一种电缆缺陷高次谐波试验与检测系统的制作方法

本发明属于电力检测设备技术领域，具体涉及一种电缆缺陷高次谐波试验与检测系统。

背景技术：

近年来我国由于电缆故障引起的停电事故危害巨大。准确诊断电缆运行状态是预防电缆故障的重要前提。

目前电缆劣化状态检测方法有多种，如：直流法、电桥法、介质损耗角正切法、低频法、局部放电监测法等。各种方法各有优势，但都无法较为全面的反应电缆的整体状态，更无法反应电缆运行环境状态以及剩余使用寿命。

为此，状态评估人员迫切需要一种准确评价电缆劣化状态的诊断方法及系统。

本发明的发明人设计了一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估系统，通过高次谐波与各种电缆缺陷之间的关系建立高次谐波数据库，使得当采集某电缆高次谐波分量等特征输入到数据库中即可匹配出电缆可能存在的缺陷；而该数据库的建立需要采集大量缺陷电缆的实验样本进行高次谐波检测。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电缆缺陷高次谐波试验与检测系统，以能够获得为精确的试验数据，建立高次谐波数据库。

为了实现上述目的，本发明提供的一种电缆缺线高次谐波试验与检测系统，包括：

电缆与接头缺陷物理模型：用于模拟电缆缺陷类型；

高次谐波测量装置；采集各所述模拟电缆缺陷类型下产生的高次谐波特征值，并根据该高次谐波特征值与对应的模拟电缆缺陷类型生成高次谐波数据库。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中：电缆与接头缺陷物理模型包括测试线缆和检测电路；检测电路包括自耦调压器t1、升压变压器t2、保护电阻r以及标准电容c和电容电桥cb；自耦调压器t1与升压变压器连接提供交流电源，电源两端串联保护电阻r；标准电容c和测试电缆并联后接入保护电阻r与电容电桥cb之间；电容电桥cb的输出端连接高次谐波测量装置。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，高次谐波测量装置包括dsp芯片、电流传感器、信号调理电路、a/d采样电路；所述检测电路输出端连接电流传感器，电流传感器经信号调理电路和a/d采样电路连接dsp芯片；电流传感器与dsp芯片之间设置过量检测电路和锁相倍频电路。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，所述过零检测电路包括：电流传感器的输出端设置采样电阻，采样电阻的压降引入滞回比较器，滞回比较器的输出端经钳位电路连接至与非门施密特触发器。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，所述锁相倍频电路包括锁相环芯片、累加计数器和低通滤波器；所述锁相环芯片是一个信号输入端接非门施密特触发器的输出端；锁相环芯片是一个信号输出端接累加计数器的输入端；累加计数器的倍频信号输出端连接锁相环芯片的比较信号输入端；锁相环芯片的比较信号输出端经过所述低通滤波器连接锁相环芯片的控制信号输入端。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，所述高次谐波测量装置还包括上位机，所述输出dsp芯片输出的谐波分量数据输入上位机，上位机包括处理器和存储器，存储器中存储有程序，程序被处理器运行时执行：确定测试线缆出缺陷类型，接收该测试线缆检测到的谐波分量数据，并生成高次谐波特征值与测试电缆缺陷类型对应的高次谐波数据库。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，包括测试电路和检测电路；检测电路包括自耦调压器t1、升压变压器t2、保护电阻r、分压电容c1和分压电容c2、耦合电容器ck，检测阻抗zm，自耦调压器t1与升压变压器连接提供交流电源，电源两端串联保护电阻r；分压电容c1和分压电容c2串联后并联接在保护电阻r和电源端之间，耦合电容器ck和检测阻抗zm串联后并联接在保护电阻r和电源端之间；保护电阻r与耦合电容器ck之间的连接节点用于接入测试电缆，检测阻抗zm两端连接高次谐波测量装置。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，还包括测试线缆支架，测试电缆支架包括固定杆和固定杆顶端连接的套圈，至少两个测试电缆支架呈一定间距固定在底板上。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，所述高次谐波测量装置包括电压输入电路、第一a/d变换器、第一零交叉检测器、电流输入电路、第二a/d变换器、第二零交叉检测器、切换器、第一fpga运算器、第二fpga运算器、cpu、显示器、固定采样时钟发生器、操作面板；

电压输入电路连接第一a/d变换器和第一零交叉(zerocross)检测器；电流输入电路连接第二a/d变换器和第二零交叉检测器，两变换器均连接至第一fpga运算器、第二fpga运算器以及固定采样时钟发生器；两零交叉检测器均连接至切换器；切换器连接至第二fpga运算器；且切换器、第一fpga运算器、第二fpga运算器、显示器、固定采样时钟发生器、操作面板均连接至cpu。

