CN102937691B - 一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，主要由高频电流传感器、脉冲发射天线、高频信号电缆以及监测主机组成。现场检测时，在两个采区变电所电缆接地线端分别放置一套装置。脉冲发射天线以高频信号电缆与监测主机相连，监测主机控制脉冲发射电路产生幅值与频率均可变的高频脉冲信号，并通过脉冲发射天线耦合到被测电缆中。高频电流传感器通过高频电缆与监测主机相连，该线圈检测并接收电缆中的高频脉冲信号，监测主机可在检测到高频脉冲信号时立即发射一个高频脉冲，所发射脉冲的幅值和频率与接收脉冲相同。通过上述过程，完成电缆两端的精确对时，达到准确定位电缆局部放电点的目的。

Description

一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置

技术领域

本发明涉及矿用电力设备绝缘状态在线监测技术及其应用领域，特别是涉及用于矿用电缆开展绝缘状态评估时非侵入式局部放电在线监测与定位相关技术领域。

背景技术

矿井中电力电缆的绝缘状态监测、分析与故障定位是矿井电力设备检测的重要内容，也是为保证矿井安全所必需的监测手段。今年来，城市电网管理部门通过在电力电缆接地线处短时或长期安装高频电流传感器测量流过接地线的脉冲电流，分析局部放电的强度与频率、监测电力电缆绝缘状态，取得较好的实践效果。但也存在若干技术问题尚未解决，主要有在线监测时强背景噪声干扰，高频脉冲传播速度估计不准确，高频脉冲传播时衰减***难以确定，导致绝缘状态监测的效果不佳，局放点定位经常有误。另一方面，这些先进的检测技术并未用到矿用电力设备的安全检测当中，无法提升矿井中电力设备的故障监测与故障定位的技术水平。

对于矿井中电缆绝缘状态监测与故障定位，目前面临的主要困难有如下几个方面：

首先，背景噪声干扰问题：在线监测环境下，很多外部强电磁干扰会通过接地网、接地铜排、电缆接地线向电网传播，这些强干扰通常比实际的放电信号大，导致检测时的信噪比很低，局放信号难于提取。同时也造成故障定位***的发射装置误触发，故障定位难度加大，故障定位效率低下。

其次，高频脉冲在电缆中传播速度不易准确估计也是电缆绝缘状态在线监测与故障定位***所面临的重要难题。当前所实现的***，故障定位时使用的传播速度一般取经验值，并假定各种情况下该传播速度均保持不变，这往往与实际情况不符，导致定位误差较大，故障处理费时费力。

因此，设计一种安全、便携、高效的电缆绝缘状态监测与故障定位装置，解决矿用电缆局部放电在线监测与定位的问题，保证矿用电力设备的安全运行，为当前业界的研究热点。

发明内容

本发明提供一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，具有安全、便携、灵活与准确等特点，可很大程度上解决当前矿用电力电缆绝缘状态在线监测与故障定位***检测灵敏度低、故障定位效率不高等问题，提升了相关领域的技术水平，弥补了监测技术在实际应用中的不足。

本发明一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，主要由高频电流传感器，脉冲发射天线，高频信号电缆和监测主机组成，所述高频电流传感器通过高频信号电缆与监测主机相连，所述脉冲发射天线通过高频信号电缆与监测主机相连，所述监测主机包括脉冲接收电路，采集板卡，脉冲发射电路和工控机，两个采区变电所分别安装一个所述在线监测与定位智能装置，所述高频电流传感器和脉冲发射天线分别套接在同一采区变电所的电缆接地线上，当监测主机捕捉到局部放电信号后，通过脉冲产生电路生成同频率但幅值比局部放电大得多的高频脉冲，通过脉冲发射天线发射出去。

所述脉冲输出电路主要由高速电子开关电子开关K61、电感L61、电感L62、电感L63、电容C61、电容C62、电容C63、电容C64、电阻R61、电阻R62、电阻R63与运算放大器OP61构成；所述高速电子开关K61、电感L61、电感L62、电感L63、运算放大器依次串联连接，所述电阻R61连接在运算放大器的同相输入端，所述电容C64一端接地，一端连接在运算放大器的反相输入端，所述电阻R63一端接地，一端连接在运算放大器的反相输入端，电阻R62连接在运算放大器的同相输入端和输出端之间；所述运算放大器和电感L63之间的结点通过电阻R64接地，所述电感L63和嗲拧干L62之间的结点通过电容C63接地，所述电感L62和电感L61之间的结点通过电阻电容C62接地，所述高速电子开关K61和电感61之间的结点通过电容C61接地。

