基于振荡波系统的交联聚乙烯电缆局部放电在线监测.docx

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基于振荡波系统的交联聚乙烯电缆局部放电在线监测

摘要

近年来随着电力行业高压输电的快速发展，交联聚乙烯（XLPE）电缆成为中高压输电系统中的主要品种，对电缆绝缘的检测也成了研究的一个热点，由于局部放电信号与电缆绝缘老化的关系密切，可以通过检测局部放电来检测电缆的绝缘。

本文首先阐述了局部放电的机理，接着综述了国内外现有的电力电缆局部放电在线检测方法，并选择用振荡波检测法检测电缆局部放电。

振荡波电压法局部放电检测技术由于其在检测XLPE电缆局部放电方面的优越性，因此越来越多的受到国内外专家的重视。

在此基础上研究并设计了电力电缆在线监测系统，主要有硬件部分和软件部分组成。

关键词：

交联聚乙烯电缆振荡波电压法局部放电监测

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofelectricpowerindustryofEHVtransmission,crosslinkedpolyethylene（XLPE）cablebecomethemainvarietiesofhighvoltagetransmissionsystem,forthedetectionofcableinsulationhavebecomeahotresearch,duetopartialdischargesignalandcableinsulationagingarecloselyrelated,canbeinsulatedbypartialdischargedetectiontodetectcable.

本文首先阐述了局部放电的机理，接着综述了国内外现有的电力电缆局部放电在线检测方法，并选择用振荡波检测法检测电缆局部放电。

振荡波电压法局部放电检测技术由于其在检测XLPE电缆局部放电方面的优越性，因此越来越多的受到国内外专家的重视。

Thispaperdescribesthemechanismofpartialdischarge,thenreviewstheon-linedetectionmethodofPowerCablePartialDischargeexistingathomeandabroad,andchooseforpartialdischargedetectioncableoscillationwavedetectionmethod.PartialdischargeoscillatingwavevoltagedetectiontechnologybecauseofitssuperiorityinpartialdischargedetectionofXLPEcable,somoreandmoreattentionbydomesticandforeignexperts.

在此基础上研究并设计了电力电缆在线监测系统，主要有硬件部分和软件部分组成。

Basedontheresearchanddesignofonlinemonitoringsystemofpowercable,includethehardwareandsoftwarecomponents.

Keywords:

XLPEcable;oscillationwavevoltagemethod;partialdischargedetection;

第一章绪论

1.1课题研究的背景与意义

随着我国电力行业的发展，交联聚乙烯电缆凭借其优越性能得到了广泛的应用。

局部放电作为电缆线路绝缘故障早期主要表现形式，是引起绝缘老化的原因同时也是表现绝缘情况的一种主要参数。

因此在电缆运行过程中对电缆的在线监测是我国密切关注的技术热点。

1.2局部放电原理简介

电缆的局部放电指的是电缆一直暴露在高场强下，电缆局部产生的没有贯穿的放电。

电缆的大多数绝缘破坏最初都是由局部放电引起的。

引起电缆局部放电的原因有很多，例如电缆的电极系统不对称、介质不均匀、绝缘部分含有气泡等。

在安装过程中，若电缆连接处接触不良，也可能引起局部放电。

局部放电会破坏电缆的绝缘，使放电区域不断扩大，最终导致电缆的绝缘击穿，造成重大事故，因此需要对其进行在线监测。

1.3现有XLPE电缆局部放电检测方法

低频法：

各国科学家在三十多年前就开始通过给电缆加超低频电压（0.1Hz）来判断其绝缘是否完好。

虽然该方法能在低电压下就发现电缆的绝缘故障不引起局部电场畸变，但是低频电压需要加很长时间才能得出结论，而加低频电压时间过长有可能引起其它的绝缘损坏，所以该方法没有广泛应用。

