CN103513158B - 一种阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼振荡波电压下电缆局部放电检测装置及检测方法。包括：信号耦合单元和宽频带放大单元；所述信号耦合单元包括检测阻抗和耦合电容，检测阻抗的一端与耦合电容的低压侧连接，另一端接地；所述宽频带放大单元包括衰减器，衰减器驱动电路，锁存器以及放大器。信号耦合单元耦合局部放电的原始信号以及在电缆端部的反射信号。耦合的局放信号在放大器适当的放大倍数下，并通过其有效频带，然后经过滤波去除大量干扰信号和背景噪声，充分提高局放信号的信噪比。最后将放大信号送到采集卡输入端，以供数字仪器对局放信号的处理。

Description

一种阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及交联聚乙烯电缆（XLPE）的一种局部放电在线检测方法，特别是一种阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置及检测方法。

背景技术

交联聚乙烯电缆以其合理的结构、工艺以及优良的电气性能以及较高的安全性等优点，在国内外输电线路及配电网中广泛使用。但电缆在生产，运输，安装以及运行过程中，可能会产生气隙、毛刺以及杂质等各种缺陷。存在缺陷或长期运行导致劣化后的电缆容易发生局部放电，在长时间的局部放电作用下，进一步会导致电缆绝缘的击穿，一旦发生事故，有可能会使城市大面积停电、企业停产、医院断电，从而造成较大的经济损失及人身安全等，因此有必要对电缆在投运前和运行后进行局部放电试验。

局部放电试验一直是电缆绝缘非破坏性电气检验的主要项目。迄今为止，国内外用于XLPE电缆及其附件局部放电检测的方法有很多。但由于XLPE电缆及其附件中局部放电信号微弱，波形复杂多变，在传统的测量中极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没，在现场测量中，环境干扰更复杂，难度会更大。世界各国专业人士纷纷致力于高灵敏度的局部放电检测仪器的开发来对电缆绝缘进行局部放电的检测。

随着电子技术的发展，在传统的脉冲电流法的基础上发展了基于宽频带检测技术，应用数字信号处理方法进行抗干扰、定位和谱图分析的计算机辅助的局部放电测量技术，大大推动了电缆局部放电测量技术的发展。振荡波局放检测装置作为一种新型的较方便的电缆现场局放检测和定位方式，具有与交流电源法等效性好、作用时间短、操作方便、易于携带、可有效检测XLPE电缆中的各种缺陷，且试验不会对电缆造成损害等特点。但在现场测量中，如果缺陷微小或外界干扰较大，都使局放检测及定位难度大大加大，因此在现场局部放电检测中，信号的有效提取和放大是亟待完成的难点之一。

发明内容

本发明针对目前电缆局部放电现场检测的灵敏度不高问题，提供一种阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置及检测方法来有效提高局放信号检测的灵敏度及信噪比。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，包括：信号耦合单元和宽频带放大单元；所述信号耦合单元包括检测阻抗和耦合电容，检测阻抗的一端与耦合电容的低压侧连接，另一端接地，所述耦合电容的高压侧与高压电源相连；所述宽频带放大单元包括衰减器，衰减器驱动电路，锁存器以及放大器，所述信号耦合单元的输出与衰减器的输入相连，所述衰减器的输出与放大器相连，所述衰减器驱动电路的输入与锁存器的输出相连，所述锁存器的输入与上位机的输出相连。

作为本发明的优选实施例，所述信号耦合单元进一步包括有隔离变压器，检测阻抗、耦合电容，以及隔离变压器形成RLC型耦合回路。

作为本发明的优选实施例，所述信号耦合单元进一步包括保险丝、二极管，以及滤波电容，所述检测阻抗的输出端依次连接所述保险丝和所述滤波电容，所述检测阻抗的两端并接所述二级管。

作为本发明的优选实施例，所述衰减器主要由阻、容衰减器和继电器构成，由上位机程控实现衰减倍数的改变。

作为本发明的优选实施例，所述放大器采用三级差分放大，单端输入，单端输出，以减小共模干扰。

作为本发明的优选实施例，所述三级放大器的放大倍数前级大，后级小。

作为本发明的优选实施例，所述放大器的输入信号限幅为1mV～8V，输出信号限幅为5V。

基于上述检测装置的检测方法为：通过信号耦合单元提取阻尼振荡波电压下的电缆局部放电信号，然后将该放电信号传送给宽频带放大器，如果放电信号为小电流信号，则跳过衰减器而直径通过放大器放大，如果该放电信号为大电流，则首先通过衰减器衰减后再通过放大器放大。

作为本发明的优选实施例，所述大电流和小电流的判断标准为：如果该电流经由最小倍数的放大器放大后超出了放大器的最大量程，则判断该电路为大电流，反之为小电流

与现有技术相比，本发明装置至少具有以下优点：本发明通过信号耦合单元耦合到电缆中的局部放电信号，然后通过宽频带放大单元对该放电信号进行放大，在信号放大时，上位机根据放大器的输出信号大小，发出相应地切换衰减器的控制信号，从而实现对采集信号的适当放大。

