一．系统概述

在城市和大中型企业的供电系统中，越来越多地方采用高压电缆输配电。 所有的高压电力电缆在工厂都做过很精密的检测， 电缆基本上不会存在局部放电，但是电缆头（电缆接头或电缆终端）是电缆出厂后是做成的，存在局部放电的危险。 多年的运行迹象表明 90% 以上的电缆故障都是电缆终端接头故障引发的所以有必要对电缆电缆接头和电缆终端进行局部放电的检测，为了保证电力电缆的安全运行，要求在接头做好后进行耐压和局部放电的试验。同时，对已经进入运行的电缆也能经常测量其局部放电以评估其绝缘状态。因此，对电缆接头进行现场局部放电监测，对实现电力系统的安全运行，进而对经济发展、社会稳定都有重要的意义。
本公司根据《Q GDW 11304.5-2015电力设备带电检测仪器技术规范 第5部分：高频法局部放电带电检测仪器技术规范》以及《DL/T 2271-2021高压电缆局部放电在线监测系统技术规范》研发生产的电缆局部放电在线监测系统，通过安装在高压电缆接头处接地引下线处的高频电流传感器，各个在线监测单元检测电缆内部发生局部放电后产生的脉冲电流，测试数据通过网络传输到后台的在线监测服务器软件上。

本系统示意图如下图所示：

 

图1  高压电缆局部放电在线监测系统光纤模式示意图

 
图2  高压电缆局部放电在线监测系统Lora模式示意图

  

图3  高压电缆局部放电在线监测系统4G模式示意图 

如图 1 所示，电力电缆局部放电在线监测系统主要由前端外置式高频信号传感器、3通道局部放电监测单元、数据集中器、电脑服务器和局部放电在线监测软件平台构成，前端高频局放信号采集传感器安装在高压电缆接头处的接地引下线，再通过同轴电缆接入局部放电监测单元，监测单元具有信号滤波放大和模数转换功能，可对传感器耦合信号进行滤波降噪和放大，以达到 AD 转换的量程范围内，局部放电采集单元采用 100MS/s 采样率， 14 位分辨率，三通道同步采集传感器耦合的高频放电脉冲信号，通过同步控制单元和电源相位保持一致。同时采用触发采集模式，当触发信号达到触发采集阈值时，局部放电采集单元立即采集一定时长的局部放电信号，由于系统采用同一触发信号对各局部放电采集单元进行同时触发，因此各采集单元能够达到高度同步性，同步时差＜100ns。

系统通过光纤连接各个局部放电监测单元，在线监测平台软件可调整采集单元的采集时间间隔和发射数据间隔，同时接收各局部放电采集单元返回的局部放电波形，并实时显示和存储，根据各局部放电采集单元测量到局部放电的放电量、极性及时间差，根据局部放电的波形统计特征，与专家库中相应的参量进行比较，得出局部放电故障判别， 进一步判断判别局部放电的危害程度。

功能特点

● 分布式布局，基于IP技术，扩展性强

监测单元网络化布局，基于TCP/IP通信和WEB技术，整套系统能支持多达200个在线监测单元同时检测，在原有布局基础上加入或者撤掉终端时，系统无需额外设置，自动进行识别和配置。

● 实时监测

系统记录各监测节点的实时数据，监测周期可以灵活设置。

● 边缘化计算

符合当前物联网终端设计理念，计算边缘化，数据就地处理，异地分析判断，数据再现回溯机制。

● 灵活取用和巡检

检测单元也适合线路巡检场合，此时带上装有局放分析软件的电脑配合终端使用即可。

● 稳定的数据传输

系统内两个监测节点间最远距离可以为20km,保证数据传输的稳定性。

● 同步实时采样

所有采样通道都可连续同步采集，数据处理都是在监测单元内部FPGA内并行计算处理完成，数据的采集计算和模式识别都是由采集单元处理，分布式计算，后台计算机只负责数据存储和展示，显示查询测量结果，整体系统更稳定。

