XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 碩，曹玉蘭，馬海峰，金德輝，呂廣輝，劉 杰

(1.鶴崗電業(yè)局 黑龍 江鶴崗 154101;2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

電纜能否安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵取決于電纜絕緣性能的好壞。常用的檢測(cè)電纜方法為預(yù)防性離線檢測(cè)，即定期停電對(duì)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。但是，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，離線檢測(cè)的方法已不適合電力發(fā)展的需要。因此，能夠即時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜故障和安全隱患[1]的電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前電力電纜在線監(jiān)測(cè)方法已有直流分量法、直流疊加法、介質(zhì)損耗檢測(cè)法、局部放電法、交流疊加法及低頻疊加法等。

據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，XLPE電纜70%以上的故障是由水樹枝老化導(dǎo)致的[2]，所以研究電纜的水樹枝老化對(duì)評(píng)估電纜的健康狀況具有重要的意義?；谶@一理論，本文研究了在線測(cè)量電纜絕緣中水樹枝老化產(chǎn)生的直流分量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)XLPE電纜老化的評(píng)估。同時(shí)對(duì)電纜運(yùn)行環(huán)境中的復(fù)雜噪聲進(jìn)行過濾處理，應(yīng)用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)納安級(jí)電流的提取和測(cè)量，并且通過MCGS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)計(jì)，開發(fā)出能夠真實(shí)反映電纜運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 水樹枝產(chǎn)生機(jī)理及直流分量法原理

1.1 水樹枝定義和產(chǎn)生機(jī)理

絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為水樹枝是高分子有機(jī)絕緣的一種有液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)(常見的是水)電導(dǎo)性老化現(xiàn)象。一旦某些液體導(dǎo)電物質(zhì)(例如水)存在于兩個(gè)電極之間的絕緣層中(比如電極與絕緣交界面處)，那么當(dāng)此處場強(qiáng)超過一定值時(shí)，導(dǎo)電物質(zhì)就會(huì)沿著電場慢慢進(jìn)入電纜絕緣層的深處形成泄痕，這些泄痕形狀類似樹枝或樹葉，被稱為“水樹枝”。但是與之不同，IEEE的技術(shù)報(bào)告則將水樹枝定義為在電場的作用下，電纜中聚乙烯類絕緣材料由于長期和水共存，產(chǎn)生了空隙，其形狀是被水充滿的樹枝狀的細(xì)微通道。因此不管對(duì)水樹枝如何表述，都認(rèn)為水樹枝是在水和電場共同作用下產(chǎn)生的。

XLPE電纜絕緣在制造、運(yùn)輸、安裝和后期運(yùn)行過程中不可避免會(huì)引發(fā)缺陷和水分的緩慢浸入。浸入的水分中有大量水溶性的導(dǎo)電離子，介電常數(shù)比較大的導(dǎo)電離子在電場力的作用下會(huì)向電場更集中的地方漂移。這種不斷的漂移使水樹枝的尖端電場越來越集中，局部的高電場會(huì)使水樹枝引發(fā)成電樹枝，當(dāng)電樹枝形成時(shí)，電纜的絕緣層在短時(shí)間內(nèi)會(huì)被擊穿。

1.2 直流分量法原理

由于老化電纜中水樹枝的存在，可以將電纜的絕緣層模擬為一個(gè)電阻和電容的并聯(lián)。通過研究發(fā)現(xiàn)，工作狀態(tài)中含有水樹枝的XLPE電纜絕緣，在導(dǎo)體芯和金屬屏蔽層中間會(huì)有微小的直流電流存在，該直流成分完全是由電纜水樹枝引起，是絕緣中水樹引起的特征量。含有水樹的電纜放電模型如1所示。

圖1 含有水樹的電纜放電模型

直流分量法的理論依據(jù)是XLPE電纜中有水樹存在時(shí)，電纜的絕緣層因?yàn)樗畼涠霈F(xiàn)整流效應(yīng)。當(dāng)電纜處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，水樹枝的尖端在外施電壓的負(fù)半周期時(shí)會(huì)向電纜絕緣中注入較多的負(fù)電荷。這些負(fù)電荷會(huì)在水樹枝處于正半周期時(shí)，被一部分正電荷中和，因?yàn)樵谡胫芷跁r(shí)，水樹枝的尖端被注入正電荷，同負(fù)半周期相比較注入的正電荷較少，僅有一部分負(fù)電荷被中和，余下的負(fù)電荷就會(huì)形成電流，從而被檢測(cè)到。所以通過測(cè)試直流電流，可以診斷出由于水樹枝引起的電纜老化程度。

