多传感技术融合的电缆局部放电检测系统的研发

引言

局部放电法能够对电缆绝缘缺陷产生的局部放电信号进行检测,通过对放电量和相位等特征参数的分析,可以判断缺陷类型和绝缘劣化程度,进而分析绝缘老化的趋势,预测电缆剩余寿命。该方法对电缆的可靠运行具有重大意义,至今在电缆绝缘监测方面已有很多成功案例。

局部放电法具体可分为高频电流(HFCT)法、超高频(UHF)法、超声波(AA)法、温度检测法和化学检测法等,但由于使用场景和检测量等一系列原因,单一检测方法都具有局限性。通过多种检测法和多传感技术的联合检测,对电缆局部放电产生的各种电信号和非电信号同时进行分析,能够有效避免单一检测方法的局限,提高测量结果的灵敏度和准确性。

1电缆局部放电检测原理

1.1高频电流(HFCT)法

HFCT法在电缆局放检测中最为基础。电缆发生局部放电时,会产生高频脉冲电流,HFCT传感器通过耦合其激励出的电磁场信号,产生感应电动势。该电压信号可以反映局部放电的信息。

局部放电产生的高频脉冲会向电缆两端传播,沿一个方向能直达HFCT传感器,沿另一个方向传播到电缆末端,再经过反射到达传感器,因此会产生脉冲到达传感器的时间差。根据脉冲信号在电缆中的传播速度,可以实现局放定位,如图1所示。

使用两个HFCT传感器同步检测还可以实现局放点方向的判断。如果局放点在两个传感器中间,两个传感器采集到的信号是相反的,如图2所示。如果局放点在两个传感器同侧,两个传感器采集到的信号是相同的,如图3所示。

1.2超高频(UHF)法

UHF法的原理也是耦合电缆局部放电产生的电磁波信号,但与HFCT法不同的是,它的传感器采用超高频天线。由于局放信号的频带在几百kHz至上千MHz之间,低频率的信号很难对其造成干扰,抗干扰性强,灵敏度高,因此该方法广泛应用于电气设备的局部放电检测,GIs领域最为明显。

该种方法的定位原理与HFCT法相似,通过在电缆附件位置安装传感器,利用时间差实现局放源定位。

1.3超声波(AA)法

AA法通过超声波传感器获取局部放电产生的声信号,压电晶片将声信号转化成电信号进行分析。由于声波信号的强度和局部放电程度有很好的相关性,且与电缆没有电气连接,所以受电磁干扰比较小,在局放检测领域中有很多应用。

超声波信号在空气中的衰减程度比较大,检测到信号强度最大处基本就在局放点附近。同时也可以通过设置多个传感器,利用信号到达不同传感器的时间差实现精确定位。

1.4联合检测与定位技术

该种联合检测技术主要在电缆附件处实现,电缆附件包括电缆终端和电缆中间接头。将HFCT传感器套接在电缆附件的接地线上或附件相邻的电缆本体上,UHF传感器和AA传感器安装在电缆附件的附近,如图4所示。

对电缆线路进行巡检时,使用HFCT传感器和UHF传感器对各电缆附件进行检测,判断局放源的大概位置。之后在大致局放点附近安装两个HFCT传感器,判断局放源的方向。最后,利用三种传感器对局放点进行联合定位。

1.5单一检测方法与联合检测对比分析

采用HFCT法、UHF法和AA法对某一电缆终端进行局放检测,结果如图5所示,通道1、2为超高频检测数据,通道3为高频电流检测数据,通道4为超声波检测数据。通过比较可以看出,超高频检测结果图像规整,但脉冲不易观察,且无法判断是干扰还是局放脉冲。高频电流检测结果脉冲较为明显,但受干扰较重,图像杂乱。超声波检测结果具有更明显的放电信号特征。通过比对超声波和超高频检测结果,可以确定电缆存在局部放电缺陷。

如表1所示,单一检测方法在抗干扰能力、灵敏度、检测范围、定位能力等方面各有优劣。由于干扰信号与局放信号特征较为相似,容易造成误判。联合检测方法以声、电为检测量,当一种方法检测到疑似局放信号时,如果其他方法也检测到该类型信号,则判定为局部放电,未检测到则判定为干扰。这样能够有效甄别局放信号和干扰信号,避免误判。HFCT法和UHF法的检测范围较大,可以用来判断局放源的大致范围,之后用AA法精确定位。

2系统硬件开发

多传感技术融合的电缆局部放电检测系统的硬件部分由传感器、信号调理单元、数据采集单元、系统主机、电源及开关电路构成,如图6所示。

2.1传感器

HFCT传感器主要结构为Rogowski线圈和超微晶材料的电磁耦合磁芯,利用钳形设计套在电缆接地线上。UHF传感器的主体结构是微带天线,使用时安装在电缆附件的附近。AA传感器的主体结构是压电晶片探头,可以手持,在电缆附件周围移动检测。实物如图7所示。

