高壓電纜附件局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊琳，田曉菲，吳德永，劉帥卓，王穎，吳小林

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司科學(xué)研究院，四川成都610072; 2.國(guó)網(wǎng)四川物資公司，四川成都610000;3.西南石油大學(xué)，四川成都610500)

高壓電纜附件局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊琳1，田曉菲2，吳德永1，劉帥卓3，王穎3，吳小林3

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司科學(xué)研究院，四川成都610072; 2.國(guó)網(wǎng)四川物資公司，四川成都610000;3.西南石油大學(xué)，四川成都610500)

隨著電力電纜在電力系統(tǒng)中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其供電的可靠性也越來(lái)越受有關(guān)部門(mén)和用戶的關(guān)注。而電纜附件是連接電纜與電纜、電纜與其他設(shè)備非常重要的環(huán)節(jié)。局部放電是導(dǎo)致電纜附件發(fā)生故障的主要原因之一，而高壓電纜附件局部放電與內(nèi)部絕緣狀況有密切關(guān)系。設(shè)計(jì)了高壓電纜附件局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)的硬件部分主要包括信號(hào)發(fā)生器、高頻電流傳感器和PCI8735數(shù)據(jù)采集卡等模塊，軟件部分主要基于虛擬儀器技術(shù)使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重組、去噪等功能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析，證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確，對(duì)于高壓電纜附件局部放電的監(jiān)測(cè)有一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于促進(jìn)能源的合理利用，資源的節(jié)約具有重要的意義。

電纜附件;局部放電;高頻電流傳感器;PCI8735數(shù)據(jù)采集卡;LabVIEW

0 引言

隨著城市供電電纜化的快速推進(jìn)，電力電纜附件的使用量也在不斷增加。但是電力電纜附件在選用、安裝過(guò)程中存在著眾多問(wèn)題。隨著時(shí)間的推移和環(huán)境的變化，這些問(wèn)題日漸顯露，最終引發(fā)許多電纜事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)有80%以上的電力電纜事故是由電力電纜附件的質(zhì)量問(wèn)題所引起的。電力電纜附件的質(zhì)量問(wèn)題主要指的是電纜附件內(nèi)部的局部絕緣缺陷，當(dāng)電纜附件內(nèi)部長(zhǎng)期存在局部絕緣缺陷時(shí)會(huì)在電纜附件絕緣內(nèi)引發(fā)樹(shù)枝狀老化，同時(shí)伴隨以局部放電的形態(tài)表現(xiàn)出來(lái)，局部放電的發(fā)展最終導(dǎo)致電纜附件絕緣的擊穿。目前，局部放電檢測(cè)是電纜附件故障檢測(cè)方面應(yīng)用最為廣泛、有效的方法。因此，對(duì)電力電纜附件進(jìn)行定期局部放電檢測(cè)就顯得特別重要。

因此設(shè)計(jì)了一種基于高頻電磁耦合法的電纜附件局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)運(yùn)行中的電纜附件因各種絕緣故障所產(chǎn)生的局放信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)分析，從而為工作人員制定故障修復(fù)方案提供科學(xué)的依據(jù)。本系統(tǒng)可靠性高、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，值得推廣。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于高頻電流法，配合虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)課題的研究。本系統(tǒng)以高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)、顯示等主要技術(shù)完成局部放電監(jiān)測(cè)。最后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果來(lái)判斷放電類(lèi)型。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 高壓電纜附件局部放電系統(tǒng)框圖

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器充當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用信號(hào)發(fā)生器輸出高頻方波信號(hào)(模擬高脈沖信號(hào))，經(jīng)過(guò)高頻電流傳感器將信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集卡，最后通過(guò)軟件顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)放電的幅值、相位以及放電次數(shù)對(duì)局部放電趨勢(shì)和局部放電強(qiáng)度進(jìn)行分析并給出放電監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.2 高頻電流傳感器

羅氏線圈(Rogowski coil)的全稱(chēng)是羅哥夫斯基線圈，它是一種不含鐵心的均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，可以直接套在導(dǎo)體上對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行測(cè)試，有硬性和柔性之分，其輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的積分。當(dāng)線圈套在導(dǎo)體上時(shí)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的交流會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生一個(gè)變換的磁場(chǎng)，然后就能從線圈中感應(yīng)出與電流成正比的電壓信號(hào)。羅氏線圈實(shí)際上是1:N的電流互感器，原邊為單匝線圈，是環(huán)形鐵氧體材料;其副邊線圈是N匝環(huán)形繞組，其窗口面積較大而截面較小，其結(jié)構(gòu)電路如圖2所示。

