一种电缆接头健康诊断的方法及系统与流程

本发明涉及电力监测领域，具体涉及一种电缆接头健康诊断的方法及系统。

背景技术

随着电力技术的高速发展，各大城市的输电线路已由原来的架空线路改为地下敷设的方式，极大的保证了电缆运行的可靠性。在电力电缆线路中，电缆接头是电力系统安全运行最薄弱的环节，据不完全统计，由于电缆附件故障造成电缆运行故障的比例高达39％，电缆接头在承担运行任务的同时，也是故障发生部位和电缆绝缘最薄弱的环节。电缆接头过热会造成的电缆断路、短路、爆炸甚至造成重大的火灾事故。电缆接头发生过热到火灾事故的发生是一个速度缓慢，时间较长的过程，因此对电缆接头进行健康诊断，就能够有效防止电缆接头火灾的发生，提高电缆的可靠运行。通过对电缆接头的在线监测，及时了解电缆接头的健康状况，及时对存在安全隐患的电缆接头进行检修，极大地提高电力系统的安全性。现阶段对电缆接头的监测较为复杂，维护工作量大，成本较高，适应性差，只能局部应用于一些重要的场所。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种电缆接头健康诊断的方法及系统，能够对电缆接头运行状况进行监测，对电缆的健康状况进行实时的判断，保证电缆接头的安全可靠地运行，适应性较强。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电缆接头健康诊断的方法，包括以下步骤：

步骤1)、对电缆接头实时温度、局部放电产生的超声波信号和电缆老化分解产生的氯化物信息分别进行采集；

步骤2)、存储电缆接头实时温度、局部放电产生的超声波信号和电缆老化分解产生的氯化物信息，并分析电缆接头的健康状况。

进一步的：步骤2)中，对局部放电产生的超声波信号建立二维图谱，bp神经网络以已知的局部放电数据作为训练样本，训练神经网络，从二维图谱提取其时域与其频域特征作为已训练的bp神经网络的输入，输出是局部放电的类型，根据输出值对局部放电的类型进行判断。

进一步的：二维图谱分别为相位与放电量相位与放电次数放电量与放电次数n-q。

进一步的：时域特征为均方根、方差、峰值和偏斜度，频域特征为功率谱最大值、中值频率和平均功率频率。

进一步的：步骤2)中，将电缆接头实时温度与设置的阈值进行比较，当超过阈值时进行预警；当检测到氯化物浓度升高时，进行预警；当电缆接头出现局部放电时，进行预警。

一种电缆接头健康诊断的系统，包括安装在电缆接头上的电缆接头局部放电检测模块、电缆接头温度检测模块和电缆接头氯化物检测模块，电缆接头局部放电检测模块连接计算机，电缆接头温度检测模块和电缆接头氯化物检测模块均通过微处理器连接计算机。

进一步的：电缆接头局部放电检测模块包括依次相连的超声波传感器、超声波信号调理电路和数据采集卡，其中，超声波传感器含有若干个且均匀布置在电缆接头上，数据采集卡连接计算机。

进一步的：超声波传感器采用d9241超声波传感器；超声波信号调理电路包括依次连接的前置放大电路，滤波电路和后置放大电路，前置放大电路采用ad8610芯片，滤波电路采用max275可调式滤波器，后置放大电路由tl084芯片和可调电阻组成；数据采集卡采用pci-1714数据采集卡。

进一步的：电缆接头温度检测模块采用mlx90620红外阵列测温传感器；电缆接头氯化物检测模块采用7hcl-50氯化氢传感器，7hcl-50氯化氢传感器通过ad电路与微处理器相连。

进一步的：微处理器的型号为stm32f10zet6。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明电缆接头健康诊断的方法包括温度诊断、局部放电诊断及其氯化物诊断三部分，通过对电缆接头的运行温度进行实时的测量，通过对局部放电时产生的超声波进行采集，判断电缆接头是否存在局部放电现象，通过对电缆分解的产物进行检测，分析电缆接头外套的老化程度，方法简单可靠；本发明可以根据温度检测、局部放电检测和氯化物检测等结果对电缆接头的健康进行诊断和处理，对电缆接头的健康状况进行分析和记录，对电缆接头的绝缘状况进行预测，降低电缆接头发生事故的概率，本发明采用三种结合检测的方法，保证了电缆接头健康诊断的可靠性。

本发明系统采用模块化设计，结构简单易操作；采用微型化设计，具有携带方便，安装方便，能够实现在线监测，能够对电缆的健康状态进行预测，保证了系统的安全稳定运行。本发明能够对电缆接头运行状况进行监测，对电缆的健康状况进行实时的判断，保证电缆接头的安全可靠地运行；具有较高的灵敏度，适应能力强，操作简单等优点，能够有效的对电缆接头健康状况进行诊断。

附图说明

图1是本发明提供的检测系统的原理框图。

图2是本发明提供的检测系统的使用状态示意图。

图3是本发明提供的诊断系统的处理流程图。

图4是本发明后置放大电路图。

图中，1电缆接头；2电缆；3超声波传感器；4红外阵列测温传感器；5氯化物传感器；6微处理器；7数据采集卡；8计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

