用于检测地下电力电缆中的绝缘缺陷的系统和方法与流程

本发明涉及用于局部放电分析的系统和用于执行局部放电分析的方法。更具体地，本发明涉及用于检测地下电力电缆中的绝缘缺陷的系统和方法。

背景技术：

1、根据国际标准国际电工委员会(iec)，局部放电定义为：

2、“局部放电，其仅部分地桥接导体之间的绝缘，并且其可能或不可能发生在导体附近”。

3、当导体的绝缘体内部的杂质或空腔或外部的突起引起应力区时，发生局部放电。应力区可以由导体周围的尖锐边缘或突起形成。

4、电力电缆中的部分放电包括几种类型的放电现象，诸如出现在不同绝缘材料的边界处的表面放电以及在固体或液体电介质内的空隙或空腔中发生的内部放电。

5、放电的检测和测量基于放电期间发生的能量交换。这些交换表现为电脉冲电流。

6、然而，现有技术的解决方案安装起来既困难又昂贵，因为它们需要电连接到电力电缆。因此，当应用这些解决方案时，需要断开电力电缆。这几十年来是主要的未解决的挑战。

7、现有技术的局部放电分析工具是昂贵的，因为它们需要昂贵的钳式传感器，并且因为这些传感器需要通过电连接到导体或围绕单导体来安装。因此，这些分析工具不适合使用。

8、技术人员越来越频繁地面对是否更换其地下分配系统中的一些较旧的电缆的决定。使用局部放电的测量，以便识别是否应该用新的电缆替换电缆或如果可能的话修理电缆。

9、然而，研究表明，难以使用电力电缆中局部放电的测量来肯定地识别是否应该更换电力电缆。可能不保证仅基于局部放电测量移除这些电缆，因为外部事件(例如，雷电或网络中的切换)以及电力电缆绝缘中的泄漏结构可能导致局部放电事件。现有技术解决方案的问题在于，它们不能辨别局部放电事件是由外部事件(例如，雷电)还是电力电缆中的泄漏结构引起的。

10、us20090177420a1公开了一种用于检测、定位和解释沿着电气设备在局部放电位点发生的局部放电的装置。然而，该装置不适于以足够大的精度确定局部放电。

11、因此，期望具有减少或甚至消除现有技术解决方案的缺点的系统和方法。期望具有用于检测、定位和解释局部放电的改进的装置和方法。

12、因此，本发明的目的是提供一种减少或甚至消除现有技术的上述缺点的系统。

13、本发明的目的是提供一种用于检测、定位和解释多导体电缆中的局部放电的系统和方法。

技术实现思路

1、本发明的目的可以通过如权利要求1所述的电能质量分析系统和如权利要求17所述的方法来实现。优选实施例在从属子权利要求中定义，在以下描述中解释，并在附图中示出。

2、根据本发明的系统是一种用于检测地下电力电缆中的绝缘缺陷的系统，该地下电力电缆包括被导电屏蔽件围绕的一个或多个单导体，其中该系统包括夹持到电力电缆的外部上或布置在电力电缆附近的一个或多个外部的钳式传感器，其中钳式传感器被配置为从电力电缆的外部提供一个或多个电流测量值，而不电连接到电力电缆的一个或多个单导体中的任何一个，其中该系统包括处理单元，其中钳式传感器被配置为检测局部放电事件，其中该系统包括信号处理单元，该信号处理单元适于使用数学统计模型，该数学统计模型处理由钳式传感器进行的电流测量值，以识别电流测量值是否由电力电缆中的泄漏结构引起的局部放电事件引起。

3、由此，可以提供一种系统，该系统能够以使得可以进行预测和主动维护的方式测量电力电缆中的局部放电；即，肯定地识别是否应该更换电力电缆。

4、该系统被配置为检测地下电力电缆中的绝缘缺陷，该地下电力电缆包括由导电屏蔽件围绕的单导体。单导体和周围的导电屏蔽件两者构成导体。因此，由导电屏蔽件围绕的单导体是双导体电缆。

