專利名稱：交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法
技術領域：
本發明屬于電力電纜在線監測領域，所監測的電力電纜為小電流系統中運行的各電壓等級的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜，具體說是一種交聯聚乙烯電力電纜故障的在線
預警方法
背景技術：
用于電力傳輸和分配的電纜稱為電力電纜。隨著社會的進步和工農業生產的發 展，電纜用量在整個電力傳輸線路中所占的比例日益提高，電纜與架空線路相比，具有下列 主要優點1.送電可靠性高，不易受周圍環境和污染的影響；2.線間絕緣距離小，占地少，無干擾電波；3.地下敷設時，不占地面與空間，既安全可靠，又不易暴露目標。電力電纜絕緣在線檢測技術的應用是實現狀態檢修的有效手段之一，在線預警是 在運行電壓下對電纜的運行狀態進行檢測，真實反應了電纜絕緣水平。在自動連續檢測狀 態下，依據大量的數據以及判據的數模分析可以判定絕緣狀態變化趨勢，從變化趨勢中尋 找危險征兆，從檢測結果來綜合判斷電纜運行狀況。并且利用通訊技術實時提報檢修和相 關人員，即達到事故之前計劃檢修，避免事故擴大和不必要的經濟損失。在實際應用中，針對交聯聚乙烯(XLPE)電纜的特點，常采用以下幾種傳統的檢測 方法實現電纜絕緣的在線檢測直流分量法，損耗電流諧波分量法和局部放電法等幾種方 法，都有各自的優點和適用的具體情況。下面就幾種方法做一簡介1、直流分量法直流分量法是K. Sona等人對實際運行的電纜進行分析后提出的一個方法，由于 在交聯聚乙烯(XLPE)電纜中的水樹枝起“整流作用”，所以在外施電壓的負半周，水樹枝放 電向絕緣中注入了較多的負電荷，而在正半周時注入的正電荷較少，只中和了一部分負電 荷，這樣在外施交流工作電壓的正負半周的反復作用下，水樹枝前端所聚集的負電荷逐漸 向屏蔽層漂移，就像整流作用那樣出現了直流分量，可以通過測量直流分量來檢測交聯聚 乙烯(XLPE)的水樹枝的發展情況。在實際現場運行情況看，此直流分量數值極小，有時僅 幾納安。故在現場進行直流分量的測量時，微小的干擾電流就會引起很大的誤差，且這種誤 差主要來自被測電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流。2、損耗電流諧波分量法諧波分量法的原理是根據水樹枝引起老化的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜會在損 耗電流中產生諧波分量來檢測電纜的絕緣狀況。研究表明，在水樹枝老化的情況下，絕緣的 電導會呈現出非線性特征，在正弦電壓作用下，損耗電流將出現諧波分量，因此諧波分量能 夠很好的表征電纜的老化情況，隨著電纜老化程度的增加，損耗電流會越來越畸變，含有的 諧波分量也越來越大。利用檢測到的損耗電流的諧波分量就能夠提供更多的水樹枝的老化 信息，為電纜絕緣狀況的監測提供了一種可供選擇的方法。但此方法存在比較難以區分電容電流分量和損耗電流分量的缺點。3、檢測局部放電法局部放電是交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜絕緣介質內部發生的局部重復擊穿和熄 滅現象，這種放電一股發生在電纜的局部缺陷處，放電量很小(幾PC 幾十pC)，在放電初 期基本不會影響電力電纜的絕緣能力則會，但如果 這種放電長期發生，逐漸的損壞電纜的 絕緣，縮短電纜壽命。由于局部放電時，電纜的絕緣電阻、介質損耗和泄露電流都不會有太 大變化，這些現象就可以作為局放因此，檢測以上參數是無法判斷出局部放電的。但在絕緣 發生局部放電的時候，一股都會產生電脈沖、電磁波放射、光、熱、聲、噪音等現象，檢測的對 象。根據檢測物理量的不同，其方法有局部放電量法、脈沖電流檢測法、電磁波法、超聲波 法和振動加速度法。其中脈沖電流法的靈敏度最高，而且可以測得放電量、放電重復率及平 均電流。但是對于交聯聚乙烯(XLPE)運行的電力電纜的局部放電的研究，目前沒有達到實 用化，并且對于絕緣介質的損毀程度和發展過程，還沒有定性和定量的認識。