袁欣雨 孔明 于冰洋

摘要：交聯(lián)聚乙烯作為當(dāng)前高壓輸電電纜常用的材料，如何防止材料老化、材料破損等給輸電線路帶來的安全隱患，是當(dāng)前解決的重點問題。對此，該研究嘗試從交聯(lián)聚乙烯材料局部放電特征入手，構(gòu)建交聯(lián)聚乙烯材料局部放電監(jiān)測系統(tǒng)。為實現(xiàn)該系統(tǒng)，通過電流傳感器實現(xiàn)局部放電電流信號的采集，采用放大電路對信號放大，通過信號分配箱實現(xiàn)多信號分配，然后將處理后的信號傳輸給后臺服務(wù)器對電流信號進行分析。最后通過測試，驗證上述方法可有效采集電流信號，并實現(xiàn)對交聯(lián)聚乙烯電纜故障的在線分析。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯;信號;局部放電;在線監(jiān)測

中圖分類號：TM855*.2;TQ325.1"2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0168-04

目前在電力市場中廣泛使用了XLPE，相對于傳統(tǒng)的充油電纜，其應(yīng)用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在抗干擾性和抗腐蝕性較強等方面，具有較高的絕緣強度，能夠應(yīng)用到極端環(huán)境條件下;此外其制作工藝復(fù)雜度較低，安裝方便，能夠顯著降低生產(chǎn)和應(yīng)用的成本。由此，基于XLPE形成的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜受到關(guān)注。但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，受到溫度、水分以及化學(xué)等要素變化的影響，電纜絕緣層容易出現(xiàn)老化，長期發(fā)展會破壞整個絕緣系統(tǒng)的完整性，最終影響到了電纜的正常使用。此領(lǐng)域內(nèi)的很多學(xué)者以及企業(yè)針對上述問題進行了研究，提出了一些監(jiān)測電纜運行狀況的策略，有研究指出XLPE耐壓試驗存在明顯的弊端，一方面容易加速絕緣系統(tǒng)的老化，降低了系統(tǒng)運行的質(zhì)量;另一方面長期發(fā)展容易引發(fā)更嚴重的事故，會造成更大的損失。因此在聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜在線監(jiān)測中應(yīng)該選用更安全可靠的方法，結(jié)合信息化以及自動化等技術(shù)構(gòu)建更成熟的在線監(jiān)測系統(tǒng)成為一種趨勢，能夠提升電纜運行的穩(wěn)定性。

1XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測整體架構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)總體劃分為3個模塊，分別是后臺管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及前端信息取樣模塊，各個模塊的功能不同，通過特定的方式進行銜接。系統(tǒng)的工作過程如下所示：首先利用電磁耦合接地線來對脈沖電流信號進行檢測，但是檢測到的原始信號響應(yīng)不明顯，需要先通過特殊的調(diào)節(jié)電路進行放大處理。接著由高速信號采集卡完成對信號的采集和傳輸工作，由此能夠在專家診斷系統(tǒng)中接收到采集的信號，然后進一步傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心，通過這種方式完成了對電纜的在線監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括硬件、軟件兩大部分，其中硬件主要指的是數(shù)據(jù)采集和前端信號采樣兩個模塊，前者使用的硬件設(shè)備有數(shù)據(jù)采集卡等;后者則包括專用的信號調(diào)節(jié)電路與傳感器，通過各個設(shè)備的正確連接能夠完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。軟件部分主要包括后臺軟件模塊，主要與數(shù)據(jù)的接收、存儲以及處理等過程有關(guān)。需要在XLPE電纜屏蔽接地線中安裝高頻電流傳感器，然后通過采集模塊將信號傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫中存儲，通過特定的算法對信號處理來識別其中可能存在的問題。

在本次設(shè)計中選用的檢測技術(shù)是非接觸方法，即不需要與XLPE電纜直接接觸而獲取其電流信號，一般不會影響到電纜的正常工作?？紤]到各個子系統(tǒng)之間的連接問題，系統(tǒng)設(shè)計了特殊的屏蔽機制，避免系統(tǒng)受到千擾信號的影響。

整個系統(tǒng)具有較高的自動化特征，能夠自主完成信號的采集、傳輸、存儲以及處理等過程，不依賴于人工的干預(yù)。在信號處理方面采用了小波分析以及頻譜分析等方法，并將處理后的結(jié)果實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心中，由此能夠?qū)崿F(xiàn)對電纜的全方位監(jiān)測，便于針對出現(xiàn)的問題及時采取有效的對策。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件整體架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分涉及到了信號分配箱、信號調(diào)節(jié)電路以及數(shù)據(jù)采集卡等部分，各個部分需要按照正確的方式進行連接，具體硬件架構(gòu)如圖2所示。首先通過高頻電流傳感器獲取到特定的信號，然后通過信號調(diào)節(jié)電路進行放大處理，進一步通過信號采集卡將信號傳輸?shù)椒?wù)器中。