进一步的，上述的电缆缺线高次谐波试验与检测系统中，高次谐波测量装置包括上位机，高次谐波测量装置检测的谐波分量数据输入上位机，上位机包括处理器和存储器，存储器中存储有程序，程序被处理器运行时执行：确定测试线缆出缺陷类型，接收该测试线缆检测到的谐波分量数据，并生成高次谐波特征值与测试电缆缺陷类型对应的高次谐波数据库。

本发明提供的电缆缺线高次谐波试验与检测系统，具有如下有益效果：

本发明提供的电缆缺陷高次谐波试验与检测系统，用于缺陷故障类型的电缆采样检测，收集足够多的测试数据生成高次谐波数据库，以能够应用于电力电缆系统的缺陷评估，基于生成的高次谐波数据库，当检测到实际电缆的谐波分量信息，即可对应到数据库中匹配出该电缆的缺陷类型等，进行评估。

附图说明

图1为本发明电缆缺线高次谐波试验与检测系统的一个实施例的示意图；

图2为图1中所示高次谐波测量装置的逻辑框图；

图3为图2中所示过零检测电路的一个实施例的电路原理图；

图4为图2中所示锁相倍频电路的一个实施例的原理图；

图5为本发明电缆缺线高次谐波试验与检测系统的另一个实施例的示意图。

图6为图5中所示高次谐波测量装置的逻辑框图

图中：

1-测试电缆；2-套圈；3-固定杆；4-底板；5-接头；6-终端。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本发明进行详细阐述，以便于本领域技术人员充分理解本发明的技术方案。

一种电缆缺线高次谐波试验与检测系统，包括：

电缆与接头缺陷物理模型：用于模拟电缆缺陷类型；

高次谐波测量装置；采集各所述模拟电缆缺陷类型下产生的高次谐波特征值，并根据该高次谐波特征值与对应的模拟电缆缺陷类型生成高次谐波数据库。

实施例1

本发明电缆与接头缺陷物理模型给出的一个具体实施例中，如图1所示的，包括测试电缆，为制造有局部过热、局部放电、水树、保护层损伤等缺陷类型的电缆。

还包括检测电路；检测电路包括自耦调压器t1、升压变压器t2、保护电阻r以及标准电容c和电容电桥cb；自耦调压器t1与升压变压器连接提供交流电源，电源两端串联保护电阻r；标准电容c和测试电缆并联后接入保护电阻r与电容电桥cb之间；电容电桥cb的输出端连接高次谐波测量装置。

如图2-4所示的，高次谐波测量装置包括dsp芯片、电流传感器、信号调理电路、a/d采样电路；所述检测电路输出端连接电流传感器，电流传感器经信号调理电路和a/d采样电路连接dsp芯片；电流传感器与dsp芯片之间设置过量检测电路和锁相倍频电路。

交流电源提供模拟的高压电流，高压电流经过标准电容c和测试电缆至电容电桥cb中，容性电流被平衡掉，剩下的损耗电流输出至高次谐波测量装置进行处理。高次谐波测量装置采集的信号经过调理和a/d转换既然怒dsp芯片进行快速傅里叶变换，把基波和高次谐波分离出来，得到有关缺陷电缆的谐波分量数据。

为获得更好的测量精度，本发明所述高次谐波测量装置中，所述电流传感器采用霍尔电流传感器，如lem公司生产的la55-p，抗干扰能力强，模拟信号变换的精度更高。采集信号经模拟信号调理电路和a/d转换电路处理后输入dsp芯片。

由于电网频率会有所波动，而定时器的计时周期并不会随电网的频率变化而变化，dsp芯片发出a/d启动信号时，会影响到瞬时无功算法的精度，因此设置锁相倍频电路发出的12.8khz方波作为a/d芯片采样控制信号。本发明给出的实施例中，dsp芯片采用tms320f2812芯片，dsp芯片cap4捕获到过零检测电路信号的上升沿时，就会启动cap5来捕获12.8khz方波的上升沿，存储器清零，开始下一个周期的查询。

其中，所述过零检测电路包括：电流传感器j的输出端设置采样电阻，采样电阻r0的压降引入滞回比较器，滞回比较器的输出端经钳位电路将高低电平锁定，然后连接至与非门施密特触发器u3，对输出信号进行整形；其中滞回比较器由运算放大器u2和电阻r7、r8、r9、r10组成，运算放大器如ca3140放大器；钳位电路由二极管d1、d2组成；所述与非门施密特触发器优选采用与非门cd4093。