5、现有技术解决方案未被配置为检测地下电力电缆中的绝缘缺陷，该地下电力电缆包括由导电屏蔽件围绕的至少一个单导体。问题是方程的数量少于未知数。因此，由于存在无限数量的解决方案，因此不可能提供独特的解决方案，并且因此通过使用由布置在电力电缆外部的钳式传感器检测到的磁场来确定电流测量值是由电力电缆中的泄漏结构引起的局部放电事件还是由来自导电屏蔽件的局部放电事件引起的。

6、然而，本发明应用数学统计模型来识别电流测量值是由电力电缆中还是导电屏蔽中的泄漏结构引起的局部放电事件引起的。这是通过在电力电缆的外表面上或附近布置足够大量的子传感器来提供足够大量的方程来完成的。由此，可以提供由多个不同传感器(主传感器和多个子传感器)检测到的多个测量值，多个不同传感器以传感器相对于彼此的相对位置已知的方式布置(这可以通过将传感器布置在预定安装结构中来完成)。

7、数学模型用于估计从导体和屏幕到主传感器和子传感器的传递函数作为线性投影和随机噪声分量。

8、如果必须检测包括三个单导体(其中单导体彼此电绝缘)和导电屏蔽件的地下电力电缆中的绝缘缺陷，则在电力电缆的导体中流动的电流将表示为i1、i2、i3，并且在导电屏蔽件中流动的电流表示为i4。

9、由主传感器和子传感器测量的信号b1、b2、b3、b4。。。可以计算为由电流i1、i2、i3、i4产生的磁场的叠加，作为叠加等式：

10、(1)

11、其中bj是jth信号(由jth传感器测量)，并且dij可以通过简单投影来计算。计算可以通过简单的投影来完成，因为六个圆柱坐标(从三个单导体中的每一个的中心到所讨论的钳式传感器的三个距离和传感器的角位置)是已知的。

12、根据安培定律，在距具有流动电流i的导体的中心距离r处，磁场b由下式定义：

13、(2)b2πr＝μ0i或

14、(3)

15、其中μ0是自由空间的磁导率。

16、实施例1

17、在具有被导电屏蔽件包围的三个单导体的地下电力电缆中，将具有需要使用来自主传感器和子传感器的叠加方程估计的七个未知参数(假设从主传感器和子传感器到电力电缆的中心的距离是已知的)。

18、如果我们具有一个主传感器和十一个子传感器，因此我们具有12-7＝5自由度。实际上，电流采用三个自由度，并且因此在12方程的集合中存在两个自由度。在该具体示例中，电流i1、i2、i3、i4因此可以通过具有两个自由度的多重线性回归来估计和微分。

19、所需子传感器的数量取决于导体的数量。

20、在一个实施例中，主传感器和附加子传感器包括线圈。因此，当电流在电力电缆的单导体或导电屏蔽件中流动时，将在每个线圈中感应出电流。

21、在一个实施例中，数学统计模型被配置为对单导体和导电屏蔽件中的电流进行线性投影，其中数学统计模型被定义为：

22、yt＝ft(θt)+εtεt～δ1(vt)

23、

24、其中yt是确定在时间t的观察过程的向量，包括来自钳式传感器的观察数据(s1，s2，…，sn)；

25、θt是确定时间t处的潜在过程的向量，包括潜在过程数据；即分别源自电缆的导体和屏蔽件的电流；

26、ft是回归矩阵，其确定在时间t时潜在过程和观察过程之间的线性关系；

27、gt是进化矩阵，其确定潜在过程中从时间t-1到时间t的转变；

28、δ1和δ2分别是观察过程和潜在过程的随机噪声向量；

29、vt是观测方差-协方差矩阵，以及

30、wt是进化方差-协方差矩阵。

31、在一个实施例中，该系统被配置为检测地下电力电缆中的绝缘缺陷，该地下电力电缆包括由导电屏蔽件围绕的若干单导体。

32、该系统包括一个或多个外部的钳式传感器，该一个或多个外部的钳式传感器夹持到电力电缆的外部或布置在电力电缆附近。在一个实施例中，传感器可以通过使用机械附接结构附接到电力电缆。在一个实施例中，机械附接结构是线缆带。

33、钳式传感器被配置为从电力电缆的外部提供一个或多个电流测量值，而不电连接到电力电缆的一个或多个单导体中的任何一个。这是一个主要的优点，因为它使得有可能在地下和地面上方改装现有电力电缆上的钳式传感器。

