一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置的制造方法

一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其包括寬頻帶高頻電流傳感器、信號調理單元以及上位機；信號調理單元與上位機電連接，信號調理單元包括依次電連接的多級放大器、檢波器以及數字式示波器；多級放大器用于放大寬頻帶高頻電流傳感器的電信號；本發明可以全頻帶的掃描電纜的局部放電信號，抗干擾能力強，能更好地適用于復雜的測試環境，具有更高的檢測效果和實用性。
【專利說明】
一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002] 目前，IOkV以上高壓電纜線路已廣泛地應用于城市電網，并有取代架空輸配電線 路的趨勢，其安全可靠運行關系到城市供電的可靠性。相對于其它高壓電氣設備，電纜絕緣 故障的精確診斷難度更大。這主要是因為電纜安裝在地下，距離很長，不論巡視、帶電檢測、 檢修、診斷都耗時耗力，不易實施;而且與其它設備不同，電纜本體在工廠內制作，而電纜接 頭要在現場安裝，現場施工質量受多種因素影響，可能達不到工廠內的質量控制要求，電纜 接頭往往成為電纜故障的主要發生地，因接頭結構復雜，其診斷難度比較大。如何實現這些 電纜線路的狀態評估和檢修，保障電纜線路安全可靠運行，是目前研究的熱點之一。
[0003] 局部放電作為絕緣劣化的前兆，已被國內外廣泛認可。在高壓電纜上，局部放電與 其絕緣狀況密切相關，局部放電量的變化預示著電纜絕緣可能存在危害其運行安全的缺 陷。現有電纜一般采用XLPE絕緣。理論上，XLPE電纜局部放電脈沖包含的頻譜很寬，最大達 到GHz數量級，最小達到數kHz。電纜局部放電檢測有多種方法，高頻電流法是目前應用比較 成功的方法。目前國內外高頻測量主要檢測3M-30MHZ范圍內的局部放電信號。然而頻帶檢 測的寬度過窄，會導致一些缺陷造成的局部放電信號被漏掉，如超高頻(大于100MHz)范圍 或低頻(小于200kHz)范圍。因此，在較寬頻帶范圍內進行局放高頻信號檢測是目前研究的 難點。
[0004] 高頻電流傳感器(HFCT)作為高頻電流檢測法檢測局部放電的傳感器部件，一般使 用Rogowski線圈方式，在環狀的磁芯材料上圍繞多IM導電線圈，高頻電流穿過磁芯中心引 起的高頻交變磁場會在線圈中產生感應電流。高頻電流傳感器的頻帶寬度和靈敏度是衡量 傳感器性能的最重要的兩個參數。然而，現有的高頻電流傳感器在設計上存在頻帶寬而靈 敏度不足或靈敏度高而頻帶較窄的缺陷。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是要提供一種設計合理的寬頻帶掃描式電纜局部放電 測量裝置。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明裝置采取的技術方案是：一種寬頻帶掃描式電纜局 部放電測量裝置，包括寬頻帶高頻電流傳感器、信號調理單元以及上位機；
[0007] 高頻電流傳感器通過同軸電纜與信號調理單元電連接，信號調理單元與上位機電 連接，
[0008] 信號調理單元包括依次電連接的多級放大器、檢波器以及數字式示波器；
[0009] 多級放大器用于放大寬頻帶高頻電流傳感器的電信號；
[0010]檢波器用于對經多級放大器放大后的電信號進行檢波并將電信號傳遞給數字式 示波器，
[0011] 數字式示波器用于對電信號采集、數字成像并傳遞給上位機。
[0012] 進一步，所述高頻電流傳感器為基于羅氏線圈原理的電磁耦合開合式電流傳感 器。
[0013] 進一步，所述高頻電流傳感器包括金屬屏蔽外殼和傳感器組件；
[0014] 所述金屬屏蔽外殼由兩個分體式半盒構成，兩個分體式半盒的一端由合頁鉸接， 另一端通過搭扣鉸接;兩個分體式半盒閉合后中間形成一個軸向的圓孔，外側為正八邊形；
[0015] 所述分體式半盒沿其圓周方向開設有半環型的磁芯槽，所述磁芯槽上面設有薄蓋 板；