所述脉冲产生电路电阻均采用精度为千分之一，温度系数小于10×10-6/℃的高精度低温漂电阻；电容均采用电容量稳定、温度范围宽，温漂小的COG电容器；运算放大器采用高精度仪表运算放大器，其指标至少应满足：失调电压为5mV、开环增益100dB、偏置电流10pA、有效带宽为100MHz。

所述脉冲发射天线主要由天线外壳、阿基米德天线、天线放电管、微分电阻、天线BNC接头组成，所述阿基米德螺旋天线位于天线外壳内，天线激励端口自天线外壳引出并连接到天线BNC接头，所述微分电阻和天线放电管串联后连接在天线BNC接头两端。

所述阿基米德螺旋天线线圈绘制于PCB板上，所述PCB板使用FR4基材，阿基米德螺旋天线匝数不超过10匝，天线等效电容不超过100pF。

所述高频电流传感器主要由钳形的传感器外壳、磁芯、线圈、积分电阻、无源带通滤波器、传感器放电管、传感器BNC接头组成，所述线圈缠绕在磁芯上，所述磁芯位于传感器外壳内，所述线圈的一个端部自传感器外壳引出并通过无源带通滤波器与传感器BNC接头连接，所述积分电阻和传感器放电管串联后连接在传感器BNC接头两端，且积分电阻和传感器放电管之间的结点与无源带通滤波器的输入端相连。

所述无源带通滤波器主要由电感L41、电感L42、电感L43、电感L44、电感L45、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47构成；所述电感L41的左端通过电容C41接地；所述电感L41的右端和电感L42的左端通过电容C42接地；所述电感L42的右端和电容C44的左端通过电容C43接地；所述电容C44的右端与电容C45的左端通过电感L43接地，所述电容C45的右端与电容C46的左端通过电感L44接地，所述电容C46的右端与电容C47的左端通过电感L45接地。

所述高频信号电缆为45MHz以内衰减小于0.5dB/m单芯同轴电缆。

所述脉冲传输电路，采集板卡，脉冲放大电路封闭在主机外壳内，所述主机外壳和所述传感器外壳与天线外壳外周均设置有绝缘材料，该绝缘材料均采用环氧树脂材质。

采用该设计后，本发明至少具有如下优点：

1、本发明所采用的接收线圈外壳，发射天线外壳与主机外壳均具有矿井现场要求的绝缘水平和隔爆要求，保证了使用人员操作该仪器时的安全性；

2、使用本发明进行现场监测时，操作人员在两个采区变电所，分别放置一台装置。将高频电流传感器与脉冲发射天线同时套接在电缆接地线上，通过调节监测主机智能分析软件，即可探测不同强度的局部放电信号。当捕捉到局部放电信号后，监测主机自动识别信号的幅度与频率，然后通过发射天线发送相同频率但幅值比局部放电大得多的高频脉冲。两端的监测主机各自均可接收到该高频脉冲，从而可完成精确对时，然后可准确计算出高频脉冲在电缆中的传播速度。通过计算发射脉冲和发射脉冲的幅值差，可准确计算脉冲沿电缆传输时的衰减系数。由于所发射的脉冲幅值比背景噪声和局部放电信号均大得多，因此降低了双端通信失败的几率，可以大大提高故障定位的准确性。采用上述策略后，工作人员监测的效率、局部放电定位的精度和状态评估的可靠性均得到极大提升。

附图说明

以上所述仅是本发明方案概述，为了更清楚说明本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作详细说明。

图1为本发明一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置的组成示意图。

图2为本发明一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置高频电流传感器的基本组成示意图。

图3为本发明一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置脉冲发射天线的基本组成示意图。

图4为本发明一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置无源带通滤波电路的基本结构示意图。

图5为一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置主机的基本组成示意图。

图6为一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置脉冲发射电路的基本组成示意图。

图7为本发明一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置在现场应用的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，主要由高频电流传感器11，脉冲发射天线12、高频信号电缆13、监测主机14组成。

如图2所示，高频电流传感器11由钳形的传感器外壳21、磁芯22、线圈23、积分电阻24、无源带通滤波器25、传感器放电管26、传感器BNC接头27组成。所述线圈23缠绕在磁芯22***，所述磁芯22设置在传感器外壳21内，所述线圈的一个端部自传感器外壳引出并通过无源带通滤波器25与传感器BNC接头27连接，所述积分电阻24和传感器放电管26串联后连接在传感器BNC接头两端，且积分电阻24和传感器放电管26之间的结点与无源带通滤波器25的输入端相连。

