XLPE電纜在線監測系統設計

馮 碩，曹玉蘭，馬海峰，金德輝，呂廣輝，劉 杰

(1.鶴崗電業局 黑龍 江鶴崗 154101;2.大連理工大學電氣工程學院，遼寧 大連 116024)

電纜能否安全可靠運行的關鍵取決于電纜絕緣性能的好壞。常用的檢測電纜方法為預防性離線檢測，即定期停電對電纜進行耐壓試驗。但是，隨著科學技術進步和智能電網建設的發展，離線檢測的方法已不適合電力發展的需要。因此，能夠即時發現電纜故障和安全隱患[1]的電纜在線監測技術應運而生。目前電力電纜在線監測方法已有直流分量法、直流疊加法、介質損耗檢測法、局部放電法、交流疊加法及低頻疊加法等。

據相關資料數據統計表明，XLPE電纜70%以上的故障是由水樹枝老化導致的[2]，所以研究電纜的水樹枝老化對評估電纜的健康狀況具有重要的意義。基于這一理論，本文研究了在線測量電纜絕緣中水樹枝老化產生的直流分量，實現了對XLPE電纜老化的評估。同時對電纜運行環境中的復雜噪聲進行過濾處理，應用PLC系統實現對納安級電流的提取和測量，并且通過MCGS系統實現人機交互設計，開發出能夠真實反映電纜運行狀態的在線監測系統。

1 水樹枝產生機理及直流分量法原理

1.1 水樹枝定義和產生機理

絕大多數學者認為水樹枝是高分子有機絕緣的一種有液態導電物質(常見的是水)電導性老化現象。一旦某些液體導電物質(例如水)存在于兩個電極之間的絕緣層中(比如電極與絕緣交界面處)，那么當此處場強超過一定值時，導電物質就會沿著電場慢慢進入電纜絕緣層的深處形成泄痕，這些泄痕形狀類似樹枝或樹葉，被稱為“水樹枝”。但是與之不同，IEEE的技術報告則將水樹枝定義為在電場的作用下，電纜中聚乙烯類絕緣材料由于長期和水共存，產生了空隙，其形狀是被水充滿的樹枝狀的細微通道。因此不管對水樹枝如何表述，都認為水樹枝是在水和電場共同作用下產生的。

XLPE電纜絕緣在制造、運輸、安裝和后期運行過程中不可避免會引發缺陷和水分的緩慢浸入。浸入的水分中有大量水溶性的導電離子，介電常數比較大的導電離子在電場力的作用下會向電場更集中的地方漂移。這種不斷的漂移使水樹枝的尖端電場越來越集中，局部的高電場會使水樹枝引發成電樹枝，當電樹枝形成時，電纜的絕緣層在短時間內會被擊穿。

1.2 直流分量法原理

由于老化電纜中水樹枝的存在，可以將電纜的絕緣層模擬為一個電阻和電容的并聯。通過研究發現，工作狀態中含有水樹枝的XLPE電纜絕緣，在導體芯和金屬屏蔽層中間會有微小的直流電流存在，該直流成分完全是由電纜水樹枝引起，是絕緣中水樹引起的特征量。含有水樹的電纜放電模型如1所示。

圖1 含有水樹的電纜放電模型

直流分量法的理論依據是XLPE電纜中有水樹存在時，電纜的絕緣層因為水樹而出現整流效應。當電纜處于運行狀態時，水樹枝的尖端在外施電壓的負半周期時會向電纜絕緣中注入較多的負電荷。這些負電荷會在水樹枝處于正半周期時，被一部分正電荷中和，因為在正半周期時，水樹枝的尖端被注入正電荷，同負半周期相比較注入的正電荷較少，僅有一部分負電荷被中和，余下的負電荷就會形成電流，從而被檢測到。所以通過測試直流電流，可以診斷出由于水樹枝引起的電纜老化程度。