[0016] 所述傳感器組件包括設于磁芯槽內的半環型磁芯，每一個半環型磁芯繞有3個匝 數不同的線圈，所述金屬屏蔽外殼的其中6個邊上分別設有信號輸出端口，每個線圈兩端分 別與相應的信號輸出端口連接;所述磁芯槽與半環型磁芯之間的縫隙內填充有絕緣層。
[0017] 進一步，所述磁芯槽為半環型的凹槽。
[0018] 進一步，所述絕緣層由環氧樹脂澆注或由硅膠墊片組成。
[0019] 進一步，所述半環型磁芯為鎳鋅鐵氧體。
[0020] 進一步，6個所述信號輸出端口分別對應201(-1]^^，1]\1-301!^，30-1001取，10冊-200MHz，200M-500MHz，500M-700MHZ 的檢測頻帶。
[0021]進一步，數字式示波器包括三個與檢波器并聯的PicoScope 2208A;每個 PicoScope 2208A有2個數據采集通道，其頻帶寬度為200MHz，連續采樣方式下采樣率為 lGS/s〇
[0022] 本發明一種全頻帶掃描式局部放電檢測方法，借助于上述的寬頻帶掃描式電纜局 部放電測量裝置;具體包括如下步驟：
[0023] a、將所述寬頻帶傳感器安裝于電纜終端接地線或電纜中間接頭的交叉互聯線上， 將高頻電流傳感器的6個信號輸出端口分別與所述信號調理單元的6個通道分別連接，對第 一檢測點進行檢測；
[0024] b、上位機控制信號調理單元的依次對6個通道檢測到的信號進行處理，多級放大 器首先對寬頻帶傳感器檢測到的信號進行多級放大，放大后的信號經檢波，傳輸到數字式 示波器，數字式示波器高速采集信號，并通過USB數據線與上位機連接；
[0025]放大、檢波和數據采集，并將采集到的信號進行分析、處理和儲存;為避免傳感器6 個信號輸出的互感，每次僅對1個端口的信號進行采集和處理；
[0026] c、完成對6個通道的全頻帶掃描式檢測后，上位機對獲得的信號進行比對、分析， 判斷電纜局部放電測量點最適頻帶及可能存在局部放電信號的頻帶；
[0027] d、對最適頻帶的信號輸出進行重點監測和判斷；
[0028] e、更換檢測第二檢測點，重復上述步驟a-d，然后與第一檢測點進行對比分析。 [0029]其中上位機采用的軟件基于LabVIEW編程實現對示波器采集的數據進行降噪、閾 值判斷及平滑處理;該軟件還可以實現對多個工頻周期的信號進行統計，得到局部放電的 相位圖譜和三維圖譜。
[0030]本高頻電流傳感器在工作時，兩個分體式半盒繞著鉸接合頁打開，將屏蔽盒套于 接地電纜上，合上合頁，扣緊搭扣以閉合金屬屏蔽盒。電纜中微弱的高頻電流信號在磁芯中 感應生成相應變化的磁場，該變化的磁場在線圈中感應生成相應變化的電壓，該感應電壓 經信號輸出端口輸出。通過分別檢測不同信號輸出端口的感應電壓，可以檢測極高頻帶范 圍內高壓電纜內的局部放電信號。
[0031 ]采用上述技術方案所產生的有益效果在于：
[0032] 當電纜發生局部放電時，寬頻帶電流傳感器檢測到放電信號，局部放電強度不同、 放電點距離檢測點距離不同，高頻電流信號的頻率范圍也隨之存在極大的差異；
[0033] 本發明提供的多輸出端口的寬頻帶傳感器，可以全頻帶的掃描電纜的局部放電信 號，由于采用了分頻段設計，保證了每個頻段都具有較高的靈敏度。因此，本發明提供的裝 置抗干擾能力強，能完全獲得不同位置傳來的不同強度的局部放電高頻電流信號，避免現 有高頻法測量電纜局部放電往往出現漏判的現象。而且，本發明提供的基于全頻帶掃描的 局部放電檢測方法，相比現有的分布式局部放電檢測等方法，能更好地適用于復雜的測試 環境，具有更高的檢測效果和實用性。
【附圖說明】
[0034]圖1本發明的電路框圖
[0035] 圖2為本發明高頻電流傳感器的結構示意圖
[0036] 圖3為本發明高頻電流傳感器半剖左視圖 [0037]圖4為本發明高頻電流傳感器的等效電路
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行進一步的說明。
[0039]如圖1-4所示，本發明包括寬頻帶高頻電流傳感器、信號調理單元以及上位機； [0040] 高頻電流傳感器通過同軸電纜與信號調理單元電連接，信號調理單元與上位機電 連接，
