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高压电缆局部放电在线监测方案

1、应用场景说明

电力电缆在线监测及诊断的任务是了解电缆绝缘状态,包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法。结合系统的历史和现状,考虑环境因素,对电缆绝缘状态进行评估,判断其处于正常或非正常状态。并对状态进行显示和记录,对异常状态发出报警,以便运行人员及时处理。同时为设备的绝缘评估、合理使用和安全工作提供信息和基础数据。

随着电网建设的高速发展,电力电缆的使用越来越广泛,对新建电缆的性能监测和历史数据搜集的需求将会越来越多。同时,早期铺设的电缆现在陆续到了正常使用年限,电缆的绝缘问题将会日益增加,因此电力系统需要一套完善的电缆性能监测系统,接地环流在线监测装置就是其中之一。

电力电缆的工作环境复杂,检修起来相当复杂,日常维护开支巨大。而采用电力电缆在线监测系统后,能准确和及时的了解电力电缆的绝缘状态,大幅度减少了日常维护的工作量和开支。同时在线监测的长期运行将会累积宝贵的历史数据,给电力系统工作人员对电网输电线路进行系统评估提供数据资源。

长期实践证明,局部放电是造成电力电缆绝缘破坏的主要原因。首先,在局部放电的过程中,电离出来的电子、正负离子在电场力的作用下具有很大的能量,当他们碰撞到绝缘内空气洗的绝缘壁时,足以打断绝缘材料高分子的化学键产生裂解。其次,在放电点上介质发热可达到很高的温度,是的绝缘材料在放电点被烧焦或熔化。温度升高还会产生热裂解或促使氧化裂解。同时温度升高会增大介质的电导和损耗,由此产生恶化循环,导致绝缘体破坏。第三,在局部放电过程中会产生许多活性生成物,这些生成物会腐蚀绝缘体,使得介质性能劣化。第四,局部放电都有可能产生X射线和Y射线,这两种射线具有很高的能量,能够促使高分子裂解。除此之外,连续爆破性的放电以及放电产生的高压气体都会使绝缘体产生微裂,从而发生成电树枝。

2、系统原理

在正常情况下,电缆金属护套因与缆芯之间存在一定的感应电势,在事故以及系统内部过电压或雷击过电压情况下,感应电势尤为严重。因此,电缆金属护套必须正确接地,利用大地将电缆金属护套限制在允许接地电位上。66KV以上电力电缆多为单芯电缆,敷设时若金属护套两端三相互联后直接接地,则线芯通过电流时,由于导体电流的电磁感应,在金属护套上产生的感应电压使得金属护套上出现感应环流。本系统采用了环流法原理,即单芯电缆金属护套在正常情况下(即一点接地),金属护套上环流极小,主要是容性电流,而一旦金属护套出现多点接地与大地形成回路后,环流显著增加,严重时可达主电流的90%以上。

同时局部放电也是破坏电力电缆绝缘的主要原因。在局部放电的作用下,电力电缆绝缘体裂解,产生的高温会使电缆放电点烧焦等。

本系统通过采集接地电流及主缆电流有效值,同时采集电缆上的局部放电信号、电缆接头和表皮温度振动信号,通过无线通讯或光纤传输方式,以一定的时间间隔将数据远程传输到计算机后台服务程序。实时监测金属护套环流及其变化量、局部放电信号和温度振动信号即可实现单芯电缆金属护套多点接地故障的在线监测。

后台服务程序收集数据后建立历史数据文件,并将这些数据绘制成各种曲线。电缆运行维护人员可根据这些曲线提供的信息来了解整条电缆的长期运行状态。同时,后台服务程序对采集的电流数据进行处理,提供电缆电流异常告警及设备状态告警。

3、系统框架

本系统主要由感应取电电流互感器、主缆电流测量互感器、接地线电流测量互感器、HFCT传感器、温度振动传感器、采集单元、3G(或光纤)通讯网络、后台服务器、客户端软件等部分组成。系统结构示意图:

     

