配網電纜局部放電在線監測系統設計研究

國網江蘇省電力有限公司南通供電分公司 陸春鋒 韓耀東

供電企業為了保證既滿足人們的日常生活需求，還需要向用電用戶提供非常安全穩定的電力供應服務，不斷地對電網系統進行擴容增量，引入先進的新型技術以及新設備。在電網系統中電力輸送是電力從發電、輸電、變電以及配電整個環節中的重要部分，電力的輸送主要是通過電網線纜進行輸送的。在電網線路的敷設過程中為減輕電纜敷設的難度和減少電纜間牽引力的相互作用，在實際的敷設過程中在間隔一定的距離后就需要電纜接頭對其進行連接。在目前的電力事故調查中，電纜的故障導致的電力事故占據著絕大部分的因素。

在電力設備中，配電電纜作為其中的關鍵裝備，在實際的使用過程中經常會由于內部雜質、電荷積累等原因形成電場集中。電場集中會導致電纜產生局部放電現象，影響配電電纜的運行狀態。據此通過利用局部放電在線監測系統能夠有效地對配電電纜的運行狀態進行監控，判斷電纜的老化情況，增強配電網的安全性和穩定性[1]。

1 配電網電纜在線監測系統設計原理綜述

配電網中電纜故障在電力系統故障中的占比是非常高的，且配電網電纜故障極易造成比較大的電力系統故障，對我國的經濟造成嚴重的影響，因此對配電網的電纜開展在線監測系統的應用非常之有必要，通過配電網電纜在線檢測系統能夠有效地保證電力系統的穩定性和安全性。

電力系統電纜在日常的運行過程中，在輸送電能的過程中會表征出聲、光、熱、電磁等特征，通過表征出的特征能反應出配電網電纜的運行狀態，這些狀態可根據發熱、局部放電、接地環流、振動、超聲波、電磁波等狀態量來監測，通過監測就能夠達到發現配電網電纜狀態的目的。配電網電纜在線監測系統采用局部放電及溫度測試手段對電纜接頭進行監測，目標在于在運行條件下對接頭進行狀態診斷、缺陷部位的精確定位、缺陷程度的定量分析，提高電力電纜運行的可靠性。配電網電纜在線監測系統在上述原理的基礎上設計如下。

通過安裝電容耦合傳感器（在電纜接頭裝有防爆殼情況下，電容耦合主副傳感器分別包裹在電纜接頭兩側，盡量選擇接頭兩側1米范圍之內；在電纜接頭無防爆殼情況下，主傳感器包裹在電纜接頭上的一側，副傳感器包裹在電纜接頭另一側外電纜本體上，盡量選擇距離接頭1米范圍之內）來耦合電纜接頭的局部放電脈沖電流信號（每一個中間接頭需配置2套電容耦合傳感器，其中1套安裝于監測點位用于采集局部放電信號，另1套安裝于電纜隧道的其他電纜回路上，主副傳感器的兩部分距離與電容耦合傳感器兩部分距離保持一致且平行安裝，若被監測電纜附近無其他電纜，則可將噪聲傳感器安裝在所監測電纜距離電容耦合傳感器5m 處，用于采集噪聲信號）。

耦合到的脈沖信號通過同軸電纜傳送至監測裝置，對模擬信號經過放大、模擬數字轉換后變成數據信號，再通過NB-IOT 傳送至服務器。服務器對不同傳感器的信號分別進行不同分析、計算，并將這些通過計算獲得的放電信號數據寫入到數據庫中，經多次采集后，從數據庫提取數據進行譜圖分析和數據報表，并在虛擬檢測系統的面板上顯示。圖1所示為被測電纜接頭裝有防爆殼且被測電纜周圍有其他電纜的系統結構圖。

圖1 系統結構圖

組成在線檢測系統的零部件數量及功能如下：電容耦合傳感器2套，高頻電流信號耦合；溫度傳感器1只，獲取被測位置溫度信號；局放及溫度監測裝置1個，局部放電及溫度監測裝置內含超低功耗微控制器，可實現對傳感器耦合到的信號進行高速同步采集，并將采集數據實時傳送給服務器；NB-IOT 1個，將數據傳輸至云端或服務器。

