电力电缆局部放电监测系统的应用研究

电力电缆局部放电监测系统的应用研究

彭健敏

（国网四川省电力公司自贡供电公司643000）

摘要：本文首先分析了局部放电在线检测系统：系统概述；系统组成；局部测量系统，然后分析了软件消噪设计，最后分析了高频电流传感器。

关键词：电力电缆；局部放电；监测；实践

目前常见的电缆局部放电在线监测方法有超声波法、机械振动法、脉冲电流法和超高频法等。超声波法是通过检测电缆内因故障缺陷放电产生的声信号辨别缺陷位置,容易受到周围环境噪声的干扰;机械振动法虽然受干扰较小,但只是对绝缘层损伤缺陷较为灵敏,对其他缺陷不敏感;脉冲电流法测试较为简单,但容易受周围电磁场信号干扰;超高频法是通过检测电缆附件局部放电产生的超高频电磁波信号判断故障缺陷,由于抗干扰能力强,对局放信号比较敏感,所以被广泛应用到各种电力设备的缺陷局部放电检测中。

一、超高频局部放电在线监测系统

（一）超高频信号采集装置

超高频局部放电在线监测系统采用5通道同步数据采集装置,能够对频率为300MHz~2GHz的信号进行采集,对测试过程中的超高频信号进行实时记录。为减少周围电磁波对超高频信号的干扰,所有的硬件和软件最终集成在1台工控计算机上,超高频局部放电在线监测系统的采集装置测试回路。

（二）电容耦合法测量原理

电容耦合法是一种XLPE电力电缆局部放电测量方法。采用超高频电容耦合法检测电缆局部放电的模型,电缆外护套以及金属屏蔽层被切开,在外半导电层置入金属铜环作为电极,并用聚丙烯薄膜将其固定,信号从耦合器输出,经2个钳式法兰跨接中断的金属屏蔽层恢复电缆屏蔽。当高压电缆附件绝缘发生局部放电时,辐射出的超高频电磁波被耦合传感器接收后,通过光纤电缆传送至控制电脑,由后台监测接收局放信号。在工频电压下,由于外半导电层与金属屏蔽层的电位几乎相等,置入的金属铜环电极不会影响电缆主绝缘性能。在高频条件下,外半导电层阻抗与绝缘层阻抗相差不大,金属屏蔽层可看作高频地,有利于超高频信号的接收和测量。

（三）系统数据传输原理

超高频局部放电在线监测系统检测到的局放信号,经高精度数据采集模块按一定比例线性转换成标准直流模拟信号,然后经24位A/D转换模块转化为数字信号,通过GSM网络、光纤网络、GPRS网络,最终传到用户手机或主机端,该系统数据传输流程。各监测点实时的局部放电数据保存在服务器数据库,可通过集中监测平台主界面显示,用户也可通过主程序对采集的数据进行查询,掌握各监测点局部放电情况。该系统实现了电缆局部放电在线监测、报警等功能。

（三）局放测量系统

局放信号的测量主要由安装在变电站监控室内的局放监测主机完成,它和服务器、UPS电源等构成了所示的局放监测柜。监测柜内同时配备了220V的供电电源和用于网络传输的硬件。为了使传感器的检测灵敏度达到最大,在投运前,测试人员依据综合试验结果和现场运行经验,设定反映最佳信噪比的中心频率和带宽。投入运行后,监测主机利用符合IEC60270标准的算法计算每个局放点的视在放电量并生成放电图谱。如遇疑似信号,测试人员可以实时对测量参数(中心频率、带宽、滤波阈值等)进行调整,利用主机内的其他抗干扰技术(如动态开窗、3相信号分离软件等)进一步判断信号来源,并观察其发展趋势。局放监测主机主要技术指标如下:PD输入频带为0~30MHz(20MHz),试验电源频率范围为0~4.3kHz,PD输入阻抗为50W,PD输入电压为最大10Vrms,PD可检测范围为>1pC,输入接头为BNC,电源供应为8~12VDC,外部电源220V,50Hz。另外,根据每个接头所处环境的背景噪声水平不同,测试人员预先设置了相应的报警阈值,系统自动按照统计数据报警。接到报警后,测试人员可以通过调阅历史谱图或远程登录监测主机进行实时监测实现对报警信号的快速响应。

二、软件消噪设计

局部放电监测中的干扰主要是随传感器和局部放电信号一起被输入监测系统的,其按时域信号特征分类主要有3种,分别是白噪声、连续性窄带性周期干扰和脉冲干扰。白噪声主要来源于线圈发热噪声,配电线路以及测量设备等耦合进入的各种噪声;窄带周期性干扰包括系统高次谐波、高频保护、载波通信以及无线电通信等;脉冲干扰主要分周期性脉冲干扰和随机脉冲干扰。滤波器是一种频限装置,对于要求内的频带给予小幅度的衰减,给予要求外的频带大幅度的衰减,从而使信号的有用信息更加明显。数字滤波器是滤波器的一种,相对于模拟滤波器说,数字滤波器具有精度高、灵活性大、可靠性高、易于集成等优点。数字滤波的程序框图。对白噪声局部放电信号进行多尺度的分析可知,局部放电信号的小波变换模总是在某一尺度系统软件流程图。

三、高频电流传感器

高频电流传感器带有高频磁芯的罗柯夫斯基线圈,其原理是局部放电产生的高频脉冲电流通过磁场变化会在传感器次级绕组中产生感应脉冲电流,电流流过积分电阻,通过采集积分电阻上的电压信号来判断电缆有无局部放电,以及局部放电量的大小。通过对比实验,本设计在现有条件下,最后选定的传感器参数为:磁芯材料为镍锌,线圈在15匝左右,积分电阻在100~150Ω。系统硬件装置由数据整理单元、采集单元、CPU中央处理单元、显示单元、通讯单元等组成系统硬件数据整理单元完成信号的放大、滤波;采集单元采用的ADC(模数转换器)是一个双极性芯片AD9218,进行了单端转差分变换,它采用105MSPS转换速率工作,在整个工作范围内都具有出色的动态性能;CPU处理单元采用TIAM3517处理器,AM3517处理器集成了600MHz的ARM-Cortex-A8内核并提供了丰富的外设接口。主板上拥有512MBDDR2SDRAM,512MBNAND-Flash,4MBNorFlash,支持LC,串口,网口,USB接口,CF卡接口,主控制单元通过GPMC总线实现与逻辑控制单元间的数据通信。

结束语

超高频局部放电在线监测系统在电网的应用证明,该系统在电缆及其附件的绝缘故障检测中应用效果良好,可作为电缆运行检修的有效检测手段。超高频局部放电在线监测系统虽能准确检测电缆护套存在的绝缘故障,但还未能根据超高频局部放电信号特点判断绝缘故障类型。今后可通过对故障设备现场数据的大量积累和分析,深入开展此项研究。

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