供電系統電纜絕緣性能在線監測技術分析

李 康，陳 君，周 杰

（國網上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499）

供電系統是產生電能并負責供應以及運輸電力的系統，其主要由電源系統以及輸配電系統所組成，該系統供電應用范圍較為廣泛，當前主要應用于礦山、城市供電、電力牽引、阻抗、諧波、星形連接以及飛機電氣系統等方面。而電纜作為系統運行之中的重要組成構件，起到了穩定供電可靠性的作用，但大多的敷設環境較為復雜，易受到外界因素影響，導致絕緣性能不佳，引發安全問題發生。

1 供電系統電纜絕緣性能在線監測的必要性

供電系統多用于現代化城市建設以及科研、工業發展之中，其系統能否安全運行，是保障人們日常生活和生產活動開展的先決條件。根據實際工程施工及案例分析，我國多數供電系統在檢修方面都需要投入大量的成本資金，并且對人員檢修技術水平的挑戰性較大。在檢修的過程中發現，供電系統多數發生安全事故都是由于電纜絕緣性能故障所導致的，而由于供電系統工程量較大涉及范圍較廣，如發生故障時，工作人員很難對每一處問題進行仔細檢查，通常會使用隨機抽點的方式檢測，這也進而可能產生故障遺漏點，埋下安全隱患，這不僅提高了工作人員的判斷難度，還容易對人們的人身財產安全造成威脅，因此要通過在線監測技術對電纜和供電系統整體運行狀態進行實時評測。

2 基于供電系統電纜絕緣性能故障機理分析

基于供電系統電纜運行及敷設環境，分析出供電系統電纜產生故障的原因，有以下幾方面：第一，采用電壓有誤。在現場安全過程中，由于系統工程量加大，構件較多，經常會出現電纜規格無法和實際需求所匹配等問題，因此最終會導致電纜絕緣性能受過電壓穿擊，從而引發故障。第二，環境潮濕，供電系統電纜通常敷設環境較為復雜，加上電纜接頭盒或者終端盒的結構密封不良，很容易造成電纜受潮，最終使得性能逐漸老化。第三，機械故障，在現場安裝的過程中由于對技術人員的要求較高，部分人員沒有注意機械的牽引力度，或者電纜碰傷，都有可能對電纜絕緣造成損傷。第四，設計和制作工藝、電纜附件不良。第五，電流過載，在長期高負荷的運行狀態之下溫度的不斷升高會使得電纜絕緣產生老化或故障現象。

3 供電系統電纜絕緣性能在線監測技術應用

3.1 在線監測技術方法

在實行在線監測技術時，其電纜絕緣性能的劣化程度是影響故障判斷結果的關鍵。在多數情況之下，電纜絕緣劣化現象的產生都不是在短時間之內形成的，其會伴隨著周圍作業環境的長期影響，加之不同的劣化周期，最終形成故障。具體表現為絕緣電阻能力下降，以及等效分布電熔增加等。而在監測過程當中如何獲取變化量并形成有效的預警機制，則成為在線監測技術實施的重點。因此，基于上述條件，對供電系統，電纜不同電氣特性的接地線電流進行了方法監測分析，在研究電纜絕緣老化過程時，確定了監測技術的主要特征信號為：接地線電流、直流分量、局部放電以及損耗介質因數等，并且在監測實施的過程中要解決離線檢測法所受到的停電限制，以及低頻疊加法監測成本過高和局部放電法信號特征易受到干擾等現象。利用金屬屏蔽層不同接地方式的接地電流計算，最終得出了不同絕緣劣化類型的電氣特征，然后再進行樣本數據的診斷與識別，通過等效電氣特性在線監測仿真驗證，最終得出以下監測系統設計結果。

3.2 在線監測流程概述

電纜絕緣在線監測系統必須要具備實時監測的性能，因此在設計時，本文將實時在線監測系統主要劃分為四大部分，分別為：變壓器、I/V采集模塊、信息處理模塊、電腦操作模塊，該系統不僅能夠對電纜絕緣性能故障做出提前預警，更可以評估當前系統運行各電纜線路的運行狀態。整體實施架構為：前端設有電流和電壓傳感器，將數據傳送給信號調理電路，然后在通過數據采集卡處理，將信息輸送到工控機所使用的LABVIEW軟件之中，最終通過FFT分析最小二乘法二階求導，做相關度分析，進行數據存儲與統計，顯示波形，傳送檢測警報，工作人員實現遠程通信訪問調控。其中變流器和I/V信號調整電路為電纜絕緣在線監測系統的核心，在信息的獲取方法上，采用了多個NI6140信息實時采集CPU和工控機，利用穿心式電流傳感器與接地線相連接，不但可以獲取電壓以及電流所生成的數據，更可將傳輸至信號調理線路上，采集需監測電纜的特征信號量。