直流耐压法：

它虽然能体现电缆绝缘的泄漏和耐压特性。

但由于XLPE电力电缆的绝缘电阻很高，并且交直流下的电压分布差别极大，若使用直流耐压试验会造成运行时电缆绝缘击穿，因此不适合对XLPE电缆进行直流耐压试验。

工频耐压法：

工频下虽然其电压波形和频率能反映电缆的泄露特性和耐压特性，但检测设备需要很大的容量，因此设备庞大，而且操作麻烦，不宜采用。

第二章振荡波监测的基本原理及系统

2.1局部放电中振荡波测量技术的机理

电缆由于它的电容量大，很难在现场进行局部放电检测。

所以提出了用超低压和变换脉冲电压检测。

但这些产品的设计十分困难，最主要的是测量的数据和工频下测量的值误差很大。

由此设想能否把超低频电压和工频交流电压联系起来，让它既同时具备两者的优点，实现在工频下能给大电容充电，又同时克服两者的缺陷，即无法识别电缆绝缘缺陷和在工频下无法给大电容充电。

2.2局部放电中振荡波测量技术的优缺点

振荡波测量技术的优点：

（1）充电周期短，功率需求小，设计简单易懂，易于现场操作。

（2）与交流电压等效性能好，能发现XLPE电缆中的各种缺陷，对电缆损伤小而且测量值准确。

（3）对新旧电缆都适用，而且能准确检测出绝缘故障并定位。

振荡波测量技术的缺点：

（1）在对局部放电数据分析过程中，无法在已知缺陷点位置的基础上识别是什么缺陷。

（2）振荡波检测技术对中等长度电缆的检测准确度较高,但对短电缆检测精度较差。

2.3振荡波检测系统简介

振荡波测试系统，（OscillatingWaveformtestsystem）简称OWTS系统,振荡波测试系统是近年来国内外研究较多的一种用于XLPE电力电缆局部放电检测和定位的技术。

国际上应用比较广泛的振荡波测试系统（OWTS）能够有效检测和定位电缆局部放电的位置且检测本身不对电缆造成伤害。

其基本思路是利用电缆等值电容与电感线圈的串联谐振原理，使振荡电压在多次极性变换过程中电缆缺陷处会激发出局部放电信号，通过高频耦合器测量该信号从而达到检测目的。

振荡波检测系统的电缆局部放电检测和定位装置的原理示意图如图2.1所示。

图2.1OWTS振荡波电缆局部放电检测

第三章OWTS系统硬件总体设计

3.1系统硬件总体设计

本系统采取模块化设计，主要分为四个设计模块：

电源模块、数据采集模块、抗干扰技术模块、单片机外围设计模块。

其中电源模块主要是振荡波电源技术，数据采集模块主要为罗氏线圈传感器、A/D转换器，负责对数据的采集和存储，抗干扰技术模块主要介绍在时域和频域上干扰的种类，单片机外围设计模块主要介绍数据的监测与通信。

以下为硬件设计框图:

图3.1

3.2振荡波电源技术

随着电源技术在电力系统中的发展，我们对电源的应用有了很大要求，随着电力电缆的不断发展，其电容量大导致很难在工频电压下测试其局部放电。

过去的充油电缆大部分采用直流试验，对电源要求较低，但是对于XLPE电缆来说，它的绝缘电阻较高，直流耐压试验后会造成电缆绝缘击穿事故，不宜用直流电源。

振荡波电压是国内外研究较多的一种XLPE电力电缆局部放电检测的电源。

这种电源和交流电源等效性较好，有操作方便、便于携带、作用时间短的好处，并且不会对电缆造成伤害，可以有效检测电缆的缺陷。

3.3数据采集模块

本系统采用罗氏线圈采集局部放电信号。

罗氏线圈也叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。

它是根据电磁场耦合的原理测量局部放电脉冲电流信号：

将线圈围绕在被测导体上，导体周围的磁场会随着导体中电流的改变而改变，线圈会因此感应出电动势。

根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律进行数学推导可得出该电动势与导体中电流的导数成正比，再将该电动势积分运算后就可得到导体中的电流。

