船舶碼頭電纜絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計

姚東紅，王新枝，劉連超，張 軍

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船舶碼頭電纜絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計

姚東紅1，王新枝2，劉連超1，張 軍3

（1. 海軍91370部隊，福州 350000; 2. 海軍工程大學(xué)，武漢 430033; 3. 海軍92459部隊，福建寧德352000）

交聯(lián)聚乙烯電力電纜廣泛應(yīng)用于船舶碼頭電力系統(tǒng)。針對船舶碼頭電力電纜的絕緣狀態(tài)檢測，目前大都采用定期離線檢測的方式，不利于電力系統(tǒng)運行的連續(xù)性，正逐漸被在線監(jiān)測技術(shù)所取代。本文根據(jù)船舶碼頭輸電電纜的特點，確定了船舶碼頭電力電纜等效電路模型，采用正反直流疊加快速檢測法測量電纜絕緣值，并設(shè)計研制了船舶碼頭電纜絕緣監(jiān)測裝置的軟硬件電路。試驗結(jié)果表明，該裝置能夠較好地完成對船舶碼頭電力電纜絕緣的絕緣監(jiān)測任務(wù)。

電力電纜 在線絕緣監(jiān)測 快速檢測法

0 引言

XLPE電力電纜是船舶碼頭輸配電系統(tǒng)的重要組成部分。在投入運行后，XLPE電力電纜將受到電、機械、化學(xué)、以及熱、光等因素的作用而發(fā)生老化，出現(xiàn)“電樹枝”和“水樹枝”等現(xiàn)象[1,3]，甚至發(fā)生電擊穿和熱擊穿。傳統(tǒng)的離線檢測電纜絕緣老化的方法，需要在停電狀態(tài)下檢測，不能滿足供電連續(xù)性的要求。目前XLPE電力電纜在線監(jiān)測手段主要包括：直流成分法，直流疊加法，介質(zhì)損耗正切法，低頻法，局部放電法等[4]。其中直流疊加法在實際在線檢測XLPE電力電纜絕緣狀態(tài)中應(yīng)用廣泛。但是當電力電纜存在水樹枝整流效應(yīng)及對地分布電容較大時，該方法的檢測精度和檢測時間將受到很大影響。因此，本文改進現(xiàn)有的直流疊加方法，通過測量暫態(tài)參數(shù)計算XLPE電纜絕緣值，設(shè)計了在保證檢測精度的同時，實現(xiàn)快速測量的絕緣監(jiān)測裝置。

1 檢測原理

直流疊加法檢測電纜絕緣電阻，只需要從中性點向電網(wǎng)中注入直流電壓，幾乎不改變現(xiàn)有電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，易于安裝使用。而電纜絕緣處于交流高壓的作用下，采用小功率低壓穩(wěn)壓直流電源，就能真實反映絕緣的實際情況，且對電網(wǎng)正常運行影響較小。同時采樣電阻上的直流電壓信號易于提取，抗干擾能力強，受交流電網(wǎng)影響較小。目前針對XLPE電纜絕緣的直流疊加檢測方法，主要有直流疊加快速檢測法，正反疊加直流電源法，以及在測量電纜防護層和外皮對地絕緣電阻時采用的補償電動勢法等[5,7]。直流疊加快速檢測法采用了RxCx電纜等效模型，由于沒有考慮水樹枝整流效應(yīng)，雖然測量較快但易受干擾，數(shù)據(jù)可靠性不高[8]。正反疊加直流電源法采用了RxId電纜等效，通過正反兩次疊加直流電源，消除雜散干擾，有效地提高了測量精確度[6]，但需等待過渡過程結(jié)束，測量時間較長，不利于在線監(jiān)測。

本文采用正反直流疊加快速檢測方法，其對應(yīng)的電纜綜合等效模型為絕緣電阻R、對地分布電容C和整流效應(yīng)等效電流源I的并聯(lián)模型，（即RxCxId等效模型）見圖1。通過先后正反疊加直流電源，消除水樹枝引起的I等其他單向雜散干擾，并利用快速檢測的方法，減少直流電源疊加時間，快速準確地得出電纜絕緣值。

正反直流疊加快速檢測法等效電路如圖2，該檢測原理的測量過程敘述如下：

將開關(guān)S推至1位，監(jiān)測回路由采樣電阻R0、限流電阻R1、疊加的直流電源E以及電纜RxCxId等效電路組成?；芈方油ê?，等時間間隔地對采樣電阻R0的電壓U0采樣，得到四個電壓值：UUUU，計算出分別對應(yīng)的分布電容瞬時值UUUU

其中：U（=1，2，3，4）為分布電容上直流電壓的實時電壓值。

由上式可得：

即該情況下的電纜絕緣R上的分壓。上述測量完成后，將開關(guān)S推至2位，反向疊加直流電源E?；芈方油〞r，電纜分布電容上有初始電壓U，其方向與此時疊加的直流電源E的正方向相反，則：