[0041] 信號調理單元包括依次電連接的多級放大器、檢波器以及數字式示波器；
[0042] 多級放大器用于放大寬頻帶高頻電流傳感器的電信號；
[0043]檢波器用于對經多級放大器放大后的電信號進行檢波并將電信號傳遞給數字式 示波器，
[0044] 數字式示波器用于對電信號采集、數字成像并傳遞給上位機。
[0045] 高頻電流傳感器為基于羅氏線圈原理的電磁耦合開合式電流傳感器。
[0046] 高頻電流傳感器包括金屬屏蔽外殼和傳感器組件；
[0047] 金屬屏蔽外殼由兩個分體式半盒1構成，兩個分體式半盒1的一端由合頁5鉸接，另 一端通過搭扣6鉸接;兩個分體式半盒1閉合后中間形成一個軸向的圓孔12,外側為正八邊 形；
[0048] 分體式半盒1沿其圓周方向開設有半環型的磁芯槽2,磁芯槽2上面設有薄蓋板3; 磁芯槽2和薄蓋板3通過數個安裝螺絲孔7以安裝螺絲連接固定;磁芯槽2的兩端分別設有一 定位孔10和一定位釘11實現合理準確的定位；
[0049] 傳感器組件包括設于磁芯槽2內的半環型磁芯8,兩個半環形磁芯8拼接成一個環 狀磁芯，每一個半環型磁芯8繞有3個匝數不同繞線導線直徑也不同的線圈，金屬屏蔽外殼 的其中6個邊上分別設有信號輸出端口 4,每個線圈兩端分別與相應的信號輸出端口 4連接； 磁芯槽8與半環型磁芯8之間的縫隙9內填充有絕緣層。
[0050]磁芯槽8為半環型的凹槽。絕緣層由環氧樹脂澆注或由硅膠墊片組成。半環型磁芯 8為鎳鋅鐵氧體。
[0051 ] 6 個信號輸出端口 4 分別對應 20K-lMHz，1M-30MHZ，30-100MHZ，100M-200MHz，200M- 500MHz，500M-700MHz的檢測頻帶。由于每個頻帶范圍相對較窄，可以保證該頻帶范圍內的 靈敏度。
[0052] 數字式示波器包括三個與檢波器并聯的PicoScope 2208A;每個PicoScope 2208A 有2個數據采集通道，其頻帶寬度為200MHz，連續采樣方式下采樣率為lGS/s。
[0053]本實施例的全頻帶掃描式局部放電檢測方法，具體包括如下步驟：
[0054] a、將寬頻帶傳感器安裝于電纜終端接地線或電纜中間接頭的交叉互聯線上，將高 頻電流傳感器的6個信號輸出端口分別與信號調理單元的6個通道分別連接，對第一檢測點 進行檢測；
[0055] b、上位機控制信號調理單元的依次對6個通道檢測到的信號進行處理，多級放大 器首先對寬頻帶傳感器檢測到的信號進行多級放大，放大后的信號經檢波，傳輸到數字式 示波器，數字式示波器高速采集信號，并通過USB數據線與上位機連接；
[0056] 放大、檢波和數據采集，并將采集到的信號進行分析、處理和儲存;為避免傳感器6 個信號輸出的互感，每次僅對1個端口的信號進行采集和處理；
[0057] c、完成對6個通道的全頻帶掃描式檢測后，上位機對獲得的信號進行比對、分析， 判斷電纜局部放電測量點最適頻帶及可能存在局部放電信號的頻帶；
[0058] d、對最適頻帶的信號輸出進行重點監測和判斷；
[0059] e、更換檢測第二檢測點，重復上述步驟a-d，然后與第一檢測點進行對比分析。
[0060] 其中高頻電流傳感器在使用時，將傳感器搭扣6打開，套在被測電纜的終端接地線 上;利用特征阻抗為20-100歐姆的同軸電纜將6個信號輸出端口 4輸出的信號依次連接到信 號測量裝置上。不同的端口檢測的頻帶范圍不同，6個信號輸出端口可以檢測跨度20K-700MHz這一極寬頻帶范圍的高頻電流信號。本實施例所述的高頻電流傳感器獨特的設計， 可以保證每個頻帶均具有極高的靈敏度。在磁芯材料和磁芯截面積固定后，檢測頻帶寬度 主要與線圈纏繞匝數以及線圈直徑、材質和絕緣直接相關。
[0061] 典型的電流傳感器等效電路如圖4所示，其類似于高頻小信號并聯諧振回路。其中 Il(t)為原邊電流，Ul (t)為線圈的感應電壓，M為原邊和次邊的互感，Ls為線圈自感，Rs為線 圈自身電阻，Cs為雜散電容，R為負載電阻。采用高頻小信號并聯諧振回路理論分析，可得電 流傳感器的頻帶為
