交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

袁欣雨 孔明 于冰洋

摘要：交聯(lián)聚乙烯作為當(dāng)前高壓輸電電纜常用的材料，如何防止材料老化、材料破損等給輸電線路帶來(lái)的安全隱患，是當(dāng)前解決的重點(diǎn)問題。對(duì)此，該研究嘗試從交聯(lián)聚乙烯材料局部放電特征入手，構(gòu)建交聯(lián)聚乙烯材料局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，通過電流傳感器實(shí)現(xiàn)局部放電電流信號(hào)的采集，采用放大電路對(duì)信號(hào)放大，通過信號(hào)分配箱實(shí)現(xiàn)多信號(hào)分配，然后將處理后的信號(hào)傳輸給后臺(tái)服務(wù)器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分析。最后通過測(cè)試，驗(yàn)證上述方法可有效采集電流信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜故障的在線分析。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯;信號(hào);局部放電;在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM855*.2;TQ325.1"2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0168-04

目前在電力市場(chǎng)中廣泛使用了XLPE，相對(duì)于傳統(tǒng)的充油電纜，其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在抗干擾性和抗腐蝕性較強(qiáng)等方面，具有較高的絕緣強(qiáng)度，能夠應(yīng)用到極端環(huán)境條件下;此外其制作工藝復(fù)雜度較低，安裝方便，能夠顯著降低生產(chǎn)和應(yīng)用的成本。由此，基于XLPE形成的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜受到關(guān)注。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，受到溫度、水分以及化學(xué)等要素變化的影響，電纜絕緣層容易出現(xiàn)老化，長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)破壞整個(gè)絕緣系統(tǒng)的完整性，最終影響到了電纜的正常使用。此領(lǐng)域內(nèi)的很多學(xué)者以及企業(yè)針對(duì)上述問題進(jìn)行了研究，提出了一些監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀況的策略，有研究指出XLPE耐壓試驗(yàn)存在明顯的弊端，一方面容易加速絕緣系統(tǒng)的老化，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量;另一方面長(zhǎng)期發(fā)展容易引發(fā)更嚴(yán)重的事故，會(huì)造成更大的損失。因此在聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜在線監(jiān)測(cè)中應(yīng)該選用更安全可靠的方法，結(jié)合信息化以及自動(dòng)化等技術(shù)構(gòu)建更成熟的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為一種趨勢(shì)，能夠提升電纜運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體劃分為3個(gè)模塊，分別是后臺(tái)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及前端信息取樣模塊，各個(gè)模塊的功能不同，通過特定的方式進(jìn)行銜接。系統(tǒng)的工作過程如下所示：首先利用電磁耦合接地線來(lái)對(duì)脈沖電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，但是檢測(cè)到的原始信號(hào)響應(yīng)不明顯，需要先通過特殊的調(diào)節(jié)電路進(jìn)行放大處理。接著由高速信號(hào)采集卡完成對(duì)信號(hào)的采集和傳輸工作，由此能夠在專家診斷系統(tǒng)中接收到采集的信號(hào)，然后進(jìn)一步傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過這種方式完成了對(duì)電纜的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括硬件、軟件兩大部分，其中硬件主要指的是數(shù)據(jù)采集和前端信號(hào)采樣兩個(gè)模塊，前者使用的硬件設(shè)備有數(shù)據(jù)采集卡等;后者則包括專用的信號(hào)調(diào)節(jié)電路與傳感器，通過各個(gè)設(shè)備的正確連接能夠完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。軟件部分主要包括后臺(tái)軟件模塊，主要與數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)以及處理等過程有關(guān)。需要在XLPE電纜屏蔽接地線中安裝高頻電流傳感器，然后通過采集模塊將信號(hào)傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，通過特定的算法對(duì)信號(hào)處理來(lái)識(shí)別其中可能存在的問題。

在本次設(shè)計(jì)中選用的檢測(cè)技術(shù)是非接觸方法，即不需要與XLPE電纜直接接觸而獲取其電流信號(hào)，一般不會(huì)影響到電纜的正常工作。考慮到各個(gè)子系統(tǒng)之間的連接問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了特殊的屏蔽機(jī)制，避免系統(tǒng)受到千擾信號(hào)的影響。

整個(gè)系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化特征，能夠自主完成信號(hào)的采集、傳輸、存儲(chǔ)以及處理等過程，不依賴于人工的干預(yù)。在信號(hào)處理方面采用了小波分析以及頻譜分析等方法，并將處理后的結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心中，由此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電纜的全方位監(jiān)測(cè)，便于針對(duì)出現(xiàn)的問題及時(shí)采取有效的對(duì)策。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件整體架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分涉及到了信號(hào)分配箱、信號(hào)調(diào)節(jié)電路以及數(shù)據(jù)采集卡等部分，各個(gè)部分需要按照正確的方式進(jìn)行連接，具體硬件架構(gòu)如圖2所示。首先通過高頻電流傳感器獲取到特定的信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)節(jié)電路進(jìn)行放大處理，進(jìn)一步通過信號(hào)采集卡將信號(hào)傳輸?shù)椒?wù)器中。