34、该系统包括适于使用数学统计模型的信号处理单元，该数学统计模型处理由钳式传感器进行的测量以识别电流测量是否由电力电缆中的泄漏结构引起的局部放电事件引起。因此，传感器能够检测局部放电事件。该系统被配置为执行电力电缆的局部放电分析，并由此检测所述电力电缆中的绝缘缺陷。

35、在一个实施例中，电力电缆包括若干单导体。

36、在一个实施例中，所述系统包括沿着电力电缆的导电屏蔽件布置的若干间隔开的钳式传感器。由此，可以检测泄漏结构在电力电缆中的位置。传感器越多，则可以越准确地检测电力电缆中的泄漏结构的位置。电力电缆中的泄漏结构将导致局部放电事件，该局部放电事件可以由传感器在距电力电缆中的泄漏结构的位置一定距离内检测到。与布置在距电力电缆中的泄漏结构的位置更大距离处的钳式传感器相比，最靠近电力电缆中的泄漏结构的位置的钳式传感器将检测到更高的信号。由此，可以定位放置在距电力电缆中的泄漏结构的位置最短距离处的钳式传感器。因此，可以确定泄漏结构在电力电缆中的位置。

37、在一个实施例中，该系统包括布置和配置成确定局部放电事件的位置的若干钳式传感器。由于局部放电事件的信号强度和信号频率/波长取决于传感器与事件的位置之间的距离，因此可以比较传感器信号的强度并且由此确定哪个传感器被放置在到事件的最短距离处。

38、在一个实施例中，该系统包括主传感器构件和沿着电力电缆的导电屏蔽件的圆周布置的一个或多个附加传感器构件，其中传感器构件切向地间隔开。

39、由此，传感器可以在不知道电力电缆的导体的内部位置的情况下检测局部放电事件是否由泄漏结构引起。

40、重要的是强调主传感器构件和一个或多个附加传感器构件可以布置在距电力电缆的导电屏蔽件的短距离处。在一个实施例中，主传感器构件和一个或多个附加传感器构件附接到电力电缆的导电屏蔽件。主传感器构件和一个或多个附加传感器构件到电力电缆的导电屏蔽件的附接可以通过使用电缆扎带或其他机械附接结构来完成。

41、在一个实施例中，该系统包括校准单元，该校准单元被配置为执行一个或多个钳式传感器的校准，以便使系统能够检测检测到的信号是源自由电力电缆中的泄漏结构引起的局部放电信号还是源自由诸如雷电或切换电网(噪声)的外部事件引起的类似信号。

42、通过在主传感器与一个或多个附加传感器(子传感器)之间施加信号的差异来执行校准，以区分在一个或多个单导体中运行的电流与在周围导电屏蔽件中运行的电流。

43、在一个实施例中，校准过程包括执行数学模型的训练的步骤，其中由不同传感器检测到的钳式传感器信号之间的差异被用作输入。在训练之后，数学模型将能够将任何信号划分为：

44、a)源自在一个或多个单导体中运行的电流的第一部分，以及

45、b)源自在周围导电屏蔽件中流动的电流的第二部分。

46、在一个实施例中，数学模型是被配置为用于估计分别流过一个或多个单导体和导电屏蔽件的钳式传感器信号部分的数学统计模型。可以执行传感器s1的测量的时间相关变换，以便校正传感器s1的实际环境。

47、通过使用数学统计模型来估计是否可以使用时间无关的变换，可以获得对计算机要求较低的方法。

48、对来自传感器s1的运行测量使用时间无关变换而不是全数学统计模型可能是有利的。

49、有时测试变换的精度是否可接受可能是有益的，并且如果需要使用数学统计模型来更新它。

50、可以通过估计变换的测量误差来获得所需的必要数量的样本。以这种方式，可以保留结果，直到获得期望的精度。

51、在下文中，描述了一种使用数学统计模型来估计潜在过程的优选方法。可以通过例如由以下定义的状态空间模型来对潜在过程进行建模：

52、(4)yt＝ftθt+εtεt～n(0,vt)

53、(5)

