電網(wǎng)電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

羅 樂，汪金剛

(1.成都工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都 611730；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引言

電網(wǎng)系統(tǒng)的線纜全部暴露在自然環(huán)境中，長時間的暴曬和雨淋等環(huán)境因素會造成電纜腐蝕[1]，由于電網(wǎng)都為高壓電，電纜內(nèi)部會局部放電而擊穿絕緣電纜。傳統(tǒng)檢測方式是停止供電，然后用絕緣表等儀器測量[2]，在線監(jiān)測的方式可以避免供電站停止供電，也可以提前定位絕緣線纜的動態(tài)故障。

1 信號疊加法

目前電纜絕緣在線監(jiān)測方式有局部放電法、電磁疊加、紅外掃描、低頻疊加法等。局部放電法可能會二次損壞導(dǎo)線[3]，使絕緣良好的導(dǎo)線漆皮出現(xiàn)隱藏故障，電磁疊加由于是連接在導(dǎo)線兩端，只能定位整個導(dǎo)線的性能，當(dāng)出現(xiàn)小缺陷時并不能定位故障位置。本監(jiān)測系統(tǒng)疊加低頻信號，三相電源中疊加低頻信號不會對原系統(tǒng)造成影響，檢測原理見圖1，監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻信號通過絕緣電阻和寄生電容形成的回路產(chǎn)生電壓向量[4]，通過分析電壓向量計算出線纜的絕緣電阻。

圖1 疊加信號檢測原理

2 電網(wǎng)電纜的絕緣在線監(jiān)測硬件

電網(wǎng)電纜的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示，包括信號輸入、信號調(diào)理電路、DSP信號處理、人機交互等部分，傳感器讀取的電壓信號需要經(jīng)過檢測、調(diào)理和采集，在硬件檢測部分比較重要的是信號調(diào)理電路，包括帶阻電路、信號源電路和頻率測量電路3部分，帶阻電路主要作用是濾除工頻50 Hz的無效信號，信號源電路用于產(chǎn)生低頻信號并疊加到三相電纜中[5]，頻率測量電路用于分析電壓向量。

圖2 電網(wǎng)電纜的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 帶阻電路

由于在電網(wǎng)的三相電纜中50 Hz的交流電源信號最多，工頻信號對低頻有效信號造成的干擾最嚴(yán)重，為了抑制噪聲信號需要設(shè)計帶阻濾波電路[6]，具體電路見圖3。輸入信號IN后面連接了一個二階帶阻濾波電路，其中R478、R479、R480、C385、C386、C3876個器件可以計算出濾波器的截止頻率，R480可以等效為2個33 kΩ的電阻并聯(lián)，C387等效為兩個100 nF的電容并聯(lián)，因此濾波器可以等效為對稱式[7]，電路的截止頻率為2πRC，計算結(jié)果為50 Hz，后面的運算放大器為2倍的差分放大電路。

圖3 帶阻電路

2.2 信號源電路

信號源電路主要用于產(chǎn)生10 Hz的低頻脈沖電壓信號，信號的輸入為工頻交流信號，產(chǎn)生的低頻信號源疊加到電纜后用于檢測絕緣電阻[8]，具體電路如圖4所示。S_L和S_N為交流電壓的輸入信號，先經(jīng)過整流橋電路D55～D58，整流后輸出為直流信號，并聯(lián)一個C388的電容可以平滑直流電壓紋波，IGBT用于逆變輸出一個頻率可調(diào)的交流電路，由于開關(guān)頻率和輸出電壓都不是很高，在柵極和射極之間的寄生電容可以忽略不計，為保證低頻信號的有效，在逆變電路上并聯(lián)一個LC低通濾波器。逆變電路后面連接了一個隔離變壓器，隔離變壓器后面連接一個光耦驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的輸出為+5 V脈沖電壓。

圖4 信號源電路

2.3 頻率測量電路

絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中，靠硬件采集電路采樣輸入高速信號[9]，單純靠信號調(diào)理電路和高速I/O口采集的信號會出現(xiàn)延時和丟脈沖，因此加入頻率測量電路，主要功能是保證測量精度和過零點的起始點檢測，具體電路如圖5所示。當(dāng)?shù)皖l信號和工頻都進入IN引腳時，有信號噪聲峰值時在經(jīng)過零點時會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖叫盘?，通過檢測電平信號脈沖頻率就可以測量出信號周期，INA-輸入低電平參考信號，INA+為線纜輸出的混合信號。

圖5 頻率測量電路

3 軟件

絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括頻率測量程序和絕緣電阻計算程序，頻率測量是為了識別采集的有效電壓向量，絕緣電阻計算是對提取的特定頻率信號計算轉(zhuǎn)化為絕緣電阻值。