對于運行電 纜，由于電網擾動等原因，局部放電對電纜絕緣劣化程度的分析沒有可靠的依據。故局部放 電檢測設備無法實現電力電纜的在線監測方式。公布號為CN101464488的中國專利公開的《一種高壓電纜在線監測系統》，包括傳 感器，數據采集單元，取電裝置，以及網絡服務器，其中傳感器設置在高壓電纜接頭處，用于 采集高壓電纜接頭的護層循環電流、線芯電流、電纜表面溫度及環境溫濕度等數據并將采 集的數據發送給數據采集單元，數據采集單元設置在高壓電纜接頭附近，用于采集傳感器 的數據并通過無線網絡發送給網絡服務器。其基本原理是采集高壓電纜接頭處的護層循環 電流、線芯電流、電纜表面溫度及環境溫濕度等數據，并通過比較護層循環電流和線芯電流 的大小來判斷護層絕緣是否出現異常。該方法是利用穩態量的電纜在線監測方法，適合于 電纜永久性絕緣下降故障的監測。公布號為CN101533062的中國專利公開的《基于行波電氣量量測的電力電纜在線 絕緣監測方法》，包括實時采集變電站同一母線上連接的所有電纜線路上量測到的行波電 氣量，同時監測所有電纜線路上是否發生了擾動；當監測到電纜線路上發生擾動，記錄擾動 發生時間；并比較所有電纜線路上的行波特征，判定出產生擾動的電纜線路；比較最近三 次擾動的電纜是否為同一電纜；若為同一電纜，計算第一次發生擾動的時間與第三次發生 擾動時間間隔；比較所述計算出的時間間隔與預先設定的時間間隔，若所述計算出的時間 間隔小于等于所述預先設定的時間間隔，則判定該電纜絕緣降低，輸出電纜在線監測結果。 該方法的技術核心在于必須同時實時采集變電站同一母線上連接的所有電纜線路上量測 到的行波電氣量，同時監測所有電纜線路上是否發生了擾動，否則，如果其中有一條電纜沒 有被監測，則就無法進行后續的判定步驟；另外，本發明適用于電纜絕緣降低引起的有規律 的擾動行波的故障檢測。綜上所述，對于交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜，現有的在線檢測方法都有各自的局 限性。經我們研究和實驗發現，正常運行的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜由于制造缺陷 或敷設過程中的機械損傷等因素在運行環境中水分子的作用下會產生水樹枝，并且在電場 的作用下水樹枝逐漸生長，形成導電通道并發生擊穿，擊穿的能量使導電通道融化阻塞或 將水分子驅散，該通道在反向電場作用下絕緣恢復，我們稱這種擊穿現象為“可恢復故障”。隨著時間的推移，這個過程會不斷加強，擊穿頻率也逐漸提高，直到該導電通道完全貫通不 可恢復，表現為交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜發生單相接地故障。因此，對電纜損毀之前的 “可恢復故障”，實施在線預警，具有重要的現實意義。對于小電流接地系統中運行的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜，上述“可恢復故障” 的擊穿放電量在十幾到幾十微庫數量級，持續時間小于2毫秒，并且其產生的瞬時 電磁暫 態信號的強度和波形形態明顯區別于局部放電或電網擾動產生的電磁暫態信號。
發明內容
根據以上現有技術中的不足，本發明的目的在于提供一種針對電力電纜的“可恢 復故障”的在線預警方法，對電纜損毀之前的“可恢復故障”，實施在線預警，便于供電部門 提前或有計劃檢修，避免因電纜突發故障造成停電，減少因停電所造成的經濟損失以及對 企業生產和人民生活帶來的不利影響，提高供電可靠性的交聯聚乙烯電力電纜故障的在線
