PVC電纜絕緣氣體成分在線監測系統的研究和應用

彭彥軍，周澤民，何啟科，陳健禧

（廣西電網有限責任公司桂林供電局，廣西 桂林 541002）

0 引 言

在足夠強的電場作用下，電力設備的絕緣材料發生微弱的放電現象稱為局部放電。輕微局部放電一般不會嚴重破壞設備的絕緣強度，對電力設備的影響相對較小。若任由存在局部放電現象的設備長期運行，會降低設備絕緣壽命或影響設備的安全運行。局部放電的危害程度一方面取決于放電強度和放電次數，另一方面取決于絕緣材料的耐放電性能和放電作用下絕緣的破壞機理。為了保證電力設備安全運行，近年來局部放電檢測技術得到了迅速發展，能及時發現電力設備中存在的安全隱患以及評估絕緣缺陷的嚴重程度[1-3]。

一般聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）電纜的工作壽命最長為30年，但由于電纜運行環境通常相對惡劣，運行過程中電纜中間接頭等部位經常發生故障，縮短了電纜的使用壽命。經調研發現，PVC電纜的主要故障原因有3個方面：一是電纜制作材料存在缺陷、施工工藝不足引起的；二是安裝等過程中的機械損傷導致的；三是長期過負荷運行、絕緣受潮、過電壓等運行過程中引起的絕緣問題。在強電場的作用下，電力電纜及其中間接頭絕緣層的薄弱部位極易發生局部放電而導致電介質局部損壞，長期運行將會導致電纜絕緣劣化甚至擊穿，造成事故。

電纜發生局部放電時表現為產生光、熱、聲、電磁輻射，或引起電流突增、突降等。目前，常用的局部放電檢測手段是利用這些物理、化學特征來實現，主要采用超聲波法、暫態低電壓法、特高頻法及脈沖電流法等。但是，這些檢測方法通常依靠人工定期在電纜溝內巡檢。一方面由于局部放電具有隨機性，導致檢測效率較低；另一方面電纜局放時產生的脈沖信號較弱，對傳感器的抗干擾能力及檢測靈敏度要求較高。因此，研究新的技術手段，實現電纜絕緣狀態的實時監測來保證電力系統穩定運行具有重要的意義。

電纜局部放電產生高溫會引起電纜絕緣材料分解出特殊氣體，通過檢測特殊氣體含量能反映電纜的絕緣性及可靠性[4]。下面通過研究PVC電纜在高溫下的裂解原理，分析故障和氣體的產生規律，研制一套電纜氣體在線檢測系統，通過對電纜絕緣氣體的實時在線檢測，以實現電纜絕緣狀態的早期預警。

1 方案設計

1.1 系統方案

電纜氣體在線監測系統設計基于物聯網通信技術，由傳感器節點、集中器節點和數據后臺3大部分組成，如圖1所示。傳感器節點主要負責局部放電信號的采集、收發；集中器節點主要負責數據的接收透傳、指令轉發；數據后臺主要進行大數據的計算、存儲、展示。傳感器節點通過LoRa無線通信技術向集中器節點傳送采集數據。集中器節點接收傳感器數據后經過處理，根據服務器網絡部署方式，可采用無線方式或者有線方式與數據后臺進行通信[5-7]。

圖1 電纜氣體在線監測系統框圖

傳感器節點由通信模組、主處理器和傳感器3大塊組成（見圖2）。通信模組負責同匯聚節點進行數據通信，由主處理器通過串口協議控制數據的收發。傳感器負責數據采集。主處理器對數據進行處理、分析以及發送。

圖2 傳感器節點功能框圖

集中器節點主要負責數據的接收透傳、指令轉發，是輸變電設備物聯網感知層通信中繼設備，具備自組網和傳感器終端接入的功能（見圖3）。

圖3 集中器節點功能框圖

數據后臺主要進行大數據的計算、存儲以及展示，將網絡內的海量信息資源通過算力整合成可互聯互通的大型網絡，解決數據存儲、檢索、使用、挖掘和安全隱私保護等問題（見圖4）。

圖4 數據后臺功能框圖

1.2 硬件方案

氣體在線檢測裝置的系統硬件結構如圖5所示。在氣體在線檢測裝置的主電路板設計上，地線設計使用抗干擾技術；數據采集信號設計采用雙端差分輸入，能模擬信號及數字信號，采用工業過程中常用的優化控制技術，確保準確及可靠地采集數據信號。采用防磁金屬材料設計機殼，能屏蔽電磁干擾。連接電纜部分采用雙屏蔽電纜，各種接頭采用金屬航空頭，具有屏蔽、防水、防塵以及連接可靠等優勢[8,9]。