1.3 設計方案及實現

當電纜運行在工頻電壓下，電纜水樹枝前端的負電荷逐漸累積，并形成電流，水樹枝逐漸發揮整流作用，出現了微弱的直流電流。直流電流的數值非常小，僅有幾十nA，甚至是幾nA。本文設計的XLPE電纜在線監測系統如圖2所示，包括信號采樣模塊、濾波模塊、含有PEC8000實現的A/D轉換模塊、軟件濾波模塊、通信模塊以及MCGS實現的人機交互功能模塊。

圖2 XLPE電纜在線監測系統框圖

該系統先將直流電流通過采樣電路實現I/U轉換，通過低通濾波器實現衰減交流成分，便于檢測出直流成分。信號通過PEC8000將模擬量轉換為數字量，在內部PLC軟件濾波后，通過MODBUS通信協議傳輸給MCGS平板PC，由MCGS開發的HMI界面實現電流的重現。該系統具有低通濾波器和系統接地保護措施。

2 在線監測系統設計

2.1 電流采樣模塊

一般來說，如果需要對檢測的電流信號進行濾波，需要將測量信號轉化為電壓信號，此外由于真實的電纜直流分量很小，需要將微弱的小信號通過采樣電路放大，因此采樣模塊在整個監測系統中必不可少。

電纜和大地之間雜散電流及由水樹枝引起的電流混雜在一起，會對檢測結果造成很大誤差，所以應該考慮阻斷雜散電流回路。在使用采樣電阻實現電流-電壓轉換時，可使用串入電容的方法。

直流分量法監測電纜時，要斷開電纜絕緣屏蔽層的接地線，之后在電纜的外皮和大地之間連接一個電阻來取樣電流信號，使電流信號轉化為電壓信號，直流分量法原理如圖3所示。該采樣電阻須小于外皮和地之間的電阻，這樣對測量結果影響才足夠小。一般很多國產的電纜外皮與地之間電阻僅有幾MΩ，采樣阻值一般為電纜外皮與地之間電阻的1%，取值在100～1000 kΩ。

圖3 直流分量法原理圖

2.2 低通濾波電路

經過采樣模塊后，直流電流信號已轉變為直流電壓信號，這時直流電壓信號為mV級別，而干擾信號需要通過低通濾波濾掉。干擾信號的頻率主要有工頻干擾信號50 Hz和熱噪聲、高斯白噪聲等的高頻噪聲(MHz)[3]。

無源低通濾波器可以選擇電阻、電容和電感器件，因為本監測系統需要密閉封裝，兼顧整套設備的體積和重量，又因為低通濾波器需要設計較低的截止頻率，將會導致感性元件電感較大，其尺寸和重量也會較大，所以使用電阻和電容來構成低通濾波器。將濾波器的截止頻率設置為10 Hz左右，可以有效地濾掉工頻干擾信號、熱噪聲和高斯白噪聲等。此外，RC無源低通濾波電路的截止特性需要多階串聯才能達到要求。

有源濾波器分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和貝塞爾濾波器等。巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑。切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應的幅頻特性不如后者平坦。貝塞爾濾波器在最大時間延時非常平坦，在其余特性上不如巴特沃斯和切比雪夫濾波器。實驗發現，在對由水樹枝產生的直流小信號濾波后發現，有源濾波器設計電路雖然將工頻電壓等干擾信號濾掉，但是由于運算放大器存在直流的失調電壓，在經過有源濾波之后該失調電壓遠遠高于被測的直流信號，對信號造成極大的干擾。另一種思路是使用BB公司生產的OPA637高精度集成運算放大器，該運算放大器通過接入一個電位器，可以實現失調電壓的調整，相對簡單。

2.3 基于PEC8000的PLC數據采集模塊

本文使用的是PEC8000型混合型網絡化可編程控制器，如圖4所示。該PLC由8路數字輸入、8路數字輸出、6路模擬輸入、2路模擬輸出組成，由PLC_Config編程軟件進行程序開發，編程語言支持梯形圖、功能塊，通過以太網、RS485與其他控制器組成網絡控制系統。

圖4 PEC8000接口圖

對PEC8000做出修改后，選取其0A和0B兩個輸入端口作為測試信號的輸入端，而1A和1B作為熱電阻兩端的連接端口。由PLC_Config軟件對PEC8000進行設置，實現數據檢測和傳輸。

