低壓PVC電纜絕緣氣體檢測裝置研究及現(xiàn)場應用

周澤民 彭彥軍 何啟科

摘要：基于低壓PVC材質(zhì)電纜在高溫下分解產(chǎn)生大分子氣體的現(xiàn)象，首先，利用色譜-質(zhì)譜分析儀研究了典型試樣的氣體濃度、氣體成分隨溫度變化的規(guī)律，并基于氣體成分選型氣體傳感器，進一步研制測試裝置。然后，搭建模擬試驗平臺，分析各種典型故障的氣體特征，利用實驗平臺驗證并完善裝置性能。最后，選取典型線路試點應用。結(jié)果表明，所研制的電纜絕緣氣體檢測裝置可準確檢測到電纜絕緣氣體成分，且根據(jù)檢測到的成分可以及時對低壓PVC電纜進行早期故障預警，提高電纜檢測效率。

關鍵詞：氣體成分;PVC電纜;氣體傳感器

0 引言

隨著我國用電需求量持續(xù)增加，高壓電纜通過提高電壓等級、增大電纜截面等手段提升了輸電容量。電纜線路的正常使用壽命約為30年，電纜通常采用直埋、排管、溝道和隧道等方式敷設，敷設環(huán)境與使用狀態(tài)會極大地影響電纜使用壽命。電纜制造或安裝時的微小缺陷，受到過電壓、溫度、微生物等作用，會激化缺陷，若沒有及時檢測并采取控制措施，將導致電纜出現(xiàn)故障[1]。近年來交聯(lián)聚乙烯電纜（cross-linked polyethylene，XLPE）因結(jié)構簡單、載流量大與敷設方便等特點在電網(wǎng)中得到了廣泛應用。北京、上海、深圳等城市的電纜化率已經(jīng)接近100%。據(jù)統(tǒng)計，截至2010年底，國家電網(wǎng)公司運營的6～500 kV電纜線路總里程超過23萬km，電纜的主絕緣由油紙電纜、充油電纜、XLPE電纜構成，而在各種電壓等級的電纜中，XLPE電纜所占比例均超過了98%。電纜線路出現(xiàn)故障造成的停電范圍廣、經(jīng)濟損失大、社會影響嚴重。因此，通過有效的技術手段，確保電纜安全運行顯得尤為重要[2]。

聚氯乙烯電纜是變電站二次設備中用量最廣泛的電纜，采用傳統(tǒng)的低壓脈沖法、脈沖電流法、直流閃絡法等實現(xiàn)故障點定位、路徑查找與埋深探測。電纜負荷超過設計的載流量將引起電纜過熱造成絕緣燃燒，甚至引發(fā)火災。2016年6月18日凌晨，西安330 kV南郊變（110 kV韋曲變）發(fā)生主變燒損事故，調(diào)查組判定起因是電纜溝道內(nèi)存在可燃氣體，引發(fā)閃爆。采用何種手段實現(xiàn)低壓二次電纜的絕緣狀態(tài)檢測，達到電纜絕緣早期預警的目的，是目前工業(yè)界和學術界面臨的共同難題。

氣體檢測技術發(fā)展較為成熟，可燃性氣體、有毒氣體檢測引起了工業(yè)界與學術界的關注，在化學檢測方面，光譜分析、色譜分析、色譜質(zhì)譜分析以及電化學傳感器分析等方法都得到大量研究與應用[3]。文獻[4]采用化學傳感器對空氣成分進行檢測并預警。文獻[5]對變壓器油中主要故障特征氣體（H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2）進行定性定量分析，取得了較好的成果。文獻[6]通過可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）分析光束被氣體選擇吸收獲得氣體濃度，根據(jù)朗伯-比爾定律，通過激光強衰減信息可獲得被測氣體濃度。與傳統(tǒng)紅外光譜相比，TDLAS具有對惡劣環(huán)境適應能力強、克服背景氣體與粉塵的吸收干擾、不需采樣預處理系統(tǒng)、響應速度快等特點。低壓電纜主絕緣材料是PVC材質(zhì)，在運行人員的日常維護過程中，經(jīng)常能觀察到低壓電纜主絕緣在高溫下分解產(chǎn)生大分子有機氣體的現(xiàn)象[7]。

