XLPE电力电缆绝缘在线监测系统的设计.pdf

2 0 0 6年第 1 期 N o 1 2 0 o 6 电 线 电 缆 E l e c t ri c Wi r e C a b l e 2 0 0 6年 2月 F e b ， 2 0 0 6 X L P E电力电缆绝缘在线监测系统的设计 郭 志， 江秀臣， 曾 奕 ( 上海交通大学 ， 上海 2 0 0 0 3 0 ) 摘 要： 交联聚 乙烯( X L P E ) 电缆在运行过程 中。 电缆绝缘老化会影响 电力 系纯远行 的安全 性和连 续性。本 文从 硬件总体构成和系纯软件两个方面介绍了采用在践检测技术对 X L P E电缆的绝缘状况进行检测的一个监测 系纯。 关键词 ； x L P E电力 电缆 ；在线监测 ；电缆绝缘 中田分类号： T M 2 4 7 9 文献标识码： A 文章编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 6 ) 0 1 0 0 3 7 0 3 De s i g n o f a n On l i n e M o n i t o r i n g S y s t e m o n XLPE Ca bl e Li n e GU0 Z h i e t a l ( S h a n g h a i J i a o t n g U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e d e t e ri o r a t i o n o f i n s u l a ti o n i n X L P E c a b l e s d u ri n g o p e r a t i o n c a n a ff e c t t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e p o w e r s y s t e mT h i s p a p e r p r e s e n t s a ll mo n i t o ri n g s y s t e m o n the d e t e ri o r a ti o n o f XL P E c abl e i n s u l a ti o n u s i n g o n l i n e mo n i t o rin g t e c h n i q u e f r o m b o t h t h e a s pe c t s o f h a r d w a r e a n d 9 f t W a l C Ke y w o r t s ：XL P E p o w e r c a b l e ；o n l i n e mo n i t o ri n g ；c a b l e i n s u l a ti o n 在城市输配 电网系统中 ， 大量采用 了交联 聚乙 烯( X I J P E ) 绝缘 电力电缆 。电缆在实际 的系统运行 中， 由于受到电场 、 磁场 、 热 以及光的影响会 发生老 化 。 其绝缘性能会受到很大的影响。为了保证 电力 电缆在实际运行 中的可靠性和连续 性， 了解 电缆 的 实际运行状态 ， 以避免电缆的运行事故， 就有必要对 系统运行中的电力 电缆的绝缘 状况进行检测 ， 这对 于电缆的安全运行有着非常实际的意义。 在实际应用中 ， 针对 X L P E电缆的特点， 常采用 以下几种方法实现电缆绝缘的检测 ： 直流分景法 、 直 流叠加法 、 t g 8在线检测 法 、 交 流叠加法 、 谐 波分量 法和局部放电法等。每种方法都有它的优点和适用 的具体情况。本系统设计中所涉及到的有直流分量 法、 谐波分量法和局部放电法等三种方法。 1 X L P E电缆的在线检测方 法 1 1 直流分量法 直流分量法是 K S o n s等人对实际运行的 电缆 进行分析后提出的一个方法 ， 由于在 X L P E电缆 中的水树枝起“ 整流作用” 。 