高壓電纜絕緣在線監測系統技術研究

程 斌

（溫州電力建設有限公司，浙江溫州 325000）

0 引言

高壓電纜絕緣老化是導致電纜故障的主要原因之一。電纜絕緣老化的主要因素包括電壓應力、溫度變化、濕度等，這些因素會導致電纜絕緣材料的物理和化學性質發生變化，從而降低絕緣的性能[1]。如果絕緣老化嚴重，可能會導致電纜絕緣擊穿，造成電力系統的故障。目前，傳統的電纜絕緣監測方法主要是通過定期的離線測試來判斷絕緣的狀態。然而，這種方法存在著測試周期長、無法實時監測等問題，無法滿足電力系統對絕緣狀態的實時監測需求[2]。因此，高壓電纜絕緣在線監測系統技術成為當前的研究熱點，文獻[3-4]針對高壓電纜絕緣在線監測與診斷系統進行了深入研究。

高壓電纜絕緣在線監測系統技術能夠實時監測電纜絕緣的狀態，并及時報警，提醒運維人員采取相應的措施。通過在線監測系統，可以實現對電纜絕緣狀態的全面、準確監測，提高電力系統的可靠性和安全性。為此，本文對高壓電纜絕緣在線監測系統技術進行深入研究，設計了在線監測系統并進行了模擬實驗測試。本文的研究可以為電力系統的維護和管理提供有效的手段，提高電力系統的可靠性和安全性。

1 高壓電纜絕緣監測特征量

高壓電纜絕緣可以等效為一些監測特征量，包括等值阻抗、等值容抗和介質損耗。通過監測這些特征量，可以有效評估電纜的絕緣狀態和性能。等值阻抗是指電纜在交流電壓下的等效電阻，它反映了電纜絕緣的導電性能。等值容抗則是指電纜在交流電壓下的等效電容，它反映了電纜絕緣的介電性能。而介質損耗是指電纜絕緣材料在交流電場中產生的能量損耗，它是評估電纜絕緣損耗情況的重要指標。在本文中采用模擬實驗系統來測試電纜的絕緣電阻、等值電容、接地電流和介質損耗tan δ，通過對這些特征量的監測和分析，可以及時發現電纜絕緣存在的問題，并采取相應的措施進行修復和保護。

2 高壓電纜在線監測系統設計

高壓電纜在線監測系統設計示意圖如圖1所示，系統通過電壓傳感器（VS）、電壓互感器（PT）和電流傳感器（CS）提取高壓電纜的電壓信號轉換為對應的低壓信號，然后通過預處理及保護模塊對采集到的電壓、電流信號進行放大、濾波、抗干擾預處理和保護后傳送至SCXI（Signal Conditioning Extensions Instruments）信號調理系統，調理和處理后的信號由同步數據采集卡對電纜絕緣參數進行實時采集和監測，最后數據處理顯示保存模塊對采集到的數據進行處理和分析，再通過監測主站平臺人機界面實時監測高壓電纜的運行狀態和各項特征量的變化趨勢。

圖1 高壓電纜在線監測系統圖

2.1 系統硬件設計

高壓電纜在線監測系統裝置如圖2所示。該裝置設計包括傳感器、預處理及保護模塊、SCXI信號調理系統、同步數據采集卡、數據處理顯示保存模塊和監測主站平臺。

圖2 高壓電纜在線監測系統裝置圖

2.1.1 傳感器

在高壓電纜絕緣在線監測系統中，傳感器主要包括電壓傳感器（VS）、電壓互感器（PT）、電流傳感器（CS）。電壓傳感器（VS）用于測量電纜的電壓信號，通過將電壓信號轉換為對應的電流信號進行傳輸和處理。電壓互感器（PT）則通過將高壓電纜的電壓信號轉換為對應的低壓信號，以便進行后續的數據采集和處理。而電流傳感器（CS）則是用來測量電纜的電流信號，通過將電流信號轉換為對應的電壓信號進行傳輸和處理。這些傳感器通過對電壓和電流信號的準確測量，可以實現對高壓電纜絕緣狀態的實時監測和分析。在系統設計中，需要考慮傳感器的精度、靈敏度和穩定性，以確保對電纜絕緣狀態的準確監測。

2.1.2 預處理及保護模塊

預處理及保護模塊主要功能是對采集到的電壓、電流信號進行預處理和保護，以確保系統的穩定性和可靠性。預處理模塊包括信號放大、濾波、抗干擾處理等功能，可以有效提高信號的質量和準確性。同時，預處理模塊還根據信號進行保護，當電壓或電流超出設定范圍時，可以及時進行報警或切斷電源，以保護監測系統和被監測的設備。保護模塊還可對系統進行過載、短路等異常情況的保護，確保系統的安全運行。

