CN115267435A - 基于gps触发脉冲的电力电缆故障定位装置及方法 - Google Patents

基于gps触发脉冲的电力电缆故障定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，涉及局放监测技术领域，包括：信号采集单元，用于对电力电缆的故障信号进行采集；信号处理单元，用于对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；触发脉冲单元，接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；定位判断单元，根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置；信号采集单元的输出端连接信号处理单元，信号处理单元的输出端连接触发脉冲单元，触发脉冲单元与触发采集卡和GPS模块连接，采集卡和GPS模块与定位判断单元连接。本发明还提供基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法。本发明解决电缆故障检测的准确和快速定位的问题，信号强度大，抗干扰性好。

Description

基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置及方法
技术领域
本发明涉及电力电缆及终端接头局部放电监测技术领域，具体涉及基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置及方法。
背景技术
当前，电力电缆以其安全、可靠、隐蔽性好等优点在城市电网中得到越来越广泛的应用。但是，由于电缆长而且多敷设于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难。如何准确、迅速、经济地查寻电缆故障，并加以排除，迅速恢复供电、减少停电时间，降低因停电造成的损失便成了供电部门日益关注的问题。
电力电缆在长期运行后，电缆绝缘会发生老化乃至产生局部放电等电缆故障，局部放电信号的检测对于电缆绝缘状态的评判具有重要的参考价值，电缆故障定位的准确性对于电缆维护具有重要意义。而局放检测触发信号的产生对于局放定位的精确性有很大的影响。
脉冲电流法不仅用于电力电缆的局部放电检测，而且也用于其它各类高压电力设备的检测中。脉冲电流法具有灵敏性高、能标定、检测安全等优点，但在检测中，只能进行电缆的离线检测。
电缆行波反射法进行局部放电定位原理如下，长电缆作为分布参数来考虑，其原理是：测试一条长度为l的电缆，假设在距测试端处发生局部放电，脉冲将沿电缆向两个相反方向传播，其中一个脉冲经过时间t1到达测试端；另一个脉冲向测试对端传播，并在对端发生反射，之后再向测试端传播，经过时间t2到达测试端。根据两个脉冲到达测试端的时间差，可计算局放发生位置。
由于电缆行波反射法进行局部放电定位，采集故障信号到达时间及其另一路径的反射信号的到达时间差来计算故障点，因反射信号很微弱，易受干扰，反射脉冲的幅度很小，上述行波法的局放准确性不高。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提供基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置及方法，解决电缆故障定位的问题，电路简单可靠。
本发明提出的技术方案为：
基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，包括：
信号采集单元，用于对电力电缆的故障信号进行采集；
信号处理单元，用于对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；
触发脉冲单元，接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；
定位判断单元，根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置；
所述信号采集单元的输出端连接信号处理单元，所述信号处理单元的输出端连接触发脉冲单元，所述触发脉冲单元与触发采集卡和GPS模块连接，所述采集卡和GPS模块与定位判断单元连接。
作为本发明的进一步技术方案为，所述信号采集单元包括A相传感器组、B相传感器组、C相传感器组，其中A相传感器组包括第一传感器和第二传感器，设置于A相电缆两端；B相传感器组包括第三传感器和第四传感器，设置于B相电缆两端；C相传感器组包括第五传感器和第六传感器，设置于C相电缆两端。
作为本发明的进一步技术方案为，所述信号处理单元，包括信号放大电路、检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路，所述信号放大电路的输出端连接检波电路，所述检波电路的输出端连接斯密特整形电路，所述斯密特整形电路的输出端连接输入或门电路。
作为本发明的进一步技术方案为，所述定位判断单元，根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置，具体包括：根据故障触发脉冲触发采集卡采集传感器信号，以及GPS模块的时间定位信息；设故障位置为X，故障时间为T0，故障电缆长度为L，到达电缆两端的传感器的时间分别为T1和T2，脉冲在电缆中的传输速度为V；则，
X＝V*(t1-t0)； (1)
L-X＝V*(t2-t0)； (2)
解(1)，(2)可得：
Figure BDA0003804709720000021
作为本发明的进一步技术方案为，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器采用HFCT传感器。