各部分功能为:

l 感应取电电流互感器:在现场无法提供方便电源的情况下,可以用于采集主缆上的能量,为采集单元提供运行所需电流。

l 主缆电流测量互感器:负责采集主缆电流信号。

l 接地线电流测量互感器:负责采集接地线电流信号。

l HFCT传感器:采集电缆高频局部放电信号。

l 温度振动传感器:采集电缆接头和表皮温度振动信号。

l 采集单元:采用真有效值计算方法,测量电流互感器信号,计算现场接地电流和主缆电流数据,同时采集电缆局部放电信号和温度振动信号。并通过无线或光纤接口将数据传输到网络中。

l 3G通讯网络:本系统主要利用无线运营商(移动,联通,电信)提供的付费网络,通过运营商的网络建立后台与现场采集单元之间的通讯信道。

l 后台服务器:后台服务软件的硬件平台。

l 客户端软件:收集数据后建立历史数据文件,并将这些数据绘制成各种曲线,电缆运行维护人员可根据这些曲线提供的信息来了解整条电缆的长期运行状态。同时,后台服务程序提供电缆电流异常告警及设备状态告警。

 

4、系统特点

4.1 结构特点

使用标准4U半宽机箱,采用插件式安装方式,首创背插板式结构,为业内首次使用,极大的方便了现场的调试与维护。包含双CT取电插件、接地电流采集插件和电缆局放采集插件,方便硬件模块的随意配置。

 

4.2 性能优势

1. 灵活的电源方式:

l 支持电缆感应取电方式

l 支持220V交流电源输入

2. 灵活的通讯方式

l 3G无线通讯

l 光纤通讯

l 支持多后台连接

l 支持心跳包连接指示

l 支持后台数据下传

l 支持任意数据传输间隔设置

l 支持信号网络强度查询

3. 超低功耗

l 整机平均功耗2W,在无线网络信号较差的情况下,最大瞬时功耗5W

l 若采用感应取电方式,系统在电缆电流为30A时即可启动,即只要线路不停电,设备即可正常运行

l 使用Cortex-M3超低功耗CPU

4. 高准确度

l 设计采用智能校准技术,解决大量程互感器的小电流测量非线性误差

l 采用真有效值检测方案,能够测量各种畸变波形的电流有效值

l 低噪声PCB设计,设备自身噪声极低,并能够抑制来自外部的各种噪声信号

5. 多通道宽范围

l 3个0~200A护层接地电流测量通道

l 1个0~1000A主缆运行电流测量通道

l 采用了独特的智能校准技术,整个量程内的测量精度可以得到有效保证

6. HFCT局放采集

l 纳米晶材质

l 频响范围:300k-100MHz

l 灵敏度大于5 mV/ mA

l 阻抗 为50欧姆

l 输出接口标准BNC接头

l 12位ADC

l 采样率单通道为50MS/s

l 录波时长20ms

l A相第一象限同步采样

7. 温度振动传感器

l 电缆接头及电缆表面温度测量范围:-20℃~260℃,6路,分辨率0.1℃,准确度1℃

l 环境温度测量范围(选配):-40℃~120℃,1路,分辨率0.1℃,准确度1℃

l 振动测量范围(选配):-16g~+16g,3路,分辨率:0.01g,准确度 0.1g

8. 高稳定性

l 采用主流ARM芯片,使用稳定性优秀的Cortex-M3内核CPU

l 设计有具有钳位保护功能的放大电路,能够防止信号过大时对系统产生损坏

9. 高集成度

l 使用大规模集成电路作为设计基础,采用小封装贴片制造技术,采用多层板设计技术,使设备以最小的体积完成全部功能

l 优化的结构设计,充分利用内部空间,使得整机体积小巧

10. 防水性强

l 具有认证的防水机箱,能够满足IP68的防水要求

l 特殊处理的传感器,能够长期浸泡在水中而不受损坏

l 内部电路板采用三防处理

11. 首创的背插板设计

l 具有可配置性强,方便系统维修与维护

l 一键式开启,可随意配置硬件模块

 

