交聯聚乙烯電纜在線監測技術研究

袁欣雨 孔明 于冰洋

摘要：交聯聚乙烯作為當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的安全隱患，是當前解決的重點問題。對此，該研究嘗試從交聯聚乙烯材料局部放電特征入手，構建交聯聚乙烯材料局部放電監測系統。為實現該系統，通過電流傳感器實現局部放電電流信號的采集，采用放大電路對信號放大，通過信號分配箱實現多信號分配，然后將處理后的信號傳輸給后臺服務器對電流信號進行分析。最后通過測試，驗證上述方法可有效采集電流信號，并實現對交聯聚乙烯電纜故障的在線分析。

關鍵詞：交聯聚乙烯;信號;局部放電;在線監測

中圖分類號：TM855*.2;TQ325.1"2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0168-04

目前在電力市場中廣泛使用了XLPE，相對于傳統的充油電纜，其應用的優勢主要體現在抗干擾性和抗腐蝕性較強等方面，具有較高的絕緣強度，能夠應用到極端環境條件下;此外其制作工藝復雜度較低，安裝方便，能夠顯著降低生產和應用的成本。由此，基于XLPE形成的交聯聚乙烯絕緣電力電纜受到關注。但是在實際應用中發現，受到溫度、水分以及化學等要素變化的影響，電纜絕緣層容易出現老化，長期發展會破壞整個絕緣系統的完整性，最終影響到了電纜的正常使用。此領域內的很多學者以及企業針對上述問題進行了研究，提出了一些監測電纜運行狀況的策略，有研究指出XLPE耐壓試驗存在明顯的弊端，一方面容易加速絕緣系統的老化，降低了系統運行的質量;另一方面長期發展容易引發更嚴重的事故，會造成更大的損失。因此在聯聚乙烯絕緣電力電纜在線監測中應該選用更安全可靠的方法，結合信息化以及自動化等技術構建更成熟的在線監測系統成為一種趨勢，能夠提升電纜運行的穩定性。

1XLPE電纜局部放電在線監測整體架構設計

本次設計的在線監測系統總體劃分為3個模塊，分別是后臺管理模塊、數據采集模塊以及前端信息取樣模塊，各個模塊的功能不同，通過特定的方式進行銜接。系統的工作過程如下所示：首先利用電磁耦合接地線來對脈沖電流信號進行檢測，但是檢測到的原始信號響應不明顯，需要先通過特殊的調節電路進行放大處理。接著由高速信號采集卡完成對信號的采集和傳輸工作，由此能夠在專家診斷系統中接收到采集的信號，然后進一步傳輸到遠程監控中心，通過這種方式完成了對電纜的在線監測。系統結構如圖1所示。

本系統的總體結構包括硬件、軟件兩大部分，其中硬件主要指的是數據采集和前端信號采樣兩個模塊，前者使用的硬件設備有數據采集卡等;后者則包括專用的信號調節電路與傳感器，通過各個設備的正確連接能夠完成數據的采集和傳輸功能。軟件部分主要包括后臺軟件模塊，主要與數據的接收、存儲以及處理等過程有關。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傳輸到后臺數據庫中存儲，通過特定的算法對信號處理來識別其中可能存在的問題。

在本次設計中選用的檢測技術是非接觸方法，即不需要與XLPE電纜直接接觸而獲取其電流信號，一般不會影響到電纜的正常工作。考慮到各個子系統之間的連接問題，系統設計了特殊的屏蔽機制，避免系統受到千擾信號的影響。

整個系統具有較高的自動化特征，能夠自主完成信號的采集、傳輸、存儲以及處理等過程，不依賴于人工的干預。在信號處理方面采用了小波分析以及頻譜分析等方法，并將處理后的結果實時傳輸到遠程監控中心中，由此能夠實現對電纜的全方位監測，便于針對出現的問題及時采取有效的對策。

2系統設計

2.1硬件整體架構

系統的硬件部分涉及到了信號分配箱、信號調節電路以及數據采集卡等部分，各個部分需要按照正確的方式進行連接，具體硬件架構如圖2所示。首先通過高頻電流傳感器獲取到特定的信號，然后通過信號調節電路進行放大處理，進一步通過信號采集卡將信號傳輸到服務器中。

2.2信號放大設計

考慮到信號的傳輸質量以及傳輸距離等問題，在系統中設計了專用的信號調節電路，通過主信號放大的方式降低信號衰減帶來的不利影響。在設計信號調節電路時考慮到較多的影響因素，由于局部放電信號具有較高的頻帶，對于差分放大器提出了更高的要求，由此才能保證高頻信號的質量，所以最終選用了頻率響應為160MHz的差分放大器。另外采用模擬開關芯片的放大方式，便于在軟件編程中進行設置。信號調節的具體流程即為圖3所示。

2.3信號分配

信號分配模塊的工作過程如下所示：首先需要將信號調節電路處理之后的信號轉化為對應的單端電壓信號，然后通過模擬開關的4個通道來獲取傳輸的信號，接著進行信號處理的過程，并將處理后的信號傳輸到采集卡的采集通道中。具體的執行流程如圖4所示。

3軟件部分設計

3.1軟件功能模塊設計

軟件部分功能如圖5所示。根據圖5可看到，整個軟件劃分為3大模塊，分別是數據庫模塊、監控管理模塊以及數據采集模塊，各個模塊通過特定的接口進行連接，由此完成數據的傳輸和轉換功能。其中數據庫部分主要與數據的存儲有關，能夠將采集的初始數據以及處理后的數據進行完整的存儲，并提供便捷的查詢和管理方式;監控管理部分主要包括對數據采集數據的管理，通過多種形式展示采集的數據，根據數據處理結果實現相關操作;數據采集部分主要完成數據的采集工作，具體包括放電電流等數據的采集，然后將采集的數據進行轉換和傳輸，為之后的數據處理過程奠定基礎。

3.2XLPE電纜絕緣在線監測系統數據診斷設計

在采集信號的過程中可能會存在一定的干擾信號，因此應該針對此問題進行去噪處理，特別是處理.可能存在的白噪聲等千擾信息。在系統設計過程中結合干擾信息的特征設計了對應的算法，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，提升了信號的信噪比。具體處理流程如圖6所示。

4系統測試

4.1測試部署

系統測試是一個關鍵的過程，將直接影響到系統的運行效果，因此在系統完成后有必要進行全面的測試過程，便于檢測其中存在的不足問題。本系統的測試環境部署如圖7所示，分別為本地服務器、前端采集部分。前者主要完成數據的存儲和管理，并能夠及時響應用戶的需求，具體包括數據采集卡、工控機以及信號分配箱等部分;后者主要與數據的采集與傳輸過程有關，具體涉及到了放大器、傳感器以及信號傳輸線路等。前端采集系統采集到信號之后需要先將信號分配到采集卡中，然后通過特定的傳輸線路進一步傳輸到工控機中。

4.2采集信號測試

在2019年12月29日20：08：47對某線路電纜的監測，通過采集得到如圖8所示的頻譜數據。根據圖中曲線可知，數據中含有明顯的噪聲，嚴重影響到了有效信號的識別，特別是在幅值100mV以內基本難以檢測到正常的放電脈沖信號。

而在通過一定的措施后，電纜線路沒有明顯的放電信號，說明可能是局部放電信號小，或者是局部放電，也進一步說明該電纜線路工作良好。

5結語

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

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