与第一处理单元也通过光纤连接，信号传输过程中的损耗低，传输迅速。4、监控客户端上连接有报警电路，通过报警电路实时对故障信息进行提示。5、第一控制器和第二控制器分别为fpga控制器和dsp控制器，使用方便，可以提高工作效率。6、本发明所述的方法可以实现高压电缆故障的判定，通过时刻变化的阈值，提高判定结果的准确性；同时本方法步骤紧凑，处理速度迅速，当出现故障时可以对工作人员进行提示。7、第二处理单元将接收到的故障信息和时刻变化的阈值信息均在显示屏上以横轴为时间，纵轴为电压值进行显示，从而形成电压值随着时间的变化曲线，便于工作人员实时观察电压值的变化情况。8、第二处理单元实时接收到局部放电脉冲信号采集单元的位置信息和图像信息，并将接收到的位置信息和图像信息传输到监控客户端，当位置信息出现变化时，工作人员通过图像信息复核，查看局部放电脉冲信号采集单元是否被人为移动，从而可以实时得知局部放电脉冲信号采集单元的位置信息和周围的图像信息，避免局部放电脉冲信号采集单元被人为移动，提高判定结果的准确性。

附图说明

图1为本发明所述系统原理框图；

图2为本发明所示系统使用状态示意图；

图3为滤波电路原理图；

图4为报警电路原理图；

图5为本发明所述方法流程图。

具体实施方式

高压电缆故障判定系统，如图1和图2所示，包括局部放电脉冲信号采集单元、信号处理单元、第一处理单元、第二处理单元、监控客户端和显示屏。

局部放电脉冲信号采集单元设置于高压电缆1上，其中局部放电脉冲信号采集单元包括高频电流传感器2，高频电流传感器2套设于高压电缆1的屏蔽层上。

高频电流传感器用于采集高压电缆1上的局部脉冲放电信号。高频电流传感器为市售产品。

信号处理单元包括滤波电路和模数转换芯片，滤波电路如图3所示，包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第二电容c2和运算放大器u1。

第一电阻r1的第一端连接高频电流传感器2的信号输出端，高频电流传感器2与第一电阻之间通过光纤连接，从而避免电缆故障对信号传输的影响，同时光纤传输，信号传输过程中的损耗较少。第一电阻r1的第二端连接第二电阻r2的第一端，第二电阻r2的第二端连接运输放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的第二端还通过第一电容c1接地；运输放大器u1的反相输入端连接运输放大器u1的输出端，运输放大器u1的输出端连接模数转换芯片的信号输入端，运输放大器u1的输出端还通过第二电容c2连接第一电阻r1的第二端。

通过滤波电路可以对接收到的局部脉冲放电信号进行滤波和放大，从而降低杂波对信号的影响，同时可以对信号进行放大，降低信号损耗对判定结果的影响。

第一处理单元包括第一无线通信模块（gprs通信模块）和第一控制器（fpga控制器），第二处理单元包括第二无线通信模块（gprs通信模块）和第二控制器（dsp控制器）。此处，通过设置第一处理单元和第二处理单元可以提高工作效率，同时降低单个处理单元的任务量，提高信号处理效果，可以提高对故障的响应速度。

模数转换芯片的信号输出端连接第一控制器的信号输入端，模数转换芯片与第一控制器也通过光纤连接，降低信号的损耗，提高判定的准确性。

第一控制器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块将信号传输到第二控制器，第二控制器将接收到的信号传输到监控客户端，从而实现工作人员的远程监视。

在监控客户端上连接有报警电路，通过报警电路可以对周围的工作人员进行警示。

如图4所示，报警电路包括报警驱动芯片u2（型号为f336hd）和与报警驱动芯片u2的信号输出端连接的压电喇叭lb（型号为fk885-3al，生产厂家：美国murata），报警驱动芯片u2连接监控客户端的警示信息输出端，报警驱动芯片u2的信号输出端连接压电喇叭lb，压电喇叭lb的两端之间连接有加强电容c3。监控客户端发出警示信息到报警驱动芯片u2，报警驱动芯片u2输出信号使得压电喇叭lb发出报警声。设置的加强电容c3可以使得压电喇叭lb的报警声更加清脆。报警驱动芯片u2自带发光二极管，当监控客户端发出警示信息时，报警驱动芯片u2自带的发光二极管可以发出警示光。监控客户端根据接收到的信号发出警示信息为成熟的现有技术。

