李 康，陳 君，周 杰

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499）

供電系統(tǒng)是產(chǎn)生電能并負(fù)責(zé)供應(yīng)以及運(yùn)輸電力的系統(tǒng)，其主要由電源系統(tǒng)以及輸配電系統(tǒng)所組成，該系統(tǒng)供電應(yīng)用范圍較為廣泛，當(dāng)前主要應(yīng)用于礦山、城市供電、電力牽引、阻抗、諧波、星形連接以及飛機(jī)電氣系統(tǒng)等方面。而電纜作為系統(tǒng)運(yùn)行之中的重要組成構(gòu)件，起到了穩(wěn)定供電可靠性的作用，但大多的敷設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜，易受到外界因素影響，導(dǎo)致絕緣性能不佳，引發(fā)安全問(wèn)題發(fā)生。

1 供電系統(tǒng)電纜絕緣性能在線監(jiān)測(cè)的必要性

供電系統(tǒng)多用于現(xiàn)代化城市建設(shè)以及科研、工業(yè)發(fā)展之中，其系統(tǒng)能否安全運(yùn)行，是保障人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)活動(dòng)開展的先決條件。根據(jù)實(shí)際工程施工及案例分析，我國(guó)多數(shù)供電系統(tǒng)在檢修方面都需要投入大量的成本資金，并且對(duì)人員檢修技術(shù)水平的挑戰(zhàn)性較大。在檢修的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，供電系統(tǒng)多數(shù)發(fā)生安全事故都是由于電纜絕緣性能故障所導(dǎo)致的，而由于供電系統(tǒng)工程量較大涉及范圍較廣，如發(fā)生故障時(shí)，工作人員很難對(duì)每一處問(wèn)題進(jìn)行仔細(xì)檢查，通常會(huì)使用隨機(jī)抽點(diǎn)的方式檢測(cè)，這也進(jìn)而可能產(chǎn)生故障遺漏點(diǎn)，埋下安全隱患，這不僅提高了工作人員的判斷難度，還容易對(duì)人們的人身財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，因此要通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)電纜和供電系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)。

2 基于供電系統(tǒng)電纜絕緣性能故障機(jī)理分析

基于供電系統(tǒng)電纜運(yùn)行及敷設(shè)環(huán)境，分析出供電系統(tǒng)電纜產(chǎn)生故障的原因，有以下幾方面：第一，采用電壓有誤。在現(xiàn)場(chǎng)安全過(guò)程中，由于系統(tǒng)工程量加大，構(gòu)件較多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電纜規(guī)格無(wú)法和實(shí)際需求所匹配等問(wèn)題，因此最終會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣性能受過(guò)電壓穿擊，從而引發(fā)故障。第二，環(huán)境潮濕，供電系統(tǒng)電纜通常敷設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜，加上電纜接頭盒或者終端盒的結(jié)構(gòu)密封不良，很容易造成電纜受潮，最終使得性能逐漸老化。第三，機(jī)械故障，在現(xiàn)場(chǎng)安裝的過(guò)程中由于對(duì)技術(shù)人員的要求較高，部分人員沒(méi)有注意機(jī)械的牽引力度，或者電纜碰傷，都有可能對(duì)電纜絕緣造成損傷。第四，設(shè)計(jì)和制作工藝、電纜附件不良。第五，電流過(guò)載，在長(zhǎng)期高負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)之下溫度的不斷升高會(huì)使得電纜絕緣產(chǎn)生老化或故障現(xiàn)象。