重復(fù)上述過程得出電纜絕緣R上的分壓。

再由：

消除I等造成的雜散干擾電流的影響，并由

得到電纜絕緣電阻R。

從式1-5可以看出，測得的絕緣值與上述干擾因素無關(guān)，因此正反直流疊加快速檢測法在理論上能很好的消除水樹枝整流效應(yīng)造成的影響。同樣的，電路中存在其他單向雜散干擾均可通過該檢測方法消除，彌補直流疊加快速檢測的缺陷，提高了測量精度。同時，只要實現(xiàn)快速等間隔采樣，就能保證檢測速度。因此，正反直流疊加快速檢測法能夠適用于船舶碼頭輸電電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。

2 船舶碼頭輸電電纜絕緣在線監(jiān)測裝置的設(shè)計

10 kVXLPE電力電纜監(jiān)測裝置是碼頭供配電監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分之一，要求能采用在線和離線兩種測量方式，具有自動和手動檢測功能，實時顯示監(jiān)測結(jié)果，發(fā)出報警信號，同時將數(shù)據(jù)上傳至上級管理控制系統(tǒng)，并具有良好的人機交互界面。

2.1硬件設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)要求及裝置技術(shù)性能指標，基于正反直流疊加快速檢測法，設(shè)計的電纜在線監(jiān)測裝置主要構(gòu)成部分有：信號疊加和取樣模塊（包括直流疊加電源、保護模塊和濾波取樣模塊）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU處理控制分析模塊、通信模塊、人機交互模塊。整體框圖如圖3。

其中直流疊加電源采用洛埃耶逆變—變壓—全橋整流——穩(wěn)壓輸出的方案，實現(xiàn)50 VDC穩(wěn)壓輸出。在提供穩(wěn)定、有較高精度的直流電壓的同時，不會影響GPT二次開口三角的輸出電壓導(dǎo)致保護開關(guān)動作。此外，為了在電網(wǎng)斷電狀態(tài)下也能正常檢測，采用12VDC蓄電池為直流電源供電，保證較高的可靠性和連續(xù)性。

濾波取樣模塊采用AD202精密隔離放大器，將單片機電路與交流電網(wǎng)、疊加采樣電路進行良好的隔離。在隔離放大電路后加入了電壓跟隨電路。由于監(jiān)測裝置疊加的直流電壓很低，而電纜絕緣電阻、采樣電阻和限流電阻阻值相對較高，采樣的電壓信號功率很小。如果后續(xù)電路輸入阻抗比較小，信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出阻抗中。采用電壓跟隨電路作為緩沖級，輸入阻抗高，輸出阻抗低，提高了帶載能力，并具備一定的隔離作用。

保護模塊包含快速熔絲、高壓繼電器、限流電阻、低壓放電管。保證在線監(jiān)測裝置的正常使用和故障情況均不會影響輸配電系統(tǒng)的正常工作，同時減少電網(wǎng)的故障對在線監(jiān)測系統(tǒng)的影響。

監(jiān)測裝置設(shè)置了良好的人機交互模塊，采用WYM320240E型單色標準圖形點陣顯示模塊，采用了RAIO雙圖形中文文字/圖形控制器RA8803。顯示信息包括裝置自檢狀態(tài)，測量狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)及報警信息。通信模塊設(shè)置了RS-485和CAN總線兩種通信方式，便于與上級管理控制系統(tǒng)通信。同時也設(shè)置了延伸報警觸點。

2.2軟件設(shè)計

監(jiān)測裝置主程序固化在CPU處理分析模塊中，包括自檢初始化單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字濾波單元、數(shù)據(jù)分析處理單元、以及顯示通信單元和按鈕繼電器控制單元等。其流程圖見圖4。

裝置的自檢和初始化是指在檢測系統(tǒng)軟件啟動的時候，檢查各個硬件能否正常工作，并按照設(shè)計的默認值設(shè)置參數(shù)。硬件的自檢和初始化目的在于系統(tǒng)軟件啟動之后，不需要人為地設(shè)置任何參數(shù)就可以正常檢測，并在硬件出現(xiàn)問題時，及時報警提醒維修更換，避免影響損壞其它部件。軟件的初始化主要是對界面顯示、采樣時間、數(shù)據(jù)計算參數(shù)、校準設(shè)置、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊某跏蓟?/p>

數(shù)據(jù)采集單元主要完成測量數(shù)據(jù)的獲取和初步識別任務(wù)。當采樣數(shù)據(jù)達到設(shè)定的采樣點數(shù)時，系統(tǒng)自動停止采樣。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)不成功，則執(zhí)行補充采集程序。在補充采集程序中，直流電源的疊加順序與前次采集相反，即先反向疊加直流電源，再正向疊加。數(shù)字濾波單元采用中位值平均濾波法對采集的數(shù)據(jù)進行分析。對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾和周期性干擾均有良好的抑制作用，平滑度較高[9]。

