专利名称：一种电力电缆绝缘状态在线监测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力设备在线监测领域，特别涉及一种电力电缆绝缘状态在线监测装置。
背景技术：
对电缆绝缘的监测方法有离线检测法和在线监测法。离线检测法试验需停电进 行，停电后电缆的状态与运行中不符，影响判断准确度；离线检测法为周期性定期检查，不 是连续的随时监测，对电缆的运行状态缺乏可靠的信息，因而检测带有较大的盲目性，造成 较大的人力物力浪费，甚至造成不必要的绝缘损伤。例如，在绝缘预防性试验中，由于交流 聚乙烯电缆绝缘不能采用直流耐压试验，必须采用交流耐压试验或者谐振耐压试验，但这 些设备庞大，试验时费时费力，而且，通过研究发现，耐压试验不仅对缺陷的检出能力有限， 还对电缆绝缘有较大的损害。在线监测法使运行人员在不停电的状态下可随时掌握电缆运 行的实时信息，帮助判断电缆绝缘是否下降，是否需要维修，因而具有减少停电时间，减少 设备因维修造成的损害和维修不当所造成的事故，减少维修所需要的人力、物力、财力，减 少值班人员和人为事故等优点，是目前对电力设备绝缘监测的发展趋势。目前国内外提出的可用于交联聚乙烯高压电缆的在线试验方法很多，常见的如直 流叠加法、直流成分法、损耗因数法、局部放电法、介质损耗检测法等，这些方法在理论上可 行，但还存在一些技术上的缺陷，因此还未见现场应用于智能在线监测的报道。对这些技术 具体分析来看，直流成分法适用于各种电压等级的电缆绝缘系统的在线监测，但由于杂散 电流的干扰和微小电流的提取困难等因素，不适合电力系统的实际应用；直流叠加法适用 于低压电缆绝缘系统的监测，由于不能解决接地方式和直流信号加载之间的矛盾，不适合 高压电力系统的实际应用；局部放电法是电缆绝缘老化的有效判别方法，但在无法很好的 解决电力系统的干扰时，电力电缆的局部放电试验只能作为电缆产品出厂前质量评定的手 段且局限在屏蔽良好的试验室进行，无法用于现场检测。
发明内容
针对以上技术上存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种电力电缆绝缘状 态在线监测装置，采用系统低频信号进行监测，检测精度高，能够明显地反映电缆老化状 态，且无需额外叠加电源，避免对电网安全的危害。一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，具体为采集电缆接地线的电流和电缆主 绝缘上电压信号，经过滤波得到电力系统振荡的低频电流和电压信号，计算两者之间的相 位角差，求取相位角差正切值得到电缆介质损耗因素值，当电缆介质损耗因素值大于介质 损耗安全阀值，表明电缆存在绝缘老化隐患。一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，具体为采集电缆接地线的电流，经过滤波 得到电力系统振荡的低频电流，若低频电流大于电流安全阀值，表明电缆存在绝缘老化隐
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所述的低频电流信号的频率为0. 1 2. 5Hz。一种电力电缆绝缘状态在线监测装置，包括电流互感器、电压互感器、滤波放大电 路、A/D转换模块、数据传输模块和监测模块，电流互感器和电压互感器将采集的电缆接地 线的电流和电压信号传送给滤波放大电路，滤波放大电路滤出电力系统振荡的低频电流和 电压信号并放大传送给A/D转换器，A/D转换器将经过模数转换后得到的低频电流和电压 信号通过数据传输模块传送给监测模块，监测模块计算低频电流和电压信号之间的相位角 差，求取相位角差正切值得到电缆介质损耗因素值，当电缆介质损耗因素值大于介质损耗 安全阀值，启动报警。一种电力电缆绝缘状态在线监测装置，包括电流互感器、滤波放大电路、A/D转换 模块、数据传输模块和监测模块，电流互感器将采集的电缆接地线的电流信号传送给滤波 放大电路，滤波放大电路滤出电力系统振荡的低频电流信号并放大传送给A/D转换器，A/D 转换器将经过模数转换后得到的低频电流信号通过数据传输模块传送给监测模块，监测模 块判断若低频电流大于电流安全阀值，启动报警。本发明的技术效果体现在本发明所述的低频信号来源为电力系统振荡所产生的 低频信号。电力系统之间通过联络线互联时，在小扰动的作用下，发电机转子之间会发生相 对摇摆，使联络线上的有功功率以很低的频率(0. 1 2. 5Hz)在一定范围内波动，称为低频 振荡。随着互联电力系统规模的日益增大，系统互联引发的低频振荡问题已成为危及电网 安全运行、制约电网传输能力的最主要因素之一。这一问题目前还未能得以彻底解决，不过 却为电缆绝缘监测提供了一个天然的低频信号。可以合理利用这一本来不利的现象，避免 再次人为地向电网系统输入低频信号，影响电力系统的运行安全性。