3 供電系統(tǒng)電纜絕緣性能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方法

在實(shí)行在線監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，其電纜絕緣性能的劣化程度是影響故障判斷結(jié)果的關(guān)鍵。在多數(shù)情況之下，電纜絕緣劣化現(xiàn)象的產(chǎn)生都不是在短時(shí)間之內(nèi)形成的，其會(huì)伴隨著周圍作業(yè)環(huán)境的長(zhǎng)期影響，加之不同的劣化周期，最終形成故障。具體表現(xiàn)為絕緣電阻能力下降，以及等效分布電熔增加等。而在監(jiān)測(cè)過(guò)程當(dāng)中如何獲取變化量并形成有效的預(yù)警機(jī)制，則成為在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施的重點(diǎn)。因此，基于上述條件，對(duì)供電系統(tǒng)，電纜不同電氣特性的接地線電流進(jìn)行了方法監(jiān)測(cè)分析，在研究電纜絕緣老化過(guò)程時(shí)，確定了監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要特征信號(hào)為：接地線電流、直流分量、局部放電以及損耗介質(zhì)因數(shù)等，并且在監(jiān)測(cè)實(shí)施的過(guò)程中要解決離線檢測(cè)法所受到的停電限制，以及低頻疊加法監(jiān)測(cè)成本過(guò)高和局部放電法信號(hào)特征易受到干擾等現(xiàn)象。利用金屬屏蔽層不同接地方式的接地電流計(jì)算，最終得出了不同絕緣劣化類型的電氣特征，然后再進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)的診斷與識(shí)別，通過(guò)等效電氣特性在線監(jiān)測(cè)仿真驗(yàn)證，最終得出以下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.2 在線監(jiān)測(cè)流程概述

電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須要具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的性能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，本文將實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樗拇蟛糠?，分別為：變壓器、I/V采集模塊、信息處理模塊、電腦操作模塊，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)﹄娎|絕緣性能故障做出提前預(yù)警，更可以評(píng)估當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行各電纜線路的運(yùn)行狀態(tài)。整體實(shí)施架構(gòu)為：前端設(shè)有電流和電壓傳感器，將數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)調(diào)理電路，然后在通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡處理，將信息輸送到工控機(jī)所使用的LABVIEW軟件之中，最終通過(guò)FFT分析最小二乘法二階求導(dǎo)，做相關(guān)度分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)，顯示波形，傳送檢測(cè)警報(bào)，工作人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信訪問(wèn)調(diào)控。其中變流器和I/V信號(hào)調(diào)整電路為電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，在信息的獲取方法上，采用了多個(gè)NI6140信息實(shí)時(shí)采集CPU和工控機(jī)，利用穿心式電流傳感器與接地線相連接，不但可以獲取電壓以及電流所生成的數(shù)據(jù)，更可將傳輸至信號(hào)調(diào)理線路上，采集需監(jiān)測(cè)電纜的特征信號(hào)量。

3.3 設(shè)備硬件組成部分

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成的主要部分包含以下設(shè)備設(shè)施：第一，工控機(jī)；第二，電流信號(hào)調(diào)理部件；第三，穿心式變壓器；第四，數(shù)據(jù)采集CPU。在選定工控機(jī)時(shí)必須符合以下條件：第一，抗沖擊力強(qiáng)、防塵和防磁性能高。第二，鋼材質(zhì)為主。第三，設(shè)立配套底板，并包含ISA和PCI插槽。第四，配套電源具有較強(qiáng)抗干擾性，且具備散熱性能好、低能耗、高穩(wěn)定性的特征?；跀?shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)采集芯片在正常工作狀態(tài)之下的輸入電壓為0～5 V，而CT輸出信號(hào)在0.100 mA區(qū)間之內(nèi)，因此需要將現(xiàn)場(chǎng)電流所測(cè)量出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效電壓數(shù)據(jù)，在其中要設(shè)置電壓和電流轉(zhuǎn)換線路，在電路之中設(shè)置低通濾波器。為提高檢測(cè)的精準(zhǔn)度，本文采用了WBCT51S901四川維博電流傳感器，其原因?yàn)闄z測(cè)精準(zhǔn)度可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后一位，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中所輸入的電流在0～5 A之間，輸出電壓則在0～1 V之間，過(guò)流輸入?yún)^(qū)間為標(biāo)稱的30倍，且頻率響應(yīng)范圍在5 kHz～25 Hz之間。數(shù)據(jù)采集CPU則主要是起到了將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息的作用，基于工作本文監(jiān)測(cè)供電線路需求，則采用了12為A/D轉(zhuǎn)換器。