● 软件平台WEB化

软件采用WEB平台，浏览器直接浏览管理即可，不需要再安装其他客户端软件，接外网云平台后，可以在任何电脑上查看监测情况。支持超大数据库容量，保证10年的监测数据的稳定存储。

● 软件功能丰富

可记录测量放电量、放电相位、测量时间等相关参数，可提供放电趋势图并具有预警和报警功能，可对数据库进行查询、删除、备份以及打印报表等。

● 丰富的图谱信息

系统以不同的图形方式显示局部放电信号，如年月日局放趋势图，相位脉冲图、 PRPD、PRPS图谱，清晰反应放电的幅度，时间，相位信息。可以浏览每一个监测单元任意监测时刻的局放波形细节。

● 高灵敏度

最小可检测5PC的放电信号。

● 抗冲击

可承受600KV的闪络冲击，终端设备不损坏、数据不丢失。

● 抗干扰

具备时域、频域信号分析技术，可有效分离干扰信号和局放信号，可有效避免仪器电源端的干扰。

二． 在线监测系统介绍

2.1 测量原理

当电缆线芯中有电流流过时，将会使金属护套上产生感应电势。在护套开路时，这个感应电势可能会很大，有时不但会危及人身安全，还会击穿金属护套的外护层，尤其是电缆线路发生过电压及短路故障时，在金属护套上会形成很高的感应电压，使电缆外护套绝缘发生击穿，故应在金属护套的一定位置采用特殊的连接方式和接地方式。

当护层两端都接地时，就和大地形成一个通路，从而产生了接地环流。护层接地方式不当时，这个环流大小甚至可以达到线芯电流的50%或者更高，使得金属护层上产生大量的损耗，影响了电缆的载流量并且使得电缆绝缘加速老化，同时电缆线路的许多故障会表现为金属护层接地环流的变化，比如护层绝缘损坏引起的多点接地、护层接地系统遭到破坏（接地线或者交叉互联线被偷盗）等，所以有必要对电缆金属护层的环流进行相关的分析计算。而当护层单端接地时，接地线中将有电容电流流过，因为可以将单芯电缆线芯和线芯外面的金属护套，看作是一个圆柱形的电容器，使得接地电流成分中含有电容电流，这个电容电流在电缆主绝缘状态发生变化时也随之发生变化。当电缆主绝缘存在水树时，由于水树的整流作用，将会有直流电流成分通过接地线，而电缆主绝缘或者接头处存在缺陷的而产生的局部放电信号电流也会流经电缆护层的接地线，这些不同类型的接地电流成分不仅可以反映电力电缆金属护层自身的状态，也可以反映主绝缘的品质状态（如老化以及缺陷等）引起的局部放电在内的多类故障。

电缆内部局部放电产生的电流脉冲还可以激发出电磁波，包括中低频和UHF段电磁波，然后根据接收的信号来分析局部放电的严重程度及其位置。 该方法特别适合在电缆头位置处检测，电缆头是局放发生概率最高的位置，且HF信号更容易传出来被检测到，可定制合适的频带实现抗感扰的目的，也能对故障实现定位。

系统采用模块化设计方法，通过安装在电缆接头接地线上的脉冲电流传感器，来耦合电缆本体里的局部放电脉冲电流信号，耦合到的脉冲信号通过同轴电缆传送至智能无线数据采集终端，经多次采集后， 对模拟信号经过滤波、放大处理和模拟数字转换后变成数字信号，再经过高阶数字滤波处理后由处理器经过无线信号发射单元传送至服务器。

 检测单元采用内置光纤时基同步或者电流感应同步方式，用以标定各种特征信号发生的时刻值，实现各终端之间的相位和时基同步，方便后续局放图谱分析。

终端采集的每组局放数据，根据是否有时标信号或相位信号输入，分别标注相应的时刻参数。经算法处理后先本地存储，然后根据服务器端软件指令向服务器发送指定数据。既保证数据系统性，不遗漏诸如局放信号等特征信号，又不至于引起通信堵塞。

终端将系统所设置的每个测量周期内的局放信号峰值，有效值计算，加入时戳，传输给服务器。

 

图4  高频局放检测原理图

 