2.2信號(hào)放大設(shè)計(jì)

考慮到信號(hào)的傳輸質(zhì)量以及傳輸距離等問題，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了專用的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，通過主信號(hào)放大的方式降低信號(hào)衰減帶來(lái)的不利影響。在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)電路時(shí)考慮到較多的影響因素，由于局部放電信號(hào)具有較高的頻帶，對(duì)于差分放大器提出了更高的要求，由此才能保證高頻信號(hào)的質(zhì)量，所以最終選用了頻率響應(yīng)為160MHz的差分放大器。另外采用模擬開關(guān)芯片的放大方式，便于在軟件編程中進(jìn)行設(shè)置。信號(hào)調(diào)節(jié)的具體流程即為圖3所示。

2.3信號(hào)分配

信號(hào)分配模塊的工作過程如下所示：首先需要將信號(hào)調(diào)節(jié)電路處理之后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的單端電壓信號(hào)，然后通過模擬開關(guān)的4個(gè)通道來(lái)獲取傳輸?shù)男盘?hào)，接著進(jìn)行信號(hào)處理的過程，并將處理后的信號(hào)傳輸?shù)讲杉ǖ牟杉ǖ乐小＞唧w的執(zhí)行流程如圖4所示。

3軟件部分設(shè)計(jì)

3.1軟件功能模塊設(shè)計(jì)

軟件部分功能如圖5所示。根據(jù)圖5可看到，整個(gè)軟件劃分為3大模塊，分別是數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、監(jiān)控管理模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，各個(gè)模塊通過特定的接口進(jìn)行連接，由此完成數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)換功能。其中數(shù)據(jù)庫(kù)部分主要與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有關(guān)，能夠?qū)⒉杉某跏紨?shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的存儲(chǔ)，并提供便捷的查詢和管理方式;監(jiān)控管理部分主要包括對(duì)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的管理，通過多種形式展示采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作;數(shù)據(jù)采集部分主要完成數(shù)據(jù)的采集工作，具體包括放電電流等數(shù)據(jù)的采集，然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸，為之后的數(shù)據(jù)處理過程奠定基礎(chǔ)。

3.2XLPE電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)診斷設(shè)計(jì)

在采集信號(hào)的過程中可能會(huì)存在一定的干擾信號(hào)，因此應(yīng)該針對(duì)此問題進(jìn)行去噪處理，特別是處理.可能存在的白噪聲等千擾信息。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中結(jié)合干擾信息的特征設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的算法，主要包括FFT算法以及帶通濾波算法，基于這種方式能夠有效地去除千擾信息，提升了信號(hào)的信噪比。具體處理流程如圖6所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1測(cè)試部署

系統(tǒng)測(cè)試是一個(gè)關(guān)鍵的過程，將直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行效果，因此在系統(tǒng)完成后有必要進(jìn)行全面的測(cè)試過程，便于檢測(cè)其中存在的不足問題。本系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境部署如圖7所示，分別為本地服務(wù)器、前端采集部分。前者主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，并能夠及時(shí)響應(yīng)用戶的需求，具體包括數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)以及信號(hào)分配箱等部分;后者主要與數(shù)據(jù)的采集與傳輸過程有關(guān)，具體涉及到了放大器、傳感器以及信號(hào)傳輸線路等。前端采集系統(tǒng)采集到信號(hào)之后需要先將信號(hào)分配到采集卡中，然后通過特定的傳輸線路進(jìn)一步傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。

4.2采集信號(hào)測(cè)試

在2019年12月29日20：08：47對(duì)某線路電纜的監(jiān)測(cè)，通過采集得到如圖8所示的頻譜數(shù)據(jù)。根據(jù)圖中曲線可知，數(shù)據(jù)中含有明顯的噪聲，嚴(yán)重影響到了有效信號(hào)的識(shí)別，特別是在幅值100mV以內(nèi)基本難以檢測(cè)到正常的放電脈沖信號(hào)。

而在通過一定的措施后，電纜線路沒有明顯的放電信號(hào)，說明可能是局部放電信號(hào)小，或者是局部放電，也進(jìn)一步說明該電纜線路工作良好。

5結(jié)語(yǔ)

通過上述的測(cè)試看出，通過電流傳感器的采集，以及結(jié)合電流放大和電路信號(hào)分配等，最終在服務(wù)器中可查詢到采集到的局部放電信號(hào)頻譜，通過頻譜分析，可直接查看該交聯(lián)聚乙烯電纜線路是否存在局部放電的問題。而通過這種在線監(jiān)測(cè)，也大大提高了電力電纜的使用壽命。

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