高压电缆接头局部放电在线监测装置及其在线监测方法

摘要

本发明公开了一种基于电容耦合传感器的高压XLPE电缆接头局部放电在线监测方法，该方法通过在电缆接头两端的电缆本体上固定金属箔构成容性电极来耦合局部放电信号，并通过检测阻抗将耦合到的电流信号转换为电压信号。对于获得的电压信号，经过进一步的信号调理进入数据采集系统，并利用软件进行数字滤波、相位开窗等抗干扰措施，可以获得真实有效的电缆接头7局部放电信号，从而为评估其绝缘状况提供了有效的参考。

权利要求

1.基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置，包括计算机(6)、与计算机(6)连接的数据采集单元(5)、第一电容耦合传感器(1)、第二电容耦合传感器(2)、信号调理单元(4)和检测阻抗(3)，其特征在于：第一电容耦合传感器(1)和第二电容耦合传感器(2)同时设置在电缆接头(7)两端的电缆本体(16)上，第一电容耦合传感器(1)和第二电容耦合传感器(2)通过检测阻抗(3)连接，检测阻抗(3)连接信号调理单元(4)、信号调理单元(4)连接数据采集单元(5)、数据采集单元(5)连接计算机(6)，检测阻抗(3)用于将第一电容耦合传感器(1)和第二电容耦合传感器(2)耦合到的电流信号转换为电压信号输出到信号调理单元(4)，信号调理单元(4)将电压信号调理放大后传递给数据采集单元(5)，数据采集单元(5)对调理后的电压信号进行A/D转换并输出到计算机(6)。

2.如权利要求1所述基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置，其特征在于：第一电容耦合传感器(1)包括第一绝缘层(8)、第二绝缘层(9)和第一金属箔电极(10)，第一绝缘层(8)紧贴电缆本体(16)，第一绝缘层(8)外部设置第一金属箔电极(10)，第一金属箔电极(10)外部设置第二绝缘层(9)，第二绝缘层(9)外部设置有第一金属表链(11)，第一金属表链(11)与检测阻抗(3)左端连接。

3.如权利要求1所述基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置，其特征在于：第二电容耦合传感器(2)包括第三绝缘层(12)、第四绝缘层(13)和第二金属箔电极(14)，第三绝缘层(12)紧贴电缆本体(16)，第三绝缘层(12)外部设置第二金属箔电极(14)，第二金属箔电极(14)外部设置第四绝缘层(13)，第四绝缘层(13)外部设置有第二金属表链(15)，第二金属表链(15)与检测阻抗(3)右端连接。

4.基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测方法，其特征在于：将第一电容耦合传感器(1)和第二电容耦合传感器(2)同时设置在电缆接头(7)两边，在第一电容耦合传感器(1)和第二电容耦合传感器(2)之间连接检测阻抗(3)，在检测阻抗(3)上连接信号调理单元(4)、信号调理单元(4)连接数据采集单元(5)、数据采集单元(5)连接计算机(6)，检测阻抗(3)用于将第一电容耦合传感器(1)和第二电容耦合传感器(2)耦合到的电流信号转换为电压信号输出到信号调理单元(4)，信号调理单元(4)将电压信号放大后传递给数据采集单元(5)，数据采集单元(5)对放大后的电压信号进行A/D转换并输出到计算机(6)；

第一电容耦合传感器(1)的第一绝缘层(8)紧贴电缆本体(16)，第一绝缘层(8)外部设置第一金属箔电极(10)，第一金属箔电极(10)外部设置第二绝缘层(9)，第二绝缘层(9)外部设置有第一金属表链(11)，第一金属表链(11)与检测阻抗(3)左端连接。

5.如权利要求4所述基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测方法，其特征在于：第二电容耦合传感器(2)的第三绝缘层(12)紧贴电缆本体(16)，第三绝缘层(12)外部设置第二金属箔电极(14)，第二金属箔电极(14)外部设置第四绝缘层(13)，第四绝缘层(13)外部设置有第二金属表链(15)，第二金属表链(15)与检测阻抗(3)右端连接。

说明书

高压电缆接头局部放电在线监测装置及其在线监测方法

技术领域：

[0001] 本发明属于传感器领域，涉及一种高压电缆接头局部放电在线监测装置，尤其是一种基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置及其在线监测方法。背景技术：

