張一鳴，錢勇，李嫣然，延野，劉宗杰，靳方元，苗淑平

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000;3.國網(wǎng)山東省電力公司嘉祥供電公司，山東 嘉祥 272400)

分布式XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制

張一鳴1，錢勇1，李嫣然1，延野1，劉宗杰2，靳方元2，苗淑平3

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000;3.國網(wǎng)山東省電力公司嘉祥供電公司，山東 嘉祥 272400)

設(shè)計(jì)并研制了一套分布式XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，基于電磁波耦合法，采用多個(gè)檢測前端加信號(hào)集中單元的分布式結(jié)構(gòu)，多個(gè)檢測前端之間可根據(jù)需要靈活連接組合，可用于多種電纜運(yùn)行的場合，大幅擴(kuò)展了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，提高了系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。闡述了系統(tǒng)各硬件部分工作原理及主要設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，給出了監(jiān)測系統(tǒng)軟件的功能架構(gòu)及運(yùn)行界面。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可滿足多種環(huán)境下電纜局放檢測的需要。

分布式系統(tǒng);XLPE電纜;局部放電;電磁耦合;在線監(jiān)測

定稿日期:2014－11－20

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜憑借其絕緣性能好、介電損耗系數(shù)小、耐高溫等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于城鎮(zhèn)的輸配電網(wǎng)中［1］。隨著交聯(lián)聚乙烯電纜在電力網(wǎng)絡(luò)中地位的不斷提升，由電纜絕緣故障引發(fā)的電力事故也在不斷的增加［2］，并影響著電力網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了保障電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，目前電力部門采取了多種措施對(duì)電纜進(jìn)行絕緣狀態(tài)檢測。其中具有代表性的就是對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)及對(duì)電纜進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測。傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)不但會(huì)造成停電損失，還會(huì)損傷電纜，加速電纜絕緣老化［3］。鑒于此，電纜在線監(jiān)測技術(shù)成為目前研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)，現(xiàn)有的在線監(jiān)測方法主要包括［4］直流分量法、損耗電流諧波分析法，局部放電法等，其中局部放電法是目前主要的絕緣在線檢測技術(shù)，局部放電檢測方法包括電磁耦合法、特高頻法和超聲法等［5－6］，其中用于電纜局放檢測的主要是電磁耦合法。

目前用于電纜的局放檢測系統(tǒng)主要有在線監(jiān)測系統(tǒng)和帶電檢測系統(tǒng)，其中在線監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋范圍大，可持續(xù)監(jiān)測，但安裝復(fù)雜，成本高，經(jīng)濟(jì)性差，帶電檢測系統(tǒng)便攜性好，安裝方便，但是覆蓋范圍小，檢測工作量大。針對(duì)上述問題，本文基于電磁耦合法，綜合多通道數(shù)據(jù)高速采集及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，研制了一套安裝方便、測試范圍大的電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用分布式結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)工作可靠性，具有重要的實(shí)際意義。

1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

分布式XLPE電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)基于電磁耦合原理，通過套于電纜終端接地線的傳感器對(duì)電纜局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測，信號(hào)經(jīng)放大后由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、預(yù)處理并提取特征參數(shù)，利用光纖上傳至便攜式分析診斷中心，由電纜分析診斷軟件對(duì)電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)估。

整個(gè)系統(tǒng)主要由信號(hào)傳感模塊、檢測前端、信號(hào)集中單元及便攜式分析診斷中心構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將各功能部件進(jìn)行了模塊化處理，方便安裝。同時(shí)，為提高系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)分布式設(shè)計(jì)原理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用4個(gè)檢測前端且各檢測前端相互獨(dú)立，這樣，即使某一檢測前端故障，系統(tǒng)依然可以根據(jù)需要進(jìn)行電纜局放在線監(jiān)測。4個(gè)檢測前端共有32路監(jiān)測通道，可對(duì)多根電纜或某一電纜線路的多個(gè)中間接頭進(jìn)行測試，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中信號(hào)傳感模塊包含高頻電流傳感器及高頻放大器，檢測前端內(nèi)含8通道數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)及光電轉(zhuǎn)換模塊，4個(gè)檢測前端通過光纖與信號(hào)集中單元組網(wǎng)，最后經(jīng)信號(hào)集中單元上傳至便攜式分析診斷中心。

2 系統(tǒng)硬件介紹

2.1 信號(hào)傳感模塊

(1)高頻電流傳感器

XLPE電纜局放為微弱的脈沖信號(hào)、頻帶寬［7］，為提取此信號(hào)，傳感器應(yīng)具備工作頻帶寬、靈敏度高、瞬態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用羅戈夫斯基線圈型傳感器作為高頻電流傳感器［8］，傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。磁芯選用具有高磁導(dǎo)率低損耗的超微晶合金，以便提高傳感器性能。當(dāng)有高頻脈沖流經(jīng)被測導(dǎo)體時(shí)，套于導(dǎo)體的線圈便可感應(yīng)出高頻電流，通過積分電阻便可提取出高頻脈沖信號(hào)。

