配电电缆绝缘状态的带电检测方法及装置与流程

本发明涉及配电电缆局部放电检测技术领域，具体涉及一种配电电缆绝缘状态的带电检测方法及装置。

背景技术：

配电电缆是实现配网能量远距离传输的电力设备，其可靠性直接影响到一个区域的用电情况。由于使用年限增加、施工不当和外力破坏等原因常导致电缆故障甚至爆炸，据不完全统计电缆90％以上的故障都是绝缘故障。因此，开展电缆绝缘状态检测至关重要。

目前，局部放电检测是电缆绝缘状态评估的最常用和有效的方式。电缆的局部放电检测主要分为离线检测和带电检测/在线监测，目前国内外离线检测技术较为成熟，相继出现了振荡波局部放电检测装置、超低频局部放电检测装置和余弦方波局部放电检测装置等，然而，随着配网供电可靠性和连续性要求越来越高，电缆无法进行停电检修，离线检测方法出现了明显的局限性。因此，开展配电电缆的带电检测方法研究成为目前的热点方向。

现有的电缆带电检测方法主要以hfct为主，其灵敏度高，带宽大，主要安装在电缆的接电线或线芯上，然而，在中国，很多情况下，电缆的接电线被封装在开关柜的高压仓内，无法带电获取，导致其很难应用推广。常见的电缆局部放电检测方法分为单端和双端检测，单端检测方法的优点是安装方便，无需同步装置，但抗干扰能力差；双端检测方法通过计算局部放电脉冲到达电缆两端的时间差可实现局部放电定位，抗干扰能力较强，但需要两端检测系统的时钟同步，需要价格昂贵的原子钟系统或gps同步装置。因此，进一步改进和提升电缆局部放电检测技术，在继续发扬其非侵入式的优点的同时，实现高效、准确、稳定、抗干扰能力强的带电局部放电检测是该类技术研究、产品设计及应用领域中的一个重要课题。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述技术问题及不足，提供一种配电电缆绝缘状态的带电检测方法及装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种配电电缆绝缘状态的带电检测装置，所述装置包括分别设置在配电电缆两端的检测单元，所述的检测单元由钳形tev传感器、放大滤波电路、数据采集器、定时电路、双倍速率同步动态随机存储器、arm微处理器、4g通讯模块和外设装置构成；

所述钳形tev传感器1包括钳形tev极板，钳形tev极板上设有信号接头，且钳形tev传感器夹持在配电电缆本体上，并通过信号接头将钳形tev传感器检测的信号输出至数据采集器；

所述数据采集器将采集的原始检测数据存储在双倍速率同步动态随机存储器中，arm微处理器先读取双倍速率同步动态随机存储器中的局部放电检测数据，然后对原始数据进行预处理，再通过4g通讯模块将处理后的数据上传至云服务器。

作为本发明一种配电电缆绝缘状态的带电检测装置的进一步优化：所述的钳形tev极板为通过两个半圆筒制成的圆筒形电极，两个半圆筒的一侧接口处分别设有按压把手，两个按压把手之间连接有弹簧，钳形tev传感器通过弹簧的压缩作用夹持在配电电缆本体上。

作为本发明一种配电电缆绝缘状态的带电检测装置的进一步优化：所述放大滤波电路2由模拟前置放大器、低通滤波器和高通滤波器组成。所述的模拟前置放大器为超低噪声的高频放大器，放大倍数为20db。所述的低通滤波器包括放大倍数为1，-3db带宽50mhz，-40db带宽70mhz的高频放大器；所述高通滤波器包括放大倍数为1，-3db带宽100khz，-40db带宽10khz高频放大器。

作为本发明一种配电电缆绝缘状态的带电检测装置的进一步优化：所述定时电路4由定时芯片、计数器、微处理器和分频器构成，定时芯片可接受外部重置中断，外部重置中断通过采用上升沿触方式将重置定时芯片的时间和方波脉冲输出。