2.2 系统组成框图

高频局放在线监测单元以光纤网络方式布局，各个监测单元和在线监测数据集中器构成一个封闭的光网络，监测数据统一在数据集中器汇总，再由数据集中器定时输送给电脑服务器上的在线监测平台。

其中在线监测数据服务集中器使用网口2和服务器电脑连接或者连接外网路由器。多个监测子站可以通过把数据服务器连接到一起汇聚成一个较大的监测网络（注意数据集中器的IP地址不要冲突，监测子网的光网络相互隔离），如图所示（接地环流和护层电压传感器作为选配传感器），节点之间的光网络手拉手连接，注意光纤端口需要A-B-A-B串接。

 

图5  电缆在线监测系统结构框图(光纤模式)

 

图6   电缆在线监测系统结构框图(LORA无线模式)

 

图7   电缆在线监测系统结构框图(4G模式)

2.3 传感器

根据需要每个监测单元配置1-3只开口式脉冲电流传感器以满足需要现场多相线缆的同步监测需求。如需采集接地环流，需配置接地环流低频传感器。

高频电流传感器由磁芯、罗高夫斯基线圈、滤波和取样单元以及电磁屏蔽盒组成。线圈绕在高频下具有较高导磁率的磁芯上，滤波及取样单元的设计，兼顾测量灵敏度和信号响应频带的要求。为了抑制干扰，提高信噪比，并考虑到防雨、防尘等要求，罗高夫斯基线圈及滤波采样单元都安装在金属屏蔽盒中。

 

图8   开口式高频电流传感器Ⅰ型

 

图9   BNC口高频传感器Ⅱ型

 

图10   接地环流低频传感器Ⅰ型

 

图11   接地环流低频传感器Ⅱ型

 

图12   无线测温传感器（选配）

 

图13   振动传感器（选配）

2.4 在线监测采集单元

1. 监测单元实时采集并处理高频局放信号；

2. 监测过程无需人工干预，自动、实时、连续监测；

3. 具有幅值监测、周期图谱监测、PRPD2D-PRPS3D监测功能；

4. 可通过后台监控软件实时查看数据和调阅历史测试数据，方便进行横向和纵向数据对比，进行专家级数据分析。

 

图14  局放环流监测单元Ⅰ型 

⑴   A相高频局放传感器信号接口;

⑵   B相高频局放传感器信号接口;

⑶  C相高频局放传感器信号接口;

⑷  监测单元电源线和通信光纤出口；

⑸  A相接地环流传感器信号接口（选配）;

⑹  B相接地环流传感器信号接口（选配）;

⑺  C相接地环流传感器信号接口（选配）;

⑻  三相护层电压传感器信号接口（选配）;

 

 

图15  局放环流监测单元Ⅱ型

2.5 在线监测数据集中器

数据集中器用于和监测单元组成分布式检测局域网，通过光纤将各个监测单元的数据统一汇总，再通过光纤，网线或者4G网络等多种可选通信方式和位于站内或者远方的控制中心本地服务器进行数据交互。

 

图16  在线监测数据集中器(可选配)

当布置好网络后，可以根据现场网络情况，通过数据集中器配置软件配置网口地址，作为数据出口上传到后台WEB监测平台，光口IP一般不需要修改，出口网关根据实际网络修改，后台WEB服务器URL，根据后台WEB服务器地址修改，数据服务器SN一般不要修改。 

三． 在线监测软件介绍

3.1 主要功能

监测系统软件采用分布式的设计和部署，满足的横向和纵向扩展，前端ui和后端服务完全分离，后端采用微服务的系统架构，搭配nginx进行负载，数据采用sql server关系型数据库来存储，前端采用主流react，umi，以及antd风格ui组件，系统功能，配置丰富，行业参数设置齐全，数据展示图表简洁明了，实时数据信息交互和展示。

软件主要用于管理布局在线的各个监测终端，根据用户配置，将一些全局设置发送给数据服务器，接收数据服务器上传的各个采集单元的监测数据，如监测周期内的峰值，一个工频周期内的采样到的所有信号值。再根据用户指令，对数据归类分析，图谱展示，阶段性数据报表生成，预警消息查看等。

