程 斌

（溫州電力建設(shè)有限公司，浙江溫州 325000）

0 引言

高壓電纜絕緣老化是導(dǎo)致電纜故障的主要原因之一。電纜絕緣老化的主要因素包括電壓應(yīng)力、溫度變化、濕度等，這些因素會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣材料的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而降低絕緣的性能[1]。如果絕緣老化嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，造成電力系統(tǒng)的故障。目前，傳統(tǒng)的電纜絕緣監(jiān)測(cè)方法主要是通過定期的離線測(cè)試來判斷絕緣的狀態(tài)。然而，這種方法存在著測(cè)試周期長、無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題，無法滿足電力系統(tǒng)對(duì)絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求[2]。因此，高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。

高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電纜絕緣的狀態(tài)，并及時(shí)報(bào)警，提醒運(yùn)維人員采取相應(yīng)的措施。通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜絕緣狀態(tài)的全面、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。為此，本文對(duì)高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文的研究可以為電力系統(tǒng)的維護(hù)和管理提供有效的手段，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 高壓電纜絕緣監(jiān)測(cè)特征量

高壓電纜絕緣可以等效為一些監(jiān)測(cè)特征量，包括等值阻抗、等值容抗和介質(zhì)損耗。通過監(jiān)測(cè)這些特征量，可以有效評(píng)估電纜的絕緣狀態(tài)和性能。等值阻抗是指電纜在交流電壓下的等效電阻，它反映了電纜絕緣的導(dǎo)電性能。等值容抗則是指電纜在交流電壓下的等效電容，它反映了電纜絕緣的介電性能。而介質(zhì)損耗是指電纜絕緣材料在交流電場(chǎng)中產(chǎn)生的能量損耗，它是評(píng)估電纜絕緣損耗情況的重要指標(biāo)。在本文中采用模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來測(cè)試電纜的絕緣電阻、等值電容、接地電流和介質(zhì)損耗tan δ，通過對(duì)這些特征量的監(jiān)測(cè)和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜絕緣存在的問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)和保護(hù)。

2 高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)通過電壓傳感器（VS）、電壓互感器（PT）和電流傳感器（CS）提取高壓電纜的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的低壓信號(hào)，然后通過預(yù)處理及保護(hù)模塊對(duì)采集到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、抗干擾預(yù)處理和保護(hù)后傳送至SCXI（Signal Conditioning Extensions Instruments）信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，調(diào)理和處理后的信號(hào)由同步數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電纜絕緣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)，最后數(shù)據(jù)處理顯示保存模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，再通過監(jiān)測(cè)主站平臺(tái)人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓電纜的運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)特征量的變化趨勢(shì)。

圖1 高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置如圖2所示。該裝置設(shè)計(jì)包括傳感器、預(yù)處理及保護(hù)模塊、SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、同步數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理顯示保存模塊和監(jiān)測(cè)主站平臺(tái)。

圖2 高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置圖

2.1.1 傳感器

在高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器主要包括電壓傳感器（VS）、電壓互感器（PT）、電流傳感器（CS）。電壓傳感器（VS）用于測(cè)量電纜的電壓信號(hào)，通過將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)進(jìn)行傳輸和處理。電壓互感器（PT）則通過將高壓電纜的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的低壓信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理。而電流傳感器（CS）則是用來測(cè)量電纜的電流信號(hào)，通過將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸和處理。這些傳感器通過對(duì)電壓和電流信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電纜絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，以確保對(duì)電纜絕緣狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

2.1.2 預(yù)處理及保護(hù)模塊

預(yù)處理及保護(hù)模塊主要功能是對(duì)采集到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和保護(hù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。預(yù)處理模塊包括信號(hào)放大、濾波、抗干擾處理等功能，可以有效提高信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。同時(shí)，預(yù)處理模塊還根據(jù)信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電壓或電流超出設(shè)定范圍時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警或切斷電源，以保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和被監(jiān)測(cè)的設(shè)備。保護(hù)模塊還可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過載、短路等異常情況的保護(hù)，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.1.3 SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)是用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和處理的硬件設(shè)備，它主要包括信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩部分。在高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理模塊主要是對(duì)電壓傳感器、電流傳感器等傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，以保證采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。數(shù)據(jù)采集模塊是將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)和傳輸。