54、其中yt是确定(例如，描述或定义)在时间t的观测过程的向量，包括来自钳式传感器的观测数据(s1，s2，…，sn)；θt是确定在时间t的所述潜在过程的向量，包括潜在过程数据；即，分别源自电力电缆的主导体、导电屏蔽件或来自外部电磁辐射的电流；ft是确定在时间t的潜在过程与观测过程之间的线性关系的回归矩阵；gt是确定在潜在过程中从时间t-1到时间t的线性转变的进化矩阵；εt和θt分别是观测过程和潜在过程的零均值多元高斯分布噪声向量；vt是观测方差-协方差矩阵；wt是进化方差-协方差矩阵。

55、模型参数矩阵ft和gt可以由例如卡尔曼滤波器使用来自建模系统和/或类似系统的先前数据来估计，包括由用户和/或现场专家提供的所述数据。标准统计方法可用于对过程进行推断(例如，估计信息)。信息可以是例如过程的估计信号(例如趋势)和/或预测(例如预后)，以及估计、方差和/或置信区间的相关分布。使用这些类型的估计，容易例如发出警告和/或警报。例如，如果过程中观察到的偏差的概率小于0.1％，则可以选择出现警报。

56、上述模型框架是更一般的模型框架的特殊情况：

57、(6)yt＝ft(θt)+εtεt～δ1(vt)

58、(7)

59、其中ft和gt是通用函数，δ1和δ2是通用统计分布，以及所有其他术语如上所述。

60、对该更一般的模型框架的推断可以由例如扩展卡尔曼滤波器在潜在过程和观察过程之间的关系是非线性的情况下进行，并且由卡尔曼-布西滤波器在时间以连续尺度定义(例如，描述)的情况下进行。

61、其他时间序列分析方法和/或多变量数据分析方法，诸如方差分析(anova)、马尔可夫模型、广义线性模型(glm)和多变量高斯模型也可以用于估计所述潜在过程并推断所述信息。

62、应用附加传感器可能是有利的，因为由此可以加速训练过程。电力电缆的一个或多个导体中的切换事件可以用于执行校准(通过训练过程)。

63、在根据本发明的系统和方法中使用的钳式传感器不需要绕过电力电缆是主要优点。

64、在一个实施例中，该系统包括校准单元，该校准单元被配置为执行一个或多个钳式传感器的校准，以便将系统校准到电力电缆和环境上的物理位置。由此，可以最开始校准传感器(在安装传感器期间)。

65、在一个实施例中，校准单元与钳式传感器分离。

66、在一个实施例中，该系统包括多个钳式传感器和被配置为接收和处理来自钳式传感器的数据的单个居中布置的校准单元。

67、在一个实施例中，校准单元集成在每个钳式传感器中。

68、在一个实施例中，校准单元被配置成在钳式传感器的主传感器构件和若干附加传感器构件沿着电力电缆的外围移动时校准钳式传感器。

69、这可以通过检测存在局部最大传感器信号幅度的若干位置来实现。在这些位置中，应当定位主传感器构件或附加传感器构件之一(子传感器)。该过程可以手动地或通过使用跟踪位置和对应的钳式传感器信号的校准工具来执行。

