劉凱，譚雅蘭，，張剛，李石，何小軍，陳波，王源

（1.西安理工大學，陜西西安710048；2.國家電網陜西省漢中局，陜西漢中723099；3.國網渭南供電公司，陜西渭南714000）

目前，在我國城市電網中使用的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜，具有介電損耗系數(shù)小、絕緣強度高和極強的耐熱性能等突出優(yōu)點，因而得到廣泛應用。XLPE電纜的發(fā)展速度很快，從20世紀60年代被首次用于低壓電纜后，經過近幾十年的發(fā)展進步，目前在高電壓等級和容量的擴展方面已經取得了非常大的進步，日本東京電力公司已將其應用于500 kV線路中[1]。歐洲已經大量將XLPE電纜應用到400 kV電力系統(tǒng)中，并且近年來國際上主要運行的400 kV以上的高壓電纜中，絕大多數(shù)選擇的是XLPE電纜[2]。

當前電纜故障診斷中普遍利用測量泄漏電流等方法進行電纜絕緣檢測，雖然能檢測到故障處的電流信號，但耗時過長，并且易受雜散電流的干擾而產生誤差。當電纜發(fā)生局部放電現(xiàn)象時，產生的放電信號既有低頻信號，又有高頻信號。但低頻信號易受到干擾，因此本文采用超高頻法對電纜故障信號進行檢測，采用無線通信技術傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，不僅可以屏蔽大部分電磁干擾和噪聲干擾，還能準確反映電纜故障信號。

1 系統(tǒng)的工作原理及總體結構

超高頻檢測法監(jiān)測電纜局部放電的原理是將高頻傳感器安裝在電纜線路中，耦合電纜線路局部放電產生的超高頻信號，隨后將耦合的信號進行一系列處理，最終通過無線傳輸技術發(fā)送至終端設備，實現(xiàn)對電纜線路局部放電的實時監(jiān)測[3-4]。

城市供電電纜線路呈網狀分布，監(jiān)測點比較分散，需要采用多點監(jiān)測方式進行故障監(jiān)測[5]。電纜線路敷設在地下深處，不利于無線信號的傳輸，因此對監(jiān)測信號地下部分采用有線傳輸，地上接口處采用無線傳輸，以保證信號傳輸?shù)募皶r性與準確性。電纜線路較長，監(jiān)測點很多，需要控制單個監(jiān)測點處的終端成本。測量信號傳輸時高頻信號的衰減幅度較大，需要選擇合適的傳感器減小信號的衰減。由于城市供電的電纜線路規(guī)模較大，并且隨著用戶的增加不斷有新的電纜并入，因此監(jiān)測網絡要具有很好的延展性。此外，設計電纜故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)，必須保證它的實時性和測量精度。根據(jù)以上要求，構建了電纜故障在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作的總體設計圖Fig.1 The overall design of the system

系統(tǒng)采用模塊化設計，整個系統(tǒng)由信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息發(fā)送模塊和電源管理模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括信號采集、放大以及濾波部分；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)模轉換電路和數(shù)據(jù)選擇器部分；信息發(fā)送模塊主要包括GPRS信號接收與發(fā)送部分；電源管理模塊保證各個電路正常運行，將信號及時有效地傳輸出去。

2 系統(tǒng)的硬件結構

2.1 信號采集模塊

1）超高頻傳感器

局部放電檢測易受現(xiàn)場環(huán)境中的電磁干擾，電磁干擾的頻譜通常低于400 MHz[6]。在使用低頻法測量局部放電時，由于其檢測頻帶較低，現(xiàn)場環(huán)境中的各種干擾將使電纜的局部放電信號難以被檢測出來。而在超高頻段，隨著頻率的提高，使得大量電磁干擾信號被屏蔽掉[7]。因此，采用超高頻傳感器對數(shù)據(jù)進行采集，其傳感器安裝圖[8]如圖2所示。

圖2 傳感器安裝示意圖Fig.2 Sensor installation diagram

2）濾波放大電路

傳感器耦合出來的局部放電信號幅值較小（約為幾mV），其中還包括大量的干擾信號，所以需要通過前置放大器對信號進行處理。前置放大器具有較大的帶寬，可以滿足測量系統(tǒng)對超高頻信號處理（400～500 MHz）的要求[9]。本文選取跨導放大集成運放芯片OPA660作為放大元件，它具有低噪聲、失真度小和帶寬范圍大等優(yōu)點，可以通過調節(jié)外部控制管腳，使芯片的帶寬達到850 MHz，增益和相位誤差分別為0.06%和0.20°，滿足系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的要求。前置放大器頻率響應圖如圖3所示。