所 以在外施 电压 的负半 周 ， 树枝放电向绝缘中注入 了较多的负电荷 ， 而在正 半周时注入的正电荷较少 ， 只中和了一部分负电荷。 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 6 2 2 作者简介； 郭志( 1 9 8 0一) ， 男 湖南常德人， 在读硕士 研 究生 作者地址 ： 上海市华山路 1 9 5 4号 2 1 3信箱 2 0 0 0 3 0 这样在外施交 流工作 电压 的正负半周 的反复作 用 下 ， 水树枝前端所聚集的负电荷逐渐向屏蔽层漂移， 就像整流作用那样出现了直流分量 ， 但数值极小， 有 时仅几纳安。故在现场进行直 流分量 的测量时 ， 微 小的干扰电流就会 引起很大 的误差 ， 且 这种 误差 主 要来 自被测 电缆 的屏蔽层与大地之 间的杂散 电流。 实际的设计中， 可采用将 杂散电流旁路掉或在杂散 电流回路中串电容以阻断这种杂散电流。还可用快 速傅立叶变换( F r r ) 方法将杂散电流从水树枝 电流 中分离开或用统计分析方法处理等。这种检测方法 在屏蔽层与大地之间 的绝缘 电阻 太低 的情况下 没有太大意义 ， 但这种情况往往 由于局部损伤所引 起 ， 经修补后， 尺可以修 复。因此 ， 可 以通过测量直 流分量来检测 X L P E的水树枝的发展情况 。 1 2 损耗电流谐波分量法 谐 波分量法的原理是 根据水树枝 引起 老化 的 X L P E绝缘电缆会在损耗 电流中产生谐波分量来检 测电缆的绝缘状况 。研究表明 ， 在水树枝老化 的情 况下 ， 绝缘的电导会呈现出非线性特征 ， 在正弦电压 作用下 ， 损耗电流将出现谐波分量 ， 因此谐波分量能 够很好的表征电缆的老化情况， 随着电缆老化程度 的增加， 损耗电流会越来越畸变， 含有的谐波分量也 越来越大。利用检测到的损耗电流的谐波分量就能 够提供更多的水树枝的老化信息， 为电缆绝缘状况 的监测提供了一种可供选择的方法。本次设计采用 了北京科海电子技术有限公 司的 K T V D模块来检测 维普资讯 2 0 0 6年第 1 期 No 1 2 o ( ) 6 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 6年 2 月 F e b 。 2 0 0 6 电缆接地线中的谐波 电流 。 1 3 局部放电法 局部放电是绝缘介质 内部发生 的局部重复击穿 和熄灭现象 ， 这种放 电一般发生在 电缆的局部 缺陷 处 ， 放电量很小 ， 在放 电初期基本不会影响电力 电缆 的绝缘能力 ， 但如果这种放电长期发生 ， 则会逐渐的 损坏电缆的绝缘 ， 缩短电缆寿命。由于局部放 电时， 电缆 的绝缘电阻 、 介质损耗 和泄露 电流都不会有太 大变化 ， 因此 ， 检测以上参数是无法判断出局部放电 的。但在绝缘发生局部放 电的时候 ， 一般都会产生 电脉冲 、 电磁波放射 、 光、 热 、 声 、 噪音等现象 ， 这些现 象就可以作为局放检测 的对象。根据检测物理量 的 不 同， 其方法有 ： 局部放 电量法 、 脉冲电流检测法 、 电 磁波法、 超声波法和振动加速度法。其 中脉 冲电流 法的灵敏度最高 ，而且可 以测得放 电量 、 放 电重复 率及平 均 电流， 是 最 基本 最为广 泛应 用 的一 种方 法 。本系统就是采用脉冲电流法来实现局部放 电 的检测 。设 计采用线性 耦合器件 采集 电缆中 的信 号 ， 将线性 电流耦合器 串在接地线上， 通过磁耦合器 件来检测 电缆接地线 中产生的局部放电脉冲电流信 号， 实现系统与高压 回路的耦合 ， 省去了电缆之间的 串联电阻和电感 ， 并且 由于测量 回路与高压部 分隔 离， 可以保证测量的安全性 。 2 系统总体设 计 本系统采用模块化设计 ， 整个 系统 由前端信号 取样模块 、 数据采集 硬件 电路模 块和系统后台软件 模块三部分构成 。其总体框 图如图 1 所示。 