图1是本发明装置结构示意图。图2是本发明硬件保护部分意图。图3是滤波放大电路结构图。图4是绝缘状态分析流程图。
具体实施例方式本发明将电流传感器套装在电缆接地线上，电流互感器通过连接小电阻将电流信 号变为电压信号，接入滤波放大电路，同时电压互感器取出的电压信号也接入滤波放大电 路，滤波放大电路滤出需要的低频电流和电压信号，并放大一定倍数，再送给A/D转换器， 微机控制模块再将从A/D转换器取得电流和电压数字信号送给GSM/GPRS数据传输模块 (DTU)，GSM/GPRS DTU将电流信号、电压信号和线路编号发送给监控室内的GSM/GPRS DTU, 监控室内的GSM/GPRS DTU最后通过串口将信号传送给监控主机。监控主机接受到各条电 缆的电流和线路编号信息后，首先将其存入数据库并显示，然后对这些信息进行分析判断， 可自动生成电流和介质损耗因数变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行故障诊断和报 警。下面详细说明本发明原理和具体实现方式。1.原理和方法本发明依据的原理之一是，介质损耗因数δ与所施加电压角频率ω、试样电容C、试样等效电阻值R有如下关系tan δ =l/( RC)。由于制造技术的提高和加工工艺的进 步，劣化绝缘的工频tan δ很小，因此绝缘的介质损耗因数的测量对测量设备的要求较苛 刻。由上式可以看出，介损值与施加的试验电压角频率ω近似成反比关系。因此，降低施 加的测试电压频率，可以较为明显的改善现场检测绝缘tan δ的准确性。本发明依据的原理之二是，电缆低频参数的变化对电缆老化程度的反映更加灵 敏。本发明依据的原理之三是，电缆接地全电流中包含有电缆主绝缘劣化的丰富信 息。当电缆主绝缘老化时，在电缆接地线上的漏电流中会产生低频电流幅值和相位的变化， 可将该变化的程度作为判断电缆老化程度的依据。2.硬件方面详细说明，参见图11)保护措施通过快速熔丝和陶瓷放电管进行多重保护，这些保护优缺点互相弥补，能起到很 好的保护作用，确保人员和设备的安全，见图2(1)快速熔丝快速熔丝用以保证人身及设备的绝对安全，当电缆万一发生绝缘 击穿事故时，熔丝快速断掉，自动断开测试回路。(2)陶瓷放电管本发明采用型号为B8G070H的陶瓷放电管，为某厂批量生产的成 熟产品，质量较可靠，里面装有特殊的电气材料，能保证在电压加到超过阀值电压(工频阀 值电压< 70V)时，发生放电，正常情况下放电管等效电阻接近无穷大，保护测量仪器和操 作人员的安全。2)电源模块电源模块为下位机工作提供电源。选用合适大小的太阳能面板和适当容量的蓄电 池后，该方案无需复杂的线路和频繁的更换电池，可以给下位机提供连续不断的电源。3)滤波放大模块滤波放大模块的主要用于滤出有用的低频信号并放大至V级，并使干扰信号得到 有效的衰减。见图3。本发明主要的干扰信号是50Hz工频信号和各级高次谐波，滤波电路 主要由两个二阶巴特沃斯低通滤波器组成，使50Hz工频信号衰减至mV级，信号经滤波电路 后，只有所需的低频信号(μ V级)和工频干扰信号(mV级)。经放大电路把IHz信号放大 到V级以进行各种处理，干扰信号衰减到μ V级。放大器的放大倍数为100000。对InA的 电流输入，电压为IV，放大后信号为0. IV，显示为InA ；50ηΑ为5V，显示为50ηΑ ；大于50ηΑ 自动换量程，实际值为显示数乘20。放大器对50Hz工频信号衰减大于80dB。此电路在输入信号InA IOOOnA范围内呈线性度，误差为5%。大于IOOOnA放大 电路逐渐趋向饱和，线性变差。由于电流很大，可认为电缆老化需检修或更换。小于InA，运 放的失调、偏置和元件的热噪声影响变大，影响线性度，但如此微弱的电流说明电缆绝缘良 好，数值不准不影响判断。一般情况下，电缆不同，老化的电流判据不同，可根据实际电缆适 当调整放大倍数以满足不同的测量范围。4)微机控制模块微机控制模块的主要功能是采集放大电路处理过的信号，并对其进行相位统一 运算，实现对滤波放大模块，信号采集模块，GSM/GPRS通讯模块的控制，是实现系统自动化 的关键环节。
5) GSM/GPRS 通讯模块GSM/GPRS DTU是基于GSM/GPRS通信网络的数据传输和远程监控终端设备。本模 块基于最新的GSM/GPRS数字移动通信网络，克服了通信距离短，性能不稳定的缺点。主要 功能完成上、下位机之间的数据通讯。6) GPRS组网方式考虑到变电站一般无法连入Internet，且向移动公司申请APN专网费用较为昂 贵，不具有在电力系统大规模应用的前景。本发明采用中心主副GSM/GPRS DTU，移动内网 动态IP+移动DNS解析服务。此种方案客户先与移动DNS服务商联系开通移动动态域名， 监控点先采用域名寻址方式连接移动DNS服务器，再由移动DNS服务器找到中心移动动态 IP，建立连接。中心也用GSM/GPRS DTU做接收端，但GSM/GPRS无线方式的中心不如有线方 式的稳定，所以采用主副两个GSM/GPRS DTU作冗余备份。