70、在一个实施例中，一个或多个外部的钳式传感器包括能量收集器。

71、在一个实施例中，一个或多个外部的钳式传感器电连接到能量收集器。

72、在一个实施例中，能量收集器包括热电发电机或电场能量收集装置。

73、在一个实施例中，所述系统包括：

74、从钳式传感器朝向地平面延伸的通信单元，以及

75、被配置为发送无线信号的天线，

76、其中系统被配置为通过天线无线地发送由钳式传感器进行的测量。

77、由此，可以检测传感器信号并将它们无线地发送到接收设备。

78、在一个实施例中，通信单元被配置为与天线无线通信。

79、在一个实施例中，该系统包括通信单元和天线之间的有线连接。

80、在一个实施例中，天线由能量收集器供电，优选为热电发电机。

81、在一个实施例中，天线集成在天线组件中，该天线组件包括能量收集器，优选地热电发电机或太阳能电池。

82、在一个实施例中，屏蔽结构围绕钳式传感器和电力电缆的整个圆周的一部分，钳式传感器在该部分处延伸，其中屏蔽结构是电磁场屏蔽。

83、在一个实施例中，屏蔽结构形成为导磁屏蔽结构，该导磁屏蔽结构被配置为以屏蔽结构包围钳式传感器以及钳式传感器延伸的电力电缆的整个圆周的一部分的配置来布置。

84、由此，可以提供电磁屏蔽。

85、由此，可以减少电磁辐射的影响。

86、在一个实施例中，处理单元包括峰值检测器，其被配置成分析电流测量值并检测任何电流峰值。

87、在一个实施例中，处理单元包括被配置为对电流测量值进行高通滤波的高通滤波器。

88、在一个实施例中，处理单元包括算法，其被配置为自动地识别电流测量值是否由电力电缆中的泄漏结构引起的局部放电事件引起的。

89、根据本发明的方法是一种用于检测地下电力电缆中的绝缘缺陷的方法，该地下电力电缆包括由导电屏蔽件围绕的一个或多个单导体，其中该方法包括以下步骤：将一个或多个外部的钳式传感器夹持到电力电缆的外部或将一个或多个外部的钳式传感器布置在电力电缆的附近，其中钳式传感器的电导体被配置为从电力电缆的外部提供一个或多个电流测量值，而不电连接到电力电缆的一个或多个单导体中的任何一个，其中该方法包括以下步骤：应用信号处理单元来处理数据，其中钳式传感器被配置为检测局部放电事件，其中应用信号处理单元来处理数据的步骤通过使用数学统计模型来执行，该数学统计模型处理由钳式传感器进行的测量，以识别电流测量值是否由电力电缆中的泄漏结构引起的局部放电事件引起。

90、由此，可以提供一种方法，通过该方法可以测量电力电缆中的局部放电，以使得可以肯定地识别电力电缆是否应该被更换/修理。因此，该方法使得可以在通过使用该方法进行的局部放电测量时决定何时应该移除电力电缆。

91、在一个实施例中，该方法应用数学统计模型，该数学统计模型用于对单导体和导电屏蔽件中的电流进行线性投影，其中数学统计模型被定义为：

92、yt＝ft(θt)+εtεt～δ1(vt)

93、

94、其中yt是确定在时间t的观察过程的向量，包括来自钳式传感器的观察数据(s1，s2，…，sn)；

95、θt是确定时间t处的潜在过程的向量，包括潜在过程数据；即分别源自电缆的单导体和导电屏蔽件的电流；

96、ft是回归矩阵，其确定在时间t时潜在过程和观察过程之间的线性关系；

97、gt是进化矩阵，其确定潜在过程中从时间t-1到时间t的转变；

98、δ1和δ2分别是观察过程和潜在过程的随机噪声向量；

99、vt是观测方差-协方差矩阵，以及

100、wt是进化方差-协方差矩阵。

101、在一个实施例中，电力电缆包括若干单导体。

102、在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

103、在沿着电力电缆的长度的一个或多个位置暴露电力电缆的一部分；

104、在每个位置处将一个或多个外部的钳式传感器夹持到电力电缆的外部或布置在电力电缆附近；

105、在每个外部的钳式传感器与信号处理单元之间建立连接。

106、因此，该方法可用于用传感器改装现有电力电缆，从而允许该方法用于检测地下电力电缆中的绝缘缺陷。

107、在一个实施例中，该方法包括校准钳式传感器的步骤。

108、在一个实施例中，该方法包括通过使用校准单元来校准钳式传感器的步骤，该校准单元被配置为通过沿着电力电缆的外围移动钳式传感器的主传感器构件和若干附加传感器构件来校准钳式传感器。

109、通过检测存在局部最大传感器信号幅度的若干位置，可以识别最有希望的位置以布置主传感器构件和一个或多个附加传感器构件。因此，主传感器构件或附加传感器构件之一(子传感器)应定位在这些位置。该过程可以手动地或通过使用跟踪位置和对应的钳式传感器信号的校准工具来执行。

110、在一个实施例中，每个钳式传感器包括主传感器构件和一个或多个附加传感器构件，其中该方法包括以传感器构件切向间隔开的方式沿着电力电缆的导电屏蔽件的圆周布置主传感器构件和附加传感器构件的步骤。

111、在一个实施例中，该方法包括施加被配置为测量电力电缆的磁场和电场两者的钳式传感器的步骤。

112、在一个实施例中，传感器被配置为与一个或多个外部设备无线通信。

113、在一个实施例中，至少一些传感器由至少一个能量收集装置供电。