1.3 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

當(dāng)電纜運(yùn)行在工頻電壓下，電纜水樹枝前端的負(fù)電荷逐漸累積，并形成電流，水樹枝逐漸發(fā)揮整流作用，出現(xiàn)了微弱的直流電流。直流電流的數(shù)值非常小，僅有幾十nA，甚至是幾nA。本文設(shè)計(jì)的XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，包括信號(hào)采樣模塊、濾波模塊、含有PEC8000實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換模塊、軟件濾波模塊、通信模塊以及MCGS實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互功能模塊。

圖2 XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)先將直流電流通過采樣電路實(shí)現(xiàn)I/U轉(zhuǎn)換，通過低通濾波器實(shí)現(xiàn)衰減交流成分，便于檢測(cè)出直流成分。信號(hào)通過PEC8000將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在內(nèi)部PLC軟件濾波后，通過MODBUS通信協(xié)議傳輸給MCGS平板PC，由MCGS開發(fā)的HMI界面實(shí)現(xiàn)電流的重現(xiàn)。該系統(tǒng)具有低通濾波器和系統(tǒng)接地保護(hù)措施。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電流采樣模塊

一般來說，如果需要對(duì)檢測(cè)的電流信號(hào)進(jìn)行濾波，需要將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，此外由于真實(shí)的電纜直流分量很小，需要將微弱的小信號(hào)通過采樣電路放大，因此采樣模塊在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中必不可少。

電纜和大地之間雜散電流及由水樹枝引起的電流混雜在一起，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成很大誤差，所以應(yīng)該考慮阻斷雜散電流回路。在使用采樣電阻實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，可使用串入電容的方法。

直流分量法監(jiān)測(cè)電纜時(shí)，要斷開電纜絕緣屏蔽層的接地線，之后在電纜的外皮和大地之間連接一個(gè)電阻來取樣電流信號(hào)，使電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，直流分量法原理如圖3所示。該采樣電阻須小于外皮和地之間的電阻，這樣對(duì)測(cè)量結(jié)果影響才足夠小。一般很多國產(chǎn)的電纜外皮與地之間電阻僅有幾MΩ，采樣阻值一般為電纜外皮與地之間電阻的1%，取值在100～1000 kΩ。

圖3 直流分量法原理圖

2.2 低通濾波電路

經(jīng)過采樣模塊后，直流電流信號(hào)已轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)，這時(shí)直流電壓信號(hào)為mV級(jí)別，而干擾信號(hào)需要通過低通濾波濾掉。干擾信號(hào)的頻率主要有工頻干擾信號(hào)50 Hz和熱噪聲、高斯白噪聲等的高頻噪聲(MHz)[3]。

無源低通濾波器可以選擇電阻、電容和電感器件，因?yàn)楸颈O(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要密閉封裝，兼顧整套設(shè)備的體積和重量，又因?yàn)榈屯V波器需要設(shè)計(jì)較低的截止頻率，將會(huì)導(dǎo)致感性元件電感較大，其尺寸和重量也會(huì)較大，所以使用電阻和電容來構(gòu)成低通濾波器。將濾波器的截止頻率設(shè)置為10 Hz左右，可以有效地濾掉工頻干擾信號(hào)、熱噪聲和高斯白噪聲等。此外，RC無源低通濾波電路的截止特性需要多階串聯(lián)才能達(dá)到要求。

有源濾波器分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器等。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。貝塞爾濾波器在最大時(shí)間延時(shí)非常平坦，在其余特性上不如巴特沃斯和切比雪夫?yàn)V波器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)由水樹枝產(chǎn)生的直流小信號(hào)濾波后發(fā)現(xiàn)，有源濾波器設(shè)計(jì)電路雖然將工頻電壓等干擾信號(hào)濾掉，但是由于運(yùn)算放大器存在直流的失調(diào)電壓，在經(jīng)過有源濾波之后該失調(diào)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測(cè)的直流信號(hào)，對(duì)信號(hào)造成極大的干擾。另一種思路是使用BB公司生產(chǎn)的OPA637高精度集成運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器通過接入一個(gè)電位器，可以實(shí)現(xiàn)失調(diào)電壓的調(diào)整，相對(duì)簡單。

2.3 基于PEC8000的PLC數(shù)據(jù)采集模塊

本文使用的是PEC8000型混合型網(wǎng)絡(luò)化可編程控制器，如圖4所示。該P(yáng)LC由8路數(shù)字輸入、8路數(shù)字輸出、6路模擬輸入、2路模擬輸出組成，由PLC_Config編程軟件進(jìn)行程序開發(fā)，編程語言支持梯形圖、功能塊，通過以太網(wǎng)、RS485與其他控制器組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