2.4 基于MCGS組態的HMI設計

XLPE電纜在線監測系統使用的觸摸PC是北京昆侖通態公司生產的TPC1062K。TPC1062K是一套以低功耗CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。

以MCGS組態軟件和PEC8000型PLC為基礎，實現MCGS組態軟件和PEC8000的通訊連接，從而達到PLC設備監測結果同步顯示。利用RS232接口實現觸摸平板電腦和PLC之間的通訊，并基于MODBUS通信協議[4]，完成MCGS組態軟件監控下的電流顯示及如下要求:

1)實現MCGS組態軟件和硬件設備PEC8000型PLC的串行通訊連接。

2)利用MCGS組態軟件和PLC的組態通信連接，實現觸摸屏對電纜監測系統現場的實時監控及同步模擬顯示功能。

3)利用Modbus協議實現控制器相互之間和其它設備之間的通信。

4)系統控制部分均在MCGS連機運行環境上進行功能操作。

圖5是監測系統主界面，可以實時顯示檢測信號的電流值以及環境溫度，并且在右側可以直接觀察電流信號的波動和變化。

圖5 系統主界面

通過MCGS實現人性化的HMI設計，在平板電腦上可以輕松設置，來實現檢測過程、查看數據、處理歷史數據以及刪除和導出歷史數據等。

2.5 系統封裝設計

系統的抗干擾能力一直是本設計努力達到的目標。由于電纜監測的現場有復雜的干擾源，高壓電纜、變壓器以及周圍噪聲會對監測系統造成干擾，甚至影響整個系統的正常工作。因此，本系統在設計時使用了密閉的鋁制外殼密封箱，將監測系統封裝在內部，只在外部保留幾個接口，確保系統不受外界的干擾[5]。

本系統通過電纜測試接口、溫度測試接口等實現外部信號的輸入。由于要檢測高壓電纜，為了保護系統和測量人員，系統設置了保護裝置，并且放置在系統面板上方便替換。連接好電源后，通過開關鍵控制系統的開啟、關閉。

3 XLPE電纜在線監測系統現場試驗

從2011年4月至2011年9月，利用本套監測系統在大連理工大學中心變電所對XLPE電纜進行長期的實時監測。以不同服役時間的兩根電纜監測數據為例，對本套系統進行說明。

以2011年4月13日監測結果為例，一根服役6年的XLPE電纜其水樹枝產生的直流分量約為3 nA，而服役11年的電纜對應的值約為18 nA。根據相關的實驗結論、評級和數據分析等[6]，直流分量為10 nA以下的電纜健康狀況良好，可以繼續使用，而對應的直流分量為10 nA以上的電纜需要重點監測，并應該及早更換。通過實驗研究得到一組經驗評估數據:直流分量為0～10 nA的電纜為絕緣良好，10～100 nA的電纜應該重點監測或及早更換，而高于100 nA的電纜不能再使用。

4 結論

采用基于直流分量法的監測系統對XLPE電纜絕緣進行在線監測是可行的。同時對于利用電纜泄漏電流直流分量判斷電纜絕緣狀況，尚需進一步積累數據。

[1]徐紅義，黃斌.XLPE高壓電纜在線監測方法綜述與設計[J].湖北電力，2009，33(6):38-39.

[2]NAKAAMA T.On-Line Cable Monitor Developed in Japan[J].IEEE Transaction on Power delivery，1991，6(4):1359-1365.

[3]鄭曉泉，屠德民.采用直流法對XLPE電纜進行在線檢測的抗干擾技術研究[J].電線電纜，1998(4):33-35.

[4]關根志，郭瑋.絕緣在線監測系統軟件設計[J].中國電力，2001，34(10):39-43.

[5]王俊士，李國新.XLPE電纜絕緣在線監測方法的研究[C]//2006中國電機工程學會年會論文集.徐州:中國礦業大學文昌校區信息與電氣工程學院，2006:1823-1825.

[6]AKAJIMA.Development of a hot-line diagnostic method for XLPE cables and the measurement results[J].IEEE Trans action on Power Delivery，1989，4(2):857-862.