預警方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預 警方法，包括被測交聯聚乙烯電力電纜，其特征在于通過實時在線檢測和記錄某一條被測 交聯聚乙烯電力電纜發生“可恢復故障”時，產生的流經所述被測電力電纜的金屬屏蔽層接 地導體的瞬時電磁暫態信號，利用特定判據進行分析，對所述被測電力電纜進行故障預警， 包括以下具體步驟步驟1 將所述被測交聯聚乙烯電力電纜的金屬屏蔽層接地導體穿過一孔型高頻 電流傳感器，該高頻電流傳感器的輸出端接到一高速信號采集和數據處理系統，該高速信 號采集和處理系統包括至少一個高速信號采集單元以及具有特定判據的數據分析和處理 系統；步驟2 利用所述的高頻電流傳感器和高速信號采集單元，實時在線檢測和記錄 所述被測電力電纜發生“可恢復故障”時，產生的流經所述被測電力電纜的接地導體的瞬時 電磁暫態信號；步驟3 利用所述的數據分析和處理系統，對步驟2所檢測和記錄得到的信號數 據，利用特定判據進行分析和處理，通過顯示數據分析結果對所述被測電力電纜進行故障預警。其中優選的方案是所述特定判據為在發生第一次“可恢復故障”到電力電纜發生故障這個時間段內 連續檢測和記錄到的所述被測電力電纜發生“可恢復故障”的次數以及所述瞬時電磁暫態 信號的強度和形態。可以先實施一次本方法取得該特定判據。步驟3中所述的分析和處理，包括對瞬時電磁暫態信號(1)進行信號調理和模數轉換，并且存儲；(2)將瞬時電磁暫態信號的強度和波形形態與特定判據比較，辨別發生誤動作信 號；(3)通過瞬時電磁暫態信號記錄發生“可恢復故障”的次數，如果該次數接近特定 判據，則顯示和報警。步驟(2)和步驟(3)為人工辨別和操作，也可以借助計算機輔助計算提高判斷速度和準確率。其顯示和報警，可以通過打印機，顯示器、色帶、指示燈或者喇口Λ，優選顯示器。所述的分析和處理，還包括對瞬時電磁暫態信號進行調理和模數轉換后存儲的數據包進行的網絡匯集、分析和處理。所述的高頻電流傳感器的截止頻率為2ΜΗζ-125ΜΗζ。所述高速信號采集單元的采樣頻率為4ΜΗζ-250ΜΗζ。本發明交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法所具有的有益效果是本發明的 有益效果是1、可以實現交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜在線故障預警；2、不改變電纜運行方式和結構，不占用現有系統資源，在電纜的金屬屏蔽層接地 導體上安裝高頻電流傳感器，安全可靠；3、可以在線檢測一條或多條電力電纜，不強制要求在連接變電站同一母線的所有 電力電纜上都安裝在線檢測設備，不強制要求同時檢測所有電力電纜的電磁暫態信號，因 此系統配置靈活；4、實現電力電纜故障預警，便于供電部門提前或有計劃檢修，避免因電纜突發故 障造成停電，減少因停電所造成的經濟損失以及對企業生產和人民生活帶來的不利影響， 提高供電可靠性。
圖1為本發明用于小電流系統的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜在線預警電氣原理 圖；圖2為本發明的高速信號采集和數據處理系統的原理方框圖；
圖3為圖2中FPGA實施例的內部原理方框圖；圖4為本發明實施例現場在線運行得到的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜“可恢復故 障”的原始波形(2010年4月6日)；圖5為本發明實施例現場在線運行得到的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜實測擾動 原始波形(2010年4月6日)；圖中1.高頻電流傳感器 2.在線預警裝置 3.接地導體 4.交聯聚乙烯 (XLPE)電力電纜 5.接地點 6.母線 7.變壓器 8.電源 9.開關 10.消弧線圈 11.負載12.接地點。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例做進一步描述實施例1 如圖1所示，電源8、變壓器7、開關9、消弧線圈10、母線6、交聯聚乙烯(XLPE)電力 電纜4和負載11組成一個常用的小電流系統的電力電纜供電模型。交聯聚乙烯(XLPE)電 力電纜4設置有接地點5、12。在不接地或經消弧線圈接地的電網運行的交聯聚乙烯(XLPE) 電力電纜4上，接入一個高頻電流傳感器1，交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜4的金屬屏蔽層的 接地導體3穿過此高頻電流傳感器1，該高頻電流傳感器1的輸出端接到2，該在線預警裝 置2由超高速信號采集和數據處理系統等構成。