4.3 设备参数

运行环境条件
海拔高度 :≤1000m
运行温度 :-40 ℃~+100℃ 
最大日温差:40℃
保证精度温度:-35℃~+85 ℃
湿度 :0~99%
防护等级:IP68
大气压力:86kPa~106kPa
电源及功耗
系统电源:AC/DC  220V/50Hz  / 电缆感应取电(电缆电流>;30A)
电源纹波:≤50mVpp
功    耗:2W(峰值功耗≤3W)
测量通道
接地电流 :0~300A,4通道,分辨率0.01A,准确度1%
主缆电流 :0~1000A,1通道,分辨率0.01A,准确度1%
电缆接头及电缆表面温度测量范围(选配):-20℃~260℃,6路,分辨率0.1摄氏度,准确度1摄氏度
环境温度测量范围(选配):-40℃~120℃,1路,分辨率0.1摄氏度,准确度1摄氏度
振动测量范围(选配):-16g~+16g,3路,分辨率:0.01g,准确度 0.1g
湿度测量范围(选配):30%-95%,1路,分辨率:1%, 准确度 2%
3个HFCT电流传感器(选配):0.3-100MHz
绝缘隔离水平(选配):10k VDC/1 min
通讯方式
光纤、WCDMA、CDMA2000
数据发送间隔
1分钟~24小时可设,步进1秒
暂态录波
每条录波时长1秒。录波阈值可设
设备告警
接地电流突变告警、接头温度突变告警、接头温度超限告警、振动检测告警、电缆姿态异常告警、设备连接失败告警、本机硬件故障告警、传感器故障告警、外护层虫蚀告警
机箱
全封闭式不锈钢外壳,表面防水防锈处理,能长期在潮湿和浸水的情况下正常工作,满足IP68防护等级要求
传感器
取电CT、各种传感器可长期浸泡于水中,满足IP68等级防护要求
主机重量
5Kg
尺寸
430 mm *360 mm *200mm(长*宽*高)
4.4、功能演示

结合采集到的实时数据和曲线图走势,帮助用户更加清楚地分析电缆等运行状况以及可能出现的问题。以下是软件分析模块的部分功能演示, 

 

4.4.1、暂态录波

暂态录波主界面:

提取暂态录波的演示:

等待一分钟后:

点击确定后:

查看波形文件

通过查询界面可查询已经存在的录波信息,可查看一次值,二次纸,原始值;也可以通过点击“下载录波文件”下载标准的comtrade波形文件;点击右上角的放大镜,也可以进入全屏模式

 

 

4.4.2、高频录波

根据选择的线路依据时间查询所选时间内所产生的高频录波文件,也可以手动操作进行实时的高频录波;根据高频信号原始值,一次值,二次值对高频信号进行分析,判断该段电缆的局部放电情况,也可以将波形文件下载,文件格式为标准的comtrade文件,可使用第三方comtrade软件进行查看。

高频录波主界面:

提取高频录波:

点击之后系统发送录波命令到IED,并等待IED返回录波资料,返回后显示在页面上

查看高频录波:

可以选择查询时间内的所录制的高频录波资料,选择后页面会显示波形信息。还可以通过原始值,一次值,二次值查看;点击“下载录波文件”可以下载标准的comtrade波形文件

波形放大查看

点击波形控件右上角的放大镜,进入全屏模式查看

5、规范性引用文件

GB50150-1991  电气装置安装工程电气设备交接试验标准

GB 2887-89  计算机场地技术条件

GB/T 9361-1988  计算机场地安全要求 

DL/T 720-2000 《电力系统继电保护柜、屏通用技术条件》

GB/T17626.2  静电放电抗扰度试验

GB/T17626.3  射频电磁场辐射抗扰度试验

GB/T17626.4  电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

GB/T17626.5  浪涌(冲击)抗扰度试验

GB/T17626.6  射频场感应的传导骚扰抗扰度

GB/T17626.8  工频磁场的抗扰度试验