2.1.4 同步數(shù)據(jù)采集卡

同步數(shù)據(jù)采集卡主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜絕緣參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)。在設(shè)計(jì)過程中考慮到數(shù)據(jù)采集的精度、采樣率和實(shí)時(shí)性等因素，在每個(gè)通道采用專用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），以確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電纜絕緣狀態(tài)的準(zhǔn)確性和可靠性。同步數(shù)據(jù)采集卡通常包括模擬輸入通道和數(shù)字輸入/輸出通道，模擬輸入通道用于接收來自電壓傳感器、電流傳感器等的模擬信號(hào)，而數(shù)字輸入/輸出通道則用于控制和通信。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡，并進(jìn)行相應(yīng)的配置和參數(shù)設(shè)置。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理顯示保存模塊

數(shù)據(jù)處理顯示保存模塊是用于對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和顯示的硬件設(shè)備。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，同時(shí)也能夠?qū)⑻幚砗头治鼋Y(jié)果進(jìn)行顯示和保存，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢和分析。

2.1.6 監(jiān)測(cè)主站平臺(tái)

監(jiān)測(cè)主站平臺(tái)提供了人機(jī)交互界面和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。通過監(jiān)測(cè)主站平臺(tái)，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓電纜的絕緣狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，軟件設(shè)計(jì)采用了程序化設(shè)計(jì)的方法，程序控制流程如圖3所示，將系統(tǒng)的控制模塊分解為獨(dú)立的子程序，每個(gè)子程序負(fù)責(zé)不同的功能，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。這樣的設(shè)計(jì)能夠使系統(tǒng)更加靈活和高效，在實(shí)際運(yùn)行中，各個(gè)子程序相互協(xié)作，通過主程序模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和整合，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和對(duì)比，反映出電纜絕緣的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的異常變化，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供重要保障[5]。

圖3 系統(tǒng)軟件程序控制流程圖

3 系統(tǒng)模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為研究高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能，本文采用電容器替代高壓電纜進(jìn)行絕緣參數(shù)模擬測(cè)試，系統(tǒng)模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖如圖4所示。在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中電容器表示為Cx，等效電阻表示為Rx，這種方式可以模擬出高壓電纜的絕緣情況，并對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。

圖4 系統(tǒng)模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖

通過模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以更好地了解高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和監(jiān)測(cè)效果，為實(shí)際應(yīng)用提供重要的參考和指導(dǎo)。

根據(jù)圖4，通過改變并聯(lián)電容的個(gè)數(shù)進(jìn)行測(cè)量。理論情況下，單個(gè)并聯(lián)電容的介質(zhì)損耗tan δ與電容數(shù)量n無數(shù)量關(guān)系，如式（1）所示，為一個(gè)定值。

式中：ω為角頻率；R為單個(gè)等效電阻；n為電容個(gè)數(shù)；C為單個(gè)電容。

此次測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用五個(gè)標(biāo)稱值為10 μF的并聯(lián)電容，介質(zhì)損耗角頻率為0.02，測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中Ra為并聯(lián)電阻值，Rc為等效電阻理論計(jì)算值，Rav為等值電阻，Cav為等值電容，tan δav為測(cè)量介損值。

表1 增加五個(gè)并聯(lián)電容絕緣測(cè)量數(shù)據(jù)

通過表1可以看出，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際值一致，Rav與Rc值接近，Cav一直穩(wěn)定在49.7 μF，tan δav值與實(shí)驗(yàn)設(shè)置相吻合。為此得出結(jié)論：本文研究的高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較靈敏地監(jiān)測(cè)高壓電纜絕緣特征量。

4 結(jié)束語

本文研究的高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電纜絕緣的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患。

2）能夠提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，幫助運(yùn)維人員制定合理的維護(hù)計(jì)劃。

3）能夠提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低電力系統(tǒng)的故障發(fā)生率。

通過不斷的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)已得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，為電力系統(tǒng)的維護(hù)和管理提供了更有效的手段。