1.如图1、图2所示，本发明电缆接头健康诊断系统包括超声波传感器3、红外阵列测温传感器4、氯化物传感器5、信号调理电路、微处理器6、数据采集卡7和计算机8；超声波传感器3能够对电缆接头1是否存在局部放电现象进行判断，评估电缆接头1绝缘性能；红外阵列测温传感器4能够对运行的电缆接头1温度信息进行采集，评估电缆接头1的发热状态是否在正常范围内；氯化物传感器5主要对电缆护套分解后的氯化物进行检测，评估电缆外套老化的程度。计算机软件能够将采集的电缆接头局部放电信息，电缆接头温度信息，氯化物信息进行综合分析，对电缆接头的健康状况进行评估，建立电缆健康状态表，直观的显示电缆健康状态。

2.本发明中，电缆接头局部放电检测模块主要完成对电缆接头1是否存在局部放电进行判断。局部放电检测模块包括依次相连的超声波传感器3、超声波信号调理电路和数据采集卡7。超声波传感器3选用d9241超声波传感器，d9241超声波传感器的带宽为20-180khz，能够满足电缆接头1局部放电采集的要求。超声波信号调理电路包括依次连接的前置放大电路，滤波电路和后置放大电路，前置放大电路采用ad8610芯片进行设计，放大倍数为10倍；滤波电路采用德州仪器的max275可调式滤波器，能够根据现场实际情况进行调节，默认采用带通滤波，带宽为50-150khz；如图4所示，后置放大电路采用tl084芯片和可调电阻组成，放大倍数为10倍。数据采集卡7采用pci-1714数据采集卡，pci-1714有4路单端同步输入采集通道，能够满足局部放电超声波信号的采集。

3.本发明中，电缆接头温度检测模块主要完成对电缆接头1的温度进行监测。温度检测采用melexis公司的mlx90620，mlx90620是全校准16*4像素ir阵列，包含64个ir像素，每个像素都对应有低噪声斩波放大器和高速adc。芯片中的ptat传感器用来测量环境温度，ptat传感器电流与绝对温度成正比。ir和ptat的输出都存在内部的ram(随机存取存储器)，并可通过iic(集成电路总线)通信获取。通过微处理器6获取不同地址的ram数据，并参考存于eeprom(电可擦可编程只读存储器)的校准数值，补偿不同传感器之间的差异。根据不同传感器检测的数据，对电缆接头1建立热图像，计算每一点的温度，微处理器6将采集的电缆接头1温度数据传输到计算机8。

4.本发明中，电缆接头氯化物检测模块主要完成对电缆外套分解产物的检测。氯化物检测采用霍尼韦尔的7hcl-50氯化氢传感器。电缆接头氯化物检测模块采用高灵敏度设计，保证了检测的准确性。7hcl-50氯化氢传感器通过ad电路与微处理器进行连接，微处理器将采集到的氯化氢数据传输到计算机。

5.本发明中，微处理器6主要选用stm32f10zet6，stm32f10zet6微处理器是32位基于arm核心的带512字节闪存的微控制器。stm32f10zet6含有3个12位数模转换器，能够满足数据采集的要求。

6.本发明中计算机系统主要采用labview软件进行编写。上位机软件的主要功能是对采集的数据进行分析以及存储，如图3所示。局部放电信息通过数据采集卡7输出到计算机8，计算机8能够对局部放电信息建立二维图谱，分别为相位与放电量相位与放电次数放电量与放电次数(n-q)，即：

利用统计方法来对局部放电的特征量进行统计，将若干个周期内的局部放电信号进行统计折算到一个周期内有利于反映局部放电的特征，反映局部放电的规律；通过这种方法可以得到三个基本量分别是:放电次数(n)、放电量(q)、放电相位通过对这三个基本量进行统计得到二维谱图。

图

将一个工频周期分为若干个相窗，统计每一个相窗内的放电的次数^[51]，即相窗j内的重复率nj为其中njs为第h个周期在相窗j内的放电次数。

图

统计每个周期每个相窗的放电次数和放电量，则相窗j内的平均放电量qj为其中qjis为第s个周期在相窗j内第i次放电的视在放电量。

二维q-n谱图反映的是放电脉冲幅值的分布^[51]。记录m个周期的放电量为qi的放电总数nj。

从二维图谱提取其时域与其频域特征，时域特征为均方根、方差、峰值和偏斜度，频域特征为功率谱最大值、中值频率和平均功率频率。将提取的时域特征与频域特征作为bp神经网络的输入，bp神经网络以已知的局部放电数据作为训练样本，训练神经网络，实际检测中，将时域特征与频域特征输入到已训练的bp神经网络，输出是局部放电的类型，其输出能够对局部放电的类型进行判断，工作人员能够根据局部放电的剧烈程度对电缆接头1的绝缘性能进行判断。电缆接头1温度信息主要通过微处理器6的串口与计算机进行连接。labview能够对电缆的整体温度信息建立温度图像，实时监测电缆接头1的温度信息，采集的温度信息与计算机设置的阈值进行比较，当超过阈值时进行预警。上位机软件能够对氯化物的浓度建立曲线，直观的显示电缆外套分解的氯化物。上位机软件能够将电缆接头局部放电信息，电缆接头温度信息，电缆接头氯化物信息进行综合分析，采用百分比的方式显示电缆的健康状况。