圖2 羅氏線圈結(jié)構(gòu)與等效電路圖

1.3 數(shù)據(jù)采集卡PCI8735

數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(data acquisition，DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過(guò)USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。PCI8735是基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，能夠直接插在IBMPC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一卡槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心的等各種領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集、波形分析以及處理系統(tǒng)，還可以構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)控系統(tǒng)。

該卡主要的功能有AD模擬量輸入功能、DI數(shù)字量輸入功能、DO數(shù)字量輸出功能等。AD模擬輸入功能配置的是AD7321芯片，該芯片配有一個(gè)高速的串行接口，是一款雙通道、12位帶符號(hào)位的逐次逼近型ADC。AD7321內(nèi)部原理圖如圖3所示。

采用數(shù)據(jù)采集卡PCI8735的作用是采集從傳感器中輸出的模擬信號(hào)，并同時(shí)將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)計(jì)算機(jī)端軟件將其進(jìn)行分析和處理，得到所需的數(shù)據(jù)。它具有性能穩(wěn)定、便捷等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電測(cè)儀表發(fā)展至今，大體上經(jīng)歷了指針式儀表、數(shù)字式儀表和微機(jī)化儀表三代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而產(chǎn)生功能強(qiáng)大、多變的虛擬儀器。虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)資源(CPU、存儲(chǔ)器、顯示器等構(gòu)成)和通用儀器硬件(A/D、D/A變換器、數(shù)字輸入輸出、定時(shí)和信號(hào)處理器等)與用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及用戶圖形界面的軟件有效地結(jié)合起來(lái)而組成的儀器操作平臺(tái)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

1.4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種用圖表編程代替用文本行編程方式的編程軟件。其采用編程方式是用數(shù)據(jù)流和圖表來(lái)編程，程序的執(zhí)行順序是有圖表之間的節(jié)點(diǎn)流向來(lái)決定的。利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)端軟件的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

在LabVIEW中調(diào)用串口時(shí)包括參數(shù)設(shè)置模塊、寫(xiě)模塊、讀模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊五大部分。串口通訊編程流程圖如圖6所示。

圖6 串口通訊編程流程圖

1.4.2 軟件消噪設(shè)計(jì)

局部放電監(jiān)測(cè)中的干擾主要是隨傳感器和局部放電信號(hào)一起被輸入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的，其按時(shí)域信號(hào)特征分類(lèi)主要有3種，分別是白噪聲、連續(xù)性窄帶性周期干擾和脈沖干擾。白噪聲主要來(lái)源于線圈發(fā)熱噪聲，配電線路以及測(cè)量設(shè)備等耦合進(jìn)入的各種噪聲;窄帶周期性干擾包括系統(tǒng)高次諧波、高頻保護(hù)、載波通信以及無(wú)線電通信等;脈沖干擾主要分周期性脈沖干擾和隨機(jī)脈沖干擾。濾波器是一種頻限裝置，對(duì)于要求內(nèi)的頻帶給予小幅度的衰減，給予要求外的頻帶大幅度的衰減，從而使信號(hào)的有用信息更加明顯。數(shù)字濾波器是濾波器的一種，相對(duì)于模擬濾波器說(shuō)，數(shù)字濾波器具有精度高、靈活性大、可靠性高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波的程序框圖如圖7所示。

對(duì)白噪聲局部放電信號(hào)進(jìn)行多尺度的分析可知，局部放電信號(hào)的小波變換模總是在某一尺度或相鄰幾個(gè)尺度上比噪聲大得多，且其位置與相鄰尺度基本對(duì)應(yīng)，而噪聲在每個(gè)尺度上都有，且隨著尺度的增加模值呈減小的趨勢(shì)。根據(jù)局部放電信號(hào)和噪聲在小波變換上表現(xiàn)出的差別，可以去掉噪聲對(duì)應(yīng)的小波變換模，保留局部放電信號(hào)的小波變換模。僅用保留的各尺度的小波變換模和最大尺度的平滑系數(shù)可以很接近地重構(gòu)原信號(hào)，達(dá)到抑制噪聲、提高信噪比的目的。

