基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警方法及系统

技术领域

本发明属于配电网系统中电缆的在线监测和故障诊断技术领域，具体涉及一种基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警方法及系统，尤其适用于10kV及以上电缆沟道内的绝缘状态监测。

背景技术

电力电缆是电能传输的较常使用的传输媒介，大量应用于城市及城际电力系统中，是现代电网的重要组成部分，近年来，电缆的敷设长度和输送容量不断增加，其绝缘状态直接关系电网的运行安全。

电缆主绝缘和护层对地绝缘在电气、机械、热场等因素作用下不断发生老化、劣化过程，进而演变为电缆绝缘故障，此外，在现场安装、施工和运行过程中的造成的绝缘隐患是导致电缆事故的主要原因，其中，电缆本体的碳化通道、电缆附件的悬浮电位、绝缘损伤及半导电层损伤是常见的绝缘缺陷，这些缺陷大多会引起的局部放电，并造成电缆的加速老化。因此，局部放电的在线监测或带电检测是配电网电力运行维护的主要措施之一。

目前以电磁波、超声波及高频电流为对象的局部放电检测手段应用较多，但其容易受到电磁、回路及声波干扰，并且上述信号受制于电缆沟道内部复杂结构和干扰的影响，导致现场局放检测置信度较低，信噪难甄别，甚至发生误判、漏判等问题。研究研究表明：在空气氛围下的各类局部放电过程中，氧分子受到电子的激发而获得能量，并在气固界面上分解固体材料，形成一氧化碳等气体，因此可通过检测CO的含量判断是否发生了放电类故障，并且可通过对CO含量的持续跟踪来分析电缆绝缘损伤程度。目前，微量气体电化学传感器发展较快，其利用被测气体在传感器工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷，通过外电路形成电流，电流大小与气体浓度成正比，从而实现对目标气体的定量测量。基于CO含量的放电探测方法相比现有的紫外探测法、超声波法和特高频电磁波探测法，其尺寸小、灵敏度高、成本低，特别适用于电缆沟道内半封闭结构中CO含量的连续监测。目前，无同类相同或相似技术产品。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于一氧化碳监测的电缆局部放电跟踪预警方法及系统。采用CO微量电化学传感器对电缆局部放电产生的微量CO气体进行探测，实现对电力电缆局部放电活动的跟踪预警；首先在电缆沟道内部署CO微量电化学传感器，对电缆附近及电缆沟道内局部的CO相对浓度进行监测，通过CO微量电化学传感器将CO监测数据传输到MPU，MPU依据CO监测数据进行趋势分析，并按照变化梯度进行状态预警。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警系统，包括：CO微量电化学传感器、信号预处理模块、A/D采样模块、MPU、存储器和无线传输模块；

CO微量电化学传感器、信号预处理模块、A/D采样模块、MPU、和无线传输模块顺序连接；

MPU还与存储器相连；

无线传输模块与上位机相连；

CO微量电化学传感器用于采集电缆附近及电缆沟道内局部的CO相对浓度；

信号预处理模块对CO微量电化学传感器采集到的信号进行放大，然后通过A/D采样模块进行数字采样；

MPU对采集信号进行局部放电分析并将结果保存至存储器；

无线传输模块接受MPU的指令，向上位机发送分析后的预警状态。

进一步，优选的是，CO微量电化学传感器安装在电缆沟道内。

进一步，优选的是，CO微量电化学传感器为气体浓度探测范围覆盖1~200ppm、灵敏度不小于0.02μA/ppm、寿命不少于2年、长期输出稳定性误差不大于2%/月的电化学传感器。

进一步，优选的是，CO微量电化学传感器安装在电缆敷设沟道的支架处、电缆接头或电缆交叉互联接地箱位置。

进一步，优选的是，CO微量电化学传感器有多个。

进一步，优选的是，MPU对采集信号进行局部放电分析的具体方法为：当某CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C<测量下限阈值Y1时，计算该传感器当前值与历史平均值的相对增量ΔC%，当ΔC%≤100%时判断为正常，不进行预警；当100%<ΔC%≤200%时，判断为异常，进行预警，等级为异常；当ΔC%>200%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；

当某CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C≥测量下限阈值Y1时，且C<正常阈值上限Y2时，判断为正常，不进行预警；当阈值Y250%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；否则判断为异常，进行预警，等级为异常；

当某CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C>Y3时，判断为异常进行预警，等级为异常。

基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警方法，采用上述基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警系统，其特征在于，包括如下步骤：

安装在电缆沟道内CO微量电化学传感器检测CO含量；

当某CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C<测量下限阈值Y1时，计算该传感器当前值与历史平均值的相对增量ΔC%，当ΔC%≤100%时判断为正常，不进行预警；当100%<ΔC%≤200%时，判断为异常，进行预警，等级为异常；当ΔC%>200%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；

当某CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C≥测量下限阈值Y1时，且C<阈值Y2时，判断为正常，不进行预警；当阈值Y250%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；否则判断为异常，进行预警，等级为异常；