本文針對低壓PVC電纜絕緣材質(zhì)在高溫下產(chǎn)生大分子有機氣體的現(xiàn)象，首先在實驗室中采用色譜-質(zhì)譜儀分析交聯(lián)聚乙烯電纜在不同溫度下產(chǎn)生氣體濃度、氣體成分隨PVC絕緣溫度變化的規(guī)律;然后設計傳感器及硬件系統(tǒng)，探測典型氣體成分;最后研制檢測樣機，搭建實驗平臺分析各種典型故障的氣體特征，利用實驗平臺驗證并完善裝置性能。測試結(jié)果表明，該樣機可準確檢測電纜在不同溫度下產(chǎn)生的氣體成分與濃度，且系統(tǒng)軟件可根據(jù)氣體濃度進行報警提示。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 ? ?氣體成分分析

在實驗室中選取交聯(lián)聚乙烯高壓電纜試樣，采用色譜-質(zhì)譜儀分析PVC電纜在不同溫度下產(chǎn)生的氣體，檢測的氣體如表1所示。

從表1可知，PVC在90～250 ℃的加熱條件下，最多可熱解釋放出14種氣體成分，分別是乙烯、氯化氫、一氯甲烷、氯乙烯、二氯乙烯、二氯甲烷、四氯化碳、三氯甲烷、二氯乙烷、苯、三氯乙烯、甲苯、四氯乙烯、苯乙烯。在250 ℃時，苯的濃度達到了5.83 mg/m3，四氯化碳等氯代烴類的濃度都很高。氯化氫與氯乙烯在90 ℃即可檢出，苯則要到170 ℃才能被檢出。

1.2 ? ?硬件設計方案

系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件模塊包括：（1）供電模塊，包括可充電鋰電池組、充電電路及電源轉(zhuǎn)接電路;（2）數(shù)據(jù)存儲模塊;（3）嗅覺模塊，主要包括氣體傳感器、傳感器接口電路，本文選取英國4ETO傳感器;（4）微型泵驅(qū)動模塊。

本文硬件系統(tǒng)采用鎖定轉(zhuǎn)子位置和初始啟動的方法，第一步給微型泵施加恒定電壓矢量，使微型泵的定子合成磁勢在空間上有確定方向，由于電磁力作用，轉(zhuǎn)子磁極被拉到與定子合成磁勢重合的位置。第二步為外同步，為了防止LKF算法在轉(zhuǎn)速極低時，估測不準而使微型泵進入不可控狀態(tài)，因此不直接將其切換到無位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中，而是先使微型泵產(chǎn)生低頻旋轉(zhuǎn)磁場，開環(huán)啟動LKF算法估測，當該磁場帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1～2周后，再切換到無位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.3 ? ?軟件設計方案

系統(tǒng)軟件設計主要包括2個系統(tǒng)軟件設計，其中一個系統(tǒng)為下位機（FPGA）系統(tǒng)軟件設計，設計流程如圖2所示;另外一個系統(tǒng)為嵌入式軟件系統(tǒng)設計，設計流程如圖3所示。下位機軟件主要用于系統(tǒng)自檢及數(shù)據(jù)采集，根據(jù)定時時間將所采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧杰浖羞M行數(shù)據(jù)顯示及分析。

2 實驗室測試

測試平臺如圖4所示，玻璃罩分成上、下兩層。在上層玻璃罩上方開1個直徑為20 cm的小孔，方便測試時將氣體傳感器探入。在玻璃罩下方開2個孔固定套管，套管上為1 m的交聯(lián)聚乙烯電纜樣品。在玻璃罩上層的左邊開小孔，光纖測溫探頭通過該小孔固定于電纜樣品金屬接頭處。測溫裝置放置于玻璃罩左邊外側(cè)，用膠固定，用于查看電纜處于加熱狀態(tài)時的溫度。套管下方伸出到玻璃罩下層，在玻璃罩下層前方開2個小孔，套管經(jīng)小孔用電纜與大電流發(fā)生器輸出端進行連接，可避免測試人員與金屬部位意外接觸，以保證人身安全。裝置大電流發(fā)生器輸出電流最大為2 000 A，電壓5 V，由220 V市電供電。測試電纜樣品如圖5所示，電纜截面積為35 mm2，將電纜外護套剝離，只留下電纜主絕緣部分，以避免塑料等部分在高溫下產(chǎn)生干擾氣體，影響測試結(jié)果。