CN115327307B - 一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置及方法 - Google Patents

一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电线电缆带电检测技术，具体涉及一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置及方法，该装置包括电磁辐射检测装置和处理器；电磁辐射检测装置包括检测探头、探头前端和主体长柄，检测探头底部与前端探头连接，主体长柄顶端设置有纵向握把，下端连接检测探头，中间设置横向握把，靠近主体长柄顶端设置有插头，插头通过信号线、电源线与检测探头的顶部连接，其信号线和电源线设置于主体长柄内部；检测探头内部正交设置有第一、第二、第三霍尔元件；处理器通过插头与电磁辐射检测装置连接；处理器包括信号处理单元和电弧故障诊断模块。该装置能方便地对电缆管线进行无损检测，确定串联电弧故障位置，提高了光伏电缆的安全性，可靠性。

Description

一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置及方法
技术领域
本发明属于电线电缆带电检测技术领域，特别涉及一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置及方法。
背景技术
光伏发电采用直流电缆汇集电能，直流电缆串联电弧故障是光伏电站火灾的主要诱因。直流电弧温度高，无电压过零点，很难自行熄灭，且弧道阻抗与负载阻抗相当，很难通过过流保护切断，亟需研发光伏直流电缆串联电弧故障检测技术。现有技术主要有基于传导耦合的逆变器端高频电流分量检测方法和基于辐射耦合的高频电磁波分量检测方法两种。直流电弧实质上是低电压大电流的气体放电过程，近场区域磁场畸变严重且包含高能高频磁场分量。实时准确检测串联电弧故障，并切断故障电路是避免电弧持续燃烧以至于发生火灾事故的有效途径。当直流串联电弧故障发生时，反而会使得负载电流减小，相较于其它电弧更难以被甄别。为解决光伏直流电缆串联电弧检测问题，本发明提出一种利用直流电缆电弧进场区域磁场畸变特征检测电缆串联电弧故障的方法及装置。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置，包括电磁辐射检测装置和处理器；电磁辐射检测装置包括检测探头、探头前端和主体长柄，检测探头底部与前端探头连接，主体长柄顶端设置有纵向握把，下端连接检测探头，中间设置横向握把，靠近主体长柄顶端设置有插头，插头通过信号线、电源线与检测探头的顶部连接，其信号线和电源线设置于主体长柄内部；检测探头内部正交设置有第一霍尔元件(A)、第二霍尔元件(B)和第三霍尔元件(C)；处理器通过插头与电磁辐射检测装置连接；处理器包括信号处理单元和电弧故障诊断模块。
在上述光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置中，第一霍尔元件(A)、第二霍尔元件(B)和第三霍尔元件(C)分别设置于正交坐标系z，y，x轴上。
在上述光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置中，处理器还包括图像处理模块和去噪分析模块，以及纵向握把上设置显示装置；处理器与显示装置无线连接。
用于光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、电磁辐射检测装置采集数据；
通过第一霍尔元件(A)、第二霍尔元件(B)和第三霍尔元件(C)分别测量Bz方向、By方向和Bx方向上的磁场强度产生的电压信号，传送至信号处理单元；
步骤2、信号处理单元将步骤1所测量的Bz方向、By方向和Bx方向产生的电压信号根据磁场方向、信号大小的关系进行处理，返回测量点的磁矢量对应的电压信号；具体步骤如下：
步骤2.1、处理步骤1所测量的电压信号得到磁矢量对应电压信号及方向；
测得磁场强度大小为：
其中，B为所测磁矢量的电压信号，Bx、By、Bz分别为三个霍尔元件所测得的正交磁场强度所对应的电压信号；其中，Bx、By为x-y平面即检测探头平面上的互为正交的分量，Bz为沿主体长柄垂直于检测探头平面的分量；