圖7 數(shù)字濾波程序圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

利用本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)10 kV電纜終端的典型缺陷進(jìn)行了局部放電檢測(cè)研究分析。圖8是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制作的電纜附件主絕緣割傷典型缺陷，圖9是11 kV電壓下高頻電流傳感器測(cè)得的局放原始信號(hào)，圖10、11分別為濾波后的信號(hào)和信號(hào)的頻譜，圖12是提取的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)，圖13是本套系統(tǒng)軟件的處理結(jié)果。

圖8 主絕緣割傷(縱向切割)

圖9 局部放電原始信號(hào)

圖10 濾波后信號(hào)

圖11 信號(hào)頻譜

圖12 特征參數(shù)

圖13 系統(tǒng)軟件處理結(jié)果

3 結(jié)論

高壓電纜附件作為電力電纜中運(yùn)行設(shè)備，它的安全程度直接影響電力電纜的運(yùn)行，從而影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。在閱讀大量國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)以及局部放電監(jiān)測(cè)的有關(guān)資料后，設(shè)計(jì)了高壓電纜附件局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到以下結(jié)論:

1)設(shè)計(jì)了1套電纜附件局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的電纜附件因各種絕緣故障所產(chǎn)生的局部放電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)分析;

2)采用小波去噪方法可去除局部放電信號(hào)中的窄帶干擾信號(hào)、白噪聲干擾信號(hào)和脈沖型干擾信號(hào)等干擾信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的時(shí)頻綜合分析;

3)采用高頻電流傳感器作為局部放電信號(hào)檢測(cè)原件可提高局部放電信號(hào)的檢測(cè)靈敏度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻局部放電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

［1］孫建鋒，葛睿，鄭力，等.2010年國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析［J］.中國(guó)電力，2011，44(5):1－4.

［2］DL/T 596－1996，電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］王昌長(zhǎng)，李福祺，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［4］劉兵.基于行波電力電纜故障單端在線測(cè)距研究［D］.武漢:武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.

［5］楊建國(guó).小波分析及其工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［6］張國(guó)華，張文娟，薛鵬祥，等.小波分析與應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［7］劉貴忠，邸雙亮.小波分析及其應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技人學(xué)出版社，1992.

［8］黃子俊，陳允平.基于小波變換模極大值的輸電線路單端故障定位［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25(2):10－14.

［9］趙宇，劉青，高授利，等.高壓XLPE電纜線路局部放電測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.電力設(shè)備，2008，9(9):45－49.

［10］葛景滂，邱昌容，謝恒堃.局部放電測(cè)量［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［11］陳慶國(guó)，龔細(xì)秀，李福祺.變壓器油中局部放電超高頻檢測(cè)的試驗(yàn)研究［J］.高電壓技術(shù)，2002，28(12): 23－25.

［12］孫曉龍，李寶樹(shù)，趙書(shū)濤.虛擬儀器技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力情報(bào)，2001，5(2):5－9.

［13］劉君華，賈慧芹.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［14］李志譚，辛彥紅.基于LabvIEW的測(cè)試軟件的研制［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006(l):110－112.

［15］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEWS.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［16］丁玉劍.基于LabVIEW的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2007.

With the wide application of power cable in power system，the reliability of its power supply attracts more and more attention from the relevant departments and users.Cable accessories are very important aspects connecting cables with cables and cables with other facilities.Partial discharge is one of the main reasons leading to the failure of cable accessories，and partial discharge in HV cable accessories is in close relationship with internal insulation.An on－line monitoring system for partial discharge of HV cable accessories is designed.The hardware of this system mainly includes signal generator，high frequency current sensor and PCI8735 data acquisition card and other modules，and its software uses LabVIEW to achieve data reorganization，denoising and other functions mainly based on the virtual instrument technology.After lab tests and analysis，it proves that the proposed system is stable and can collect data quickly and accurately.It has a certain application value to partial discharge monitoring of HV cable accessories and is of great significance to the promotion of rational energy use and resource conservation.

cable accessories;partial discharge;high frequency current sensor;PCI8735 data acquisition card;LabVIEW

TM855

A

1003－6954(2015)06－18－05

2015－08－04)