一种基于多级谐振的电缆局部放电传感器及监测装置的制作方法

1.本发明属于高压电路局部放电监测技术领域，特别是一种基于多级谐振的电缆局部放电传感器及监测装置。


背景技术：

2.电缆在生产、施工、安装过程中的不当操作，都有可能导致电缆本体、附件出现局部的绝缘缺陷，发生局部放电。在长期运行中受电、热、应力的影响，局部缺陷不断发展，最终导致整体击穿。目前，电缆的局放检测一般采用定检方式，但定检方式需要停电进行，电缆离线与运行状态存在差异，影响检测准确度，并且在定检周期内电缆状态也会发生变化。
3.国内外技术发展趋势是从定检方式向基于在线监测数据的状态检修转变，一方面能减少试验/停电次数，另一方面在线监测可以及时发现故障风险点。电缆局放检测是通过检测放电过程中发出的电、热、声信号实现的，从检测量上可分为非电量检测法和电量检测法。非电量检测法(热、声等)信号传输距离有限，只用于离线检测和电缆附件检测。电量检测法通过分析局部放电产生的脉冲电压/电流信号实现检测。电量检测根据信号频带的不同，分为高频/甚高频(10khz～300mhz)、特高频(300mhz～3ghz)两类。特高频检测灵敏度高、抗干扰性能好，但受信号衰减的影响，一般也只用于离线检测和电缆附件监测；高频/甚高频检测频带与电晕等干扰信号频带交叉，受外部干扰影响较大，但其监测范围大，可用于电缆全线路监测，并且传感器安装简便，是应用最为广泛的局部放电检测/监测方法。
4.典型的电缆局放在线监测装置由传感器模块、采集模块、通讯模块及供电模块构成。传感器模块负责提取局部放电信号，是决定电缆局放监测灵敏度、可靠性的关键；采集模块负责数模转换；供电模块负责装置的整体供电。在设计上，现有装置特点如下：
5.(1)传感器模块
6.高频/甚高频局部放电检测传感器根据原理的不同分为：电感型和电容型传感器。以高频电流传感器(hfct)为代表的电感型传感器因其使用简便，获得了广泛应用，但也存在以下不足：
7.带宽相对较窄，特别是高频响应偏弱，检测灵敏度都在10pc以上；
8.基于电磁耦合，抗干扰能力较差，比较容易受白噪声、非周期脉冲等干扰影响，这是现有局放检测高虚警率的最主要原因，严重制约了应用效果。
9.在工程中，电感型传感器还有以下制约其应用的因素：
10.价格相对较高，高频电流传感器对磁芯材质、结构设计要求较高，其价格相对昂贵，限制了其在中低电压等级电缆线路在线监测领域的应用；
11.传感器标准化，多数情况下，电感传感器一般安装在电缆两端接地线，但对于长距离电缆而言，就需要安装在交叉互联线或电缆本体上，此时电感传感器内径就需要根据电缆外径订制，难以标准化，而单独订制进一步增加了其成本及应用限制。
12.电容型传感器基于电容分压原理提取高频信号，具有以下特点：
13.带宽大、灵敏度高，性能良好的电容型传感器灵敏度可达1pc甚至更低；
14.抗干扰性能好，其基于静电耦合原理，干扰量仅能通过传导进入传感器，而传导干扰较容易屏蔽。
15.在实际应用中，制约电容型传感器的主要问题是安装不便。已有的电容型传感器普遍切割电缆外层护套，或采用预埋方式安装，用于既有线路较为困难。少数研究人员提出了无需破坏外护套的电容型传感器，但受屏蔽层影响，检测灵敏度受到很大影响。相对于电感型传感器，电容型传感器由于仅需要金属电极，其成本几乎忽略不计，对于需要广泛部署的在线监测设备，成本是影响技术推广应用的重要因素。
16.(2)采集模块
17.采集模块即实现传感器输出信号的数模转换，电量检测数模采集及记录有两种类型：
18.越限采集，以特高频检测为例，当传感器检测到特高频信号越限即记录下信号幅值、时刻，但不记录信号时域波形，因此越限采集对采样率要求是比较低；
19.时域波形采集，现有的高频/甚高频采集，一般是采用时域波形采集，需要记录一定时长(一个完整周波或多周波录波)的原始信号波形，完整周波的时域波形对于后续的状态分析及局放源定位都具有重大价值。由于需要记录原始波形，因此对采样率要求较高(一般在20mhz以上)，储存等相关硬件配置也相应较高，使得装置功耗、成本均较高。
20.(3)供电模块
21.如前所述，由于电缆局放在线监测装置高采样率对高速采集芯片、控制芯片以及存储空间要求较高，使得装置的功耗难以降低，现有的电缆局放在线监测装置一般是通过110/220v交直流电源供电，这就大大制约了装置安装地点。
22.从现场应用角度出发，电缆局放在线监测装置应能就地部署、无线组网、在线取能，而高采样率要求又使得装置难以满足上述要求。