l 数据 I l I 1 l 采集卡 l U I l 高速数据l I l I I 墨 整 I l I l 图 1 系统总体结构 图 2 1 前端信号取样模块 根据 电缆的实际运行情况 ， 采用上面所提到的 三种检测方法来提取电缆运行时的状态参数。针对 各种采集信号的特点 ， 系统分别 设计了局放测 量回 路 、 谐 波分量测量回路和直流分量的测量回路 ， 并将 所设计的硬件 电路 用电磁屏蔽盒封装 ， 保证测量 回 路不受现场 的电磁场的干扰 ， 增强测量的准确性 。 ( I ) 直流分量取样 直流分量 的取 样部分 如图 2所示 ， 图中为现场 3 5 k V电缆是三相铠装单点接地 38 的 XL P E电缆 ， 将每相铠装用接地扁平线短接 ， 并经 取样电阻板接地。取样电阻板由取样电阻、 氧化锌 放电间隙 P 、 铜球间隙过压保护器 Q、 交流接触开关 K并联组成。取样 电阻用于检测 电缆绝缘直流泄漏 电流 。铜球间隙过压保护器 Q和氧化锌放电间隙 P 在电压大于 2 8 0 V时会发生放 电 ， 以保护检测 电阻 及后续电路 免受过 电压损 害。交流接触器 K为常 闭状态 ， 使取样 电阻被直接短接 。在采用直流 法的 时候 ， 系统控制器的接触器断开 ， 接地电流流过取样 电阻， 将电流信号转为电压信号 ， 采样时间设定 为 1 m i n左右 ， 然后闭合交流接触器 ， 使取样 电路恢复短 路状态， 并使电缆 的铠装直接接地。 图 2直流分量 取样部分结 构图 对于接地 电流 中的直流分量 ， 其数量级一般为 纳安级的电量， 考虑到背景干扰问题 。 设计 中采用了 两级放大电路来完成直流分量的信号放大。由于直 流分量是直接从接地 电阻上面采集的量 ， 在这部分 电路中还采 用了隔离运放来 隔离输 出所得 到的信 号 ， 运放的末端再加 两级低通滤波来增加信号采集 的真实性和完整性 ， 最后信号通 过电缆传输线传到 工控机内嵌的低速外部设备接 口( P C I ) 数据采集卡 中 ， 其采样信号流程如图 3所示。 l 输 入 J 浪 涌 保 J 前 级涟 L J 、 j 运 算 放l l 接口r 1护 电 路 ， 1 波电 路 卜 1 大电 路l 图 3直流分量检测 部分原理图 ( 2 )局部放电分量取样 局部放 电取样部分见 图 4 ， 图中局放传感器 S 。 是一个高竞带非接触 型传 感器 ， 套在接地线上来检测 电缆 局放 。其采 集信号 传输过程见图 5 ， 考虑到局放信号 的高频特性 ， 采用 高通滤波电路来消除低频信号 的干扰 ， 后级 加两级 放大电路来放大局放分量 ， 提高测量 的准确性。 图 4 局放 电量 取样 部分结构 图 量块一 一 量块=号块一 号块 分模=分模=信模一 信模 流样= 波样= 放样一 靖样 直采I l 谐取 I l 局取一 前取 维普资讯 2 0 0 6年第 1 期 No 1 2 0 o 6 电 线 电 缆 E l e c t r i c W i r e C a b l e 2 0 0 6年 2月 Fe b ， 2 0 0 6 二级放 大电路 图 5 局放分量 检测部分原理图 ( 3 )谐波电流分量取样 谐波信号数据 的采集 过程如图 6所示 ， 图中谐波传感器 s 是一个测量交 流谐波电流的非接触式传感器 ， 套在接地线上 ， 主要 监测接地电流的 3次谐波分量信号。谐波电流的电 路设计部分考虑到谐波电流的变化范 围， 采用可调 增益的运放作为前级数据 的放大 ， 在后级电路中， 采 用了截止频率 为 5 0 0 H z 的二 阶低通滤波来实现谐 波电流的数据采集 ， 然后用二阶低通滤波来处理信 号， 使传输到采集 卡上 的信号更能够反映 系统 的实 际情况 ， 最后信号通过 电缆传输线传到工控机 内嵌 的低速 P C I 数据 采集卡 中。在系统硬件 实现中 ， 谐 波电流的信号数据流程图如图 7所示。 图 6 谐波分量 取样部分结构图 图 7 谐波测量 回路部分原理图 3 系统软件部分 的设 计 考虑 到软件系统设计的复杂性 ， 采用模块化方 法来设计系统软件 ， 模块化方法有利于系统设计的 实现。