通過實時在線檢測和記錄某一條被測交聯聚乙烯電力電纜發生“可恢復故障”時， 產生的流經所述被測電力電纜的接地導體的瞬時電磁暫態信號，利用特定判據進行分析， 對所述被測電力電纜進行故障預警，包括以下具體步驟步驟1 將所述被測交聯聚乙烯電力電纜的金屬屏蔽層接地導體穿過一孔型高頻 電流傳感器，該高頻電流傳感器的輸出端接到一高速信號采集和數據處理系統，該高速信 號采集和處理系統包括至少一個高速信號采集單元以及具有特定判據的數據分析和處理 系統；步驟2 利用所述的高頻電流傳感器和高速信號采集單元，實時在 線檢測和記錄 所述被測電力電纜發生“可恢復故障”時，產生的流經所述被測電力電纜的接地導體的瞬時 電磁暫態信號；步驟3 利用所述的數據分析和處理系統，對步驟2所檢測和記錄得到的信號數 據，利用特定判據進行分析和處理，通過顯示數據分析結果對所述被測電力電纜進行故障預警。特定判據為在發生第一次“可恢復故障”到電力電纜發生故障這個時間段內連續 檢測和記錄到的所述被測電力電纜發生“可恢復故障”的次數以及所述瞬時電磁暫態信號 的強度和形態。可以先實施一次本方法取得該特定判據。步驟3中所述的分析和處理，包括對瞬時電磁暫態信號(1)進行信號調理和模數轉換，并且存儲；(2)將瞬時電磁暫態信號的強度和波形形態與特定判據比較，辨別發生誤動作信 號；(3)通過瞬時電磁暫態信號記錄發生“可恢復故障”的次數，如果該次數接近特定 判據，則顯示和報警。(4)對瞬時電磁暫態信號進行調理和模數轉換后存儲的數據包進行的網絡匯集、 分析和處理。步驟(2)和步驟(3)為計算機輔助計算提高判斷速度和準確率。其顯示和報警， 可以通過打印機，顯示器、色帶、指示燈或者喇叭，優選顯示器。所述的高頻電流傳感器的截止頻率為2MHz-125MHz。所述高速信號采集單元的采樣頻率為4MHz-250MHz。如圖2、圖3所示，高速信號采集和處理系統包括至少一個高速信號采集單元以 及具有特定判據的數據分析和處理系統，主要包括高頻傳感器、信號調理器、高速A/D轉換 器、高速比較器、FPGA、動態存儲器、處理器、以太網芯片和網絡。高頻傳感器的輸出端連 接信號調理器的輸入端，信號調理器的輸出端分別通過高速A/D轉換器和高速比較器連接 FPGA的信號輸入端。FPGA的數據端設置連接存儲器，其輸出端連接處理器的數據端。處理 器的通訊端通過以太網芯片連接網絡。處理器的輸出端設置顯示器和打印機，也可以設置打印機、色帶、指示燈或者喇 叭。FPGA即可編程邏輯門陣，包括高速A/D接口、門限邏輯控制、動態隨機存儲器接 口、命令寄存器和處理器接口組成，其模塊結構方式為普通現有技術。使用時，高速A/D接 口連接高速A/D轉換器的輸出端，門限邏輯控制連接高速比較器，動態存儲器接口連接動態存儲器DRAM，處理器接口連接處理器的輸入端。本發明中提及的對數據包進行的網絡匯集、分析和處理，處理器和FPGA的設置、輸入、存儲和使用，為普通計算機及電氣工程師等專業人員所掌握。高速信號采集和處理系統的工作原理和過程由高頻傳感器采集到的截止頻率大于2MHz的電磁暫態信號，經信號調理電路進 行增益調整和低通濾波送給高速A/D轉換器和高速比較器，在現場可編程邏輯門陣的控制 下根據高速比較器的輸出決定是否啟動高速模數轉換和存儲，處理器通過中斷得到數據有 效信息，經過算法處理，通過以太網將數據以網絡通訊方式上傳到上位機。使用者除了在單 機上監測運行狀態外，還可以通過網絡匯集、單一調用，分析和處理。如圖4、圖5所示，為本發明實施例現場于2010年4月6日在線運行現場得到的交 聯聚乙烯(XLPE)電力電纜“可恢復故障”的原始波形和本發明實施例現場于2010年4月 6日在線運行現場得到的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜實測擾動原始波形。可以明顯的辨別區分兩種波形的差異，可以有效去除擾動信號，提高監測預警的 準確性。實施例2 本發明的步驟3中所述的分析和處理，包括對瞬時電磁暫態信號(1)進行信號調理和模數轉換，并且存儲；(2)將瞬時電磁暫態信號的強度和波形形態與特定判據比較，辨別發生誤動作信 號；(3)通過瞬時電磁暫態信號記錄發生“可恢復故障”的次數，如果該次數接近特定 判據，則顯示和報警。步驟⑵和步驟(3)為人工辨別和操作。