3.4 電腦監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

該電腦程序所負(fù)責(zé)的主要功能是，在系統(tǒng)之中獲取可直觀讀取信號(hào)，在快速傅立葉變化以及小波噪聲消除以后，可以將信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)之中，并對(duì)照之前分析和摘取的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，然后在程序之中創(chuàng)建出評(píng)測(cè)的結(jié)果，從而顯示出當(dāng)前電路絕緣的狀態(tài)。其主程序主要分為四大部分，分別為：系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、信號(hào)處理以及系統(tǒng)退出。在系統(tǒng)設(shè)置部分包含兩大板塊，一是通信端口設(shè)置，其中還要進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的設(shè)置，二是采樣時(shí)間間隔設(shè)置。數(shù)據(jù)查詢部分重要包含三大板塊，一是監(jiān)測(cè)點(diǎn)查詢；二是絕緣判據(jù)查詢；三是歷史故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。信息處理部分主要分為兩個(gè)板塊分別為系統(tǒng)校驗(yàn)和自動(dòng)采集，其中系統(tǒng)校驗(yàn)要對(duì)互感器進(jìn)行校驗(yàn)，自動(dòng)采集部分，通過(guò)小波消噪、DRT、故障辨識(shí)啟動(dòng)判據(jù)、相似度分析最終生成數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路處理以后，電流的信號(hào)會(huì)分散，因此為了確立接地線路電流基本波形信號(hào)，則使用了小波消噪法進(jìn)行低通濾波處理。

3.5 監(jiān)測(cè)信號(hào)處理算法

在實(shí)際工程監(jiān)測(cè)的過(guò)程中電腦軟件只能對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行處理，而該系統(tǒng)則采用了TV變壓器以及TA變流器對(duì)特性信號(hào)進(jìn)行收集，通過(guò)調(diào)整線實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，然后再利用A/D轉(zhuǎn)換器，從而將模擬信號(hào)最終轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，而在此過(guò)程中會(huì)有噪音的產(chǎn)生。雖然在處理的過(guò)程當(dāng)中對(duì)初步的樣本進(jìn)行了采集，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)小波以及信號(hào)的離散化，但還達(dá)不到供電系統(tǒng)電纜絕緣性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可逆變換來(lái)離散化計(jì)算的要求。因此在進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算時(shí)，離散小波的變化不需要僅依靠離散化計(jì)算進(jìn)行采樣，還要提供具有全面性的信息，用于信號(hào)的分析與使用重組，這樣不僅能夠方便工作人員的精準(zhǔn)識(shí)別，更能夠降低電腦能耗。依照當(dāng)前普遍的離散算法公式，本文計(jì)算出了離散小波和對(duì)應(yīng)離散小波轉(zhuǎn)化的函數(shù)。最終利用小波分解度圖，確定了對(duì)一維信號(hào)的去噪過(guò)程，其主要包含以下三個(gè)步驟：第一，基于復(fù)用分辨率分析理論，對(duì)信號(hào)小波進(jìn)行分解；第二，將所得到的高頻分量閾值進(jìn)行量化；第三，重新配置一位小波。

3.6 絕緣條件評(píng)定程序

絕緣條件評(píng)定子程序用于確定當(dāng)前供電系統(tǒng)電纜的電源線絕緣狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)是否符合既定標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)在線觀察接地線電流時(shí)間曲線的方式，進(jìn)行判定。而不同的供電系統(tǒng)所敷設(shè)的電纜其所處作業(yè)環(huán)境是不同的，因此在觀察電纜絕緣狀態(tài)的過(guò)程中，還需要提取正確的特性偏差，對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)不同種類的絕緣性能故障數(shù)據(jù)，從而判斷當(dāng)前電纜絕緣性能不佳的主要原因及故障種類。依據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需求，對(duì)信號(hào)采集、絕緣缺陷判斷程序原理架構(gòu)進(jìn)行了梳理，例如：開始→采集該條電纜接地線i→從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)信息iR和iC→判斷電纜老化程度→從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取該線路的5種缺陷數(shù)據(jù)→分析i與第I缺陷的相似度→相似度ρ＞0.5（如是未知I=I+1返回分析部分）→發(fā)生該類型的絕緣缺陷→結(jié)束。系統(tǒng)接地線絕緣狀況的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可參考表1。

表1 接地線絕緣狀況評(píng)估對(duì)照表

3.7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示

這一環(huán)節(jié)的子系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交換，使得工作人員可以在電腦界面之中了解到當(dāng)前電纜絕緣的相關(guān)數(shù)據(jù)以及處理完畢的信號(hào)和絕緣狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果信息。工作人員還可以通過(guò)該系統(tǒng)界面，對(duì)電纜絕緣監(jiān)測(cè)的相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定。在設(shè)計(jì)研究的過(guò)程中，本文通過(guò)Labview程序進(jìn)行了界面設(shè)定，其中不僅可以對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還可以進(jìn)行文件保存以及絕緣判據(jù)的查詢和監(jiān)控時(shí)間查詢。這樣工作人員便可以在顯示界面之中快速搜索出歷史數(shù)據(jù)，用于對(duì)電流變化趨勢(shì)的觀察。