2.2信号调理单元

由于局部放电产生的信号十分微弱,更有外部电场磁场等干扰,传感器采集到的信号不能直接用来分析,必须通过硬件的滤波放大,变为有效信号。

本文针对电缆局部放电信号的特点,设计了多级放大滤波电路,能够有效去除外界信号的干扰,提取有效信号并放大,使局放特征参数更为明显,便于系统测量分析,如图8所示。

由于UHF信号的频率上GHz,不适合直接进行采样处理,所以要利用峰值保持电路对信号进行对数放大、脉冲展宽,同时可以避免信号的失真,其电路如图9所示。

考虑到高频信号的频率范围,需要设置带通滤波电路,其结构为前端高通滤波和后端低通滤波的2级RC网络,原理如图10所示。

2.3数据采集单元

本系统采用高速采集芯片作为数据采集单元的主体,与工频相位同步采集,其流程是将经过调理的局放信号进行模数转换,变成数字化信号传输给系统主机进行分析,同时能够接收并执行系统主机发送的转换控制信号,如图11所示。

2.4系统主机

系统主机作为人机交流的平台,在主机内装有各种软件,实现系统的控制处理功能,包括数据的采集控制、处理、分析、诊断等,并通过电子屏幕向操作人员展示检测结果。

3系统软件开发

系统软件主要包括四个部分:采集控制模块、分析处理模块、专家诊断模块和数据库模块,其流程如图12所示。

3.1采集控制模块

该模块可以实现对高速采集卡的控制,包括检测模式的切换、采样参数的设置、采样数据的读取与反馈。

本系统的检测模式分为实时诊断模式和连续采样模式。实时诊断模式是软件按照设定的采样次数对局放信号进行采集,生成诊断图谱后系统停止并显示诊断结果。连续采样模式是系统直接显示采集的数据波形而无需分析和诊断。

3.2分析处理模块

该模块具有数字滤波、特征提取和图谱生成的功能,并将特征数据信息存入数据库,供系统诊断使用。

仅靠硬件滤波,难以完全排除外部信号的干扰,所以通过软件对信号进行数字滤波处理也是非常必要的。比如FFT去噪算法、小波去噪算法和神经网络(NN)算法等都对窄带、白噪声和脉冲等干扰有很好的滤波效果。

研究表明,电缆局放信号特征提取包括十余种特征量,如最大放电量、平均放电量、均方率等,能够有效反映电缆的局部放电情况和绝缘状态。

根据提取的特征量,软件可以生成二维谱图和三维谱图,包括最大放电量相位谱图Hqmax(φ)、平均放电量相位谱图Hqn(φ)、放电次数相位谱图Hn(φ)和三维放电谱图Hn(φ,g)等。

3.3专家诊断模块

根据实验数据分析,不同缺陷类型产生的局部放电信号在相位分布上具有明显特征,结合放电量等特征参数,通过对比实验室条件下的典型缺陷模型实验得出的指纹库,可以判断缺陷类型。

软件利用人工神经网络、模糊逻辑学、统计学算法等信号类型识别算法可以判断电缆产生局部放电的绝缘缺陷类型,并生成报告,具有较高的准确率。

通过长期监测,可以根据各放电类型放电量和频次的增长量分析电缆绝缘劣化的趋势,进而评估电缆绝缘的剩余寿命。

3.4数据库模块

数据库模块分为原始数据库和特征数据库两个部分。局部放电信号经过滤波放大的处理,提取特征参数之后,存入原始数据库,也是就说原始数据库是用来储存检测数据的。另外,原始数据库也提供诊断报告的存储和调用,用户可以通过它查看历史数据和报告。特征数据库是指在实验室条件下,建立典型缺陷模型实验得出的特征量数据库,也称之为指纹库。其作用是作为判据,检测数据和它进行对比,通过模式识别判断绝缘缺陷类型。数据库模块可以实现对检测数据和诊断报告的效率管理。

4结论

本文基于HFCT法、UHF法和AA法研制了一套多传感技术融合的电缆局部放电检测系统,并分析了系统的原理及结构。该系统对电信号和非电信号同时进行分析,避免了单一传感技术由于使用场景和检测量类别带来的局限性,具有更高的准确率。配置的分析诊断软件,更能有效管理历史数据,助力趋势研究。因此,该系统在电缆局部放电检测领域有很好的发展前景和应用空间。

但在研发过程中,我们也发现了以下问题:

(1)对于本系统,提高系统的自动化水平、数据同步采集分析、干扰信号区分并自动排除等问题都是我们的研究方向。

(2)特征向量的选取能够影响识别结果,建立合理的特征数据库,能够增加诊断结论的准确性。这就需要相关行业运行经验的积累,并建立统一标准。

(3)当电缆在实际运行中出现绝缘劣化时,往往不是单独一种类型的缺陷,而是多种类型同时产生,如何分离这些缺陷信号就成为了一个难题。所以需要优化分析软件的算法,提高诊断结果的精度,使分析结论更为全面。