附图说明

图1为本发明检测阻抗及宽频带放大器的信号耦合单元原理图。

图2为本发明检测阻抗及宽频带放大器的检测阻抗幅频特性响应实验电路图。

图3为本发明检测阻抗及宽频带放大器的检测阻抗与Rogowsky线圈的幅频特性对比图。

图4为本发明检测阻抗及宽频带放大器的检测阻抗与Rogowsky线圈的脉冲响应对比图，其中图4（a）为检测阻抗所测图，图（b）为Rogowsky线圈所测图。

图5为本发明检测阻抗及宽频带放大器的放大单元电路结构示意图。图6为本发明检测阻抗及宽频带放大器的放大单元原理图及PCB图。图7为本发明检测阻抗及宽频带放大器阻尼振荡波局部放电检测***实验室试验线路图。

图8为本发明检测阻抗及宽频带放大器实验室阻尼振荡波局部放电检测***升压至4.5kV电压下的电晕放电谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种阻尼振荡波电压下电缆局部放电检测装置，包括信号耦合单元和宽频带放大器。

信号耦合单元主要由检测阻抗，保险丝，放电管，滤波电容，隔离变压器组成，其主要作用为提取阻尼振荡波电压下的电缆局部放电信号。其中，所述检测阻抗的一端接地，另外一端通过耦合电容与高压电源连接；所述放电管与检测阻抗并联连接，所述放电管的一端直接与隔离变压器的一端相连，放电管的另外一端通过串联的保险丝和滤波电容连接在隔离变压器的另外一端。检测电路中的检测阻抗与耦合电容和隔离变压器的一次线圈构成RLC型耦合回路，从而耦合局部放电信号。滤波电容C1和一次线圈构成滤波回路，避免测量侧的干扰信号进入后续电路。隔离变压器起到信号的有效传递。该信号耦合单元的另一特点是装有保险丝和放电管，在电流或电压较大时可以有效的保护检测电路。

本发明中的宽频带放大器单元主要包括衰减器、衰减器驱动电路、锁存器以及放大器。

考虑到不同的放电水平，需要不同的放大倍数，放大器具有可变放大倍数：1倍、5倍、10倍、50倍、100倍，500倍。放大器的输入信号限幅为1mV～8V，输出信号限幅为5V。从而当输入或输出较高时，可以起到一定的保护作用。

本发明具有较高的放大倍数、较低的本机噪声及较宽的频带响应。根据XLPE电缆现场检测及定位要求，设计了频带为20kHz～15MHz，放大系数可达500倍的检测阻抗及宽频带放大器。

下面结合附图说明对本发明做进一步详细描述：

1.信号耦合单元

本发明信号耦合单元（检测阻抗）的主要作用是真实有效的耦合到电缆中的局部放电信号，对试验电压的工频及其谐振的低频信号予以抑制或滤除。因此，检测阻抗对仪器的频率特性与灵敏度有直接关系。

请参阅图1所示，检测阻抗的一端与高压耦合电容的低压侧连接，另一端接地。在检测阻抗的输出端依次连接保险丝、滤波电容以及隔离变压器的一次线圈，并在检测阻抗的两端并接放电管。

高压耦合电容C_K为1nF，通过变换不同的阻抗参数来达到最佳的频带响应和较高的灵敏度。检测阻抗的频带响应指的是电压源频率变化时，检测阻抗两端电压U_Z（mV）与通过分压电容C_K的电流I_C（mA）的比值U_Z/I_C（mV/mA）。当其阻值为2k欧姆时，其频带响应为30kHz～15MHz，且在该频带内响应较平缓，灵敏度相对较高，能够满足该***局放检测和定位的要求。

本发明的信号耦合单元其他参数如下：滤波电容为0.1uF，隔离变压器采用射频变压器（匝数比为1），保险丝采用30mA的保险丝，放电管采用75V的气体放电管。

（1）对上述已优化的检测阻抗与以Ni-Zn材料为磁芯的Rogowsky线圈电流传感器进行频带响应对比实验。

请参阅图3所示。可知：在频带30kHz～15MHz区间内，相比Rogowsky线圈电流传感器，检测阻抗具有较好的频带响应和较高的灵敏度，可以更好地满足局部放电检测的要求。

（2）输入量为50pC方波信号对比试验

请参阅图4所示。当输入量为50pC的方波信号时，可以看出通过检测阻抗所测的脉冲信号为：上升沿时间为t=20ns，幅值为Vp=35mV,测量频率为12.5MHz左右；通过Rogowsky线圈电流传感器所测的脉冲信号为：上升沿时间为t=30ns，幅值为Vp=15mV,测量频率为8.3MHz左右。进一步可以看出，检测阻抗的信号耦合能力要优于Rogowsky线圈电流传感器