主中心GSM/GPRS DTU接收端掉 线时，所有监控点自动转到副中心GSM/GPRS DTU接收端。此种方式也可以大大节约固定IP 的费用。7)电流和电压互感器电流互感器和电压互感器均为高精度罗氏线圈电流互感器，磁芯为环形坡膜合金 磁芯。3.软件方面软件部分包括串口通信模块，DTU设置模块，数据库，控制和报警模块，绘图和数据 显示模块。1)串口通信模块串行接收模块主要实现数据接收，将数据一次性全部接收到缓存并存入数据库 后，将有效数据进行一系列变换，使其最终转化为采集到的真正的电流值，然后存入数组 中，等待数据预处理。2)数据库本发明拟采用小型数据库Access，可以方便的对数据库进行操作。3)控制和报警模块控制模块主要由数据有效性判断、数据清除与保存、报警等部分组成。控制部分比 较繁杂却非常重要，控制的标志主要由一些布尔型数据来实现。对绝缘状态的监测主要考 虑两个因素，一个是采集的低频电流值，另一个是通过计算低频电压信号和电流信号之间 的相位角差，再求取正切值而获得的电缆介质损耗因素。当两个因素之间任意一个大于对 应的绝缘安全阀值后，系统自动报警。电缆介质损耗因素值对应的介质损耗安全阀值是在 已知电缆安全状态时采用该方法确认的经验值，低频电流对应的电流安全阀值确定方式与 介质损耗安全阀值相同。图4给出了控制模块的绝缘状态分析流程图。4) DTU设置模块本模块主要是用于对GSM/GPRS DTU进行设置。包括通信端口的设置，DTU轮询时 间设置等。5)绘图模块按照采集到的电流值，通过绘图模块实时绘制出电流曲线和绝缘损耗因数曲线， 从而有效地实时监测电流信号的幅值及电缆绝缘损耗因数的在线监测。通过图形显示模块将绘图模块绘制的电流和绝缘损耗因数曲线显示出来，从而实现高压电缆绝缘的在线实时 监测。
权利要求
一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，具体为采集电缆接地线的电流和电缆主绝缘上的电压信号，经过滤波得到电力系统振荡而产生的低频电流和电压信号，计算低频电流和电压信号之间的相位角差，求取相位角差正切值得到电缆介质损耗因素值，当电缆介质损耗因素值大于介质损耗安全阀值，表明电缆存在绝缘老化隐患。
2.根据权利要求1所述的电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述的低频 电流和电压信号的频率为0. 1 2. 5Hz。
3.一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，具体为采集电缆接地线的电流，经过滤波 得到电力系统振荡的低频电流，若低频电流大于电流安全阀值，表明电缆存在绝缘老化隐串)Qi、O
4.根据权利要求3所述的电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述的低频 电流信号的频率为0. 1 2. 5Hz。
5.一种实现权利要求1所述的电力电缆绝缘状态在线监测装置，包括电流互感器、电 压互感器、滤波放大电路、A/D转换模块、数据传输模块和监测模块，电流互感器和电压互感 器将采集的电缆接地线的电流和电缆主绝缘上的电压信号传送给滤波放大电路，滤波放大 电路滤出电力系统振荡的低频电流和电压信号并放大传送给A/D转换器，A/D转换器将经 过模数转换后得到的低频电流和电压信号通过数据传输模块传送给监测模块，监测模块计 算低频电流和电压信号之间的相位角差，求取相位角差正切值得到电缆介质损耗因素值， 当电缆介质损耗因素值大于介质损耗安全阀值，启动报警。
6.一种实现权利要求2所述的电力电缆绝缘状态在线监测装置，包括电流互感器、滤 波放大电路、A/D转换模块、数据传输模块和监测模块，电流互感器将采集的电缆接地线的 电流信号传送给滤波放大电路，滤波放大电路滤出电力系统振荡的低频电流信号并放大传 送给A/D转换器，A/D转换器将经过模数转换后得到的低频电流信号通过数据传输模块传 送给监测模块，监测模块判断若低频电流大于电流安全阀值，启动报警。
全文摘要
本发明公开了一种电力电缆绝缘状态在线监测方法及装置，对电缆绝缘状态的监测主要考虑两个因素，一个是电力系统低频振荡而产生的低频电流值，另一个是通过计算电力系统振荡而产生的低频电压信号和电流信号之间的相位角差，再求取正切值而获得的电缆介质损耗因素值。当两个因素之间任意一个大于对应的绝缘安全阀值后，表明电缆存在绝缘老化隐患。本发明采用系统低频信号进行监测，检测精度高，能够明显地反映电缆老化状态，且无需额外叠加电源，避免对电网安全的危害。
文档编号G01R31/12GK101975914SQ20101051352
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者周凯, 陈俊武, 陈爱文 申请人:华中科技大学