3.3 設備硬件組成部分

在線監測系統硬件組成的主要部分包含以下設備設施：第一，工控機；第二，電流信號調理部件；第三，穿心式變壓器；第四，數據采集CPU。在選定工控機時必須符合以下條件：第一，抗沖擊力強、防塵和防磁性能高。第二，鋼材質為主。第三，設立配套底板，并包含ISA和PCI插槽。第四，配套電源具有較強抗干擾性，且具備散熱性能好、低能耗、高穩定性的特征?；跀祿诰€實時采集芯片在正常工作狀態之下的輸入電壓為0～5 V，而CT輸出信號在0.100 mA區間之內，因此需要將現場電流所測量出的數據轉化為等效電壓數據，在其中要設置電壓和電流轉換線路，在電路之中設置低通濾波器。為提高檢測的精準度，本文采用了WBCT51S901四川維博電流傳感器，其原因為檢測精準度可以達到小數點后一位，在監測過程中所輸入的電流在0～5 A之間，輸出電壓則在0～1 V之間，過流輸入區間為標稱的30倍，且頻率響應范圍在5 kHz～25 Hz之間。數據采集CPU則主要是起到了將連續信號轉化成數字信息的作用，基于工作本文監測供電線路需求，則采用了12為A/D轉換器。

3.4 電腦監測程序設計

該電腦程序所負責的主要功能是，在系統之中獲取可直觀讀取信號，在快速傅立葉變化以及小波噪聲消除以后，可以將信息存儲于數據庫之中，并對照之前分析和摘取的樣本數據進行對比分析，然后在程序之中創建出評測的結果，從而顯示出當前電路絕緣的狀態。其主程序主要分為四大部分，分別為：系統設置、數據查詢、信號處理以及系統退出。在系統設置部分包含兩大板塊，一是通信端口設置，其中還要進行測量參數的設置，二是采樣時間間隔設置。數據查詢部分重要包含三大板塊，一是監測點查詢；二是絕緣判據查詢；三是歷史故障數據存儲。信息處理部分主要分為兩個板塊分別為系統校驗和自動采集，其中系統校驗要對互感器進行校驗，自動采集部分，通過小波消噪、DRT、故障辨識啟動判據、相似度分析最終生成數據，進行存儲與顯示。當經過調理電路和A/D轉換電路處理以后，電流的信號會分散，因此為了確立接地線路電流基本波形信號，則使用了小波消噪法進行低通濾波處理。

3.5 監測信號處理算法

在實際工程監測的過程中電腦軟件只能對離散信號進行處理，而該系統則采用了TV變壓器以及TA變流器對特性信號進行收集，通過調整線實現電壓數據的轉換，然后再利用A/D轉換器，從而將模擬信號最終轉變為數字信號，而在此過程中會有噪音的產生。雖然在處理的過程當中對初步的樣本進行了采集，從而實現了連續小波以及信號的離散化，但還達不到供電系統電纜絕緣性能監測系統中可逆變換來離散化計算的要求。因此在進行信號處理計算時，離散小波的變化不需要僅依靠離散化計算進行采樣，還要提供具有全面性的信息，用于信號的分析與使用重組，這樣不僅能夠方便工作人員的精準識別，更能夠降低電腦能耗。依照當前普遍的離散算法公式，本文計算出了離散小波和對應離散小波轉化的函數。最終利用小波分解度圖，確定了對一維信號的去噪過程，其主要包含以下三個步驟：第一，基于復用分辨率分析理論，對信號小波進行分解；第二，將所得到的高頻分量閾值進行量化；第三，重新配置一位小波。