利用如权利要求1所述装置进行局部放电检测的方法，包括以下步骤：

(1)利用定时电路对配电电缆两端的检测装置进行时钟同步，每天的同步误差不超过10ms；

(2)建立两端tev传感器检测的局部放电信号的时域相关性；

(3)设置在电缆两端的两个钳形tev传感器捕获电缆中局部放电信号；

(4)根据局部放电脉冲的时间相关性以及噪声信号的随机性，提取噪声情况下的局部放电脉冲；

(5)根据局部放电脉冲传播到电缆两端的衰减特性进行局部放电的预定位。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明采用非侵入式的钳形tev传感器进行局部放电信号的检测，该钳形tev传感器直接安装在电缆本体上，无需开柜停电安装，可带电拆卸，使用方便快捷。

二、本发明采用双端检测方法，利用廉价的定时电路实现双端时钟同步，并利用双端检测脉冲序列中的局部放电脉冲的时间相关性进行数据集中度分析，可有效抑制噪声干扰，提高局部放电检测信噪比。

三、本发明利用电缆的高频衰减特性，利用距离反演公式可实现电缆中局部放电源的预定位。

四、本发明整个装置无需价格高昂的高速采集装置和gps同步装置，具有成本低、方便、高效、非侵入式、抗干扰能力强等优点，特别适合电缆局部放电带电检测应用领域。

附图说明

图1为本发明的硬件整体框架示意图；

图2为本发明中钳形tev传感器示意图的侧视图；

图3为本发明中钳形tev传感器示意图的三维图；

图4为本发明的检测方法示意图；

图5为本发明检测方法的放电集中性分析示意图；

图6为本发明中定时电路、放大滤波电路和数据采集电路示意图；

图7为本发明的局部放电检测流程框图；

图8为本发明的现场实施示意图。

附图标记

1、钳形tev传感器，2、放大滤波电路，3、数据采集器，4、定时电路，5、双倍速率同步动态随机存储器，6、arm微处理器，7、4g通讯模块，8、外设装置，101、钳形tev极板，102、按压把手，103、弹簧，104、信号接头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

一种配电电缆绝缘状态的带电检测装置，所述装置包括分别设置在配电电缆两端的检测单元，所述的检测单元由钳形tev传感器1、放大滤波电路2、数据采集器3、定时电路4、双倍速率同步动态随机存储器5、arm微处理器6、4g通讯模块7和外设装置8构成；

所述钳形tev传感器1包括钳形tev极板101，钳形tev极板101上设有信号接头104，且钳形tev传感器夹持在配电电缆本体上，并通过信号接头104将钳形tev传感器1检测的信号输出至数据采集器3；

所述数据采集器3将采集的原始检测数据存储在双倍速率同步动态随机存储器5中，arm微处理器6先读取双倍速率同步动态随机存储器5中的局部放电检测数据，然后对原始数据进行预处理，再通过4g通讯模块7将处理后的数据上传至云服务器。

所述放大滤波电路2由模拟前置放大器、低通滤波器和高通滤波器组成，所述的模拟前置放大器为超低噪声的高频放大器，放大倍数为20db，所述的低通滤波器包括放大倍数为1，-3db带宽50mhz，-40db带宽70mhz的高频放大器；所述高通滤波器包括放大倍数为1，-3db带宽100khz，-40db带宽10khz高频放大器。

所述定时电路4由定时芯片、计数器、微处理器和分频器构成，所述的定时芯片可接受外部重置中断，外部重置中断通过采用上升沿触方式将重置定时芯片的时间和方波脉冲输出。若采用同一中断信号重置多个定时芯片就可以实现多个定时芯片的准确同步。本发明采用sd2500ram定时芯片，时钟误差±0.1ppm，每天的时钟最大误差为8.64ms，满足数据集中度计算要求，该定时芯片支持32khz的方波脉冲输出，与分频器结合，可以实现频率为1hz的方波pps脉冲输出，用于触发数据采集器的数据采集。此外，定时芯片每秒将向处理器上传时钟信息，辅助双端检测系统进行时标判断。基本工作逻辑如下：