所述锁相倍频电路包括锁相环芯片、累加计数器和低通滤波器；锁相环芯片优选采用74hc4046芯片；累加计数器优选采用cd4040；低通滤波器由电阻r11、r12和电容c1组成；传感器采集的信号经过过零信号检测电路调理后得到与被检测电流电压同步的50hz方波，此方波作为锁相倍频电路的输入信号进入锁相环芯片74hca046的14号引脚，4号引脚是芯片74hc4046内部压控振荡器的输出端，其输出信号进入二进制累加计数器cd4040的10号引脚，进行256倍倍频，其倍频信号从二进制累加计数器cd4040的13号引脚输出又进入芯片74hca046的3号引脚，即比较信号输入端，芯片74hca046内部的相位比较器对两个信号进行相位比较后，从相位比较器的输出端13号引脚输出。经低通滤波器，将高频噪声滤除后，再进入芯片74hc4046的内部压控振荡器，作为其控制信号；经过不断的调节，使输出信号频率为输入信号频率的256倍，并且使输入信号与比较信号的频差为0。

dsp芯片电路连接操作面板和显示屏，进行控制操作和相关显示。

所述输出dsp芯片输出的谐波分量数据输入上位机，上位机包括处理器和存储器，存储器中存储有程序，程序被处理器运行时执行：确定测试线缆出缺陷类型，接收该测试线缆检测到的谐波分量数据，并生成高次谐波特征值与测试电缆缺陷类型对应的高次谐波数据库。

其中测试线缆数据类型可通过键盘等输入设备人工输入到上位机。高次谐波数据库反应高次谐波特征值与对应的模拟电缆缺陷类型的映射关系。电力输电电缆，理想状态下，可以100％的将电能从一个地点输送到另一地点，其能量的输送能力是100％，而在实际运行当中，由于受电缆运行环境、施工质量及外部干扰等因素的影响，并不能达到100％的输送能力。当电缆发生老化或者发生缺陷时，电能在输送过程中将发生能量损失，并伴随产生高次谐波损耗电流，本发明依据高次谐波的产生与电力电缆的老化及能量的损失存在的一一对应关系生成数据库，用于电网电缆缺陷的评估。比如当电缆发生老化时，局部发生过热，直接表现在谐波分量含有率中，因而当某些次谐波能量较大时，可通过数据库匹配出该特征参数所代表的部件发生故障或者故障征兆进行提示。下表为发明经过采样试验后电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系。

电缆不同部位的测试，包括电缆本体、接头部分、电缆通道等不同劣化情况下的谐波分量以及各谐波分量的贡献率，对应出高次谐波主要成分、相对含量与劣化类型、严重程度之间映射关系。

通过研究发现，电缆不同故障类型和缺陷类型导致的谐波分量的贡献率是不同的，以缺陷龟裂为例，经大量实验发现谐波分量9次谐波占比33％，8次谐波占比25％，7次谐波占比21％，10次谐波占比8％，6次谐波占比5％；以污损为例8次谐波占比35％，7次谐波占比29％，9次谐波占比13％，10次谐波占比11％，6次谐波占比7％(分母为谐波贡献总量)等，这些实验数据表明不同的缺陷和故障都有对应的谐波分量表，即高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型具有一一对应的关系，按照本发明上述原理，可得出包括上述表格中给出的缺陷类型以外的其他各种电缆缺陷/故障类型对应的高次谐波成分及其贡献率。

基于上述原理可进行的检测项目包括：

电缆线本体：绝缘体部分放电、龟裂、老化、绝缘降低；铜线损坏-热变型；线套损坏-浸水等缺陷/故障；

连接部分：电缆头、接头部分放电、(漏电)痕迹、绝缘降低等缺陷/故障；

电缆通道：异物、浸水、受压变形等缺陷/故障。

本发明提供的电缆缺陷高次谐波试验与检测系统，可进缺陷故障类型的电缆采样检测，收集足够多的测试数据生成高次谐波数据库，以能够应用于电力电缆系统的缺陷评估，基于生成的高次谐波数据库，当检测到实际电缆的谐波分量信息，即可对应到数据库中匹配出该电缆的缺陷类型等，进行评估。

实施例2

本发明还提供的系统中，给出另一实施例，如图5所示的，其电缆与缺陷模拟物理模型包括测试电缆支架，测试电缆支架包括固定杆3和固定杆3顶端连接的套圈2，至少两个测试电缆支架呈一定间距固定在底板4上，使得测试电缆1伸入支架的两套圈2中能够稳定放置。测试电缆为制造有局部过热、局部放电、水树、保护层损伤等缺陷类型的电缆。