本发明还提供基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，包括以下步骤：
信号采集单元对电力电缆的故障信号进行采集；
信号处理单元对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；
触发脉冲单元接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；
定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置。
作为本发明的进一步技术方案为，所述信号采集单元对电力电缆的故障信号进行采集；具体为：电力电缆的一相或多相发生故障时，设置于对应一相或多相电力电缆两端的监测传感器获取故障信号；信号采集单元包括A相传感器组、B相传感器组、C相传感器组，其中A相传感器组包括第一传感器和第二传感器，设置于A相电缆两端；B相传感器组包括第三传感器和第四传感器，设置于B相电缆两端；C相传感器组包括第五传感器和第六传感器，设置于C相电缆两端。
作为本发明的进一步技术方案为，所述信号处理单元对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；具体为，所述信号处理单元包括信号放大电路、检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路，所述信号放大电路的输出端连接检波电路，所述检波电路的输出端连接斯密特整形电路，所述斯密特整形电路的输出端连接输入或门电路。
作为本发明的进一步技术方案为，所述定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置，具体包括：根据故障触发脉冲触发采集卡采集传感器信号，以及GPS模块的时间定位信息；设故障位置为X，故障时间为T0，故障电缆长度为L，到达电缆两端的传感器的时间分别为T1和T2，脉冲在电缆中的传输速度为V；则，
X＝V*(t1-t0)； (1)
L-X＝V*(t2-t0)； (2)
解(1)，(2)可得：
Figure BDA0003804709720000031
作为本发明的进一步技术方案为，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器采用HFCT传感器。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法解决了电缆故障检测准确定位的准确性和快速性问题；由于触发脉冲是电缆故障发生时的信号，所以信号强度大，抗干扰性好；
2、HFCT传感器分别安装在3相电缆上，不论哪相故障都可以捕捉到信号，方法可靠，简单，抗干扰；
3、采集及测试的是一次信号，而非反射信号，所以快速，可靠，准确性好。
4、采用GPS模块的时间准确，同步精度只有15ns，所以定位精度高，在同轴电缆中误差195m/us*15ns＝2.925m。
附图说明
图1为本发明提出的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置结构图；
图2为本发明提出的信号处理单元原理图；
图3为本发明提出的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置电路控制图；
图4为本发明提出的信号放大电路图；
图5为本发明提出的检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路图；
图6为本发明提出的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位原理图；
图7为本发明提出的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法流程图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参见图1至图6，基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，包括：
信号采集单元101，用于对电力电缆的故障信号进行采集；
信号处理单元102，用于对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；
触发脉冲单元103，接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；
定位判断单元104，根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置；
信号采集单元101的输出端连接信号处理单元102，信号处理单元102的输出端连接触发脉冲单元103，触发脉冲单元103与采集卡105和GPS模块106连接，采集卡105和GPS模块106与定位判断单元104连接。
本发明实施例中，信号采集单元包括A相传感器组、B相传感器组、C相传感器组，其中A相传感器组包括第一传感器和第二传感器，设置于A相电缆两端；B相传感器组包括第三传感器和第四传感器，设置于B相电缆两端；C相传感器组包括第五传感器和第六传感器，设置于C相电缆两端。
本发明分别在A、B、C三相上监测，不论故障发生在哪一相上，都可以检测到故障信号，这个故障信号经过二极管检波，及后边的IC整形，再经过或门电路，输出一个故障信号，由此信号的边沿去触发GPS时间戳模块和采集卡，从而记录故障信号到达采集点的时间。
参见图3、图4和图5，信号处理单元包括信号放大电路、检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路，信号放大电路的输出端连接检波电路，检波电路的输出端连接斯密特整形电路，斯密特整形电路的输出端连接输入或门电路。