技术实现要素：

23.本发明的目的是提供一种基于多级谐振的电缆局部放电传感器及监测装置，旨在解决现有技术中传感器灵敏度低以及整体功耗高的问题，实现增加传感器灵敏度，并降低整体功耗及成本。
24.为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于多级谐振的电缆局部放电传感器，所述传感器包括：
25.主绝缘电容c0、防水护套电容c1、屏蔽层阻抗r、贴片电极对地杂散电容c2构成的多级分压电路；
26.在杂散电容c2两端设置并联电感，构成并联谐振；
27.在杂散电容c2与接地点之间设置串联电感，构成串联谐振；
28.所述杂散电容c2两端电压为传感器输出电压。
29.优选地，所述传感器的输出信号在频段小于10mhz时为：
[0030][0031]
其中，z
c0
为主绝缘等效阻抗，z
cl
为杂散电容c2与并联电感l构成并联支路等效阻抗。
[0032]
优选地，所述传感器的输出信号在频段大于10mhz时为：
[0033][0034]
其中，z
c0
为主绝缘等效阻抗，r为屏蔽层特征阻抗。
[0035]
优选地，所述串联电感以及并联电感的配置如下：
[0036][0037][0038]
其中，c代表等效电容值，l为贴片电极长度、r为外电极半径，r为内电极半径，ε为介电常数。
[0039]
本发明还提供了一种利用所述传感器实现的基于多级谐振的电缆局部放电监测装置，所述装置包括：
[0040]
依次连接的传感器、调理电路、检波电路、mcu以及通讯模块；
[0041]
所述mcu通过串联在电缆本体上的取能线圈供电。
[0042]
优选地，所述检波电路将采样频率降低至5mhz。
[0043]
优选地，所述取能线圈等效于在电缆本体串联电感。
[0044]
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
[0045]
与现有技术相比，本发明在电缆局放检测传感器设计上，增加串联电感/并联电感，形成多级谐振回路，提升电容型传感器传变比、扩展信号脉宽，增加了传感器灵敏度；在采集回路设计上，由于传感器谐振扩展了信号脉宽，使得可以利用检波器降低装置采样率要求，从而有效控制装置的整体功耗及成本，并且由于有效控制了装置功耗，电缆局放监测装置可以采用在线取能方式供电。同时，设计中利用了取能线圈构造高频边界抑制外部干扰的影响。
附图说明
[0046]
图1为现有技术中所提供的一种电容传感器结构示意图；
[0047]
图2为本发明实施例所提供的基于多级谐振的电缆局部放电传感器原理接线示意图；
[0048]
图3为本发明实施例所提供的基于多级谐振的电缆局部放电传感器原理接线侧视图；
[0049]
图4为本发明实施例所提供的基于多级谐振的电缆局部放电传感器原理接线正视图；
[0050]
图5为本发明实施例所提供的基于多级谐振的电缆局部放电传感器原理电路示意图；
[0051]
图6为本发明实施例所提供的谐振信号与原始信号对比示意图；
[0052]
图7为本发明实施例所提供的基于多级谐振的电缆局部放电监测装置原理框图；
[0053]
图8为本发明实施例所提供的基于多级谐振的电缆局部放电监测装置现场部署示
意图。
具体实施方式
[0054]
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0055]
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于多级谐振的电缆局部放电传感器及监测装置进行详细说明。
[0056]
本发明实施例公开了一种基于多级谐振的电缆局部放电传感器，所述传感器包括：
[0057]
主绝缘电容c0、防水护套电容c1、屏蔽层阻抗r、贴片电极对地杂散电容c2构成的多级分压电路；
[0058]
在杂散电容c2两端设置并联电感，构成并联谐振；
[0059]
在杂散电容c2与接地点之间设置串联电感，构成串联谐振。
[0060]
现有的外置式电容型局部放电检测/监测传感器基本设计如图1所示，在电缆本体上覆盖贴片电极，此时电缆线芯、主绝缘、屏蔽层、防水护套、贴片电极以及大地构成了多级分压回路。其中，主绝缘电容c0、防水护套电容c1、屏蔽层阻抗r(屏蔽层阻抗与电缆参数相关，一般在100欧姆以上)、贴片电极对地杂散电容c2构成了多级分压电路，传感器输出的是c2两端的电压，传感器传变比(灵敏度)由分压电路分压比决定。在下文所述中，将c1、r、c2构成串并联回路称为检测回路。
[0061]
现有的外置式电容型传感器存在以下不足：
[0062]