还包括检测电路用于电连接测试电缆并进行检测；检测电路包括自耦调压器t1、升压变压器t2、保护电阻r、分压电容c1和分压电容c2、耦合电容器ck，检测阻抗zm，自耦调压器t1与升压变压器连接提供交流电源，电源两端串联保护电阻r；分压电容c1和分压电容c2串联后并联接在保护电阻r和电源端之间，耦合电容器ck和检测阻抗zm串联后并联接在保护电阻r和电源端之间，检测阻抗zm将脉冲电流信号转换为电压信号；保护电阻r与耦合电容器ck之间的连接节点用于接入测试电缆，检测阻抗zm两端连接高次谐波测量装置。

制作局部过热、局部放电、水树、保护层损伤等缺陷的测试电缆，测试电缆1由两段组成，中间通过接头5连接；测试电缆1置于测试电缆支架中，测试电缆一终端6接入测试电路，通电后利用高次谐波测量装置进行检测。

如图6所示，所述高次谐波测量装置包括电压输入电路、第一a/d变换器、第一零交叉(zerocross)检测器、电流输入电路、第二a/d变换器、第二零交叉检测器、切换器、第一fpga运算器、第二fpga运算器、cpu、显示器、固定采样时钟发生器、操作面板，

电压输入电路连接第一a/d变换器和第一零交叉(zerocross)检测器；电流输入电路连接第二a/d变换器和第二零交叉检测器，两变换器均连接至第一fpga运算器、第二fpga运算器以及固定采样时钟发生器；两零交叉检测器均连接至切换器；切换器连接至第二fpga运算器；且切换器、第一fpga运算器、第二fpga运算器、显示器、固定采样时钟发生器、操作面板均连接至cpu。

第一a/d变换器将通过电压输入电路输入的电压变换为数字信号。第一零交叉检测器检测模拟输入信号穿过零电平的部分，通过检测输入电压从low向high或从high向low变化，使检测输出反向；该零交叉检测器的检测输出频率成为输入电压信号的基本频率。

第二a/d变换器将从电流输入电路输入的电流变换为数字信号。第二零交叉检测器是检测从电流输入电路输入的电流穿过零电平的结构，通过检测输入电流从low向high或从high向low变化，使检测输出反向；该零交叉检测器的检测输出频率成为输入电流信号的基本频率。

从第一a/d变换器输出的电压瞬时值的变换数据及从第二a/d变换器输出的电流瞬时值的变换数据，被输入第一fpga运算器和第二fpga运算器。两零交叉检测器输出信号被输入至切换器。切换器通过cpu的设定而选择两零交叉检测器来输出其中某一个，输入至第二fpga运算器。例如根据缺陷导致电流波形或电压波形产生变形的测试电缆，选择相应的零交叉检测器输出。

固定采样时钟发生器产生任意设定的固定采样时钟。固定采样时钟被输入至两a/d变换器，两a/d变换器根据该输入进行a/d变换。

第一fpga运算器根据通过第一a/d变换器变换为数字值的电压瞬时值v(n)，和通过第二a/d变换器变换为数字值的电流瞬时值a(n)，计算电压有效值、电流有效值、有效电力。

第二fpga运算器根据零交叉检测器的检测信号，进行fft运算，计算模拟输入信号的基本波成分和高次谐波成分，基于fft运算利于实现高精度地求出测定结果。

高次谐波测量装置中第一fpga运算器计算出的电压有效值v、电流有效值a、有效电力p、和第二fpga运算器计算出的电压和电流的有效电力的基本波成分和高次谐波成分，经由cpu在显示器上显示。通过来自操作面板的操作输入，对切换器进行切换控制。

高次谐波测量装置检测的谐波分量数据输入上位机，上位机包括处理器和存储器，存储器中存储有程序，程序被处理器运行时执行：确定测试线缆出缺陷类型，接收该测试线缆检测到的谐波分量数据，并生成高次谐波特征值与测试电缆缺陷类型对应的高次谐波数据库。所述上位机的处理器可以与所述cpu功能在同一设备上实现，也可以在不同设备上实现，此处不再赘述。

上述实施例中，本发明给出的傅里叶变换计算公式为：

其中

为角频率，f为频率，t为采样周期；n为正整数，n≥1。

则

a0为信号的直流分量，令

c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。我国电力系统的额定频率为50hz，则基波为50hz，谐波频率为基波频率的整数倍，根据倍数成为n次谐波，如基波频率3倍的成为3次谐波。根据上述表达式原理得出包含的各次谐波。

n次谐波电压贡献率以hrun(harmonicratioun)表示：

un为第n次谐波电压有效值，u1为基波电压有效值。

n次谐波电流贡献率以hrin表示：

in为第n次谐波电流有效值，i1为基波电流有效值。

谐波电压含量uh和谐波电流含量ih分别定义为：

根据上述表达式算出各种电缆缺陷状态下的上述各高次谐波特征值。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。