参见图6，定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置，具体包括：根据故障触发脉冲触发采集卡采集传感器信号，以及GPS模块的时间定位信息；设故障位置为X，故障时间为T0，故障电缆长度为L，到达电缆两端的传感器的时间分别为T1和T2，脉冲在电缆中的传输速度为V；则，
X＝V*(t1-t0)； (1)
L-X＝V*(t2-t0)； (2)
解(1)，(2)可得：
Figure BDA0003804709720000051
其中V为脉冲在电缆中的传播速度，对于同轴电缆而言为195米/微秒；从公式(3)可知，只要获取GPS时间戳t2,t1就可以测得故障点的位置。
本发明用故障脉冲作为触发采集卡和GPS时间戳读出的信号，由于GPS同步精度可达15ns,15ns*0.195m/ns＝2.925m，故障定位精度高。
本发明实施例中，第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器采用高频电流传感器(high frequency current transformer，HFCT)。高频电流传感器是专门为测量局部放电信号设计的非入侵式传感器。瞬间反应能力强，线性度好，标定容易，精度高，可测量不规则导体，安装方便，无须破坏导体。可以应用在传统的电流测量装置无法使用的场合用于高频电流测量。适合在6.3kv及以上不同电压等级的现场条件下安装。该传感器采用穿心式可开合式结构设计，方便安全。
本发明实施例中，用6个HFCT传感器分别测试A、B、C三相电缆线上的故障脉冲，此3路脉冲做2部分，1部分3路输入到调理电路板用于信号放大采集，输出到采集卡；另一部分3路输入到触发脉冲信号放大板处理后经二极管检波，然后经波形整形，或门产生1个触发脉冲(ABC3相无论哪相发生故障都可产生触发信号，用于去触发采集卡采集信号和同时触发GPS读出故障信号到达的时间，工控机分别读出故障信号到达起始端和终端的时间，即可算出故障发生的位置。由此方法产生触发脉冲可靠，幅值大，直接，简单。
参见图7，本发明还提出基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，包括以下步骤：
步骤201，信号采集单元对电力电缆的故障信号进行采集；
步骤202，信号处理单元对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；
步骤203，触发脉冲单元接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；
步骤204，定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置。
其中，在步骤201中，信号采集单元对电力电缆的故障信号进行采集；具体为：电力电缆的一相或多相发生故障时，设置于对应一相或多相电力电缆两端的监测传感器获取故障信号；信号采集单元包括A相传感器组、B相传感器组、C相传感器组，其中A相传感器组包括第一传感器和第二传感器，设置于A相电缆两端；B相传感器组包括第三传感器和第四传感器，设置于B相电缆两端；C相传感器组包括第五传感器和第六传感器，设置于C相电缆两端。
在步骤202中，信号处理单元对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；具体为，所述信号处理单元包括信号放大电路、检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路，所述信号放大电路的输出端连接检波电路，所述检波电路的输出端连接斯密特整形电路，提升抗干扰和信号陡度，斯密特整形电路的输出端连接输入或门电路。HFCT传感器采集到的电缆故障信号进入放大器放大，故障信号一般为尖脉冲信号；通过设置于三相电缆上的传感器进行检测并发送至信号放大器，放大后的尖脉冲经过检波取出故障信号包络，然后经过斯密特电路整形，这3相信号输入或门电路，无论哪一相发生故障，都会使装置产生一个确切的触发脉冲，由这个触发脉冲作为GPS模块的1PPS脉冲，在其上升沿将输出GPS时间戳，由工控机软件读出。
在步骤204中，定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置，具体包括：根据故障触发脉冲触发采集卡采集传感器信号，以及GPS模块的时间定位信息；设故障位置为X，故障时间为T0，故障电缆长度为L，到达电缆两端的传感器的时间分别为T1和T2，脉冲在电缆中的传输速度为V；则：
X＝V*(t1-t0)； (1)
L-X＝V*(t2-t0)； (2)
解(1)，(2)可得：
Figure BDA0003804709720000071
其中，第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器采用HFCT传感器。
触发脉冲输出1路作为触发采集卡的触发信号，触发脉冲输出另1路作为GPS板的时间戳触发信号输入到GPS板，即1PPS出GPS板在1PPS脉冲的上升沿处输出时间戳；由工控机读取。
本发明提出的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法解决了电缆故障检测准确定位的准确性和快速性问题；由于触发脉冲是电缆故障发生时的信号，所以信号强度大，抗干扰性好；HFCT传感器分别安装在3相上，不论哪相故障都可以捕捉到信号，方法可靠，简单，抗干扰；采集及测试的是一次信号，而非反射信号，所以快速，可靠，准确性好。
采用GPS模块的时间准确，同步精度只有15ns，所以定位精度高，在同轴电缆中误差195m/us*15ns＝2.925m。
GPS触发脉冲由电缆故障信号直接产生，所以简单明了，在初端和终端都测试的是故障信号本身，而不是反射信号，所以快速，准确，抗干扰强；