相对于探头处的磁场强度方向角满足：
其中，θ为磁矢量在x-y平面即探头平面上与x轴的夹角，为磁矢量与z轴，即与主体长柄的夹角；
步骤2.2、对电压信号进行快速傅里叶变换处理判定电弧故障；
利用快速傅里叶变换FFT对步骤2.1得到的磁矢量大小对应的电压信号的高频部分进行提取，若存在2MHz～30MHz的高频信号，则认为产生电弧，故产生电弧的位置为电缆受伤处；离散傅里叶变换DFT以及快速傅里叶变换FFT的公式如下
离散傅里叶变换DTF：
x为采样的数据，N为采样点数，X为傅立叶变换过后的数据，n和k表示x和X的下标，j为复数单位，n和k的取值范围均为0～N-1，代表的就是x和X的每一个数据序号；
将其欧拉展开可以得到：
快速傅里叶变换FFT：
对多项式不失一般性的，设n＝2ss∈N，将n看作第一个大于等于它的2的整数次幂，考虑按ai下标的奇偶性将f(x)中的项分为两部分，即
令
则
f(x)＝f1(x2)+xf2(x2) (8)
带入可得：
带入可得
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明磁场检测探头为三个磁场测量方向两两正交的霍尔元件，通过处理器对三个方向所测信号的合成处理，检测返回的结果是被检处磁矢量的大小所对应的信号，体现了被检处磁场的真实情况。避免了单个霍尔元件所测的磁场强度方向单一，所测得信号只是在单个方向上的投影，所反映的电缆故障情况因被检处磁场方向不同而有所局限的问题。能有效准确地检测出管内电缆导体的局部曲线，从而为光伏直流电缆串联电弧故障的检测提供有效设备与方法。
采取使用霍尔元件磁场检测的方式对电弧故障进行估计，不需要额外对电缆制造回路，不受制于电缆尺寸以及电缆所在环境。可以非常方便地对电缆管线进行无损检测，以便确定串联电弧故障位置，及时采取应对措施，提高了光伏电缆的安全性，可靠性。
本发明检测装置不与故障电缆产生直接接触，可实现光伏直流电缆串联电弧故障的无接触检测，保证光伏***及运维人员在光伏电缆故障检测时的便捷性的安全性。
附图说明
图1为本发明一个实施例电磁辐射检测装置结构示意图；
其中，1-纵向握把，2-插头，3-信号线电源线，4-横向握把，5-检测探头，6-探头前端，7-第一霍尔元件A，8-第二霍尔元件B，9-第三霍尔元件C；
图2为本发明一个实施例第一、第二、第三霍尔元件在探头中位置示意图；
其中，10-所测磁场Bz方向，11-磁矢量与主体长柄的夹角12-所测磁场By方向，13-磁矢量在探头平面上的投影与Bx方向夹角θ，14-所测磁场Bx方向；
图3为本发明一个实施例电磁辐射检测装置和处理器连接示意图；
其中，15-电磁辐射检测装置，16-处理器；
图4为本发明一个实施例光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置工作流程图；
图5为本发明一个实施例光伏直流电缆串联电弧故障前频谱分析图；
图6为本发明一个实施例光伏直流电缆串联电弧故障后频谱分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
串联电弧故障是光伏直流电缆占比最高的故障类型，串联电弧故障包含丰富的漏磁场分量，本实施例一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置，包括电磁辐射检测装置和处理器，用于检测电缆串联电弧故障处产生的漏磁场。电磁辐射检测装置用于固定电子器件，并将信号传递至处理器；处理器用于接收和处理所述的磁矢量所返回的电压信号。得到目标位置的磁矢量方向与大小，并生成检测结果。电磁辐射检测装置包括检测探头和探头前端，检测探头内部包括三个正交放置的第一、第二、第三霍尔元件，将磁矢量以电压信号的方式返回，处理器对电压信号合成处理后做快速傅里叶变换，采用故障电弧特征频率2MHz～30MHz作为判断依据，识别串联电弧故障。
具体实施时，一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置，包括电磁辐射检测装置15和处理器16，如图3所示；电磁辐射检测装置15包括检测探头5、探头前端6和主体长柄，检测探头5底部与前端探头6连接，主体长柄顶端设置有纵向握把1，下端连接检测探头5，中间设置横向握把4，靠近主体长柄顶端设置有插头2，插头2通过信号线和电源线3与检测探头5的顶部连接，其信号线和电源线3设置于主体长柄内部；检测探头5内部正交设置有第一霍尔元件A7、第二霍尔元件B8和第三霍尔元件C9；处理器16通过插头5与电磁辐射检测装置15连接；处理器16包括信号处理单元和电弧故障诊断模块；如图1所示。