本发明电缆接头健康诊断的方法包括温度诊断与局部放电诊断及其氯化物诊断三部分。温度检测采用红外阵列式测温对电缆接头1的运行温度进行实时的测量，测量后的温度信息通过微处理器6传送到计算机8，通过计算机软件对电缆接头1的温度信息进行分析诊断。局部放电检测采用超声波传感器3通过局部放电时产生的超声波进行采集，判断电缆接头1是否存在局部放电现象，当有局部放电发生时，超声波传感器3接收到局部放电产生的超声波信号，经过信号调理电路处理，由a/d采集卡采集通过光纤传输到计算机8，通过计算机8分析电缆接头1的局部放电趋势与局部放电类型。氯化物检测采用氯化氢传感器对电缆分解的产物进行检测，采集后的数据经过微处理器6传送到计算机8，通过计算机8分析电缆接头外套的老化程度。计算机综合三种诊断结果，对电缆接头的健康状况进行预测。

本发明电缆接头健康诊断方法，具体按照以下步骤实现：

(1)采用四组红外阵列测温传感器4对电缆接头1实时温度进行采集，四组红外阵列测温传感器4分别固定于电缆接头1的四个方位，实现对电缆接头1的全部覆盖。

(2)将四个超声波传感器组在电缆圆周上按照菱形排列放置在电缆接头1上，当有局部放电发生时，超声波传感器3能够接收到局部放电产生的超声波信号，以此判断电缆绝缘老化的程度。

(3)将氯化物传感器5固定在电缆接头1上，检测电缆是否老化分解产生的氯化物。判断电缆老化的程度。

(4)计算机获得电缆接头1的温度信息，局部放电信息，氯化物信息，综合的分析判断电缆接头的健康状况并将采集的数据存储。

综合的分析判断具体指局部放电判断：通过超声波传感器实时对电缆接头进行检测，局部放电时评价绝缘性能下降的一个重要指标，当电缆接头出现局部发电时，说明电缆接头的绝缘存在问题；氯化物判断：通过氯化物传感器实时采集氯化物信息，检测电缆接头是否存在老化分解，当检测到氯化物浓度逐渐升高时，说明电缆接头老化程度加快，应该提醒工作人员进行及时的维修，即：电缆在温度急剧上升会造成电缆绝缘聚氯乙烯分解，通过氯化物传感器检测电缆受热分解产生的氯化物，即可作为辅助判据对电缆老化的程度进行判断，正常情况下，氯化物传感器不会检测到氯化物，当电缆出现故障，造成电缆温度过高，会造成聚氯乙烯分解，氯化物传感器会检测到氯化物，当检测到氯化物时就说明电缆接头的老化；温度检测：通过红外阵列传感器对电缆接头运行温度进行实时监测，电缆接头温度过高会引起火灾等灾害，温度过高会引起绝缘性能下降，温度也能够对电缆的健康运行状态进行及时的反应。

对电缆接头健康诊断，以局部放电检测为主，氯化物检测与温度检测为辅，可以精确到评估电缆接头的健康状况。

本发明的原理如下：

红外阵列测温传感器4的探测原理基于热效应，当待测物体受到辐射便会引起温度的升高从而影响待测物的性能变化，因而可以利用辐射来进行待测物电量或非电量变化的检测。

局部放电检测原理：当局部放电发生后，受电场力或压力作用，气泡会发生膨胀和收缩的过程，这个过程将会引起局部体积变化，在外部产生疏密波，即产生声波。

氯化物检测原理：交联聚乙烯绝缘电缆是利用化学方法或物理方法，使电缆绝缘聚乙烯分子由线性分子结构转变为主体网状分子结构，即热塑性的聚乙烯转变为热固性的交联聚乙烯，交联聚乙烯受热时分解产生氯化氢和氯乙烯。

本发明提供了一种电缆接头健康诊断的方法及系统，能够对电缆接头运行状况进行监测，对电缆的健康状况进行实时的判断，保证电缆接头的安全可靠地运行；本发明检测方法和系统具有较高的灵敏度，适应能力强，操作简单等优点，能够有效的对电缆接头健康状况进行诊断，还具有如下优点：

(1)与其他电缆接头诊断方法对比，本发明采用三种结合检测的方法，保证了电缆接头健康诊断的可靠性。

(2)本发明采用微型化设计，具有携带方便，安装方便，能够实现在线监测；

(3)本发明采用模块化设计，结构简单易操作。

(4)本发明能够对电缆的健康状态进行预测，保证了系统的安全稳定运行。