本系统监测软件 由系统 软件 、 数据库软件及 应用软件 三个模块构成 ， 总体结构如图 8所示 。 系 统前 端显示和打印 输出l l终端控制 数据库( D A T A B A S E ) 高 速数据采l l 低速数据采I l 外 部电 源 集控制模块l l 集控制模块I l 控 制模块 数据采集卡硬件电路模块 图 8 系统监测软件构成 图 系统软件模块在 系统 中完成 数据库 信号 的读 取 ， 并将所取数据输入到专家判读模块 中， 然后将判 读结果存储到数据库 中， 并将相 关的信息输 出到应 用软件模块中， 有利于数据的进一步处理和综合 ， 同 时它还是专家判读 和数据库 的连接部分 ， 在软件 系 统设计中是比较重要的一个模块。 数据库软件可对所采集 的直流泄漏电流 、 局部 放电信号和谐波信号量进行存贮 ， 数据库的采用 ， 保持了数据的统一性 和实时性 ， 并 能将历史数据进 行后台的直接操作 ， 通过系统 软件更新专家判读模 块， 使判读能够适应现场运行情况。 应用软件将系统软件传输过来的数据进行显示 和完成打印等功能。并对系统软件模块所提供 的信 息进行动态显示 ， 使整个 系统检测软件更容易操作 和运行 。同时它还提供对交流接触器的开断和数据 采集卡的采集进行控制 的接 口， 使 系统能灵活的控 制数据的采集 。整个监测系统是一套 比较完 整， 功 能比较齐全的系统 ， 实际的运行情况表明， 它能够满 足预先所设计的要求 。 4结束语 这个 X L P E电力 电缆绝缘在线监测系统实现了 直流分量法 、 谐波 电流法 和局部放 电法在绝缘检测 中的应用 ， 并且对现场的数据进行 了采集， 通过系统 软件对数据库中所得到 的数据进行处理和分析， 对 所检测的电缆 的绝缘状况进行分析和判断。 采用直流分量法对电缆进行在线检测是 比较可 行的办法 ， 但要将接地线 通过 1 k n 的电阻接地 ， 在 一 定程度上影响了 系统 的安全性 ， 但本 系统只是瞬 时通过电阻接地 ， 且是通过非接触 的电流传感器来 实现对系统数据的局放信号和谐波分量的采集 ， 增 强 系统运行的安全性和可靠性。三种状态数据的综 合 ， 利于专家系统 的综合判读和分析 ， 使系统的分析 更为准确 ， 能对电缆运行状态进行准确的判断。 参考文献 ： 1 胡文平 ， 尹项根 ， 张哲 电力设 备在 线检 测技 术 的研 究和 发展 J 华北电力技术 ， 2 0 0 3 ， ( 2 ) ： 2 3 2 6 2 We i Z h a n g ， Y u ta o Z h u ，B a i t u n Y a n g ，Y a o n a n L i u A s t u d y o n D C c o mp o n e n t m e t h o d o f o n l i n e d i a g n o s i s f o r X L P E c a ne A P r o c e e d i n g 0 f t h e 4 I n te r n a t i o n C o n f e r e n c e o n P r o p e r t i e s a n d Ap p l i c a t i o n s o f t h e D i al e c t i c M a t e r i a l s C B r i s b a n e A u a tr a l i a 。 1 9 9 4 3 郏晓泉 。 王国红 直 流法 X L P E电 缆绝缘 在 线诊 断 中的几 个影 响因素及其对策 J 电线电缆。 2 0 0 0 ， ( 5 ) ： 2 8 - 3 2 4 严璋 电气绝缘在线检 测技术 M 中国电力出版社 ， 1 9 9 5 5 陈卓， 刘念， 薄丽雅 电力设备状态监测与故障诊断 J 高电压 技术 ， 2 0 0 5 ， 3 1 ， ( 4 ) ： 4 6 - 4 8 3 9 放路一一 据口 算电一一 致接 运大一一 端集 保 路一 涌电一 浪 护一 入 口一 输接一 维普资讯