电磁辐射检测装置15用于检测电缆故障处产生的漏磁场，第一霍尔元件A7、第二霍尔元件B8、第三霍尔元件C9测量该位置一个正交三维坐标上的磁场强度，以电压信号的方式返回。
主体长柄用于固定检测探头5，内含信号线和电源线3与插头2可将信号传递至处理器16，其上固定设置的纵向握把与横向握把供人操作携带。
处理器16包含信号处理单元与电弧故障诊断模块，用于接收和处理磁矢量所返回的电压信号，并根据电压信号生成检测结果。处理器根据正交三维坐标上磁场强度的关系进行处理，返回该点的磁矢量，包括磁矢量的具体方向与大小。并根据所得到的磁矢量方向与大小判断目标直流电缆是否发生串联电弧故障。
检测探头5输出的信号包括位置信息，用于判断电压信号对应位置。
而且，处理器16还可以包括图像处理模块，可视化所得到的电压信号并形成磁场与位置的波形图，实现图像采集、图像分析和图像保存。
而且，处理器16还可以包括去噪分析模块，将所得到的电压信号进行去噪处理，除去噪声的影响，结合上述图像处理模块，优化可视化结果，并依据去噪处理后信号特征评估电缆故障情况。
而且，纵向握把1上的可设置显示装置，可以直接在装置前端显示实时图像，用于实时观察电缆情况。
并且，处理器16与纵向握把上的显示装置，检测探头5的无线连接。其输出结果为实时图像，可用于实时观察电缆情况。
如图4所示，用于光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置的方法，在检测探头5中设置的三个霍尔元件所测磁场通过的表面为正交形式，按图1所示的方式进行安装。电弧故障产生的磁场经过第一霍尔元件A7，测得磁场在Bz方向产生的电压信号，经过第二霍尔元件B8，测得磁场在By方向产生的电压信号，经过第三霍尔元件C9，测得磁场在Bx方向产生的电压信号。三个方向符合正交三维坐标关系。在实施例中，电压信号通过连接线传至处理器16将三个电压信号根据磁场方向，信号大小的关系进行处理，返回该位置的磁矢量对应的电压信号，具体包括大小与方向。结合图2说明处理测量值得到磁矢量对应电压信号及方向，对信号进行快速傅里叶变换处理判定电弧故障的原理：
由于霍尔元件的朝向呈正交摆放，所以测得磁场强度呈正交情况，分别在正交坐标系的x，y，z轴上。因此，磁场强度大小为：
其中B为所测磁矢量的电压信号，Bx、By、Bz分别为三个霍尔元件所测得的正交磁场强度所对应的电压信号。其中，Bx、By为x-y平面即探头平面上的互为正交的分量，Bz为沿探头杆垂直于探头平面的分量。
因此，有相对于探头处的磁场强度方向角满足：
其中θ为磁矢量在x-y平面即探头平面上与x轴的夹角，为磁矢量与z轴，即与探头杆的夹角。
利用快速傅里叶变换(FFT)对上述处理后得到的磁矢量大小对应的电压信号的高频部分进行提取，若存在2MHz～30MHz的高频信号，则认为产生电弧，故产生电弧的位置为电缆受伤处。下面给出DFT(离散傅里叶变换)以及FFT(快速傅里叶变换)的公式。
对于DFT(离散傅里叶变换)：
x为采样的数据，N为采样点数，X为傅立叶变换过后的数据，n和k表示x和X的下标，j为复数单位，n和k的取值范围均为0～N-1，代表的就是x和X的每一个数据序号；
将其欧拉展开可以得到：
在利用快速算法进行FFT(快速傅里叶变换)：
对多项式不失一般性的，设n＝2ss∈N(由于在多项式的乘法中我们可以将一个多项式等价地看作是次数更高的高次项系数均为零的多项式，故可以将n看作第一个大于等于它的2的整数次幂)，考虑按ai下标的奇偶性将f(x)中的项分为两部分，即
令
则
f(x)＝f1(x2)+xf2(x2) (18)
带入可得
带入可得
通过迭代上面的过程，即可降低时间复杂度，得到最终的结果如图5、图6所示。
注：由于仅关注高频部分，前面低频部分不做考虑，故通过减少数据量从而降低分辨率便于运算。
实施例中，对于已知的目的线缆，沿线缆方向移动探头，在处理器经过处理后可读出对应位置的磁矢量对应电压大小与方向。并且以故障电弧特征频率2MHz～30MHz作为判断依据，显示出故障位置。