1)、设定局部放电数据采集时间，例如12：30：00

2)、当定时芯片输出为12：29：59时，使能数据采集器进入外触发状态。

3)、下一次的方波上升沿触发数据采集器进行数据采集，采集持续20个工频周期(400ms)的局部放电数据。

利用上述装置进行局部放电检测的方法，包括以下步骤：

(1)利用定时电路对配电电缆两端的检测装置进行时钟同步，每天的同步误差不超过10ms；

(2)建立两端tev传感器检测的局部放电信号的时域相关性；

(3)设置在电缆两端的两个钳形tev传感器捕获电缆中局部放电信号；

(4)根据局部放电脉冲的时间相关性以及噪声信号的随机性，提取噪声情况下的局部放电脉冲；

(5)根据局部放电脉冲传播到电缆两端的衰减特性进行局部放电的预定位。

所述高数据采集器3为采用采样率125ms/s，分辨率14位的三通道数据采集卡；所述的双倍速率同步动态随机存储器5(ddr)的内存大小为2gbyte，可同时完成tev局部放电数据的存储，最大可连续存储时间大于1s。

如图1所示，一种配电电缆绝缘状态带电检测装置，由钳形tev传感器1、放大滤波电路2、数据采集器3、定时电路4、双倍速率同步动态随机存储器5、arm微处理器6、4g通讯模块7和外设装置8构成。钳形tev传感器1以非侵入式的安装方式安装于电缆本体上，不会对电缆本身的运行状态产生任何影响。由于钳形tev传感器1检测到的局部放电信号一般在mv级，因此设置了前置放大滤波电路2，放大倍数20db；此外，为了抑制工频干扰、谐波干扰和高频干扰，还设置了带宽为100khz-50mhz的带通滤波器，以达到提高信噪比的目的。定时电路4的主要作用是实现多个检测系统的时钟同步，主要通过控制数据采集器3的数据采集触发，以便双端检测数据的时间相关性分析和数据集中度分析。数据采集器3将会把每次采集的原始数据存储在ddr(双倍速率同步动态随机存储器5)中，嵌入式微处理器(arm微处理器6)将从ddr中读取局部放电检测数据，然后对原始数据进行预处理(脉冲到达时间和峰值提取)，然后通过4g无线通讯方式将处理后的数据上传值云服务器以便数据的综合和分析。外设装置8还包含屏幕、按键等基本外设，以确保操作人员方便、快捷地开展测试。

如图2所示，所述钳形tev传感器1包括钳形tev极板101，钳形tev极板101上设有信号接头104，且钳形tev传感器夹持在配电电缆本体上，并通过信号接头104将钳形tev传感器1检测的信号输出至数据采集器3；所述的钳形tev极板101为通过两个半圆筒制成的圆筒形电极，两个半圆筒的一侧接口处分别设有按压把手102，两个按压把手102之间连接有弹簧103，钳形tev传感器通过弹簧103的压缩作用夹持在配电电缆本体上。两个半圆筒采用紫铜材质制成，且两个半圆筒之间用导线进行了电气连接，因此将整个圆筒电极等效为tev极板，能够耦合电缆屏蔽线上的局部放电高频信号。当电缆中出现局部放电时，局部放电将沿着电缆向两端传播，当局部放电脉冲信号到达电缆终端时，由于屏蔽层和电缆线芯进行了分离，所以将在电缆线芯、电缆外护套、电缆接地线上感应出暂态地电压信号，因此，将钳形tev传感器1安装在电缆终端附近的电缆本体上(外护套上的暂态电压)即可捕获局部放电高频信号。在现场安装时，根据电缆本体的直径大小，可通过弹簧103压缩作用始终保持tev极板101与电缆本体紧密接触，不会因为电缆直径变化而对传感器灵敏度产生影响。

如图3所示，是一种配电电缆绝缘状态带电检测方法示意图。在图1单个检测装置的基础上，本发明采用双端检测方法开展对单条电缆的局部放电检测，如图4所示，分别将两个钳形tev传感器1安装在电缆终端附近的电缆本体上。为了建立两端tev传感器检测的局部放电信号的时域相关性，利用定时电路4实现双端检测装置的时钟同步，每次测量前，双端检测设备进行一次定时电路重置；因为电缆中的局部放电脉冲信号沿着电缆向两端传播，因此利用两个钳形tev传感器1实现电缆中局部放电信号的捕获，双端检测的局部放电波形和脉冲波形示意图如图5中所示；考虑到来自于同一位置的局部放电脉冲在两端检测序列中具有固定的时间差，而噪声信号具有随机性的特点，没有固定的时间差，根据这一差异，可实现噪声情况下的局部放电脉冲提取，提高装置的信噪比，双端检测序列中所有脉冲过的时间差-峰值谱图和数据集中层度谱图，如图5所示，可以看出，只有来源于同一局部放电位置的局部放电脉冲具有固定的时间差，能够明显区别于噪声。在满足数据集中度要求的前提下，利用高频信号在电缆中的衰减模型，可计算局部放电的位置，详细公式如下：

