低壓PVC電纜絕緣氣體檢測裝置研究及現場應用

周澤民 彭彥軍 何啟科

摘要：基于低壓PVC材質電纜在高溫下分解產生大分子氣體的現象，首先，利用色譜-質譜分析儀研究了典型試樣的氣體濃度、氣體成分隨溫度變化的規律，并基于氣體成分選型氣體傳感器，進一步研制測試裝置。然后，搭建模擬試驗平臺，分析各種典型故障的氣體特征，利用實驗平臺驗證并完善裝置性能。最后，選取典型線路試點應用。結果表明，所研制的電纜絕緣氣體檢測裝置可準確檢測到電纜絕緣氣體成分，且根據檢測到的成分可以及時對低壓PVC電纜進行早期故障預警，提高電纜檢測效率。

關鍵詞：氣體成分;PVC電纜;氣體傳感器

0 引言

隨著我國用電需求量持續增加，高壓電纜通過提高電壓等級、增大電纜截面等手段提升了輸電容量。電纜線路的正常使用壽命約為30年，電纜通常采用直埋、排管、溝道和隧道等方式敷設，敷設環境與使用狀態會極大地影響電纜使用壽命。電纜制造或安裝時的微小缺陷，受到過電壓、溫度、微生物等作用，會激化缺陷，若沒有及時檢測并采取控制措施，將導致電纜出現故障[1]。近年來交聯聚乙烯電纜（cross-linked polyethylene，XLPE）因結構簡單、載流量大與敷設方便等特點在電網中得到了廣泛應用。北京、上海、深圳等城市的電纜化率已經接近100%。據統計，截至2010年底，國家電網公司運營的6～500 kV電纜線路總里程超過23萬km，電纜的主絕緣由油紙電纜、充油電纜、XLPE電纜構成，而在各種電壓等級的電纜中，XLPE電纜所占比例均超過了98%。電纜線路出現故障造成的停電范圍廣、經濟損失大、社會影響嚴重。因此，通過有效的技術手段，確保電纜安全運行顯得尤為重要[2]。

聚氯乙烯電纜是變電站二次設備中用量最廣泛的電纜，采用傳統的低壓脈沖法、脈沖電流法、直流閃絡法等實現故障點定位、路徑查找與埋深探測。電纜負荷超過設計的載流量將引起電纜過熱造成絕緣燃燒，甚至引發火災。2016年6月18日凌晨，西安330 kV南郊變（110 kV韋曲變）發生主變燒損事故，調查組判定起因是電纜溝道內存在可燃氣體，引發閃爆。采用何種手段實現低壓二次電纜的絕緣狀態檢測，達到電纜絕緣早期預警的目的，是目前工業界和學術界面臨的共同難題。

氣體檢測技術發展較為成熟，可燃性氣體、有毒氣體檢測引起了工業界與學術界的關注，在化學檢測方面，光譜分析、色譜分析、色譜質譜分析以及電化學傳感器分析等方法都得到大量研究與應用[3]。文獻[4]采用化學傳感器對空氣成分進行檢測并預警。文獻[5]對變壓器油中主要故障特征氣體（H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2）進行定性定量分析，取得了較好的成果。文獻[6]通過可調諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）分析光束被氣體選擇吸收獲得氣體濃度，根據朗伯-比爾定律，通過激光強衰減信息可獲得被測氣體濃度。與傳統紅外光譜相比，TDLAS具有對惡劣環境適應能力強、克服背景氣體與粉塵的吸收干擾、不需采樣預處理系統、響應速度快等特點。低壓電纜主絕緣材料是PVC材質，在運行人員的日常維護過程中，經常能觀察到低壓電纜主絕緣在高溫下分解產生大分子有機氣體的現象[7]。

本文針對低壓PVC電纜絕緣材質在高溫下產生大分子有機氣體的現象，首先在實驗室中采用色譜-質譜儀分析交聯聚乙烯電纜在不同溫度下產生氣體濃度、氣體成分隨PVC絕緣溫度變化的規律;然后設計傳感器及硬件系統，探測典型氣體成分;最后研制檢測樣機，搭建實驗平臺分析各種典型故障的氣體特征，利用實驗平臺驗證并完善裝置性能。測試結果表明，該樣機可準確檢測電纜在不同溫度下產生的氣體成分與濃度，且系統軟件可根據氣體濃度進行報警提示。

1 系統設計方案

1.1 ? ?氣體成分分析

在實驗室中選取交聯聚乙烯高壓電纜試樣，采用色譜-質譜儀分析PVC電纜在不同溫度下產生的氣體，檢測的氣體如表1所示。

從表1可知，PVC在90～250 ℃的加熱條件下，最多可熱解釋放出14種氣體成分，分別是乙烯、氯化氫、一氯甲烷、氯乙烯、二氯乙烯、二氯甲烷、四氯化碳、三氯甲烷、二氯乙烷、苯、三氯乙烯、甲苯、四氯乙烯、苯乙烯。在250 ℃時，苯的濃度達到了5.83 mg/m3，四氯化碳等氯代烴類的濃度都很高。氯化氫與氯乙烯在90 ℃即可檢出，苯則要到170 ℃才能被檢出。

1.2 ? ?硬件設計方案

系統硬件結構框圖如圖1所示，系統硬件模塊包括：（1）供電模塊，包括可充電鋰電池組、充電電路及電源轉接電路;（2）數據存儲模塊;（3）嗅覺模塊，主要包括氣體傳感器、傳感器接口電路，本文選取英國4ETO傳感器;（4）微型泵驅動模塊。

本文硬件系統采用鎖定轉子位置和初始啟動的方法，第一步給微型泵施加恒定電壓矢量，使微型泵的定子合成磁勢在空間上有確定方向，由于電磁力作用，轉子磁極被拉到與定子合成磁勢重合的位置。第二步為外同步，為了防止LKF算法在轉速極低時，估測不準而使微型泵進入不可控狀態，因此不直接將其切換到無位置閉環控制系統中，而是先使微型泵產生低頻旋轉磁場，開環啟動LKF算法估測，當該磁場帶動轉子旋轉1～2周后，再切換到無位置閉環控制系統。

1.3 ? ?軟件設計方案

系統軟件設計主要包括2個系統軟件設計，其中一個系統為下位機（FPGA）系統軟件設計，設計流程如圖2所示;另外一個系統為嵌入式軟件系統設計，設計流程如圖3所示。下位機軟件主要用于系統自檢及數據采集，根據定時時間將所采集數據傳輸到嵌入式軟件中進行數據顯示及分析。

2 實驗室測試

測試平臺如圖4所示，玻璃罩分成上、下兩層。在上層玻璃罩上方開1個直徑為20 cm的小孔，方便測試時將氣體傳感器探入。在玻璃罩下方開2個孔固定套管，套管上為1 m的交聯聚乙烯電纜樣品。在玻璃罩上層的左邊開小孔，光纖測溫探頭通過該小孔固定于電纜樣品金屬接頭處。測溫裝置放置于玻璃罩左邊外側，用膠固定，用于查看電纜處于加熱狀態時的溫度。套管下方伸出到玻璃罩下層，在玻璃罩下層前方開2個小孔，套管經小孔用電纜與大電流發生器輸出端進行連接，可避免測試人員與金屬部位意外接觸，以保證人身安全。裝置大電流發生器輸出電流最大為2 000 A，電壓5 V，由220 V市電供電。測試電纜樣品如圖5所示，電纜截面積為35 mm2，將電纜外護套剝離，只留下電纜主絕緣部分，以避免塑料等部分在高溫下產生干擾氣體，影響測試結果。