[0002] XLPE电缆在当前中国乃至世界的电力系统中有着至关重要的地位。近十年来，我国城市电网中大量采用XLPE电力电缆输配电。据有关资料统计，电力系统中电力电缆的事故主要发生在其接头。因此对电缆及接头进行现场局部放电检测，有效地了解电缆接头7的绝缘状况，对实现电力系统的安全运行，进而对经济发展都有重要的意义。

[0003] 国内现有的电缆接头局部放电在线监测装置中，大都采用电感耦合传感器(分为内置式和外置式两种方式)。内置式电感耦合传感器安装在电缆接头7内部的金属屏蔽连接线上。它具有传感器尺径小，灵敏度高，受外界电磁干扰小等特点，但是要求在电缆接头7施工时将传感器安装好，目前工程上采用的较少。外置式传感器可以做成钳型便携式，从而暂时或者永久性地固定在电缆接头7两端的电缆本体16外部。通常采用宽频带Rogowski线圈结构电流传感器，其主要测量位置在电缆终端金属屏蔽层接地引线处、中间接头金属屏蔽连接线、电缆本体16上和三芯电缆的单相电缆上等位置。当电缆中存在局部放电时，接地线及金属屏蔽层中流过脉冲电流，当其穿过传感器时会在二次绕组上感应出信号，这样便可获取局部放电信息。这种传感器安装方便，对电缆本体16基本没有影响，但是其尺径大，灵敏度较低，易受电磁干扰。发明内容：

[0004] 针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高压XLPE电缆接头7局部放电甚高频带电检测用电容耦合传感器。

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置及在线监测方法。

[0006] 基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置，包括计算机6、与计算机6连接的数据采集单元5、第一电容耦合传感器1、第二电容耦合传感器2、信号调理单元4和检测阻抗3，其特征在于：第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2同时设置在电缆接头7两端的电缆本体16上，第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2通过检测阻抗3连接，检测阻抗3上依次连接有信号调理单元4、数据采集单元5和计算机6，检测阻抗3用于将第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2耦合到的电流信号转换为电压信号输出到信号调理单元4，信号调理单元4将电压信号调理放大后传递给数据采集单元5，数据采集单元5对调理后的电压信号进行A/D转换并输出到计算机6。

[0007] 第一电容耦合传感器1包括第一绝缘层8、第二绝缘层9和第一金属箔电极10，第一绝缘层8紧贴电缆本体16，第一绝缘层8外部设置第一金属箔电极10，第一金属箔电极10外部设置第二绝缘层9，第二绝缘层9外部设置有第一金属表链11，第一金属表链11与检测阻抗3左端连接。

[0008] 第二电容耦合传感器2包括第三绝缘层12、第四绝缘层13和第二金属箔电极14，第三绝缘层12紧贴电缆本体16，第三绝缘层12外部设置第二金属箔电极14，第二金属箔电极14外部设置第四绝缘层13，第四绝缘层13外部设置有第二金属表链15，第二金属表链15与检测阻抗3右端连接。

[0009] 基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测方法，将第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2同时设置在电缆接头7两端的电缆本体16上，在第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2之间连接检测阻抗3，在检测阻抗3上依次连接信号调理单元4、数据采集单元5和计算机6，检测阻抗3用于将第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2耦合到的电流信号转换为电压信号输出到信号调理单元4，信号调理单元4将电压信号调理放大后传递给数据采集单元5，数据采集单元5对调理后的电压信号进行A/D转换并输出到计算机6。第一电容耦合传感器1的第一绝缘层8紧贴电缆本体16，第一绝缘层8外部设置第一金属箔电极10，第一金属箔电极10外部设置第二绝缘层9，第二绝缘层9外部设置有第一金属表链11，第一金属表链11与检测阻抗3左端连接。第二电容耦合传感器2的第三绝缘层12紧贴电缆本体16，第三绝缘层12外部设置第二金属箔电极14，第二金属箔电极14外部设置第四绝缘层13，第四绝缘层13外部设置有第二金属表链15，第二金属表链15与检测阻抗3右端连接。