3.1 頻率測量程序

在信號源中只有工頻和注入10 Hz 2種頻率，硬件電路濾除工頻信號后只剩有效信號，但是信號源在逆變過程中及采集過程中頻率不會做到絕對精準(zhǔn)[10]，如果直接由采用的頻率計算必然會造成頻率誤差，因此對采集的電壓向量信號先要進行頻率轉(zhuǎn)化，具體程序見圖6，系統(tǒng)上電后先要初始化和啟動定時器1和2，開始捕獲單元1即第1個脈沖上升沿，定時器開始捕捉第2個上升沿并比較，如果確認(rèn)是1個脈沖后把中斷標(biāo)志位置位，同時對定時器2加1個脈沖數(shù)量，同理補充多個脈沖后判斷是否結(jié)束1個周期，根據(jù)采集的脈沖數(shù)就可以計算出信號的周期和頻率。

圖6 頻率測量程序

3.2 絕緣電阻計算程序

絕緣電阻計算程序的作用是對采樣數(shù)據(jù)進行計算，先對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化分解，再根據(jù)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)計算線纜絕緣電阻[11]，具體流程見圖7。系統(tǒng)上電后先要初始化，再利用均方根法去除異常的采樣數(shù)據(jù)，刪除的數(shù)據(jù)用插值法補齊，對電壓信號進行傅里葉變換后分離出實部和虛部，根據(jù)兩個值計算出電纜的絕緣電阻值，為提高計算效率，數(shù)據(jù)處理程序放在主程序中，傅里葉變換程序為系統(tǒng)庫函數(shù)。

圖7 緣電阻計算程序

將三相電纜分別簡化為單相電纜模型，計算模型需要按照圖8分解，Ld為電抗器等效電感模型，Lx為電纜等效阻抗模型，C為線纜對地線的分布電容。

圖8 電網(wǎng)電纜等效電路圖

按照等效電路將電纜阻抗用計算模型等效為

(1)

式中：ω為信號發(fā)生電路產(chǎn)生的頻率，ω=10 Hz，L為電纜的等效感抗；R為電纜20 ℃的單位銅線阻值；C為三根電纜對地分布電容。

4 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的試驗驗證

電網(wǎng)電纜的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)需要在2個重要的方面進行驗證，一是要抑制工頻干擾信號，二是要驗證不同電纜絕緣電阻的精度。前期均在實驗室環(huán)境中完成絕緣在線檢測系統(tǒng)的驗證，如圖9所示，采用8 kV三相動力線纜，該線纜長度為5 m，用示波器采集線纜中信號同步驗證硬件信號采集部分，設(shè)定在線監(jiān)測系統(tǒng)信號源工作電壓為15 V，三相線纜連接到三相程控電源上。

圖9 實驗室測試環(huán)境

4.1 頻率波特圖

采集帶阻電路后的電壓信號，為了區(qū)分電壓信號是否抑制工頻干擾信號，用工頻信號源驗證系統(tǒng)[12]，先對信號進行傅里葉變換，得到頻率波特圖，如圖7所示。衰減頻率可以準(zhǔn)確地落到50 Hz內(nèi)，由于元器件的精度和溫度漂移等原因造成在40～60 Hz會有不同程度的衰減，衰減幅值可以達到65 dB，但此電路在10 Hz沒有衰減，也可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖10 頻率波特圖

4.2 絕緣電阻誤差分析

由于電網(wǎng)電纜電磁干擾和地線之間的分布電容等原因，造成干擾信號導(dǎo)致測量誤差，用系列標(biāo)準(zhǔn)線纜來驗證電纜的絕緣電阻，可以更加準(zhǔn)確地驗證系統(tǒng)精度，具體結(jié)果見圖11。標(biāo)準(zhǔn)線纜絕緣電阻在0～160 kΩ之間，電阻值比較小時測量的相對誤差比較大可以達到5%，隨著阻值增加誤差減小并趨于平穩(wěn)在2.5%左右，而實際電網(wǎng)線纜的絕緣電阻值在幾十MΩ左右，監(jiān)測系統(tǒng)精度可以滿足要求。

圖11 絕緣電阻誤差結(jié)果

數(shù)據(jù)結(jié)果傳遞到信號上位機中顯示，人機交互界面如圖12所示。本系統(tǒng)可以同時監(jiān)測6條線纜，在絕緣電阻為9 999 MΩ時表示系統(tǒng)絕緣狀態(tài)良好，歷史查詢界面可以讀取所有的絕緣電阻數(shù)據(jù)。

圖12 電纜絕緣的人機交互界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種電網(wǎng)電纜的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用疊加低頻信號測試電纜絕緣電阻，首先分析疊加信號檢測原理，然后對頻率測量電路、信號源電路和50 Hz的帶通電路搭建硬件設(shè)計，開發(fā)頻率測量程序、絕緣電阻計算程序，最后利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證測量的絕緣電阻符合實際絕緣特性，并且絕緣電阻檢測精度可以達到5%以內(nèi)。