圖5 系統硬件框圖

選用ST公司推出的STM32系列芯片作為微控制單元（Micro Control Unit，MCU），通過對采集的模擬信號進行放大、濾波、轉換等一系列處理，實現對傳感器信號的誤差修正，得到精確穩定的信號輸出。它的原理是采用外部基準電壓芯片ADR391作為信號調理模塊，ADC（Analog-to-Digital Converter）模數轉換單元利用AD7790模數轉換器、ADG1608雙電源模擬開關和多路復用器實現多通道模擬信號采集，實現對傳感器信號、溫濕度輸出信號和內部電源電壓的采樣；氣泵流率利用PWM信號占空比進行控制。系統硬件還設計了按鍵、液晶顯示及聲光報警控制等功能模塊。

特征氣體傳感器模塊選用了英國CITY公司的4ETO。該傳感器的工作原理是將氣體含量轉換成電流信號選擇 STM32芯片內部的SDIO作為數據存儲電路，并將接口采集的數據直接保存在內存芯片中。電纜氣體在線監測傳感器如圖6所示。

圖6 電纜氣體在線監測傳感器實物圖

1.3 軟件方案

軟件有現場可編程門陣（Field-Programmable Gate Array，FPGA）軟件和ARM（Advanced RISC Machines）軟件，設計流程如圖7所示。FPGA軟件主要用于系統自檢及數據采集，并與24 bit高精度ADC芯片連接，將24 bit數據采樣轉換結果讀入FPGA的先入先出隊列（First Input First Output，FIFO）中，定時2 s采集一次數據，轉換為實際電壓值。在轉換過程中，將采樣過程中的突發性干擾去除，平均值濾波后存儲到公用存儲地址。嵌入式ARM在公用存儲地址中讀取電壓值，并通過標定系統轉換為濃度值，顯示在液晶顯示屏上。嵌入式軟件還可完成用戶交互、數據存儲、結果顯示及數據分析。

圖7 下位機軟件設計流程

每個傳感器的基準電壓不同。受電路參數漂移、傳感器特征參數等多種因素的影響，為了確定每個傳感器的基準電壓，對1#傳感器進行了測試，測試結果如表1所示。由表1可見，在當天11:00—12:00進行了測試，記錄了12個數據，穩定后基準電壓值為0.173 5 V；當天17:00—18:00也進行了測試，穩定后基準電壓值為0.179 6 V。上午與下午測試的環境溫度和濕度相差不大，電壓基準值非常接近，最終確定此裝置的基準電壓為0.18 V。

表1 基準電壓測試

2 現場應用

2020年8月底，在公司110 kV七星變電站上線了PVC電纜絕緣氣體在線監測系統，安裝了電纜氣體在線監測傳感器40臺實現對電纜溝絕緣氣體的檢測，同時配置2臺集中器實現檢測數據的接收與轉發。圖8為現場安裝示意圖，圖9顯示集中器安裝在站所室內的墻壁上。

圖8 傳感器現場安裝

圖9 集中器現場安裝

電纜氣體智能診斷平臺兼容Window和Linux操作系統，接收集中器上送的檢測數據，經系統分析處理將實時數據和檢測報警狀態展示在PC端，主界面如圖10所示。

圖10 電纜氣體診斷平臺主頁面

進一步分析現場數據發現，現場電纜目前運行狀態良好，安裝2個月內無絕緣氣體濃度告警。為驗證系統檢測的有效性，現場運維人員于2020年10月18日點燃一段廢舊電纜，將產生的煙氣靠近電纜溝，幾分鐘內多個傳感器檢測到有氣體濃度異常情況發生，檢測點14檢測到氣體濃度超過950 mg/kg，如圖11所示。

圖11 氣體濃度異常數據（檢測點14）

通過分析系統數據發現，現場多個檢測點同時檢測到氣體濃度異常數據，準確反映了電纜溝內異常氣體濃度的變化。該方法為PVC電纜的絕緣狀態的實時檢測提供了一種快速有效的初步判斷方法，可根據氣體檢測數據進行電纜絕緣故障的早期預警。

3 結 論

本文基于PVC電纜在高溫下的裂解原理，通過分析故障和氣體的發生規律，研制了電纜氣體在線檢測系統，實現了對PVC電纜氣體的實時在線檢測，并將該方法應用到實際現場進行電纜絕緣特殊氣體檢測數據分析。應用結果表明，該方法在不停電的情況下，可用于判斷電纜溝內運行的電纜是否存在絕緣異常情況，說明本文所述方案具有有效性及實用性。上述研究成果不僅可以預警絕緣缺陷，避免電纜停電事故，而且可以預防有毒氣體，實現火災預警，可應用于PVC電纜絕緣故障分析和診斷。