一种电缆终端故障监测传感器、装置及方法

1.本发明属于故障监测技术领域，尤其涉及一种电缆终端故障监测传感器、装置及方法。


背景技术：

2.随着现代化建设和经济不断向前发展，各行业对电能的需求也越来越大。电力系统中传输和分配大功率电能的设备主要是架空线路和电力电缆。电力电缆具有敷设于地下不影响绿化和美观、不易受环境影响供电可靠性高、线间绝缘距离小、占地少、无干扰电波和维护工作量小不需频繁巡检等优点，大量用于城市配电网中。为避免电缆故障引发的断电恶性事故，需对电缆潜在故障准确检测、及时预警和排除隐患。在电缆运行现场中，电缆终端处在长期运行的条件下会积累空间电荷，进而对电缆终端绝缘特性产生重要影响。空间电荷的积聚畸变电场强度，加剧绝缘老化，最终引起电缆击穿；空间电荷幅值与分布与电缆老化程度成正比关系，可作为表征电缆老化程度、检测绝缘缺陷和判断电缆状态的重要特征参量。因此，空间电荷检测可作为电缆终端状态感知的有效手段。电声脉冲(pulsed electro-acoustic，pea)法已经用于实验室中检测电缆试样的空间分布、进行状态评估，但由于测试设备体积大，安装不便等原因一直未能应用于电缆运行现场；因此，研发能够应用于现场电缆检测的便携式、小型化空间电荷测试装置及系统，对于提高电缆运行可靠性、保障电力系统安全稳定具有重要意义。
3.发明人发现，现有的空间电荷测量平台采用平板电极结构，只能用于实验室搭建的测试平台，精确测量平板结构的空间电荷分布；而电缆终端为带弧状凸起的圆柱形结构，电缆终端只能单点接触测量电极，因此测量结果与实际情况将存在一定误差，无法直接应用于电缆终端空间电荷测量；此外，目前已有的故障检测技术无法针对电缆终端空间电荷特性进行分析，难以及时准确地反映缺陷信息。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种电缆终端故障监测传感器、装置及方法，具有重复性好和灵敏度高的优点，可有效克服现有故障检测方法中干扰大和灵敏性低等缺点；本发明设计了一种可以贴合电缆终端的高灵敏度便携式空间电荷传感器，应用于电缆运行现场；提出了一种基于电荷分布阈值的综合检测报警算法，可以准确感知电缆终端状态；本发明将可以发挥空间电荷测试稳定及随老化单调增加的优点，可以贴合实际电缆结构的空间电荷测试装置，弥补现有电缆终端故障检测装置和方法的不足，开发可靠、有效的电缆终端缺陷诊断技术，实现了电缆终端状态有效感知。
5.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电缆终端故障监测传感器，采用如下技术方案：
6.一种电缆终端故障监测传感器，包括：
7.环形卡扣；
8.检测件，设置为弧形结构；所述检测件设置在所述环形卡扣上；
9.所述检测件的构弧形结构设置为带有弧状凹陷的圆弧状结构。
10.进一步的，所述检测件远离弧形开口的一侧依次设置有聚甲基丙烯酸甲酯、第一铝层、聚四氟乙烯层和第二铝层；所述检测件弧形开口的内侧设置有铝板。
11.进一步的，所述检测件为聚偏二氟乙烯薄膜。
12.进一步的，所述带有弧状凹陷的圆弧状结构与待监测电缆终端应力锥外壳的结构和尺寸相同。
13.进一步的，所述检测件的两端通过环形卡扣固定在待监测电缆终端的应力锥外壳上。
14.进一步的，聚甲基丙烯酸甲酯层实现声波阻抗匹配，减少声波在传感器电极上的折反射；第二铝层对整个传感器进行封装，屏蔽外界电磁干扰。
15.为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种电缆终端故障监测装置，采用如下技术方案：
16.一种电缆终端故障监测装置，包括相互连接的传感器和分析模块；
17.所述传感器包括环形卡扣和检测件；所述检测件设置为弧形结构；所述检测件设置在所述环形卡扣上；所述检测件的构弧形结构设置为带有弧状凹陷的圆弧状结构。
18.为了实现上述目的，第三方面，本发明还提供了一种电缆终端故障监测方法，采用如下技术方案：
19.一种电缆终端故障监测方法，采用了如第一方面中所述的电缆终端故障监测装置，包括：
20.获取电缆终端的空间电荷信号；
21.依据获取的电荷信号，计算得到电场分布、电势分布和空间电荷总量；
22.以空间电荷、电场分布、电势分布和空间电荷总量为依据，判断电缆终端是否故障。
23.进一步的，依据空间电荷信号，通过泊松方程，计算得到电场分布；对电场进行积分得到电势分布。