監(jiān)測裝置獲取的電壓信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過了硬件RC濾波，但仍有部分干擾信號無法濾除，可以通過數(shù)字濾波方式進一步消除。 數(shù)據(jù)分析處理單元將初步分析后的數(shù)據(jù)進行運算處理，得出被測電纜的絕緣值，并將結(jié)果發(fā)送至數(shù)據(jù)輸出單元。采樣的電壓信號經(jīng)過數(shù)字濾波后，存放在指定的數(shù)組中。為了得出被測的絕緣電阻值，需要甄別采樣數(shù)據(jù)的真?zhèn)危俑鶕?jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)，采用不同的處理運算方法。

3 試驗分析

在實驗室完成對船舶碼頭輸電電纜絕緣監(jiān)測裝置的試驗，試驗電路見圖5。

監(jiān)測裝置由三相電壓互感器中性點接入電網(wǎng)，380 VAC采用浮地三相三角形連接方式，由隔離變壓器輸出實現(xiàn)交流電網(wǎng)環(huán)境。為了測試監(jiān)測裝置在各種絕緣狀態(tài)的檢測情況，實驗室采用可以任意調(diào)整的電阻R、電容C模擬XLPE電力電纜的絕緣電阻和對地分布電容。三相電壓互感器中性點電壓，即零序電壓，模擬實際監(jiān)測環(huán)境中的單向雜散干擾。

試驗時將另一臺采用傳統(tǒng)直流疊加法的絕緣監(jiān)測裝置（裝置2）與本文研制的監(jiān)測裝置（裝置1）一起接入電路，通過開關(guān)S切換監(jiān)測裝置，比較兩者的性能。

首先，在采用相同絕緣電阻R的情況下，設(shè)置不同的分布電容值，兩臺裝置測量結(jié)果對比如表1。監(jiān)測裝置2采用測量結(jié)果實時顯示的方式，即測量出當前數(shù)據(jù)就立即顯示，隨著測量時間的推移不斷更新顯示數(shù)據(jù)。

從上表可以看出，若不設(shè)置分布電容，兩臺監(jiān)測裝置測量結(jié)果相似，完成時間也比較接近。當分布電容不斷增加時，裝置2得出最終數(shù)據(jù)的等待時間不斷增加，而裝置1的測量時間沒有明顯的變化。一般碼頭電力電纜長度不超過10 km，分布電容一般在4.5μF（按0.45μF/km計算）以內(nèi)，因此采用正反直流疊加快速檢測法的裝置1，檢測時間不受分布電容的影響。

其次，設(shè)置多個分布電容Cx值，以比較不同分布電容對本文研制的監(jiān)測裝置測量影響，其結(jié)果見表2。

上表中，當R<10 MΩ，即電纜絕緣在嚴重問題范圍時，測量誤差絕對值在0.7%～2.4%之間。當10 MΩ<R<100 MΩ，即電纜絕緣在中度問題范圍時，測量誤差絕對值在0.2%～2.9%之間。當100 MΩ<R<600 MΩ，即電纜絕緣在輕度問題范圍時，測量誤差絕對值在0.3%～4.1%之間。能夠精確測量絕緣值，正確反映電纜絕緣狀態(tài)，降低誤報概率。

試驗結(jié)果表明，本文研制的監(jiān)測裝置能在有交流干擾，模擬分布電容和單向雜散干擾的情況下，快速準確的測量絕緣電阻，達到預(yù)期的目標。

4 結(jié)論

本文針對船舶碼頭輸電電纜的特點，選擇正反直流疊加快速檢測法及相應(yīng)的輸電電纜電路等效模型（RxCxId等效模型），設(shè)計并完成了船舶碼頭輸電電纜絕緣監(jiān)測裝置的軟硬件設(shè)計。運行試驗表明，該裝置能對輸電網(wǎng)絡(luò)和XLPE電纜的絕緣狀況進行監(jiān)測，具有信號采集速度快，精度高，操作簡單，監(jiān)測結(jié)果直觀等優(yōu)點。該在線監(jiān)測裝置可以連續(xù)、實時地監(jiān)測運行狀態(tài)下的絕緣狀況，在發(fā)生絕緣問題時，能及時準確的發(fā)出報警信號，避免故障進一步擴大。

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Design of Hot-line Insulation Monitoring Device of Dock Power Cable

Yao Donghong1,Wang Xinzhi2, Liu Lianchao1, Zhang Jun3

(1. No.91370 Troops of PLA, Fuzhou 350000, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan430033, China ; 3.No.92459 Troops of PLA, Ningde 352000, Fujian, China)

Power cable with cross-linked polyethylene insulation is widely used in dock power system. For continuity of power system, traditional insulation monitoring technology in the power-off mode, used to monitor power cable insulation in dock, is being substituted by the on-line monitoring technology. According to the feature of power cable in dock, the paper gives dock power cable equivalent models, brings up forward and inverse DC superposition fast detection, and puts forward the gross structure of the hot-line insulation monitoring device of dock power cable. The design of corresponding hardware and software is introduced, and the field experiments show that the device can meet the requirements of monitoring for the insulation of the XLPE cable in dock power system.

power cable; hot-line insulation monitoring; fast detection

TM930

A

1003-4862（2015）07-0057-05

2014-09-09

姚東紅(1972-)，男，工程師。研究方向：電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷。