多傳感技術(shù)融合的電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)

引言

局部放電法能夠?qū)﹄娎|絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),通過對(duì)放電量和相位等特征參數(shù)的分析,可以判斷缺陷類型和絕緣劣化程度,進(jìn)而分析絕緣老化的趨勢(shì),預(yù)測(cè)電纜剩余壽命。該方法對(duì)電纜的可靠運(yùn)行具有重大意義,至今在電纜絕緣監(jiān)測(cè)方面已有很多成功案例。

局部放電法具體可分為高頻電流(HFCT)法、超高頻(UHF)法、超聲波(AA)法、溫度檢測(cè)法和化學(xué)檢測(cè)法等,但由于使用場(chǎng)景和檢測(cè)量等一系列原因,單一檢測(cè)方法都具有局限性。通過多種檢測(cè)法和多傳感技術(shù)的聯(lián)合檢測(cè),對(duì)電纜局部放電產(chǎn)生的各種電信號(hào)和非電信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析,能夠有效避免單一檢測(cè)方法的局限,提高測(cè)量結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確性。

1電纜局部放電檢測(cè)原理

1.1高頻電流(HFCT)法

HFCT法在電纜局放檢測(cè)中最為基礎(chǔ)。電纜發(fā)生局部放電時(shí),會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電流,HFCT傳感器通過耦合其激勵(lì)出的電磁場(chǎng)信號(hào),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該電壓信號(hào)可以反映局部放電的信息。

局部放電產(chǎn)生的高頻脈沖會(huì)向電纜兩端傳播,沿一個(gè)方向能直達(dá)HFCT傳感器,沿另一個(gè)方向傳播到電纜末端,再經(jīng)過反射到達(dá)傳感器,因此會(huì)產(chǎn)生脈沖到達(dá)傳感器的時(shí)間差。根據(jù)脈沖信號(hào)在電纜中的傳播速度,可以實(shí)現(xiàn)局放定位,如圖1所示。

使用兩個(gè)HFCT傳感器同步檢測(cè)還可以實(shí)現(xiàn)局放點(diǎn)方向的判斷。如果局放點(diǎn)在兩個(gè)傳感器中間,兩個(gè)傳感器采集到的信號(hào)是相反的,如圖2所示。如果局放點(diǎn)在兩個(gè)傳感器同側(cè),兩個(gè)傳感器采集到的信號(hào)是相同的,如圖3所示。

1.2超高頻(UHF)法

UHF法的原理也是耦合電纜局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào),但與HFCT法不同的是,它的傳感器采用超高頻天線。由于局放信號(hào)的頻帶在幾百kHz至上千MHz之間,低頻率的信號(hào)很難對(duì)其造成干擾,抗干擾性強(qiáng),靈敏度高,因此該方法廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的局部放電檢測(cè),GIs領(lǐng)域最為明顯。

該種方法的定位原理與HFCT法相似,通過在電纜附件位置安裝傳感器,利用時(shí)間差實(shí)現(xiàn)局放源定位。

1.3超聲波(AA)法

AA法通過超聲波傳感器獲取局部放電產(chǎn)生的聲信號(hào),壓電晶片將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行分析。由于聲波信號(hào)的強(qiáng)度和局部放電程度有很好的相關(guān)性,且與電纜沒有電氣連接,所以受電磁干擾比較小,在局放檢測(cè)領(lǐng)域中有很多應(yīng)用。

超聲波信號(hào)在空氣中的衰減程度比較大,檢測(cè)到信號(hào)強(qiáng)度最大處基本就在局放點(diǎn)附近。同時(shí)也可以通過設(shè)置多個(gè)傳感器,利用信號(hào)到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)精確定位。

1.4聯(lián)合檢測(cè)與定位技術(shù)

該種聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)主要在電纜附件處實(shí)現(xiàn),電纜附件包括電纜終端和電纜中間接頭。將HFCT傳感器套接在電纜附件的接地線上或附件相鄰的電纜本體上,UHF傳感器和AA傳感器安裝在電纜附件的附近,如圖4所示。

對(duì)電纜線路進(jìn)行巡檢時(shí),使用HFCT傳感器和UHF傳感器對(duì)各電纜附件進(jìn)行檢測(cè),判斷局放源的大概位置。之后在大致局放點(diǎn)附近安裝兩個(gè)HFCT傳感器,判斷局放源的方向。最后,利用三種傳感器對(duì)局放點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合定位。

1.5單一檢測(cè)方法與聯(lián)合檢測(cè)對(duì)比分析

采用HFCT法、UHF法和AA法對(duì)某一電纜終端進(jìn)行局放檢測(cè),結(jié)果如圖5所示,通道1、2為超高頻檢測(cè)數(shù)據(jù),通道3為高頻電流檢測(cè)數(shù)據(jù),通道4為超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過比較可以看出,超高頻檢測(cè)結(jié)果圖像規(guī)整,但脈沖不易觀察,且無法判斷是干擾還是局放脈沖。高頻電流檢測(cè)結(jié)果脈沖較為明顯,但受干擾較重,圖像雜亂。超聲波檢測(cè)結(jié)果具有更明顯的放電信號(hào)特征。通過比對(duì)超聲波和超高頻檢測(cè)結(jié)果,可以確定電纜存在局部放電缺陷。

如表1所示,單一檢測(cè)方法在抗干擾能力、靈敏度、檢測(cè)范圍、定位能力等方面各有優(yōu)劣。由于干擾信號(hào)與局放信號(hào)特征較為相似,容易造成誤判。聯(lián)合檢測(cè)方法以聲、電為檢測(cè)量,當(dāng)一種方法檢測(cè)到疑似局放信號(hào)時(shí),如果其他方法也檢測(cè)到該類型信號(hào),則判定為局部放電,未檢測(cè)到則判定為干擾。這樣能夠有效甄別局放信號(hào)和干擾信號(hào),避免誤判。HFCT法和UHF法的檢測(cè)范圍較大,可以用來判斷局放源的大致范圍,之后用AA法精確定位。

2系統(tǒng)硬件開發(fā)

多傳感技術(shù)融合的電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分由傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元、系統(tǒng)主機(jī)、電源及開關(guān)電路構(gòu)成,如圖6所示。

2.1傳感器

HFCT傳感器主要結(jié)構(gòu)為Rogowski線圈和超微晶材料的電磁耦合磁芯,利用鉗形設(shè)計(jì)套在電纜接地線上。UHF傳感器的主體結(jié)構(gòu)是微帶天線,使用時(shí)安裝在電纜附件的附近。AA傳感器的主體結(jié)構(gòu)是壓電晶片探頭,可以手持,在電纜附件周圍移動(dòng)檢測(cè)。實(shí)物如圖7所示。

2.2信號(hào)調(diào)理單元

由于局部放電產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱,更有外部電場(chǎng)磁場(chǎng)等干擾,傳感器采集到的信號(hào)不能直接用來分析,必須通過硬件的濾波放大,變?yōu)橛行盘?hào)。

本文針對(duì)電纜局部放電信號(hào)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了多級(jí)放大濾波電路,能夠有效去除外界信號(hào)的干擾,提取有效信號(hào)并放大,使局放特征參數(shù)更為明顯,便于系統(tǒng)測(cè)量分析,如圖8所示。

由于UHF信號(hào)的頻率上GHz,不適合直接進(jìn)行采樣處理,所以要利用峰值保持電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)放大、脈沖展寬,同時(shí)可以避免信號(hào)的失真,其電路如圖9所示。

考慮到高頻信號(hào)的頻率范圍,需要設(shè)置帶通濾波電路,其結(jié)構(gòu)為前端高通濾波和后端低通濾波的2級(jí)RC網(wǎng)絡(luò),原理如圖10所示。

2.3數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)采用高速采集芯片作為數(shù)據(jù)采集單元的主體,與工頻相位同步采集,其流程是將經(jīng)過調(diào)理的局放信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,變成數(shù)字化信號(hào)傳輸給系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行分析,同時(shí)能夠接收并執(zhí)行系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送的轉(zhuǎn)換控制信號(hào),如圖11所示。

2.4系統(tǒng)主機(jī)

系統(tǒng)主機(jī)作為人機(jī)交流的平臺(tái),在主機(jī)內(nèi)裝有各種軟件,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制處理功能,包括數(shù)據(jù)的采集控制、處理、分析、診斷等,并通過電子屏幕向操作人員展示檢測(cè)結(jié)果。

3系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件主要包括四個(gè)部分:采集控制模塊、分析處理模塊、專家診斷模塊和數(shù)據(jù)庫模塊,其流程如圖12所示。

3.1采集控制模塊

該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速采集卡的控制,包括檢測(cè)模式的切換、采樣參數(shù)的設(shè)置、采樣數(shù)據(jù)的讀取與反饋。