2.1.3 SCXI信號調理系統

SCXI信號調理系統是用于對采集到的信號進行調理和處理的硬件設備，它主要包括信號調理模塊和數據采集模塊兩部分。在高壓電纜絕緣在線監測系統中，信號調理模塊主要是對電壓傳感器、電流傳感器等傳感器采集到的信號進行放大、濾波等處理，以保證采集到的數據準確可靠。數據采集模塊是將經過信號調理的模擬信號轉換成數字信號，并進行采樣、存儲和傳輸。

2.1.4 同步數據采集卡

同步數據采集卡主要功能是實現對電纜絕緣參數的實時采集和監測。在設計過程中考慮到數據采集的精度、采樣率和實時性等因素，在每個通道采用專用的模擬數字轉換器（ADC），以確保監測系統監測電纜絕緣狀態的準確性和可靠性。同步數據采集卡通常包括模擬輸入通道和數字輸入/輸出通道，模擬輸入通道用于接收來自電壓傳感器、電流傳感器等的模擬信號，而數字輸入/輸出通道則用于控制和通信。在實際應用中，需要根據監測系統的需求選擇合適的數據采集卡，并進行相應的配置和參數設置。

2.1.5 數據處理顯示保存模塊

數據處理顯示保存模塊是用于對采集到的數據進行處理、分析和顯示的硬件設備。它可以實現對采集到的信號進行實時處理和分析，同時也能夠將處理和分析結果進行顯示和保存，以便后續的數據查詢和分析。

2.1.6 監測主站平臺

監測主站平臺提供了人機交互界面和遠程監測功能。通過監測主站平臺，用戶可以實時監測高壓電纜的絕緣狀態，并進行遠程控制和管理。

2.2 系統軟件設計

在高壓電纜絕緣在線監測系統中，為了實現對電纜絕緣狀態的實時監測和分析，軟件設計采用了程序化設計的方法，程序控制流程如圖3所示，將系統的控制模塊分解為獨立的子程序，每個子程序負責不同的功能，如數據采集、數據處理、數據分析和數據存儲等。這樣的設計能夠使系統更加靈活和高效，在實際運行中，各個子程序相互協作，通過主程序模塊進行數據的匯總和整合，對采集的數據進行處理、分析和對比，反映出電纜絕緣的實際運行狀態，以便及時發現電纜絕緣狀態的異常變化，為電力系統的安全運行提供重要保障[5]。

圖3 系統軟件程序控制流程圖

3 系統模擬測試實驗

為研究高壓電纜絕緣在線監測系統的監測性能，本文采用電容器替代高壓電纜進行絕緣參數模擬測試，系統模擬測試實驗圖如圖4所示。在模擬實驗系統中電容器表示為Cx，等效電阻表示為Rx，這種方式可以模擬出高壓電纜的絕緣情況，并對監測系統的性能進行評估和測試。

圖4 系統模擬測試實驗圖

通過模擬實驗系統可以更好地了解高壓電纜絕緣在線監測系統的工作原理和監測效果，為實際應用提供重要的參考和指導。

根據圖4，通過改變并聯電容的個數進行測量。理論情況下，單個并聯電容的介質損耗tan δ與電容數量n無數量關系，如式（1）所示，為一個定值。

式中：ω為角頻率；R為單個等效電阻；n為電容個數；C為單個電容。

此次測量實驗采用五個標稱值為10 μF的并聯電容，介質損耗角頻率為0.02，測試結果如表1所示，其中Ra為并聯電阻值，Rc為等效電阻理論計算值，Rav為等值電阻，Cav為等值電容，tan δav為測量介損值。

表1 增加五個并聯電容絕緣測量數據

通過表1可以看出，測試結果與實際值一致，Rav與Rc值接近，Cav一直穩定在49.7 μF，tan δav值與實驗設置相吻合。為此得出結論：本文研究的高壓電纜絕緣在線監測系統能夠較靈敏地監測高壓電纜絕緣特征量。

4 結束語

本文研究的高壓電纜絕緣在線監測系統具有以下優點：

1）能夠實時監測電纜絕緣的狀態，及時發現潛在的故障隱患。

2）能夠提供準確的監測數據，幫助運維人員制定合理的維護計劃。

3）能夠提高電力系統的可靠性和安全性，降低電力系統的故障發生率。

通過不斷的研究和實驗驗證，高壓電纜絕緣在線監測系統技術已得到進一步的發展和應用，為電力系統的維護和管理提供了更有效的手段。