2.宽频带放大器单元

本发明的宽频带放大器的电路结构示意图参阅图5及图6所示，主要包括衰减器、衰减器驱动电路、锁存器以及放大器。

衰减器是为了扩大放大器的适用范围，对小信号不衰减，直接进行放大，而对大信号先进行衰减，然后再进行放大，这样不至于在大信号时，放大器进入饱和状态。放大器的放大倍数是不变的，这样可保持放大器的带宽不变。衰减器主要由阻、容衰减器和继电器构成，由上位机程控实现衰减倍数的改变。衰减倍数分为×1、×5、×10、×50、×100、×500六档。

衰减器驱动电路是为了保证继电器能够可靠地吸合而加入的，对来自于锁存器的控制信号进行电流放大，增大吸合时继电器线圈中的电流，保证继电器能够可靠地吸合，从而实现衰减器的可靠！

锁存器是为了保存上位机发出的控制信号，在本发明中采用的是锁存器SN74HC573A。上位机根据放大器输出信号的大小，发出的相应地切换衰减器的控制信号，上位机只需发出一次控制信号，锁存器就可将其锁存，保持衰减器的衰减倍数不变，除非上位机要切换衰减倍数。

本发明的放大器采用三级差分放大，单端输入，单端输出。采用差分放大的目的是为了减小共模干扰。放大器设计的关键就是要想方设法提高信噪比，如此方能检测到微弱的放电信号。

因此放大器采用了低噪声的宽带运算放大器AD8001来实现，共有三级放大组成。为了减小放大器本身的噪声，三级放大器的放大倍数前级尽量大，后级尽量小，这样运放本身的噪声不至于被大量放大，降低放大器的本机噪声，提高检测放电信号的能力。此放大器的设计频带为20kHz～43MHz，最大增益为500倍。

本发明的详细参数和设计参阅图6所示。

通过对本单元的性能测试，当输入大小为5mV的脉冲信号时，放大器在各个档位所测的脉冲响应如表1所示，可以看出该宽频带放大器满足设计要求。

表1宽频带放大器的放大性能

3.检测阻抗及宽频带放大器局部放电测试验证

1）实验室电晕放电模型测试

为了验证本发明的性能，通过实验室电晕放电模型测试，检测试验连线图请参阅图7。在该实验中选取的试品为电晕放电模型（针板）与4个2μF相串联的高压电容器（50kV无局放）并联。在进行测量之前，先采用方波校正单元对试品进行校正，其中方波信号施加在电晕模型的两端。校准完成后，对整个***施加电压。通过振荡波电压源对试品逐步加压，当加压至4.5kV时，达到其局部放电起始电压（PDIV），开始放电。实验结果谱图如图8所示。从图中可以清晰看出采用此检测阻抗及宽频带放大器后测得的局部放电信号。随着电压的升高放电次数和幅值均会有所增加，且在90°附近有幅值较大的脉冲出现。

本发明的实验室验证是在外施高电压条件下进行的，同时要求测量试品局部放电信号，因此，屏蔽室内不允许有任何非绝缘体靠近高压电极，以免对局部放电测量构成干扰。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：包括：信号耦合单元和宽频带放大单元；所述信号耦合单元包括检测阻抗(Z_d)和耦合电容，检测阻抗的一端与耦合电容的低压侧连接，另一端接地，所述耦合电容的高压侧与高压电源相连；所述宽频带放大单元包括衰减器，衰减器驱动电路，锁存器以及放大器，所述信号耦合单元的输出与衰减器的输入相连，所述衰减器的输出与放大器相连，所述衰减器驱动电路的输入与锁存器的输出相连，所述锁存器的输入与上位机的输出相连；所述电源为阻尼振荡波电源；当所述耦合电容的阻值为2k欧姆时，其频带响应为30kHz～15MHz；检测时，通过信号耦合单元耦合到电缆中的局部放电信号，并对试验电压的工频及其谐振的低频信号予以抑制或滤除；耦合到的局部放电信号被传输到宽频带放大单元，如果该放电信号为小电流信号，则跳过衰减器而直径通过放大器放大，如果该放电信号为大电流信号，则首先通过衰减器衰减后再通过放大器放大。

2.如权利要求1所述的阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：所述信号耦合单元进一步包括有隔离变压器，检测阻抗、耦合电容，以及隔离变压器形成RLC型耦合回路。

3.如权利要求1或2所述的阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：所述信号耦合单元进一步包括保险丝、放电管，以及滤波电容，所述检测阻抗的输出端依次连接所述保险丝和所述滤波电容，所述检测阻抗的两端并接所述放电管。

4.如权利要求1所述的阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：所述衰减器主要由阻、容衰减器和继电器构成，由上位机程控实现衰减倍数的改变。

5.如权利要求1所述的阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：所述放大器采用三级差分放大，单端输入，单端输出，以减小共模干扰。

6.如权利要求5所述的阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：所述三级放大器的放大倍数前级大，后级小。

7.如权利要求1或5或6所述的阻尼振荡波下电缆局部放电检测装置，其特征在于：所述放大器的输入信号限幅为1mV～8V，输出信号限幅为5V。

8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述大电流和小电流的判断标准为：如果该电流经由最小倍数的放大器放大后超出了放大器的最大量程，则判断该电流为大电流，反之为小电流。