如图3所示，所述脉冲发射天线12主要由天线外壳31、阿基米德天线32、天线放电管33、微分电阻34、天线BNC接头35组成，所述阿基米德螺旋天线位于天线外壳内，所述阿基米德螺旋天线线圈绘制于PCB板上，所述PCB板使用FR4基材，所述阿基米德螺旋天线匝数不超过10匝，天线等效电容不超过100pF，天线激励端口自天线外壳引出并连接到天线BNC接头，所述微分电阻和天线放电管串联后连接在天线BNC接头两端。

图4所示为无源带通滤波器25，主要由电感L41、电感L42、电感L43、电感L44、电感L45、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47构成。所述电感L41、电感L42、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47依次串联连接；所述电容C41的一端接地，另一端与电感L41的输入端相连；所述电容C42的一端接地，另一端与电感L41和电感L42之间的结点相连；所述电容C43的一端接地，另一端与电感L42和电容C44之间的结点相连；所述电感L43的一端接地，另一端与电容C44和电容C45之间的结点相连；所述电感L44的一端接地，另一端与电容C45和电容C46之间的结点相连；电感L45的一端接地，另一端与电容C46和电容C47之间的结点相连。

如图5所示，监测主机14由主机BNC接头51、脉冲放大电路52、脉冲产生电路53，采集板卡54、工控机55、主机外壳56组成。监测主机上端BNC接头51通过单芯同轴电缆连接到脉冲发射天线的天线BNC接头35，监测主机下端BNC接头通过单芯同轴电缆连接到脉高频电流传感器的BNC接头27。

所述工控机与脉冲产生电路以及采集板卡相连，所述采集板卡与脉冲放大电路相连，使用时，将脉冲发射天线与高频电流传感器安装在电缆接地线上，调节工控机的智能检测软件，可探测不同幅度的局放信号。当接收到局放信号后，两端的监测装置分别通过监测主机发射脉冲信号。通过智能调节发射脉冲的幅值，可使得该脉冲幅值大大高于监测时的环境噪声，从而提升双端同步的准确度。通过工控机智能分析软件计算两个发射脉冲到达的时间差，最终可精确计算脉冲在电缆中的传播速度。通过计算发射脉冲和发射脉冲的幅值差，可准确计算脉冲沿电缆传输时的衰减系数，从而可以诊断出电缆中是否发生局部放电以及定位局部放电。

脉冲产生电路53结构如图6所示，主要由高速电子开关电子开关K61、电感L61、电感L62、电感L63、电容C61、电容C62、电容C63、电容C64、电阻R61、电阻R62、电阻R63与运算放大器OP61构成。所述高速电子开关电子开关K61、电感L61、电感L62、电感L63依次串联连接，所述，电容C61的一端接地，另一端连接在高速电子开关电子开关K61和电感L61之间的结点上；所述电容C62的一端接地，另一端连接在电感L61和电感L62之间的结点上；所述电容C63的一端接地，另一端连接在电感L62和电感L63之间的结点上；所述电感L63的一端与电感L62相连，另一端连接在运算放大器OP61的输出端，电阻R61连接在运算放大器的同相输入端，电阻R62的一端连接在运算放大器的同相输入端，另一端连接在运算放大器的输出端，所述电容C64和电阻R63的连接关系均为：一端接地，另一端连接在运算放大器的反向输入端，所述电阻R64的一端接地，另一端连接在电感L63和运算放大器的输出端之间的结点上。

传感器外壳21、天线外壳31，主机外壳56均采用环氧树脂绝缘材料。

监测主机中包含的分析软件，主要工作可分成两个模块。第一个模块可智能判断现场检测到的噪声幅值与频率，根据现场噪声水平，发射不同幅值与频率的高频脉冲信号。第二个模块提取发射脉冲与发射脉冲的时间差与发射脉冲与发射脉冲的幅值差。现场监测示意图如图7所示，该图中被测电缆为电缆72与电缆73之间的电缆，由多段电缆通过中间接头连接而成。在采区变电所A放置一套本发明所述装置，脉冲发射线圈与高频电流传感器同时安装到电缆接地线71上。在采区变电所B也放置一套本发明所述装置，脉冲发射线圈与高频电流传感器同时安装到电缆接地线74上。当两端的高频电流传感器接收到脉冲后，可同时发射幅度与频率经过智能化软件优化后的高频脉冲信号。两端发射的高频信号可分别同时被各采区的监测主机采集并分析。根据测量信号的时间差可以计算出脉冲沿电缆传播的速度，从而可定位局部放电信号的故障点。同时，由于所发射的脉冲幅值较背景干扰大得多，避免了装置被频繁误触发。