[0062] 下限頻率：
[0063]
[0064]
[0065]
[0066]
[0068]
[0067] 丁作頗帶寬度：
[0069]
[0070]
[0071 ]高頻電流傳感器的帶寬B和靈敏度K由線圈的自感Ls，自身電阻Rs，雜散電容Cs，互 感M和負載電阻R共同決定。由1-4式可知，要提高傳感器帶寬，就要使f2盡可能大，Π 盡可能 小。如果提高線圈自感Ls，就會降低下限截止頻率Π ;同樣，如果減小線圈的雜散電容Cs和 自身電阻Rs，就會增大上限截止頻率f 2，兩種方式都會擴大帶寬，但都使得傳感器靈敏度下 降；當負載電阻R減小時，下限截止頻率Π 降低，上限截止頻率f2增大，即工作頻帶變寬，但 隨著R的減小，傳感器的靈敏度也隨之下降。可見，既要保證傳感器有足夠高的靈敏度，又要 保證它有較寬的頻帶是很難實現的。
[0072] 線圈的Ls、Cs和Rs這些參數決定于磁芯的內外徑、高度，線圈匝數，線圈本身的長 度和截面積(5-7式）。其中N為線圈匝數，A為磁芯的截面積，1為磁路的平均長度，μ為初始磁 導率， ε為線圈絕緣的介電常數，r2和rl分別為磁芯的外徑和內徑;p、L和S分別為線圈所用 導線的電阻率、總長度和截面積。
[0073] 線圈自感：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079] 由5-7式并結合前面的分析，關于頻帶寬度，為了使傳感器的頻帶寬，需要選用磁 導率大的磁芯，增加線圈纏繞匝數和磁芯截面積，降低磁路長度以使線圈自感增加;通過增 加線圈長度和截面積來減小線圈電阻Rs;通過增加磁芯直徑和內外徑差異來減小線圈雜散 電容Cs。關于靈敏度，根據分析可知靈敏度大小與負載電阻R成正比，與線圈匝數N成反比。 這樣就存在了矛盾，即減小負載電阻，可以擴寬頻帶，但是會降低靈敏度，增加繞線匝數也 可以擴寬頻帶，同樣會降低靈敏度。
[0080] 經過理論計算和試驗驗證，本實施例中傳感器磁芯材料為鎳鋅鐵氧體，磁芯尺寸 為50 X 80 X 20mm，6個頻帶線圈特征分別為：
[0081] 頻帶I(IOK-IM):繞線材料為直徑為1mm雙股的銅導線，繞線匝數為10匝，積分電阻 50 Ω ；
[0082]頻帶2(1M-30M):繞線材料為直徑為1mm雙股的銅導線，繞線匝數為10匝，積分電阻 100 Ω ；
[0083] 頻帶1(30M-100M):繞線材料為直徑為1mm雙股的銅導線，繞線匝數為10匝，積分電 阻IkQ ;
[0084] 頻帶2(100M-300M):繞線材料為直徑為1mm的銅導線，繞線匝數為10匝，積分電阻 IOkQ ；
[0085] 頻帶I (300M-500M):繞線材料為直徑為0.8mm的銅導線，繞線匝數為20匝，積分電 阻20kQ ;
[0086] 頻帶2(500M-700M):繞線材料為直徑為0.5mm的銅導線，繞線匝數為25匝，積分電 阻25kQ ;
[0087] 多級放大器與寬頻帶傳感器之間的輸出端口之間有多路開關，上位機軟件控制放 大器每次測量僅與1個傳感器輸出端口連接，這樣可以避免6個線圈之間產生電流互感，造 成測試誤差。
[0088] 具體使用時:將寬頻帶傳感器安裝于電纜終端接地線或電纜中間接頭的交叉互聯 線上，將傳感器的6個信號輸出端口分別與信號調理單元的6個通道分別連接;信號調理單 元與上位機連接。打開上位機軟件，建立信號調理單元和上位機通訊，上位機軟件控制放大 器與傳感器之間的多路開關，依次連接6個通道進行檢測，軟件對采集到的信號進行分析、 處理和儲存;完成對6個通道的全頻帶掃描式檢測后，上位機軟件對獲得的信號進行比對、 分析，判斷電纜局部放電測量點最適頻帶及可能存在局部放電信號的頻帶；隨后軟件自動 連接最適頻帶所在的傳感器信號輸出端口，對該信號輸出進行重點監測;在對數個工頻信 號內局部放電信號進行統計分析后，顯示該局部放電的相位圖譜和實時三維放電圖譜，并 判定局部放電的位置;對可能存在局部放電信號的頻帶，人工更換傳感器位置，重復前面的 測定步驟，以進一步確認該局部放電是否來源于另一位置。