3.6 絕緣條件評定程序

絕緣條件評定子程序用于確定當前供電系統電纜的電源線絕緣狀態和運行參數是否符合既定標準值，通過在線觀察接地線電流時間曲線的方式，進行判定。而不同的供電系統所敷設的電纜其所處作業環境是不同的，因此在觀察電纜絕緣狀態的過程中，還需要提取正確的特性偏差，對比數據庫內不同種類的絕緣性能故障數據，從而判斷當前電纜絕緣性能不佳的主要原因及故障種類。依據系統監測需求，對信號采集、絕緣缺陷判斷程序原理架構進行了梳理，例如：開始→采集該條電纜接地線i→從數據庫中讀取相應信息iR和iC→判斷電纜老化程度→從數據庫中讀取該線路的5種缺陷數據→分析i與第I缺陷的相似度→相似度ρ＞0.5（如是未知I=I+1返回分析部分）→發生該類型的絕緣缺陷→結束。系統接地線絕緣狀況的評估標準可參考表1。

表1 接地線絕緣狀況評估對照表

3.7 監測系統數據顯示

這一環節的子系統主要是為了實現人機界面的交換，使得工作人員可以在電腦界面之中了解到當前電纜絕緣的相關數據以及處理完畢的信號和絕緣狀態的評估結果信息。工作人員還可以通過該系統界面，對電纜絕緣監測的相關系統進行設定。在設計研究的過程中，本文通過Labview程序進行了界面設定，其中不僅可以對各項參數進行設置，還可以進行文件保存以及絕緣判據的查詢和監控時間查詢。這樣工作人員便可以在顯示界面之中快速搜索出歷史數據，用于對電流變化趨勢的觀察。

3.8 系統串行通信程序

該部分程序功能主要負責對上位機檢測模塊進行實時命令的發送，不用通過人工操作便可實現自動數據采集，其中數據檢測模塊會在系統之中隨時待命。首先，應在工控機之中設定好時間，然后系統便可根據時間設定自動發出采樣信息，獲取模塊進行服務例程的中斷，合理設置標記位，對當前信號進行采集并進行處理，最終導出到存儲板塊之中，存儲板塊根據輸送命令，將其上傳至上位機之中。另電纜數據讀取模塊應與上位機通信標準進行銜接，從而保證通信暢通穩定。

4 供電系統電力電纜帶電檢測實際驗證分析

4.1 監測預警軟件設計

監測預警軟件設計必須要滿足電腦人機界面操作需求，文章基于Windows系統對檢測預警軟件相關功能及模塊進行了設計，依照上述監測系統需求，確立了軟件的幾大模塊，分別為：輸出模塊、分析模塊以及導航模塊。主要構成及組合方式如下：后臺監控系統作為軟件的核心對其余子系統進行數據的交換以及實時信息發布，其中分析模塊包含：對比分析、趨勢分析以及歷史曲線呈現等性能。導航模塊則包含了線路位置導航、在線監測預警裝置導航、預警位置導航。而輸出模塊包含了數據表格以及模糊算法絕緣評估及預警，并要通過GPRS通訊模塊實現信息的交換與發布。不僅如此，預警軟件還可以對既往信息進行存儲，形成一個實用的數據查詢資料庫，為數據分析打下良好的基礎，依照時間變量進行曲線圖的繪制，則可直觀地將數據變化顯示在系統界面之中。

4.2 在線監測設備安裝

在實際運行過程中，當供電系統發生電纜絕緣故障時，電纜之中的脈沖電流會與電容漏電流，穿過絕緣層，順著接地線以及金屬屏蔽層，傳播至土地之中，提高了安全事故發生概率。因此設計安裝時，應在電纜的接地線部位安裝高頻脈沖以及電容漏電傳感器，從而確保對相關電流數據的采集準確性。在安裝時，應將監測設備安放于電纜的高空桿塔之上，需要依靠人工高空作業實施。在安置過程當中，不僅要保證監測設備精準到位，還要進一步提升安裝人員的自我保護意識和安全責任意識，避免出現觸電以及墜落等現象。考慮到此裝置的經濟性，可安裝太陽能電池板，這樣不僅可以降低設備的能耗，還可以提高光電轉化的效率，減少后期作業人員的維護與更換作業頻率，實現監測設備的安全穩定運行。

5 結語

綜上所述，據資料表明供電系統事故多數是由于電纜絕緣故障所造成的，當前我國電網絕緣在監測系統并不統一，而也無法保障各類供電系統運行的安全穩定性?；陔娎|敷設環境復雜，易受高溫、高濕以及電量沖擊等問題影響的故障特點，文章根據系統實際特征進行了變化量選取，結合我國當前的一些在線監測方法，進行了檢測系統設計，希望能對有關單位及人員起到幫助作用。