在低频段，由于屏蔽层阻抗r较低，传感器传变比及检测灵敏度均较低，这也是外置式电容型传感器应用受限的重要原因；
[0063]
在高频段，由于贴片电极对地杂散电容c2等效阻抗降低，会影响传感器高频段传变比及检测灵敏度。
[0064]
由图1所示传感器原理电路可知，低频段电容型传感器传变比主要由屏蔽层阻抗r决定，高频段电容型传感器传变比主要由c1、c2支路决定。要增加传感器传变比，在低频段应形成串联谐振，在高频段应形成并联谐振。因此本发明实施例中增加串联电感以及并联电感，形成多级谐振回路，如图2-5所示。
[0065]
在低频段(小于10mhz)，增加串联电感构造检测回路的串联谐振，降低c1、c2支路阻抗，但由于形成串联谐振，c2两端的电压仍显著增加。当局放脉冲信号幅值为u1，传感器输出信号u0如下所示：
[0066][0067]
式中，z
c0
为主绝缘等效阻抗，z
cl
为杂散电容c2与并联电感l构成并联支路等效阻抗；
[0068]
在高频段(大于10mhz)，通过增加并联电感与杂散电容构成并联谐振，则传感器输出信号u0如下所示：
[0069][0070]
式中，z
c0
为主绝缘等效阻抗，r为屏蔽层特征阻抗。
[0071]
谐振信号与原始信号对比如图6所示。
[0072]
串联电感和并联电感的电感值由杂散电容谐振频带决定。
[0073]
主绝缘及防水护套等效电容c0、c1均可采用圆柱电容计算公式进行计算：
[0074][0075]
其中，c代表等效电容值，l为贴片电极长度，r为外电极半径，r为内电极半径。
[0076]
以yjv22 8.7/15kv xlpe单芯185电缆为例，其电缆防护护套厚度约1.8mm，电缆导体外径16.1mm，导体到外屏蔽层间距离14.8mm，电缆本体外径33.9mm，导电薄膜长度95mm，内层和外屏蔽层间空气介电系数2.3，则主绝缘电容c0≈4.44nf，防水护套电容c1≈209.97pf，而贴片电极对地杂散电容则与离地间距相关，就需要采用ansys计算得到，当离地间距为1m时，c2≈10pf。
[0077]
在谐振频率选择方面，考虑到典型的电晕干扰大致在3～10mhz，因此，低频段串联谐振频率应小于3mhz，高频段谐振屏蔽大于10mhz，此时电感值配置如下所示：
[0078][0079]
假定c2≈40pf时，串联电感约在2.5mh左右，并联电感约在1mh左右。
[0080]
本发明实施例中所述电容型电缆局部放电检测传感器相比现有电容型传感器，在传感器接地处增加串联电感，形成串联谐振电路，进而放大信号扩展信号脉宽，并在杂散电容一侧增加并联电感，形成并联谐振电路，进而放大信号扩展信号脉宽，显著提高传感器灵敏度。
[0081]
如图7、8所示，本发明实施例还公开了一种利用前文所述传感器实现的基于多级谐振的电缆局部放电监测装置，所述装置包括：
[0082]
依次连接的传感器、调理电路、检波电路、mcu以及通讯模块；
[0083]
所述mcu通过串联在电缆本体上的取能线圈供电。
[0084]
现有的局部放电监测装置一般是利用fpga、cpld控制ad信号采集，由采样定理可知，采样频率应为信号频率的2倍，因此现有装置采样频率一般都要大于20mhz，即使采用越限采集，采样间隔也应小于信号脉宽。
[0085]
当利用前文所述基于多级谐振的电缆局部放电传感器输出信号形成多次谐振时，信号脉宽得到了扩展，使得局部放电脉宽从几十ns级延展至几百ns级，因此显著降低了采样频率要求。此时，利用检波电路可将采样频率降低到5mhz甚至更低，可利用低功耗mcu内置ad芯片实现信号采集。当检波电路检测到信号越限后，即记录下采样数据。
[0086]
另外对于局部放电监测装置的供电，现有的电缆局部放电监测装置由于采样率较高，功耗普遍大于5w，一般是通过110/220v交直流电源供电。
[0087]
典型在线取能模块供电功率一般不大于3w，难以支持现有电缆在线监测装置，利
用检波电路降低采样频率后即可利用取能线圈供电。此外，取能线圈从原理上看，是一个电感线圈，对于高频信号而言，电感线圈串联在电缆本体上时相当于在电缆本体串联电感，可以抑制监测范围以外干扰信号影响。
[0088]
本发明实施例在前文所述基于多级谐振的电缆局部放电传感器的基础上，利用检波电路以及在线取能，实现局部放电监测。由于利用谐振电路扩展了信号脉宽，从而可以利用检波电路降低信号采样率要求，从而降低了装置硬件配置，从而降低了设备功耗、成本，可实现设备就地化部署；利用取能线圈对装置供电的同时利用取能线圈构造高频边界，抑制外部干扰影响。
[0089]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。