24.进一步的，对空间电荷进行积分得到空间电荷总量。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.1、本发明中将设置为弧形结构的检测件与环形卡扣连接，将构弧形结构设置为带有弧状凹陷的圆弧状结构，可以保证检测件与呈带弧状凸起圆柱形结构的电缆终端紧密相连，解决了现有的空间电荷测量平台采用平板电极结构，只能用于实验室搭建的测试平台且只能进行单点接触测量的问题，检测件与电缆终端的紧密相连，避免了检测误差，提高了检测精度；
27.2、本本发明可以直接应用于电缆终端空间电荷测量，通过提出的基于电荷分布阈值的综合检测报警算法，可以准确感知电缆终端状态。
附图说明
28.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
29.图1为本发明实施例1的结构示意图；
30.图2为本发明实施例1的使用状态示意图；
31.图3为本发明实施例1的实测空间电荷分布；
32.图4为本发明实施例1的空间电场分布；
33.图5为本发明实施例1的电势分布；
34.图6为本发明实施例1的空间电荷总量；
35.其中，1、应力锥；2、铝板；3、检测件；4、聚甲基丙烯酸甲酯；5、第一铝层；6、聚四氟乙烯层；7、第二铝层；8、sma；9、环形卡扣；10、放大器；11、蓝牙；12、波形观察装置；13、传感器；14、高压脉冲电源。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.sma是一个接口，内部芯线连接于pvdf压片传感器下层铝板，外表皮通过最外层铝板与最上层铝板相接，并且接地，用于输出pvdf压片传感器所产生的电信号，并连接放大器，对电信号进行初步放大处理。
39.实施例1：
40.现有空间电荷测试装置是一个长方体金属壳体，体积和重量都过大，携带与安装不便，所以不能应用于电缆运行现场；针对上述问题，如图1所示，本实施例提供了一种电缆终端故障监测传感器，包括环形卡扣9和测量机构；其中，测量机构包括铝板2、测量件3、聚甲基丙烯酸甲酯4、第一铝层5、聚四氟乙烯层6、第二铝层7和sma8，所述测量件3为聚偏二氟乙烯薄膜；
41.可选的，所述环形卡扣9可以与所述检测件3连接，所述检测件3设置为弧形结构；所述检测件3的构弧形结构设置为带有弧状凹陷的圆弧状结构。可以利用所述环形卡扣9，通过所述第二铝层7将传感器固定在应力锥外壳1上；所述环形卡扣9还可以与测量机构中的其他一个或多个部件连接；
42.所述带有弧状凹陷的圆弧状结构，与待监测电缆终端应力锥外壳的结构和尺寸相同，本实施例通过对测试传感器的结构、形状以及尺寸进行优化设计，使其能够适应现场中电缆终端的实际构造，紧密贴合终端外层护套，在线采集空间电荷测试信息。本实施例中的铝板2可以理解为弧形结构的电极。通过设计的新结构传感器的结构和尺寸，可以与电缆终端应力锥外壳紧密接触，在保证空间电荷信号测试的灵敏度的同时，也兼顾携带和安装的简便性，使现场的空间电荷测试成为可能。
43.在一些实施例中，经过多次试验探索，发现测量电极有无屏蔽外壳对于测试结果并无太大影响，故改进空间电荷测试装置的结构，将长方体金属壳体去掉，兼顾便携性与测试精准性。
44.由于电缆终端圆柱形结构，本实施例中，将传感器设计成弧形结构以贴合实际的电缆终端；传感器具体结构如图1所示，其支架结构是由四层材料嵌套组成的，内层是pmma
材料，由内向外第二层是铝板材料，第三层是聚四氟乙烯，最外层依然是铝板材料，还设置有sma；具体的，多层结构的支架由内向外分别设置为聚甲基丙烯酸甲酯层4、第一铝层5、聚四氟乙烯层6和第二铝层7。四层结构环环镶嵌，形成于电缆应力锥的弧度相匹配的凹槽，在四层结材料的顶端敷设同样弧度的铝板传感器，使传感器上表面完好地贴合在电缆应力锥上，避免了测试时接触不紧密的问题，以提高空间电荷测量准确性。
45.最上层铝板起到了接地电极的作用，其置于应力锥下侧，与地相连，配合电缆终端应力锥中电缆中心导体延申裸露导体，利用高压脉冲装置给电缆绝缘介质施加脉冲电压信号，使其电荷振动产生声波。传感器的作用是将电荷振动产生的声信号转化为电信号，并进行输出。其中，起到信号转换作用的核心部件是聚偏二氟乙烯(pvdf)压电薄膜，其在受到外力作用时，内部会产生极化现象，并在上下两个表面处出现电势差，该电势差的大小与承受的外力成正比。外力来源于测试应力锥绝缘层空间电荷振动产生的声信号。因此，通过对pvdf薄膜上下表面处的电势差进行提取测量，可以得知外力的大小，进而反映应力锥绝缘层空间电荷分布情况。pvdf薄膜的上表面与上层铝板接触，并且上层铝板接地，因此可以认为pvdf上表面处的电位为0。pvdf薄膜下表面与内层铝板接触，内层铝板与sma接口的探针相连，因此sma接口输出的信号即为pvdf薄膜下表面处的电压信号，也即pvdf薄膜上下表面的电势差。聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)实现声波阻抗匹配，减少声波在传感器电极上的折反射。最外层铝板的作用则是对整个传感器进行封装，并对外界电磁干扰起到屏蔽作用。聚四氟乙烯用于隔离铝板。