圖2 電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電纜運(yùn)行現(xiàn)場的干擾信號(hào)頻率主要集中于1 MHz以下，所以本傳感器設(shè)計(jì)的工作頻帶為1 MHz至25 MHz。圖3為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的高頻電流傳感實(shí)物圖。

(2)高頻放大器

XLPE電纜局放脈沖幅值小，為方便后續(xù)處理，信號(hào)需經(jīng)過高頻放大器進(jìn)行放大。本系統(tǒng)高頻放大器內(nèi)置電池供電，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為100倍，通頻帶為1 MHz至25 MHz，放大器設(shè)計(jì)采用二級(jí)放大及差分模式輸出，可有效提高信號(hào)的傳輸距離及系統(tǒng)的抗噪能力，信號(hào)傳感模塊信號(hào)處理過程圖如圖4所示。

圖3 電流傳感器實(shí)物圖

圖4 信號(hào)傳感模塊信號(hào)處理過程圖

2.2 分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)檢測前端和1個(gè)信號(hào)集中單元，檢測前端內(nèi)置8通道數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，可對(duì)測得的局放脈沖信號(hào)做預(yù)處理并提取特征參數(shù)，有效減少數(shù)據(jù)傳輸量。信號(hào)集中單元內(nèi)置一個(gè)8路交換機(jī)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖傳輸至信號(hào)集中單元，并統(tǒng)一上傳至便攜式分析診斷中心。系統(tǒng)共有多達(dá)32路檢測通道，各模塊連接方式可根據(jù)測試需求調(diào)整，測試半范圍大，測試方式靈活。

圖5 檢測前端信號(hào)處理過程圖

為提高系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)中每個(gè)檢測前端分別供電并獨(dú)立工作，某一檢測前端發(fā)生故障不會(huì)對(duì)其他檢測前端造成影響，采用上述分布式結(jié)構(gòu)可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性，可以更好的應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的現(xiàn)場測試環(huán)境。此外，信號(hào)集中單元內(nèi)采用高可靠性的工業(yè)交換機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)防護(hù)。檢測前端信號(hào)處理過程如圖5所示。分布式監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)物照片如圖6所示。

圖6 分布式電纜局放監(jiān)測系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)配套軟件基于SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可分析脈沖信號(hào)特征參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示特征圖譜并對(duì)電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行分析診斷。同時(shí)，軟件具有檢測前端異常報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)分析、放電趨勢查看等功能，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理及分析

本軟件針對(duì)現(xiàn)場噪聲采用多種濾波方式進(jìn)行初步處理，處理后的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測系統(tǒng)軟件所顯示的信號(hào)實(shí)時(shí)圖譜如圖8所示。

本軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫還可查詢所有歷史數(shù)據(jù)及其特征圖譜，其中特征圖譜包括最大放電量、平均放電量，φ－Q－N圖譜等，φ－Q－N圖譜如圖9所示。此外，程序還提供一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢分析功能，可顯示時(shí)間段內(nèi)單個(gè)檢測通道多特征值趨勢及多個(gè)檢測通道同一特征值趨勢。

圖7 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖8 信號(hào)實(shí)時(shí)圖譜

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套分布式XPLE局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電纜局部放電信號(hào)采集處理分析、多檢測前端分布式布局等功能，可對(duì)脈沖特征參數(shù)進(jìn)行分析并給出預(yù)警信息，可支持32條電纜線路的在線同步監(jiān)測，支持多種前端連接組合方式，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值及實(shí)際意義。

圖9 檢測信號(hào)φ－Q－N圖譜

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Development of a Distributed On-line Monitoring System for Partial Discharging of XLPE Cable

ZHANG Yi-ming1，QIAN Yong1，LIYan-ran1，YAN Ye1，LIU Zong-jie2，JIN Fang-yuan2MIAO Shu-ping

(1.College of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2.Jining Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company，Jining Shandong272000，China;3.Jiaxiang Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company，Jiaxiang Shandong272000，China)

This paper designs and develops a distributed on-linemonitoring system for partial discharging of XLPE cable，which，based on the electromagnetic coupling method，adopts a distributed structure with multiple detection front-ends and single signal concentration unit.Themultiple detection front-ends can be connected flexibly with each other as required.Its applications in the operation of different kinds of cables greatly extend itsmonitoring range and improve its reliability and economical efficiency.This paper describes the working principle and main design parameters of its hardware and displays the functional structure and operational interface of the system software.The system can operate stably and reliably and can meet the requirements on detection of cable partial discharging under different circumstances.

distributed system;XLPE cable;partial discharging;electromagnetic coupling;on-linemonitoring

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.024

TP272/278

A

1000－3886(2015)06－0075－03

張一鳴(1990－)，男，河南洛陽人，碩士，主要研究方向:高電壓與絕緣技術(shù)。