3.8 系統(tǒng)串行通信程序

該部分程序功能主要負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)檢測(cè)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)命令的發(fā)送，不用通過(guò)人工操作便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，其中數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊會(huì)在系統(tǒng)之中隨時(shí)待命。首先，應(yīng)在工控機(jī)之中設(shè)定好時(shí)間，然后系統(tǒng)便可根據(jù)時(shí)間設(shè)定自動(dòng)發(fā)出采樣信息，獲取模塊進(jìn)行服務(wù)例程的中斷，合理設(shè)置標(biāo)記位，對(duì)當(dāng)前信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行處理，最終導(dǎo)出到存儲(chǔ)板塊之中，存儲(chǔ)板塊根據(jù)輸送命令，將其上傳至上位機(jī)之中。另電纜數(shù)據(jù)讀取模塊應(yīng)與上位機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行銜接，從而保證通信暢通穩(wěn)定。

4 供電系統(tǒng)電力電纜帶電檢測(cè)實(shí)際驗(yàn)證分析

4.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件設(shè)計(jì)必須要滿足電腦人機(jī)界面操作需求，文章基于Windows系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)預(yù)警軟件相關(guān)功能及模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，依照上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，確立了軟件的幾大模塊，分別為：輸出模塊、分析模塊以及導(dǎo)航模塊。主要構(gòu)成及組合方式如下：后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)作為軟件的核心對(duì)其余子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換以及實(shí)時(shí)信息發(fā)布，其中分析模塊包含：對(duì)比分析、趨勢(shì)分析以及歷史曲線呈現(xiàn)等性能。導(dǎo)航模塊則包含了線路位置導(dǎo)航、在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置導(dǎo)航、預(yù)警位置導(dǎo)航。而輸出模塊包含了數(shù)據(jù)表格以及模糊算法絕緣評(píng)估及預(yù)警，并要通過(guò)GPRS通訊模塊實(shí)現(xiàn)信息的交換與發(fā)布。不僅如此，預(yù)警軟件還可以對(duì)既往信息進(jìn)行存儲(chǔ)，形成一個(gè)實(shí)用的數(shù)據(jù)查詢資料庫(kù)，為數(shù)據(jù)分析打下良好的基礎(chǔ)，依照時(shí)間變量進(jìn)行曲線圖的繪制，則可直觀地將數(shù)據(jù)變化顯示在系統(tǒng)界面之中。

4.2 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生電纜絕緣故障時(shí)，電纜之中的脈沖電流會(huì)與電容漏電流，穿過(guò)絕緣層，順著接地線以及金屬屏蔽層，傳播至土地之中，提高了安全事故發(fā)生概率。因此設(shè)計(jì)安裝時(shí)，應(yīng)在電纜的接地線部位安裝高頻脈沖以及電容漏電傳感器，從而確保對(duì)相關(guān)電流數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確性。在安裝時(shí)，應(yīng)將監(jiān)測(cè)設(shè)備安放于電纜的高空桿塔之上，需要依靠人工高空作業(yè)實(shí)施。在安置過(guò)程當(dāng)中，不僅要保證監(jiān)測(cè)設(shè)備精準(zhǔn)到位，還要進(jìn)一步提升安裝人員的自我保護(hù)意識(shí)和安全責(zé)任意識(shí)，避免出現(xiàn)觸電以及墜落等現(xiàn)象?？紤]到此裝置的經(jīng)濟(jì)性，可安裝太陽(yáng)能電池板，這樣不僅可以降低設(shè)備的能耗，還可以提高光電轉(zhuǎn)化的效率，減少后期作業(yè)人員的維護(hù)與更換作業(yè)頻率，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，據(jù)資料表明供電系統(tǒng)事故多數(shù)是由于電纜絕緣故障所造成的，當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)絕緣在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不統(tǒng)一，而也無(wú)法保障各類供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性?；陔娎|敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，易受高溫、高濕以及電量沖擊等問(wèn)題影響的故障特點(diǎn)，文章根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際特征進(jìn)行了變化量選取，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的一些在線監(jiān)測(cè)方法，進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，希望能對(duì)有關(guān)單位及人員起到幫助作用。