该光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置还可以包括图像处理模块，可视化所得到的电压信号并形成磁场与位置的波形图，实现图像采集、图像分析和图像保存。
该光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置还可以包括去噪分析模块，将所得到的电压信号进行去噪处理，除去噪声的影响，结合上述图像处理模块，优化可视化结果，并依据去噪处理后信号特征评估电缆故障情况。
该光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置还可以包括显示装置，可以直接在装置前端显示实时图像，用于实时观察电缆情况。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置的检测方法，检测装置包括电磁辐射检测装置和处理器，用于检测电缆串联电弧故障处产生的漏磁场；电磁辐射检测装置包括检测探头、探头前端和主体长柄，检测探头底部与前端探头连接，主体长柄顶端设置有纵向握把，下端连接检测探头，中间设置横向握把，靠近主体长柄顶端设置有插头，插头通过信号线、电源线与检测探头的顶部连接，其信号线和电源线设置于主体长柄内部；检测探头内部正交设置有第一霍尔元件(A)、第二霍尔元件(B)和第三霍尔元件(C)；处理器通过插头与电磁辐射检测装置连接；处理器包括信号处理单元和电弧故障诊断模块；三个磁场测量方向两两正交的霍尔元件，通过处理器对三个方向所测信号的合成处理，检测返回的结果是被检处磁矢量的大小所对应的信号；其特征在于，该方法包括：
对于待检测线缆，沿线缆方向移动探头，处理器经过处理后读出对应位置的磁矢量对应电压大小与方向；并且以故障电弧特征频率2MHz～30MHz作为判断依据，显示出故障位置；包括以下步骤：
步骤1、电磁辐射检测装置采集数据；
通过第一霍尔元件(A)、第二霍尔元件(B)和第三霍尔元件(C)分别测量Bz方向、By方向和Bx方向上的磁场强度产生的电压信号，传送至信号处理单元；
步骤2、信号处理单元将步骤1所测量的Bz方向、By方向和Bx方向产生的电压信号根据磁场方向、信号大小的关系进行处理，返回测量点的磁矢量对应的电压信号；具体步骤如下：
步骤2.1、处理步骤1所测量的电压信号得到磁矢量对应电压信号及方向；
测得磁场强度大小为：
其中，B为所测磁矢量的磁场强度，Bx、By、Bz分别为三个霍尔元件所测得的正交磁场强度；其中，Bx、By为x-y平面即检测探头平面上的互为正交的分量，Bz为沿主体长柄垂直于检测探头平面的分量；
相对于探头处的磁场强度方向角满足：
其中，θ为磁矢量在x-y平面即探头平面上与x轴的夹角，为磁矢量与z轴，即与主体长柄的夹角；
步骤2.2、对电压信号进行快速傅里叶变换处理判定电弧故障；
利用快速傅里叶变换FFT对步骤2.1得到的磁矢量大小对应的电压信号的高频部分进行提取，若存在2MHz～30MHz的高频信号，则认为产生电弧，故产生电弧的位置为电缆受伤处；离散傅里叶变换DFT以及快速傅里叶变换FFT的公式如下
离散傅里叶变换DTF：
x为采样的数据，N为采样点数，X为傅立叶变换过后的数据，n和k表示x和X的下标，j为复数单位，n和k的取值范围均为0～N-1，代表的就是x和X的每一个数据序号；
将其欧拉展开可以得到：
快速傅里叶变换FFT：
对多项式不失一般性的，设n＝2ss∈N，将n看作第一个大于等于它的2的整数次幂，考虑按ai下标的奇偶性将f(x)中的项分为两部分，即
令
则
f(x)＝f1(x2)+xf2(x2) (8)
带入可得：
带入可得
通过以上迭代，得到故障位置。
2.根据权利要求1所述光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置的检测方法，其特征在于：第一霍尔元件(A)、第二霍尔元件(B)和第三霍尔元件(C)分别设置于正交坐标系z，y，x轴上。
3.根据权利要求1所述光伏直流电缆串联电弧故障漏磁无损检测装置的检测方法，其特征在于：处理器还包括图像处理模块和去噪分析模块，以及纵向握把上设置显示装置；处理器与显示装置无线连接。
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