本系統(tǒng)的檢測(cè)模式分為實(shí)時(shí)診斷模式和連續(xù)采樣模式。實(shí)時(shí)診斷模式是軟件按照設(shè)定的采樣次數(shù)對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行采集,生成診斷圖譜后系統(tǒng)停止并顯示診斷結(jié)果。連續(xù)采樣模式是系統(tǒng)直接顯示采集的數(shù)據(jù)波形而無需分析和診斷。

3.2分析處理模塊

該模塊具有數(shù)字濾波、特征提取和圖譜生成的功能,并將特征數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)庫,供系統(tǒng)診斷使用。

僅靠硬件濾波,難以完全排除外部信號(hào)的干擾,所以通過軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理也是非常必要的。比如FFT去噪算法、小波去噪算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)算法等都對(duì)窄帶、白噪聲和脈沖等干擾有很好的濾波效果。

研究表明,電纜局放信號(hào)特征提取包括十余種特征量,如最大放電量、平均放電量、均方率等,能夠有效反映電纜的局部放電情況和絕緣狀態(tài)。

根據(jù)提取的特征量,軟件可以生成二維譜圖和三維譜圖,包括最大放電量相位譜圖Hqmax(φ)、平均放電量相位譜圖Hqn(φ)、放電次數(shù)相位譜圖Hn(φ)和三維放電譜圖Hn(φ,g)等。

3.3專家診斷模塊

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,不同缺陷類型產(chǎn)生的局部放電信號(hào)在相位分布上具有明顯特征,結(jié)合放電量等特征參數(shù),通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)室條件下的典型缺陷模型實(shí)驗(yàn)得出的指紋庫,可以判斷缺陷類型。

軟件利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)算法等信號(hào)類型識(shí)別算法可以判斷電纜產(chǎn)生局部放電的絕緣缺陷類型,并生成報(bào)告,具有較高的準(zhǔn)確率。

通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),可以根據(jù)各放電類型放電量和頻次的增長(zhǎng)量分析電纜絕緣劣化的趨勢(shì),進(jìn)而評(píng)估電纜絕緣的剩余壽命。

3.4數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊分為原始數(shù)據(jù)庫和特征數(shù)據(jù)庫兩個(gè)部分。局部放電信號(hào)經(jīng)過濾波放大的處理,提取特征參數(shù)之后,存入原始數(shù)據(jù)庫,也是就說原始數(shù)據(jù)庫是用來儲(chǔ)存檢測(cè)數(shù)據(jù)的。另外,原始數(shù)據(jù)庫也提供診斷報(bào)告的存儲(chǔ)和調(diào)用,用戶可以通過它查看歷史數(shù)據(jù)和報(bào)告。特征數(shù)據(jù)庫是指在實(shí)驗(yàn)室條件下,建立典型缺陷模型實(shí)驗(yàn)得出的特征量數(shù)據(jù)庫,也稱之為指紋庫。其作用是作為判據(jù),檢測(cè)數(shù)據(jù)和它進(jìn)行對(duì)比,通過模式識(shí)別判斷絕緣缺陷類型。數(shù)據(jù)庫模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)和診斷報(bào)告的效率管理。

4結(jié)論

本文基于HFCT法、UHF法和AA法研制了一套多傳感技術(shù)融合的電纜局部放電檢測(cè)系統(tǒng),并分析了系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)對(duì)電信號(hào)和非電信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析,避免了單一傳感技術(shù)由于使用場(chǎng)景和檢測(cè)量類別帶來的局限性,具有更高的準(zhǔn)確率。配置的分析診斷軟件,更能有效管理歷史數(shù)據(jù),助力趨勢(shì)研究。因此,該系統(tǒng)在電纜局部放電檢測(cè)領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

但在研發(fā)過程中,我們也發(fā)現(xiàn)了以下問題:

(1)對(duì)于本系統(tǒng),提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、數(shù)據(jù)同步采集分析、干擾信號(hào)區(qū)分并自動(dòng)排除等問題都是我們的研究方向。

(2)特征向量的選取能夠影響識(shí)別結(jié)果,建立合理的特征數(shù)據(jù)庫,能夠增加診斷結(jié)論的準(zhǔn)確性。這就需要相關(guān)行業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累,并建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

(3)當(dāng)電纜在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)絕緣劣化時(shí),往往不是單獨(dú)一種類型的缺陷,而是多種類型同時(shí)產(chǎn)生,如何分離這些缺陷信號(hào)就成為了一個(gè)難題。所以需要優(yōu)化分析軟件的算法,提高診斷結(jié)果的精度,使分析結(jié)論更為全面。