故障信号采集传感器分别安装在3相电缆上，所以不管哪一相发生故障，都能及时产生故障触发信号，从而得到故障到达测试点的准确时间，可以计算得到故障点距离测试点的精确距离。
以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，其特征在于，包括：
信号采集单元，用于对电力电缆的故障信号进行采集；
信号处理单元，用于对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；
触发脉冲单元，接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；
定位判断单元，根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置；
所述信号采集单元的输出端连接信号处理单元，所述信号处理单元的输出端连接触发脉冲单元，所述触发脉冲单元与触发采集卡和GPS模块连接，所述采集卡和GPS模块与定位判断单元连接。
2.根据权利要求1所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，其特征在于，所述信号采集单元包括A相传感器组、B相传感器组、C相传感器组，其中A相传感器组包括第一传感器和第二传感器，设置于A相电缆两端；B相传感器组包括第三传感器和第四传感器，设置于B相电缆两端；C相传感器组包括第五传感器和第六传感器，设置于C相电缆两端。
3.根据权利要求1所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，其特征在于，所述信号处理单元，包括信号放大电路、检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路，所述信号放大电路的输出端连接检波电路，所述检波电路的输出端连接斯密特整形电路，所述斯密特整形电路的输出端连接输入或门电路。
4.根据权利要求1所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，其特征在于，所述定位判断单元，根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置，具体包括：根据故障触发脉冲触发采集卡采集传感器信号，以及GPS模块的时间定位信息；设故障位置为X，故障时间为T0，故障电缆长度为L，到达电缆两端的传感器的时间分别为T1和T2，脉冲在电缆中的传输速度为V；则，
X＝V*(t1-t0)； (1)
L-X＝V*(t2-t0)； (2)
解(1)，(2)可得：
Figure FDA0003804709710000011
5.根据权利要求2所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，其特征在于，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器采用HFCT传感器。
6.基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-5所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位装置，包括以下步骤：
信号采集单元对电力电缆的故障信号进行采集；
信号处理单元对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；
触发脉冲单元接收预处理信号并触发采集卡和GPS模块；
定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置。
7.根据权利要求6所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，其特征在于，所述信号采集单元对电力电缆的故障信号进行采集；具体为：电力电缆的一相或多相发生故障时，设置于对应一相或多相电力电缆两端的监测传感器获取故障信号；信号采集单元包括A相传感器组、B相传感器组、C相传感器组，其中A相传感器组包括第一传感器和第二传感器，设置于A相电缆两端；B相传感器组包括第三传感器和第四传感器，设置于B相电缆两端；C相传感器组包括第五传感器和第六传感器，设置于C相电缆两端。
8.根据权利要求6所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，其特征在于，所述信号处理单元对故障信号进行放大、检波、整形和合成形成预处理信号；具体为，所述信号处理单元包括信号放大电路、检波电路、斯密特整形电路和输入或门电路，所述信号放大电路的输出端连接检波电路，所述检波电路的输出端连接斯密特整形电路，所述斯密特整形电路的输出端连接输入或门电路。
9.根据权利要求6所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，其特征在于，所述定位判断单元根据采集卡和GPS模块监测的信号确定故障发生位置，具体包括：根据故障触发脉冲触发采集卡采集传感器信号，以及GPS模块的时间定位信息；设故障位置为X，故障时间为T0，故障电缆长度为L，到达电缆两端的传感器的时间分别为T1和T2，脉冲在电缆中的传输速度为V；则，
X＝V*(t1-t0)； (1)
L-X＝V*(t2-t0)； (2)
解(1)，(2)可得：
Figure FDA0003804709710000021
10.根据权利要求7所述的基于GPS触发脉冲的电力电缆故障定位方法，其特征在于，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器采用HFCT传感器。
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