为了便于对高频电流传感器的位置进行判定，高频电流传感器上设有gps定位模块，gps定位模块将采集到的定位信息传输到第一控制器，第一控制器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块将定位信息传输到第二控制器，第二控制器将定位信息传输到监控客户端。

通过gps定位模块可以实时采集高频电流传感器的位置信息，防止人为移动或盗取高频电流传感器。同时，为了可以对高频电流传感器远程监控，在高频电流传感器处设有网络摄像头，网络摄像头将采集到的图像信号传输到第一控制器，第一控制器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块将图像信号传输到第二控制器，第二控制器将图像信号传输到监控客户端进行显示，当监控客户端处发现定位信息出现变化时，可以通过图像信号观察高频电流互感器是否正常。

另外，为了提高判定结果的准确性，在高频电流传感器处设有湿度传感器，湿度传感器将检测到的湿度信息传输到第一控制器，第一控制器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块将湿度信息传输到第二控制器，第二控制器将接收到的湿度信息传输到监控客户端，湿度信息可以为局部脉冲放电信号是否是电缆故障提供参考，不涉及软件程序的改进。

本发明所述的系统可以实现高压电缆局部脉冲放电信号的采集、处理和判定，判定结果准确性高，同时处理速度快。

本发明还公开了利用上述系统进行的高压电缆故障判定方法，如图5所示，所述方法包括如下步骤：

（1）局部放电脉冲信号采集单元采集高压电缆上的局部放电脉冲信号；具体为：高压电缆出现故障，则在高压电缆上出现局部放电脉冲，该局部放电脉冲被局部放电脉冲信号采集单元采集到。

（2）信号处理单元对局部放电脉冲信号进行处理；具体为：局部放电脉冲信号采集单元将采集到的局部放电脉冲信号传输到信号处理单元，通过信号处理单元对该信号进行处理，该处理包括滤波和放大，因为信号处理单元是确定的，故其放大倍数也是确定的。经过对信号的滤波和放大可以降低杂波和损耗对判定结果的影响。

（3）将经过处理的局部放电脉冲信号传输到第二处理单元；具体为：经过滤波和放大的信号进入到第一处理单元，第一处理单元将接收到的信号传输到第二处理单元。

（4）第二处理单元接收到湿度传感器采集的湿度信息，并根据该湿度信息得出空气的相对湿度；第二处理单元对接收到的经过滤波和放大的脉冲信号与阈值进行比较，当该脉冲信号大于阈值时，进行步骤（5）；

具体为：湿度传感器采集局部放电脉冲信号采集单元处的湿度信息，并将采集到的湿度信息通过第一处理单元传输到第二处理单元，第二处理单元根据接收到的湿度信息得出空气的相对湿度，根据湿度信息得出空气的相对湿度为成熟的现有技术。

本方法中，阈值是一个动态变化的过程，具体为：

其中，fa为阈值；l为电缆的长度；s为电缆的横截面面积；α为校正系数，α的取值为：

α取0.3～0.7，当sd为40％～60％；

α取1.5～2.4，当sd＞60％或sd＜40％；sd为步骤(4)中计算出的空气的相对湿度。

（5）第二处理单元将故障信息传输到监控客户端，监控客户端上弹出提示屏进行提示；同时，第二处理单元将接收到的故障信息和时刻变化的阈值信息均在显示屏上以横轴为时间，纵轴为电压值进行显示，从而易于工作人员监控和日后查看。

在以上步骤过程中，第二处理单元实时接收到局部放电脉冲信号采集单元的位置信息和图像信息，并将接收到的位置信息和图像信息传输到监控客户端，当位置信息出现变化时，工作人员通过图像信息复核，查看局部放电脉冲信号采集单元是否被人为移动。

本发明所述的方法可以实现高压电缆故障的实时监测，阈值的实时变化可以降低环境因素对判定结果的影响，最终提高判定结果的准确性。