[0010] 该高压XLPE电缆接头7局部放电甚高频在线监测用电容耦合传感器，由0.2mm厚的铜材料(或其他金属材料)制作尺寸为110mm×82mm的金属箔作为容性电极，由两根裸铜线引出耦合信号，通过屏蔽的同轴电缆串联1kΩ的检测阻抗3，从而将电流信号转换为电压信号，便于采集。

[0011] 考虑到这种传感器的安装，将金属箔电极置于两层绝缘橡胶中，由窄长的钢片串接成的金属表链状固定在电缆接头7两端的电缆本体16上，由BNC端头连接同轴电缆从而串联检测阻抗3。由于钢片是通过螺丝相连，故其数目可以增减，这使得本发明的传感器可以应用于不同电压等级的电缆上。

[0012] 本发明传感器采用的技术途径是通过在电缆接头7两端的电缆本体16上安装金属薄片来构成容性电极，使其满足XLPE电缆接头7局部放电甚高频测量用并满足以下要求：

[0013] 1)、结构紧凑，不改变电缆本体16，现场安装方便。

[0014] 2)、对电缆接头7内部的具有甚高频分量(30MHz～300MHz)的局部放电脉冲有良好的响应。

[0015] 3)、灵敏度较高，能耦合到电缆接头75pC的放电脉冲信号。

[0016] 4)、受现场电磁干扰影响较小，能有效地避开15MHz以下的低频噪声影响。附图说明：

[0017] 图1是本发明的电容耦合传感器侧面剖视图；

[0018] 图2是本发明的电容耦合传感器左视图；

[0019] 图3是本发明的电容耦合传感器等效电路图；

[0020] 图4是本发明的在线监测装置结构示意图。

[0021] 其中：1为第一电容耦合传感器；2为第二电容耦合传感器；3为检测阻抗；4为信号调理单元；5为数据采集单元；6为计算机；7为电缆接头；8为第一绝缘层；9为第二绝缘层；10为第一金属箔电极；11为第一金属表链；12为第三绝缘层；13为第四绝缘层；14为第二金属箔电极；15为第二金属表链；16为电缆本体。具体实施方式：

[0022] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0023] 参见图1、2、3，基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测装置，包括计算机6、与计算机6连接的数据采集单元5、第一电容耦合传感器1、第二电容耦合传感器2、信号调理单元4和检测阻抗3，其特征在于：第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2同时设置在电缆接头7两端的电缆本体16上，第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2通过检测阻抗3连接，检测阻抗3上依次连接有信号调理单元4、数据采集单元5和计算机6，检测阻抗3用于将第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2耦合到的电流信号转换为电压信号输出到信号调理单元4，信号调理单元4将电压信号调理放大后传递给数据采集单元5，数据采集单元5对调理后的电压信号进行A/D转换并输出到计算机
6。

[0024] 第一电容耦合传感器1包括第一绝缘层8、第二绝缘层9和第一金属箔电极10，第一绝缘层8紧贴电缆本体16，第一绝缘层8外部设置第一金属箔电极10，第一金属箔电极10外部设置第二绝缘层9，第二绝缘层9外部设置有第一金属表链11，第一金属表链11与检测阻抗3左端连接。

[0025] 第二电容耦合传感器2包括第三绝缘层12、第四绝缘层13和第二金属箔电极14，第三绝缘层12紧贴电缆本体16，第三绝缘层12外部设置第二金属箔电极14，第二金属箔电极14外部设置第四绝缘层13，第四绝缘层13外部设置有第二金属表链15，第二金属表链15与检测阻抗3右端连接。

[0026] 基于电容耦合传感器的高压电缆接头局部放电在线监测方法，将第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2同时设置在电缆接头7两端的电缆本体16上，在第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2之间连接检测阻抗3，在检测阻抗3上依次连接信号调理单元4、数据采集单元5和计算机6，检测阻抗3用于将第一电容耦合传感器1和第二电容耦合传感器2耦合到的电流信号转换为电压信号输出到信号调理单元4，信号调理单元4将电压信号调理放大后传递给数据采集单元5，数据采集单元5对调理后的电压信号进行A/D转换并输出到计算机6。第一电容耦合传感器1的第一绝缘层8紧贴电缆本体16，第一绝缘层8外部设置第一金属箔电极10，第一金属箔电极10外部设置第二绝缘层9，第二绝缘层9外部设置有第一金属表链11，第一金属表链11与检测阻抗3左端连接。第二电容耦合传感器2的第三绝缘层12紧贴电缆本体16，第三绝缘层12外部设置第二金属箔电极14，第二金属箔电极14外部设置第四绝缘层13，第四绝缘层13外部设置有第二金属表链15，第二金属表链15与检测阻抗3右端连接。