2 在線監測系統設計

2.1 系統功能、特點及優勢

配網電纜局部放電在線監測系統，通過對配電電纜的接頭以及相關局部放電的相關參數進行詳細的檢測和記錄，形成測試譜圖、放電趨勢圖，以此來實現對配電電纜的物理狀態的實時監測功能，為后續的檢修工作做出準備[2]。系統采用脈沖識別、噪聲自主學習、50/100Hz 相關性、特征聚類、頻率特征分析、報警等多種智能數據處理算法，使測試數據真實可靠。

本系統采用外置式局放傳感器（電容耦合傳感器），可廣泛應用在無接地線引出的電纜接頭上，安裝方便。本系統采用超低功耗設計，可采用電池供電、太陽能供電方式為裝置提供電能。監測裝置可選用IP68設計，具有良好的防水性能，即便在2米水深的環境中也能穩定有效的工作，可有效監測到電纜的運行情況，對保證電力電纜的安全穩定運行有重要意義。

2.2 系統主要組件

局部放電采集裝置。內含超低功耗微控制器，提供了更優越的性能、更大容量的內置存儲器。采集裝置可實現對電容耦合傳感器耦合到的信號進行高速同步采集，并將采集數據實時傳送給監測主機；電容耦合傳感器。傳感器采用開合式結構，可直接包裹在被測量的導體上來耦合高頻電流信號，靈敏度高、安裝方便，無須破壞導體。該傳感器具有極佳的瞬間反應能力和高頻特性，可廣泛應用在無接地線引出的電纜中間接頭上（圖2）。

圖2 電容耦合傳感器實物圖

電容耦合傳感器性能參數如下：電容耦合傳感器，檢測范圍20pC～10000pC，靈敏度20PC，傳輸方式為同軸電纜，接頭類型TNC，防護等級IP68，尺寸60～150mm，安裝位置在高壓電纜中間接頭，安裝方式為開合式包裹于電纜表層，環境溫度－25～70oC，環境濕度≦95%，海拔高度≦4500m。

溫度傳感器。采用高精度工業級高精度溫度傳感器，它集溫度測量、A/D 轉換為一體，其溫度測量范圍從-55～125oC，可在1s 內將模擬信號轉換成數字信號。與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，該傳感器可直接讀取被測物體的溫度，并可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式；并由其組建的溫度測量單元體積小，使用方便靈活，便于攜帶和安裝（圖3）。溫度傳感器性能參數如下：檢測范圍－55～+125oC，靈敏度±0.5oC，供電方式3～5V/DC，防護等級IP68，尺寸20×7、5×3.5mm，安裝位置在高壓電纜中間接頭，安裝方式膠沾及捆扎，環境溫度－55～125oC，環境濕度≦95%，海拔高度≦4500m。

圖3 溫度傳感器實物圖

監測主機。安裝在監測主機上的局部放電在線監測軟件主要功能是進行通信控制、數據收發，并對數據進行采集、分析、存儲、展示，實現對所有采集節點的同步采集控制、數據收發控制。監測主機實時顯示系統運行狀態，當系統幅值或頻次、高頻分量等出現異常時，系統將發出警報。系統完整還原歷史趨勢圖，方便用戶進行趨勢分析，為用戶的運維提供有力保障；供電系統設計。系統可采用鋰電池供電，可保證系統在不需要充電的情況下正常連續2年；野外供電可定制光伏發電系統來供電。太陽能供電系統通過太陽能電池板給蓄電池充電，通過蓄電池給局放采集器供電。