2.2信號放大設(shè)計

考慮到信號的傳輸質(zhì)量以及傳輸距離等問題，在系統(tǒng)中設(shè)計了專用的信號調(diào)節(jié)電路，通過主信號放大的方式降低信號衰減帶來的不利影響。在設(shè)計信號調(diào)節(jié)電路時考慮到較多的影響因素，由于局部放電信號具有較高的頻帶，對于差分放大器提出了更高的要求，由此才能保證高頻信號的質(zhì)量，所以最終選用了頻率響應(yīng)為160MHz的差分放大器。另外采用模擬開關(guān)芯片的放大方式，便于在軟件編程中進行設(shè)置。信號調(diào)節(jié)的具體流程即為圖3所示。

2.3信號分配

信號分配模塊的工作過程如下所示：首先需要將信號調(diào)節(jié)電路處理之后的信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的單端電壓信號，然后通過模擬開關(guān)的4個通道來獲取傳輸?shù)男盘?，接著進行信號處理的過程，并將處理后的信號傳輸?shù)讲杉ǖ牟杉ǖ乐?。具體的執(zhí)行流程如圖4所示。

3軟件部分設(shè)計

3.1軟件功能模塊設(shè)計

軟件部分功能如圖5所示。根據(jù)圖5可看到，整個軟件劃分為3大模塊，分別是數(shù)據(jù)庫模塊、監(jiān)控管理模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，各個模塊通過特定的接口進行連接，由此完成數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)換功能。其中數(shù)據(jù)庫部分主要與數(shù)據(jù)的存儲有關(guān)，能夠?qū)⒉杉某跏紨?shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)進行完整的存儲，并提供便捷的查詢和管理方式;監(jiān)控管理部分主要包括對數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的管理，通過多種形式展示采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)相關(guān)操作;數(shù)據(jù)采集部分主要完成數(shù)據(jù)的采集工作，具體包括放電電流等數(shù)據(jù)的采集，然后將采集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和傳輸，為之后的數(shù)據(jù)處理過程奠定基礎(chǔ)。

3.2XLPE電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)診斷設(shè)計

在采集信號的過程中可能會存在一定的干擾信號，因此應(yīng)該針對此問題進行去噪處理，特別是處理.可能存在的白噪聲等千擾信息。在系統(tǒng)設(shè)計過程中結(jié)合干擾信息的特征設(shè)計了對應(yīng)的算法，主要包括FFT算法以及帶通濾波算法，基于這種方式能夠有效地去除千擾信息，提升了信號的信噪比。具體處理流程如圖6所示。

4系統(tǒng)測試

4.1測試部署

系統(tǒng)測試是一個關(guān)鍵的過程，將直接影響到系統(tǒng)的運行效果，因此在系統(tǒng)完成后有必要進行全面的測試過程，便于檢測其中存在的不足問題。本系統(tǒng)的測試環(huán)境部署如圖7所示，分別為本地服務(wù)器、前端采集部分。前者主要完成數(shù)據(jù)的存儲和管理，并能夠及時響應(yīng)用戶的需求，具體包括數(shù)據(jù)采集卡、工控機以及信號分配箱等部分;后者主要與數(shù)據(jù)的采集與傳輸過程有關(guān)，具體涉及到了放大器、傳感器以及信號傳輸線路等。前端采集系統(tǒng)采集到信號之后需要先將信號分配到采集卡中，然后通過特定的傳輸線路進一步傳輸?shù)焦た貦C中。

4.2采集信號測試

在2019年12月29日20：08：47對某線路電纜的監(jiān)測，通過采集得到如圖8所示的頻譜數(shù)據(jù)。根據(jù)圖中曲線可知，數(shù)據(jù)中含有明顯的噪聲，嚴重影響到了有效信號的識別，特別是在幅值100mV以內(nèi)基本難以檢測到正常的放電脈沖信號。

而在通過一定的措施后，電纜線路沒有明顯的放電信號，說明可能是局部放電信號小，或者是局部放電，也進一步說明該電纜線路工作良好。

5結(jié)語

通過上述的測試看出，通過電流傳感器的采集，以及結(jié)合電流放大和電路信號分配等，最終在服務(wù)器中可查詢到采集到的局部放電信號頻譜，通過頻譜分析，可直接查看該交聯(lián)聚乙烯電纜線路是否存在局部放電的問題。而通過這種在線監(jiān)測，也大大提高了電力電纜的使用壽命。

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