假定局部放电源处于长度为l1-2的电缆中，两个钳形tev传感器分别安装在电缆两端，分别命名为节点1和节点2，设局部放电在架空线上的衰减常数为α，可根据下式计算局部放电源距离节点1的大致距离l1:

式中：l1——放电点距节点1的距离

l1-2——节点1到节点2的距离

u1,u2——节点1和节点2的局放幅值

α——衰减常数，与电缆物理结构直接相关，可根据不同型号电缆结构参数计算获得。

注：u1，u2为满足数据集中度要求的节点1和节点2各自脉冲的峰值。根据上述计算公式，可实现电缆中局部放电的预定位，为运维提供参考。

如图4所示，是一种配电电缆绝缘状态带电检测装置的定时电路、放大滤波电路和数据采集电路示意图。模拟前置放大器由超低噪声的高频放大器ada4899-1组成，放大倍数20db。所述低通滤波器由超低噪声的高频放大器ada4899-1组成，放大倍数1，-3db带宽50mhz，-40db带宽70mhz。所述高通滤波器由超低噪声的高频放大器ada4899-1组成，放大倍数1，-3db带宽100khz，-40db带宽10khz；定时芯片可接受外部重置中断，外部重置中断采用上升沿触方式，将重置定时芯片的时间和方波脉冲输出。若采用同一中断信号重置多个定时芯片就可以实现多个定时芯片的准确同步。本发明采用sd2500ram定时芯片，时钟误差±0.1ppm，每天的时钟最大误差为8.64ms，满足数据集中度计算要求，该定时芯片支持32khz的方波脉冲输出，与分频器结合，可以实现频率为1hz的方波pps脉冲输出，用于触发数据采集器的数据采集。高数据采集器采用采样率125ms/s，分辨率14位的三通道数据采集卡；双倍速率同步动态随机存储器5(ddr)的内存大小为2gbyte，可同时完成tev局部放电数据的存储，最大可连续存储时间大于1s；

如图5所示，为配电电缆绝缘状态带电检测方法的局部放电检测流程框图。当需要开展电缆局部放电测试前，将两台检测设备置于一起，用同一个外部中断重置脉冲对所有检测设备的定时芯片进行时间重置；所有检测设备的定时芯片和分频器将持续输出频率1hz的pps方波脉冲信号和时钟信号，pps方波脉冲信号用于触发数据采集器完成数据采集，时钟信号用于统一双端设备的检测时间；完成两台检测设备的时钟同步后，将两台检测设备分别安装在电缆的两头终端的电缆本体上，并设定检测时间，例如12：00：00；pps方波脉冲上升沿触发两台检测设备的数据采集器完成数据采集，并将检测数据存储在ddr中；嵌入式微处理器将ddr中的数据取出，然后采用阈值法对检测数据进行脉冲到达时间和脉冲峰值提取；两台检测仪器都将处理后的局部放电脉冲数据通过4g无线通讯方式上传至云服务器；云服务器利用图3所述的数据集中度分析方法提取有效的局部放电脉冲信号，滤除噪声干扰；利用去噪后的两端检测数据的脉冲峰值，结合基于电缆高频衰减特性的强度反演公式，可以大致计算局部放电源在电缆中的大致位置；最终输出局部放电大致位置和放电强度。

如图6所示，为一种配电电缆绝缘状态带电检测方法的现场实施示意图。当开展电缆测试时，将时钟同步后的两台检测仪器的钳形tev传感器分别安装在开关柜或环网柜的下电缆沟(检测人员可带电进入)的电缆本体上，然后开展测试，两台检测仪器的检测数据将通过4g无线通讯的方式上传至云服务器进行进一步的分析和处理。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。