圖4 NB-IOT 網絡架構圖

3 系統軟件設計

3.1 NB-IoT 通訊模塊

NB-IoT 屬于LPWA 技術的一種，它具備了強覆蓋、低成本、小功耗、大連接這四個關鍵特點。由于NB-IoT 的引入，給LTE/EPC 網絡帶來了很大的改進要求。傳統的LTE 網絡的設計主要是為了適應寬帶移動互聯網的需求，亦即為用戶提供高帶寬、高響應速度的上網體驗。但是NB 卻具有顯著的區別：終端數量眾多、終端節能要求高（現有LTE 信令流程可能導致終端耗能高）、以小包收發為主（會導致網絡信令開銷遠遠大于數據載荷傳輸本身大小）、可能有非格式化的Non-IP 數據（無法直接傳輸)等。

NB-IoT 終端：通過空口連接到基站；eNodeB：主要承擔空口接入處理、小區管理等相關功能，并通過S1-lite 接口與IoT 核心網進行連接，將非接入層數據轉發給高層網元處理。這里需注意，NB-IoT 可獨立組網，也可與EUTRAN 融合組網（NB 僅能支持FDD，所以這里必定跟FDD 融合組網）；IoT 核心網：承擔與終端非接入層交互的功能，并將IoT 業務相關數據轉發到IoT 平臺進行處理。同理這里可NB 獨立組網，也可與LTE 共用核心網；IoT 平臺：匯聚從各種接入網得到的IoT 數據，并根據不同類型轉發至相應的業務應用器進行處理；應用服務器：是IoT 數據的最終匯聚點，根據客戶的需求進行數據處理。

3.2 人機交互界面設計

配電網的電纜在線檢測系統需要通過人機交互界面對配電網的電纜的運行狀態進行監控，通過硬件設備對配電網電纜的運行狀態進行實時監控，通過將模擬型號轉換成為數字信號，數字信號在通過NB-IoT 通訊模塊將信息傳遞到系統監測主機，檢測主機通過在其內部預制的相關軟件和系統進行設置分析，將其通過圖表或是數字的形式反映出來，反應出配電網電纜的相關運行情況。監測列表界面顯示信息包括：電纜名稱、設備編號、通道號、幅值1、幅值2、頻次、報警及更新時間，點擊“歷史數據”列的按鈕即可快速進入歷史數據界面。

配電網電纜在線監控系統的軟件系統中要將電纜的相關信息進行存儲，將實時數據通過文本或者是圖表的形式將其存儲到數據的數據庫中，在數據庫中，供電企業的相關工作人員能夠通過軟件系統的人機交互界面將相關信息進行顯示，調取歷史數據，通過對歷史數據的查看和研究分析配電網電纜在實際的工作狀態的變化以及狀態的判定，提高工作人員對配電網電纜的深入了解。當供電企業工作人員進行操作時，需在歷史數據界面選擇“設備編號”、“開始日期”及“結束日期”，點擊“查詢”按鈕，即可查詢目標設備該時間段的歷史數據，包括“幅值頻次趨勢圖”、“PRPD”圖譜及“PRPS”圖譜。

4 結語

在進行電纜接頭局部放電帶電測試時，采用便攜式無線雙通道局放檢測儀可以有效地檢測出電纜接頭出現的局部放電信號，及時對電纜接頭的運行狀態進行全面分析、綜合判斷，避免故障發生。

本文通過對配電網電纜在線監測系統的原理功能設計，分析配電網電纜在線監測系統所涉及到的功能，在功能特點的基礎上對配電網電纜在線監測系統進行選型，確定了配網電纜局部放電在線監測系統局部放電采集裝置、電容耦合傳感器、溫度傳感器以及供電系統設計，選取了各項裝置的實際實物并闡述了其參數性能，為下節的軟件系統的設計奠定了基礎。

在配電網電纜在線監測系統軟件系統設計時，選取采用NB-IoT 通訊模塊為基礎的軟件系統，通過對人機交互界面的設計，通過人機交互界面其能夠完成配電電纜的實時狀態查詢功能，還有利用數據庫進行歷史狀態的查詢功能，有助于促進供電企業相關工作人員對整個系統進行充分的了解，提高供電企業工作人員的工作效率。同時系統監測主機遵從智能電網物聯網技術架構，實現輸電線路在線監測信息連接、交互、貫通和統一物聯管理。