[0027] 信号调理单元4包括滤波电路，放大电路等，实现对来自传感器的电压信号的处理。选择高通滤波器滤去低频干扰，选择5MHz的截止频率，使的大部分干扰都被抑制。而宽带放大电路则使得采集到的微弱的放电信号能够满足采集系统的灵敏度要求。

[0028] 本系统的采集单元采用美国NI仪器公司的PCI-5152型数据采集卡，采集卡安装在工业控制计算机6内，实时采集数据并进行A/D转换。

[0029] 高速数字采集卡对来自调理电路的电压信号进行A/D转换，以便我们对电压的数字信号进行处理，分析。

[0030] 该采集卡的主要参数如下：

[0031] ●两路8位的模拟输入通道

[0032] ●两路同步，单端接地方式

[0033] ●300MHz的模拟输入带宽可选

[0034] ●1GS/s的采样速率

[0035] ●每通道64MB的缓存

[0036] ●50Ω和1MΩ可选的输入阻抗

[0037] ●内/外触发可选，上升/下降沿触发可选的触发方式

[0038] 计算机6采用工业控制计算机6，工业控制计算机6主要实现对整个监测过程的控制，它通过软件来控制信号调理单元4以及信号采集单元，并储存采集到的数据以便进一步分析。

[0039] 本系统采用图形化编程软件LabVIEW、数据库软件SQL Server等编写电缆接头7局部放电测试软件，通过对局部放电不同角度参数的显示对比，实现系统运行控制、参数设置、信号处理、数据采集及存储，并进行数据统计分析、数据库管理等功能。

[0040] 根据设计要求，本套软件可分为数据采集、数据处理、谱图分析、趋势分析、数据整理及报表等部分。

[0041] 其中，数据采集部分主要是完成对数据采集卡的设置，譬如采样速率、采样长度、触发选择以及采集卡量程等。对于本测量系统，采样速率和采样长度固定为500MS/s和10M个点，触发选择为外部触发，触发信号为工频过零信号，采集卡量程根据信号的大小在
10mV~10V之间可调。采集软件根据设定的采集卡参数进行数据采集，并将采集到的数据自动送到数据库进行处理和存储。

[0042] 参见图3，电容耦合传感器等效电路包括第一金属屏蔽、第二金属屏蔽、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和检测阻抗3zd；电容C1一端与电缆本体16连接，另一端通过第一金属屏蔽与电容C2一端连接，电容C2的另一端与检测阻抗3Zd左端连接；电容C3一端与电缆本体16连接，另一端通过第二金属屏蔽与电容C4一端连接，电容C4的另一端与检测阻抗3Zd右端连接。

[0043] 本发明的验证

[0044] 1.实验室验证

[0045] 实验对象为一根35kV的带有电缆接头7的XLPE电缆，且电缆接头7处通过扎针来模拟毛刺放电。将5pC的方波接入电缆的线芯与屏蔽层之间，传感器输出信号表明本发明的电容耦合传感器能耦合到电缆接头75pC的放电脉冲。

[0046] 去掉方波，将试验变压器输出端接在电缆的线芯和屏蔽层之间，加压至5.3kV，从传感器输出的放电脉冲信号可以看出传感器能有效地耦合到电缆接头7局部放电，并在0~300MHz内有较好的频谱响应。

[0047] 2.现场验证

[0048] 将本发明的系统在新疆乌鲁木齐南门变电站某一110kV电缆接头7上进行测试。由于现场噪声的干扰，以及局部放电信号本身幅值较小，需要通过一定的信号调理，并通过软件滤波以及相位开窗等抗干扰措施来获得有效的局部放电信号。

[0049] 现场测试表明本发明系统可以有效地在现场测试电缆接头7的局部放电。

[0050] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。