46.由于电缆终端圆柱形结构外有弧状突起，本实施例中将测量电极和吸收材料设计成带有弧状凹陷的圆弧状结构，如图2所示，保证与电缆终端紧密相连，以保证空间电荷信号测试的准确性，与灵敏性。
47.在运行现场中，为了保证传感器和铝电极板检测件与电缆终端可靠接触，可以采用环形塑料外壳从上方固定住传感器，比如检测件或支架的两端通过环形卡扣固定在待监测电缆终端的应力锥外壳上，再使用螺丝将传感器固定在电缆终端尾管外壁上，固定装置使用可调节松紧的卡扣设计，便于在安装的同时进行调节。
48.通过本实施例中设计的新传感器，可以提高信号采集灵敏性，更加准确地进行电荷的定位与监测。传统的电缆本体空间电荷测量装置中的传感器往往是平板结构，在安装测量时与传感器电缆应力锥不能完美的紧密贴合，使得空间电荷的测量结果不够精确，当传感器形状设计成本实施例中与应力锥相匹配的弧度后，可以很好地解决电荷测量不够灵敏的问题。
49.实施例2：
50.一种电缆终端故障监测装置，包括相互连接的传感器和分析模块，所述传感器具备实施例1中设计的新传感器的所有技术特征；所述分析模块可以包括放大器、滤波器和数据处理器等单元，实现对检测数据的处理、保存和分析计算等；
51.所述传感器包括环形卡扣和检测件；所述检测件设置为弧形结构；所述检测件设置在所述环形卡扣上；所述检测件的构弧形结构设置为带有弧状凹陷的圆弧状结构。
52.实施例3：
53.本实施例提供了一种电缆终端故障监测方法，采用了如实施例1中所述的电缆终端故障监测传感器或如实施例2中所述的电缆终端故障监测装置，包括：
54.获取电缆终端的空间电荷信号；
55.依据获取的电荷信号，计算得到电场分布、电势分布和空间电荷总量；
56.以空间电荷、电场分布、电势分布和空间电荷总量为依据，判断电缆终端是否故障。
57.在实施例2设计的电缆终端故障监测装置基础上，针对现场中的电缆终端测试空间电荷分布，对实时测量采集的空间电荷信号进行统计分析，提取特征参量，确定电缆和终端绝缘击穿的阈值条件。测试不同老化阶段的电缆终端安装位置的电缆绝缘和其他位置的电缆绝缘的空间电荷分布波形，研究绝缘空间电荷的幅值和分布范围随老化程度的变化规律。
58.在加压过程中不断测试空间电荷分布。重点关注电缆击穿前的电荷分布规律，获得电缆击穿时刻电荷分布突变信息，作为反映电缆绝缘严重故障的预警信息。通过泊松方程，计算由电荷引起的电场分布和电势分布；通过积分获得空间电荷总量，计算电缆故障状态下电荷分布统计特征量。确定电缆老化状态的电荷分布阈值条件，建立反映电缆状态的判据，预判电缆终端当前状态。
59.本实施例通过分析所测的空间电荷数据，提出利用电缆终端绝缘的空间电荷幅值、分布范围、电场分布、电势分布和电荷总量等信息，作为电缆故障的判据。
60.本实施例中针对现场中的电缆终端测试空间电荷分布，对实时测量采集的空间电荷信号进行统计分析，提取可以作为电缆状态判据的新特征参量；通过测试不同老化阶段的电缆终端安装位置的电缆绝缘空间电荷分布波形，发现老化后的电缆在应力锥安装位置的绝缘处积聚大量的空间电荷，而其他位置的绝缘则存在很少或没有空间电荷。同时积聚的空间电荷层在外施电场的作用下会叠加一个附加电场，不同的空间电荷分布可以得到不同的附加电场。故本发明创新性的提出利用电缆终端绝缘的空间电荷幅值、分布范围、电场分布、电势分布和电荷总量等信息，作为电缆故障的判据。
61.本实施例中，如图3所示，为实测空间电荷分布，将实时测量采集的空间电荷信号通过泊松方程处理计算由电荷引起的附加电场分布：
[0062][0063]
其中，e(z)为附加电场；ε0为真空中的介电常数；εr为介质中的介电常数；ρ(z')为层电荷密度。
[0064]
如图4所示，为计算的由电荷引起的附加电场分布，如图5所示，对电场进行积分获得电势分布；如图6所示，对空间电荷进行积分得空间电荷总量；分析并获得电缆故障状态下统计特征量。
[0065]
具体的，根据空间电荷总量进行判断，研究表明，不同老化程度的电缆应力锥中空间电荷的总量不同，老化程度越高，空间电荷总量越大，因此可以借助应力锥处的空间电荷含量来表征其老化程度。
[0066]
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。