由于局放一般存在一个渐进和时间积累的过程，软件定时存储每个监测节点的数据，提供局放信号的长时间趋势图，用于观察电力电缆是否存在局放趋势，提前得到预警。

对关注的某个节点获取多种类型的信号图谱，如相位直线图，PRPD，PRPS图谱等，可以和标准放电图谱进行清晰对比。

用户只需使用浏览器输入服务器URL地址，即可查看在线监测的情况。

3.2 监测情况展示

首页展示整个监测站点的概况， 站点的数据服务器配置，采集单元数量，传感器数量，离线和在线统计，本月以及本日异常情况的概览统计，传感器布局状况，实时告警流水信息；

 

 

图17 首页监测单元概览信息

点击某个采集单元进入其所辖传感器页面，页面中间展示各个传感器的最新检测数据，以及当日峰值，最新采集值，告警状态等；

如有检测异常，以红色或者黄色标志超过阈值的监测单元，用户可以根据对应现场查看异常所在位置。

 
图18  某采集单元下辖传感器情况 

可以通过点击某个传感器图标，进入查看局放趋势折线图，系统展示各个阶段的局放曲线，以及具体数据峰谷值，可以对一段时间内某个监测点进行局放趋势分析，以及和相邻监测节点的对比分析。分析时间段可以通过左上角时间选择器做筛选。

 

图19  局放趋势折线图

点击趋势折线图上的某个数据采集点，可进入详细的如下一些局放特征图谱，对局放情况做进一步的细节分析（具体分析方法可以参考电网公司的局部放电检测细则和现场应用导则）。 

 
图20  局放PRPD图谱 

 
图21 高频局放相位直线图谱

 

 
图22  局放PRPS图谱

3.3 信息配置

监测站点的数据服务器，采集单元，传感器的配置信息是由监测软件自动获取的，不需要人工去增删。当需要编辑别名，以方便测试站点和部位的记忆，可以进入信息配置页面，对各层级编辑别名信息。

 站点基础配置，可以增加和删除监测站点，站点编码务必唯一，采集频率为常规采集单元数据上传给后台的时间间隔，低功耗采集频率为一些低功耗电池型采集单元数据上传给后台的时间间隔。

 
图23  站点基础配置

 站点参数配置提供了对于当前项目所接入的各种类型传感器的阈值和测量范围的设置，如下图：

 
图24  站点参数配置 

本平台支持多种变电系统常用的监测传感器，在系统应用时，可以选择当前项目所使用的传感器类型，予以激活启用，如下图： 

 
图25  传感器类型配置 

采集单元配置页面集中展示了当前系统在线和离线状态的单元情况，可以通过编辑修改采集单元的配置名，便于区别不同的监测单元。
 
图26  采集单元 

传感器信息配置页面集中展示了当前系统采集单元和传感器的从属关系，可以通过编辑，来重命名传感器名，便于区别传感器的安装和监测位置，页面显示如下：

 
图27  传感器信息

采集数据信息查询页面详细展示了各个采集时间点，各传感器通道的采样数据信息，可以通过传感器类型，采集单元编号，采集时间段，是否存在预警等方式来快速筛查数据，迅速查看被监测系统是否存在问题。

 
图28  采集数据记录查询 

四． 系统技术参数

Ø 适用范围

在线实时监测电力电缆的高频局放局放，提供数据的长期存储和分析对比，提示预警，提高电缆的运维效率。

Ø 环境条件 

环境温度 -30℃～60℃；

相对湿度 ≤90%；

Ø 供电方式和功率

供电方式: 交流100V~240V

监测单元功耗: 16W

Ø 高频传感器： 

检测频带：0.3MHz～30MHz

测量范围：0~70dB

分辨率：0.1dB

传输阻抗：≥10mV/mA

输入阻抗：50Ω

Ø 环流监测传感器： 

测量范围：0~200A

分辨率：0.1A

Ø 护层电压传感器： 

测量范围：0~300V

分辨率：0.1V