權利要求
交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，包括被測交聯聚乙烯電力電纜，其特征在于通過實時在線檢測和記錄某一條被測交聯聚乙烯電力電纜發生“可恢復故障”時，產生的流經所述被測電力電纜的金屬屏蔽層接地導體的瞬時電磁暫態信號，利用特定判據進行分析，對所述被測電力電纜進行故障預警，包括以下具體步驟步驟1將所述被測交聯聚乙烯電力電纜的金屬屏蔽層接地導體穿過一孔型高頻電流傳感器，該高頻電流傳感器的輸出端接到一高速信號采集和數據處理系統，該高速信號采集和處理系統包括至少一個高速信號采集單元以及具有特定判據的數據分析和處理系統；步驟2利用所述的高頻電流傳感器和高速信號采集單元，實時在線檢測和記錄所述被測電力電纜發生“可恢復故障”時，產生的流經所述被測電力電纜的接地導體的瞬時電磁暫態信號；步驟3利用所述的數據分析和處理系統，對步驟2所檢測和記錄得到的信號數據，利用特定判據進行分析和處理，通過顯示數據分析結果對所述被測電力電纜進行故障預警。
2.根據權利要求1所述的交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，其特征在于所 述特定判據為在發生第一次“可恢復故障”到電力電纜發生故障這個時間段內連續檢測和 記錄到的所述被測電力電纜發生“可恢復故障”的次數以及所述瞬時電磁暫態信號的強度 和形態。
3.根據權利要求1所述的交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，其特征在于所 述的分析和處理，包括對瞬時電磁暫態信號(1)進行信號調理和模數轉換，并且存儲；(2)將瞬時電磁暫態信號的強度和波形形態與特定判據比較，辨別發生誤動作信號；(3)通過瞬時電磁暫態信號記錄發生“可恢復故障”的次數，如果該次數接近特定判據， 則顯示和報警。
4.根據權利要求1所述的交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，其特征在于所 述的高頻電流傳感器的截止頻率為2MHz-125MHz。
5.根據權利要求1所述的交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，其特征在于所 述高速信號采集單元的采樣頻率為4MHz-250MHz。
6.根據權利要求1所述的交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，其特征在于所 述的分析和處理，還包括對瞬時電磁暫態信號進行調理和模數轉換后存儲的數據包進行的 網絡匯集、分析和處理。
7.根據權利要求3所述的電力電纜故障的在線預警方法，其特征在于所述的步驟(2) 和步驟(3)為人工辨別和操作。
全文摘要
一種交聯聚乙烯電力電纜故障的在線預警方法，屬于電力電纜在線監測領域。包括被測交聯聚乙烯電力電纜，其特征在于通過實時在線檢測和記錄某一條被測交聯聚乙烯電力電纜發生“可恢復故障”時，產生的流經所述被測電力電纜的金屬屏蔽層接地導體的瞬時電磁暫態信號，利用特定判據進行分析，對所述被測電力電纜進行故障預警。針對電力電纜的“可恢復故障”的在線預警方法，對電纜損毀之前的“可恢復故障”，實施在線預警，便于供電部門提前或有計劃檢修，避免因電纜突發故障造成停電，減少因停電所造成的經濟損失以及對企業生產和人民生活帶來的不利影響，提高供電可靠性。
文檔編號G01R31/08GK101819244SQ20101016102
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月5日 優先權日2010年5月5日
發明者張立斌, 王廣柱, 魏洪文 申請人:淄博文廣電氣有限公司;淄博博鴻電氣有限公司