圖3 放大器的頻率響應Fig.3 Frequency response of the amplifier

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

由于局放信號持續(xù)的時間較短，傳輸速度快，因此需要保證AD轉換芯片的精度和速度。本文采用8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片ADC0832，具有體積小、兼容性強、性價比高等優(yōu)點。無線信號在地下傳輸衰減速度較快，不能有效進行信號傳輸，所以信號在地下部分采用有線傳輸，在電纜入地口處采用無線傳輸，同時在電纜入地口處加裝數(shù)據(jù)選擇器，可以準確實現(xiàn)對監(jiān)測點信號的篩選功能。檢測數(shù)據(jù)傳輸原理圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)選擇器采用常見的4選1數(shù)據(jù)選擇器，可以很快發(fā)現(xiàn)每個接口所傳輸過來的波形，便于及時判斷各接口的異常情況。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸圖Fig.4 Data transfer diagram

2.3 信息發(fā)送模塊

本設計中GPRS通信模塊選用SIM800A模塊。SIM800A無線傳輸模塊采用SMT接口方式，是整個遠程監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸終端，通過RS232串口與STC89C52進行數(shù)據(jù)傳輸，遠程控制中心通過計算機網絡發(fā)送控制信號到GPRS通信模塊，GPRS通過RS232串口將控制信號發(fā)送至單片機，單片機對采集到的高頻電壓信號進行處理，由RS232串口通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。

SIM800A模塊通過SIM卡接口接入SIM卡以實現(xiàn)與上位機的遠程通訊。整個SIM800A無線傳輸模塊主要由與集中器相連的總線提供供電電源。該模塊還設有最大發(fā)射功率，當使用該模式發(fā)射信號時，SIM800A模塊對電源電路會產生瞬間高電流，同時還會拉低模擬電壓。SIM800A模塊功能圖如圖5所示。

圖5 SIM800A模塊功能圖Fig.5 Function of SIM800 module

3 系統(tǒng)軟件

3.1 軟件系統(tǒng)框架

監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中，對XLPE 電纜的局部放電高頻信號進行耦合，并對耦合出的電壓信號進行實時監(jiān)測，最后將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸模塊發(fā)送至設定的IP地址中去，上位機可以通過在電腦終端的操作讀取數(shù)據(jù)信息，并將其保存至數(shù)據(jù)庫當中。

當檢測到電纜的局部放電信號時，監(jiān)測裝置就會將故障信息發(fā)送至上位機，上位機讀取數(shù)據(jù)，記錄時間并保存至數(shù)據(jù)庫，同時通過GSM網絡將故障信息發(fā)送給電纜維護人員，及時告知維護人員故障的信息以及故障地點，方便維護人員及時準確地進行電纜線路搶修[10]。無線監(jiān)測終端主程序由3部分組成：系統(tǒng)的初始化程序、A/D轉換程序以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序，如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)的流程圖Fig.6 Software system flow chart

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)在proteus中搭建89C52的模擬運行環(huán)境，通過模擬故障信號源，將電壓信號作為故障信號，同時設置指示燈，當故障電壓信號傳輸?shù)叫酒蠒r，指示燈閃爍，同時報警器發(fā)出聲音。系統(tǒng)的模擬仿真電路如圖7所示。

圖7 模擬仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram

3.3 系統(tǒng)調試

通過下位機報警子程序進行系統(tǒng)調試。在89C52中，輸入電壓信號，當為故障電壓信號時，便會報警，并給指定的號碼發(fā)送報警短信，短信通過GPRS模塊傳輸至工作人員的手機上。

圖8為手機短信報警的結果，表明調試成功。

圖8 短信報警Fig.8 SMS alarm

4 結語

本文設計開發(fā)了XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了其基本功能。系統(tǒng)具有如下特點：

1）局放傳感器采用超高頻耦合，有效屏蔽了干擾信號和噪聲信號；

2）系統(tǒng)可實現(xiàn)地上與地下信號的實時傳輸，能夠滿足電纜局部放電監(jiān)測的需要；

3）系統(tǒng)軟件通過GSM網絡傳送信息，可實現(xiàn)對電纜局部放電的遠程監(jiān)測，及時掌握電纜的運行狀況。

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