[0089] 最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管 參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可 以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;作 為本領域技術人員對本發明的多個技術方案進行組合是顯而易見的。而這些修改或者替 換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1. 一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于:包括寬頻帶高頻電流傳感 器、信號調理單元以及上位機； 高頻電流傳感器通過同軸電纜與信號調理單元電連接，信號調理單元與上位機電連 接， 信號調理單元包括依次電連接的多級放大器、檢波器以及數字式示波器； 多級放大器用于放大寬頻帶高頻電流傳感器的電信號； 檢波器用于對經多級放大器放大后的電信號進行檢波并將電信號傳遞給數字式示波 器， 數字式示波器用于對電信號采集、數字成像并傳遞給上位機。2. 根據權利要求1所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：所 述高頻電流傳感器為基于羅氏線圈原理的電磁耦合開合式電流傳感器。3. 根據權利要求2所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：所 述高頻電流傳感器包括金屬屏蔽外殼和傳感器組件； 所述金屬屏蔽外殼由兩個分體式半盒（1)構成，兩個分體式半盒（1)的一端由合頁（5) 鉸接，另一端通過搭扣(6)鉸接;兩個分體式半盒（1)閉合后中間形成一個軸向的圓孔（12)， 外側為正八邊形； 所述分體式半盒（1)沿其圓周方向開設有半環型的磁芯槽（2)，所述磁芯槽（2)上面設 有薄蓋板(3); 所述傳感器組件包括設于磁芯槽(2)內的半環型磁芯(8)，每一個半環型磁芯(8)繞有3 個匝數不同的線圈，所述金屬屏蔽外殼的其中6個邊上分別設有信號輸出端口（4)，每個線 圈兩端分別與相應的信號輸出端口（4)連接;所述磁芯槽(8)與半環型磁芯(8)之間的縫隙 (9)內填充有絕緣層。4. 根據權利要求3所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：所 述磁芯槽(8)為半環型的凹槽。5. 根據權利要求3所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：所 述絕緣層由環氧樹脂澆注或由硅膠墊片組成。6. 根據權利要求3所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：所 述半環型磁芯(8)為鎳鋅鐵氧體。7. 根據權利要求1-6所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：6 個所述信號輸出端口（4)分別對應20K-lMHz，1M-30MHZ，30-100MHZ，100M-200MHz，200M-500MHz，500M-700MHZ 的檢測頻帶。8. 根據權利要求1所述的一種寬頻帶掃描式電纜局部放電測量裝置，其特征在于：數 字式示波器包括三個與檢波器并聯的PicoScope 2208A;每個PicoScope 2208A有2個數據 采集通道，其頻帶寬度為200MHz，連續采樣方式下采樣率為lGS/s。
【文檔編號】G01R31/12GK105842595SQ201610342303
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】郭濤, 李宏峰, 成洪剛, 楊博超, 王立軍, 邢坤, 章嘯, 郭康, 谷冉, 陳匯東, 林超
【申請人】國家電網公司, 國網河北省電力公司, 國網河北省電力公司石家莊供電分公司