可见，本发明在矿井检测现场，将高频电流传感器与脉冲发射天线联合工作，通过监测主机智能软件自动判断并产生频率与幅度可变的高频脉冲信号，使得两端的监测装置接受到比背景噪声大得多的脉冲信号，避免两端装置被误触发，提高了监测的成功率。采区变电所两端的监测装置在精确通信后，便可通过软件准确获取高频脉冲信号沿电缆传播的速度与衰减系数。当获取了高频脉冲的传播速度与衰减系数后，便可准确估计电缆绝缘故障程度和准确定位故障点，显而易见，本发明所述装置可提高监测效果和工作效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：主要由高频电流传感器(11)、脉冲发射天线(12)、高频信号电缆(13)和监测主机(14)组成，所述高频电流传感器(11)通过高频信号电缆(13)与监测主机(14)相连，所述脉冲发射天线(12)通过高频信号电缆(13)与监测主机相连，所述监测主机包括脉冲放大电路(52)、采集板卡(54)、脉冲产生电路(53)和工控机(55)；两个采区变电所分别安装一个所述在线监测与定位智能装置，所述高频电流传感器(11)和脉冲发射天线(12)分别套接在同一采区变电所的电缆接地线上，当监测主机(14)捕捉到局部放电信号后，通过脉冲产生电路生成同频率但幅值比局部放电大得多的高频脉冲，通过脉冲发射天线(12)发射出去；

所述脉冲产生电路(53)主要由高速电子开关K61、电感L61、电感L62、电感L63、电容C61、电容C62、电容C63、电容C64、电阻R61、电阻R62、电阻R63与运算放大器OP61构成，所述高速电子开关K61、电感L61、电感L62、电感L63、运算放大器依次串联连接，所述电阻R61连接在运算放大器的同相输入端，所述电容C64一端接地，一端连接在运算放大器的反相输入端，所述电阻R63一端接地，一端连接在运算放大器的反相输入端，电阻R62连接在运算放大器的同相输入端和输出端之间；所述运算放大器和电感L63之间的结点通过电阻R64接地，所述电感L63和电感L62之间的结点通过电容C63接地，所述电感L62和电感L61之间的结点通过电容C62接地，所述高速电子开关K61和电感L61之间的结点通过电容C61接地；

所述高频电流传感器(12)主要由钳形的传感器外壳(21)、磁芯(22)、线圈(23)、积分电阻(24)、无源带通滤波器(25)、传感器放电管(26)、传感器BNC接头(27)组成，所述线圈缠绕在磁芯上，所述磁芯位于外壳内，所述线圈的一个端部自传感器外壳引出并通过无源带通滤波器(25)与传感器BNC接头(27)连接，所述积分电阻(24)和传感器放电管(26)串联后连接在传感器BNC接头两端，且积分电阻(24)和传感器放电管(26)之间的结点与无源带通滤波器(25)的输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：所述脉冲产生电路的电阻均采用精度为千分之一、温度系数小于10×10-6/℃的高精度低温漂电阻；电容均采用电容量稳定、温度范围宽、温漂小的COG电容器；运算放大器采用高精度仪表运算放大器，其指标至少应满足：失调电压为5mV、开环增益100dB、偏置电流10pA、有效带宽为100MHz。

3.根据权利要求1所述的一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：所述脉冲发射天线(12)主要由天线外壳(31)、阿基米德螺旋天线(32)、天线放电管(33)、微分电阻(34)、天线BNC接头(35)组成，所述阿基米德螺旋天线位于天线外壳内，天线激励端口自天线外壳引出并连接到天线BNC接头(35)，所述微分电阻(34)和天线放电管(33)串联后连接在天线BNC接头两端。

4.如权利要求3所述的一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：所述阿基米德螺旋天线线圈绘制于PCB板上，所述PCB板使用FR4基材，阿基米德螺旋天线匝数不超过10匝，天线等效电容不超过100pF。

5.根据权利要求1所述的一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：所述无源带通滤波器(25)主要由电感L41、电感L42、电感L43、电感L44、电感L45、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47构成；所述电感L41的左端通过电容C41接地；所述电感L41的右端和电感L42的左端通过电容C42接地；所述电感L42的右端和电容C44的左端通过电容C43接地；所述电容C44的右端与电容C45的左端通过电感L43接地，所述电容C45的右端与电容C46的左端通过电感L44接地，所述电容C46的右端与电容C47的左端通过电感L45接地。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：所述脉冲产生电路(53)、脉冲放大电路(52)与工控机(55)封闭在主机外壳(56)内，所述主机外壳(56)和所述传感器外壳(21)与天线外壳(31)外周均设置有绝缘材料，该绝缘材料均采用环氧树脂材质。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种矿用电缆局部放电在线监测与定位智能装置，其特征在于：所述高频信号电缆为45MHz以内衰减小于0.5dB/m单芯同轴电缆。