圖4 PEC8000接口圖

對(duì)PEC8000做出修改后，選取其0A和0B兩個(gè)輸入端口作為測(cè)試信號(hào)的輸入端，而1A和1B作為熱電阻兩端的連接端口。由PLC_Config軟件對(duì)PEC8000進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)和傳輸。

2.4 基于MCGS組態(tài)的HMI設(shè)計(jì)

XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的觸摸PC是北京昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的TPC1062K。TPC1062K是一套以低功耗CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。

以MCGS組態(tài)軟件和PEC8000型PLC為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)MCGS組態(tài)軟件和PEC8000的通訊連接，從而達(dá)到PLC設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果同步顯示。利用RS232接口實(shí)現(xiàn)觸摸平板電腦和PLC之間的通訊，并基于MODBUS通信協(xié)議[4]，完成MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控下的電流顯示及如下要求:

1)實(shí)現(xiàn)MCGS組態(tài)軟件和硬件設(shè)備PEC8000型PLC的串行通訊連接。

2)利用MCGS組態(tài)軟件和PLC的組態(tài)通信連接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控及同步模擬顯示功能。

3)利用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器相互之間和其它設(shè)備之間的通信。

4)系統(tǒng)控制部分均在MCGS連機(jī)運(yùn)行環(huán)境上進(jìn)行功能操作。

圖5是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面，可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)信號(hào)的電流值以及環(huán)境溫度，并且在右側(cè)可以直接觀察電流信號(hào)的波動(dòng)和變化。

圖5 系統(tǒng)主界面

通過MCGS實(shí)現(xiàn)人性化的HMI設(shè)計(jì)，在平板電腦上可以輕松設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程、查看數(shù)據(jù)、處理歷史數(shù)據(jù)以及刪除和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)等。

2.5 系統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的抗干擾能力一直是本設(shè)計(jì)努力達(dá)到的目標(biāo)。由于電纜監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場有復(fù)雜的干擾源，高壓電纜、變壓器以及周圍噪聲會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造成干擾，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)使用了密閉的鋁制外殼密封箱，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)封裝在內(nèi)部，只在外部保留幾個(gè)接口，確保系統(tǒng)不受外界的干擾[5]。

本系統(tǒng)通過電纜測(cè)試接口、溫度測(cè)試接口等實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的輸入。由于要檢測(cè)高壓電纜，為了保護(hù)系統(tǒng)和測(cè)量人員，系統(tǒng)設(shè)置了保護(hù)裝置，并且放置在系統(tǒng)面板上方便替換。連接好電源后，通過開關(guān)鍵控制系統(tǒng)的開啟、關(guān)閉。

3 XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)

從2011年4月至2011年9月，利用本套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大連理工大學(xué)中心變電所對(duì)XLPE電纜進(jìn)行長期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以不同服役時(shí)間的兩根電纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)本套系統(tǒng)進(jìn)行說明。

以2011年4月13日監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，一根服役6年的XLPE電纜其水樹枝產(chǎn)生的直流分量約為3 nA，而服役11年的電纜對(duì)應(yīng)的值約為18 nA。根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論、評(píng)級(jí)和數(shù)據(jù)分析等[6]，直流分量為10 nA以下的電纜健康狀況良好，可以繼續(xù)使用，而對(duì)應(yīng)的直流分量為10 nA以上的電纜需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并應(yīng)該及早更換。通過實(shí)驗(yàn)研究得到一組經(jīng)驗(yàn)評(píng)估數(shù)據(jù):直流分量為0～10 nA的電纜為絕緣良好，10～100 nA的電纜應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)或及早更換，而高于100 nA的電纜不能再使用。

4 結(jié)論

采用基于直流分量法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)XLPE電纜絕緣進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是可行的。同時(shí)對(duì)于利用電纜泄漏電流直流分量判斷電纜絕緣狀況，尚需進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)。

[1]徐紅義，黃斌.XLPE高壓電纜在線監(jiān)測(cè)方法綜述與設(shè)計(jì)[J].湖北電力，2009，33(6):38-39.

[2]NAKAAMA T.On-Line Cable Monitor Developed in Japan[J].IEEE Transaction on Power delivery，1991，6(4):1359-1365.

[3]鄭曉泉，屠德民.采用直流法對(duì)XLPE電纜進(jìn)行在線檢測(cè)的抗干擾技術(shù)研究[J].電線電纜，1998(4):33-35.

[4]關(guān)根志，郭瑋.絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].中國電力，2001，34(10):39-43.

[5]王俊士，李國新.XLPE電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)方法的研究[C]//2006中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)文昌校區(qū)信息與電氣工程學(xué)院，2006:1823-1825.

[6]AKAJIMA.Development of a hot-line diagnostic method for XLPE cables and the measurement results[J].IEEE Trans action on Power Delivery，1989，4(2):857-862.