当某CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C>Y3时，判断为异常进行预警，等级为异常。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明主要针对电缆沟道内电力电缆局部放电进行跟踪监测，通过CO相对含量及其变化趋势，进行数据分析和预警判断，具有抗干扰能力强、诊断置信度高、覆盖放电故障种类多等特点。

本发明的针对现场电力电缆局部放电检测置信度较低，信噪难甄别，甚至发生误判、漏判等问题等实际情况，提出了基于无线CO传感器和上位机结合的局部放电CO含量跟踪分析方法，实现电缆沟道内绝缘状态预警。

基于CO含量的放电探测方法相比现有的紫外探测法、超声波法和特高频电磁波探测法，其尺寸小、灵敏度高、成本低。尤其是在复杂电磁干扰下（等效放电水平>100pC）下，特高频法无法区分放电或干扰信号，而本发明的方法仍然能够有效检测~1ppm级（等效放电量<10pC）的电晕放电。

附图说明：

图1为基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警系统的结构示意图；其中，101、CO微量电化学传感器；102、信号预处理模块；103、A/D采样模块；104、MPU；105、存储器；106、无线传输模块；

图2为CO微量电化学传感器的安装示意图；其中，1、电缆；2、电缆沟道；3、CO微量电化学传感器第一安装位置；4、CO微量电化学传感器第二安装位置；5、CO微量电化学传感器第三安装位置；6、沟道井盖；7、上位机接收器；

图3为MPU对采集信号进行局部放电分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

以10kV电缆沟道为例，其CO微量电化学传感器的安装示意图如图2所示。其中，上位机接收器为无线传输模块发出信号的接收器，处于上位机系统中。

如图1所示，基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警系统，包括：CO微量电化学传感器101、信号预处理模块102、A/D采样模块103、MPU104、存储器105和无线传输模块106；

CO微量电化学传感器101、信号预处理模块102、A/D采样模块103、MPU104、和无线传输模块106顺序连接；

MPU104还与存储器105相连；

无线传输模块106与上位机相连；

CO微量电化学传感器101用于采集电缆附近及电缆沟道内局部的CO相对浓度；

信号预处理模块102对CO微量电化学传感器101采集到的信号进行放大，然后通过A/D采样模块103进行数字采样；

MPU104对采集信号进行局部放电分析并将结果保存至存储器105；

无线传输模块106接受MPU104的指令，向上位机发送分析后的预警状态。

优选，CO微量电化学传感器101安装在电缆沟道内。

优选，CO微量电化学传感器101为气体浓度探测范围覆盖1~200ppm、灵敏度不小于0.02μA/ppm、寿命不少于2年、长期输出稳定性误差不大于2%/月的电化学传感器。

优选，CO微量电化学传感器101安装在电缆敷设沟道的支架处、电缆接头或电缆交叉互联接地箱位置。

优选，CO微量电化学传感器101有多个。

优选，MPU104对采集信号进行局部放电分析的具体方法为：当某CO微量电化学传感器101检测到的CO含量值C<测量下限阈值Y1时，计算该传感器当前值与历史平均值的相对增量ΔC%，当ΔC%≤100%时判断为正常，不进行预警；当100%<ΔC%≤200%时，判断为异常，进行预警，等级为异常；当ΔC%>200%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；

当某CO微量电化学传感器101检测到的CO含量值C≥测量下限阈值Y1时，且C<正常阈值上限Y2时，判断为正常，不进行预警；当阈值Y250%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；否则判断为异常，进行预警，等级为异常；

当某CO微量电化学传感器101检测到的CO含量值C>Y3时，判断为异常进行预警，等级为异常。

如图3所示，基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警方法，采用上述基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警系统，包括如下步骤：

安装在电缆沟道内CO微量电化学传感器检测CO含量；

当某CO微量电化学传感器101检测到的CO含量值C<测量下限阈值Y1时，计算该传感器当前值与历史平均值的相对增量ΔC%，当ΔC%≤100%时判断为正常，不进行预警；当100%<ΔC%≤200%时，判断为异常，进行预警，等级为异常；当ΔC%>200%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；

当某CO微量电化学传感器101检测到的CO含量值C≥测量下限阈值Y1时，且C<阈值Y2时，判断为正常，不进行预警；当阈值Y250%时，判断为危险，进行预警，等级为危险；否则判断为异常，进行预警，等级为异常；

当某CO微量电化学传感器101检测到的CO含量值C>Y3时，判断为异常进行预警，等级为异常。

Y1是根据传感器实际噪声水平确定的测量下限阈值下限，优选为2ppm；Y2是正常阈值上限，优选为30ppm；Y3是异常阈值下限优选为60ppm。

应用实例

将本发明基于二氧化氮监测的电缆局部放电跟踪预警系统安装；其中，Y1为2ppm；Y2为30ppm；Y3为60ppm。

监测过程中，其中一个CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C为25ppm；45ppm≥测量下限阈值Y1（2ppm），且C<阈值Y2（30ppm）时，判断为正常，不进行预警；

另一个CO微量电化学传感器检测到的CO含量值C为45ppm，即阈值Y250%，判断为危险，进行预警，等级为危险。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。