图3.2罗氏线圈基本原理图

通过对罗氏线圈感应电压的放大和积分处理，就可以得到所测量的交流电流。

同时由于电容的存在可以过滤掉不必要的干扰。

基本放大积分电路设计如图3.3所示：

图3.3

最后通过变送器连接数据采集卡，通过数据采集卡A/D转换成数字信号，最后传到上位机进行数据处理。

3.4单片机外围设计模块

单片机电缆监测系统硬件主要有：

计算机、单片机系统、通信模块等组成。

该部分主要分为两块：

一是数据采集：

该部分采集数据，并将模拟数据转成数字信号送入单片机处理。

二是监测与通信：

单片机对数据监测、采集与简单处理后，经通信网传给上位机。

通讯就是实现上、下位机间、下位机与现场采集器的数据传输。

数据处理和分析模块通过对上传的数据进行记录、保存、归纳、综合分析等，根据参数变化判断电缆故障。

图3.4

3.4.1上位PC机

上位机可接受多台主控机的数据进行分析、处理、显示、故障诊断、报警及控制，并完成数据报表及图形显示。

若相关数据超过预设值，则立即发出图像和声音报警。

3.4.2主控制机

主控机以C8061单片机为核心，通过RS485通信口经通讯网传给上位微机。

主控制机主要完成巡检并输入所有采集器采集的数据。

3.4.3采集器

单片机控制传感器完成数据采集，并存在存储器中，当主控机要求上传数据时，随时可将数据发送至主控机。

3.4.4传感器

子站将实时采集的数据经简单处理后，通过接口电路把传感器编号及相应数据传送给主机。

主机管理全部子站，接收各子站数据，并在Windows环境下以实现界面管理和显示现场数据。

3.4.5数据采集和工控机

本数据采集卡为国产LDI320，可插到PC机或者工控机里工作。

3.5抗干扰模块

在电缆局部放电测量中存在着不可避免的的干扰,从而使测量变得异常困难,所以提高抗干扰技术是必要的。

干扰按时域和频域特征的不同,可分为窄带干扰、脉冲型干扰和背景噪声3类。

1.窄带干扰：

因为局部放电信号的频域特征和频域特征不同,

而且频带非常窄,所以一般采用频域滤波进行抑制。

2.脉冲型干扰：

因为与局部放电信号非常相似,从单个波形上很难分辨,一般采用时延鉴别法进行鉴别。

3.背景噪声：

由于噪声在时域中是无规律的随机脉动,并且在频域的整个频带上均与分布,所以单从频域或时域都不能进行有效的抑制。

以前只能采用时域平均的方法来抑制，但是小波去噪算法的出现解决了这个问题。

第四章OWTS系统软件设计

4.1系统总体设计

本系统软件的主要功能是：

监测整个硬件系统的运行情况，控制硬件动作，并将硬件采集到的数据储存并分析，判断是否有故障，若系统存在故障，则根据所采集的数据进行深度分析定位故障，并发出警报信息。

下图为本系统软件的总体结构图和程序流图：

图4.1

图4.2

4.2系统自检

在系统测量开始前先对系统各部分进行自检，首先对系统硬件部分和软件部分进行初始化。

硬件部分的初始化指在系统软件启动的时候，按照设计的默认值对硬件部分进行各参数的设置，这样可以在系统软件启动后，不需要人为地设置任何参数就可以正常监测。

下图为系统自检的结构图：

图4.3

4.3图像生成

通过OWTS系统，对所加电压的局放脉冲信号与振荡电压关系和局部放电散点图，准确的发现和定位故障点，若电缆在某处有故障点的存在，那么在相应的局放脉冲与振荡电压关系图和局部放电图可清晰的表现出来，故障点会出现‘点集合，线集合’等。

图4.4电压波形与电压关系图

图4.5放电量与放电位置图谱

4.4数据库模块

数据库是整个系统的基础，对OWTS系统所采集到的数据，处理后的信息，各种参数以及设置的阈值和生成的图像图谱进行存储；使信息系统可以方便、及时、准确地从数据库模块中获得所需要的信息。

它在OWTS系统中有着不可或缺的地位。

在本系统中采用Access数据库软件制作，本数据库软件可以把采集的局部放电信号以及生成的局放脉冲与振荡电压关系图和局部放电散点图存储起来。

数据库的采用，保持了数据的统一性和实时性，并能将历史数据进行后台的直接操作，使本系统更能适应现场运行情况。

第五章总结

本文对电缆的局部放电作了简要介绍，并对比了几种局部放电的检测方法，提出了用振荡波检测法监测局部放电，并简单设计了基于振荡波技术的在线监测系统。

但由于所查资料有限，只对硬件系统中的电源技术、数据采集模块、抗干扰模块以及单片机外围等和软件部分的故障检测定位方面进行了详细介绍对于其他细节还有待完善。

随着科技的发展，各种硬件设备和软件系统的更新换代，该系统还需要不断改进；而且随着对电力系统稳定性要求的不断提高，电缆的在线监测的研究也将会越来越重要。

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