供电系统电缆绝缘性能在线监测技术分析

李 康，陈 君，周 杰

（国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201499）

供电系统是产生电能并负责供应以及运输电力的系统，其主要由电源系统以及输配电系统所组成，该系统供电应用范围较为广泛，当前主要应用于矿山、城市供电、电力牵引、阻抗、谐波、星形连接以及飞机电气系统等方面。而电缆作为系统运行之中的重要组成构件，起到了稳定供电可靠性的作用，但大多的敷设环境较为复杂，易受到外界因素影响，导致绝缘性能不佳，引发安全问题发生。

1 供电系统电缆绝缘性能在线监测的必要性

供电系统多用于现代化城市建设以及科研、工业发展之中，其系统能否安全运行，是保障人们日常生活和生产活动开展的先决条件。根据实际工程施工及案例分析，我国多数供电系统在检修方面都需要投入大量的成本资金，并且对人员检修技术水平的挑战性较大。在检修的过程中发现，供电系统多数发生安全事故都是由于电缆绝缘性能故障所导致的，而由于供电系统工程量较大涉及范围较广，如发生故障时，工作人员很难对每一处问题进行仔细检查，通常会使用随机抽点的方式检测，这也进而可能产生故障遗漏点，埋下安全隐患，这不仅提高了工作人员的判断难度，还容易对人们的人身财产安全造成威胁，因此要通过在线监测技术对电缆和供电系统整体运行状态进行实时评测。

2 基于供电系统电缆绝缘性能故障机理分析

基于供电系统电缆运行及敷设环境，分析出供电系统电缆产生故障的原因，有以下几方面：第一，采用电压有误。在现场安全过程中，由于系统工程量加大，构件较多，经常会出现电缆规格无法和实际需求所匹配等问题，因此最终会导致电缆绝缘性能受过电压穿击，从而引发故障。第二，环境潮湿，供电系统电缆通常敷设环境较为复杂，加上电缆接头盒或者终端盒的结构密封不良，很容易造成电缆受潮，最终使得性能逐渐老化。第三，机械故障，在现场安装的过程中由于对技术人员的要求较高，部分人员没有注意机械的牵引力度，或者电缆碰伤，都有可能对电缆绝缘造成损伤。第四，设计和制作工艺、电缆附件不良。第五，电流过载，在长期高负荷的运行状态之下温度的不断升高会使得电缆绝缘产生老化或故障现象。

3 供电系统电缆绝缘性能在线监测技术应用

3.1 在线监测技术方法

在实行在线监测技术时，其电缆绝缘性能的劣化程度是影响故障判断结果的关键。在多数情况之下，电缆绝缘劣化现象的产生都不是在短时间之内形成的，其会伴随着周围作业环境的长期影响，加之不同的劣化周期，最终形成故障。具体表现为绝缘电阻能力下降，以及等效分布电熔增加等。而在监测过程当中如何获取变化量并形成有效的预警机制，则成为在线监测技术实施的重点。因此，基于上述条件，对供电系统，电缆不同电气特性的接地线电流进行了方法监测分析，在研究电缆绝缘老化过程时，确定了监测技术的主要特征信号为：接地线电流、直流分量、局部放电以及损耗介质因数等，并且在监测实施的过程中要解决离线检测法所受到的停电限制，以及低频叠加法监测成本过高和局部放电法信号特征易受到干扰等现象。利用金属屏蔽层不同接地方式的接地电流计算，最终得出了不同绝缘劣化类型的电气特征，然后再进行样本数据的诊断与识别，通过等效电气特性在线监测仿真验证，最终得出以下监测系统设计结果。

3.2 在线监测流程概述

电缆绝缘在线监测系统必须要具备实时监测的性能，因此在设计时，本文将实时在线监测系统主要划分为四大部分，分别为：变压器、I/V采集模块、信息处理模块、电脑操作模块，该系统不仅能够对电缆绝缘性能故障做出提前预警，更可以评估当前系统运行各电缆线路的运行状态。整体实施架构为：前端设有电流和电压传感器，将数据传送给信号调理电路，然后在通过数据采集卡处理，将信息输送到工控机所使用的LABVIEW软件之中，最终通过FFT分析最小二乘法二阶求导，做相关度分析，进行数据存储与统计，显示波形，传送检测警报，工作人员实现远程通信访问调控。其中变流器和I/V信号调整电路为电缆绝缘在线监测系统的核心，在信息的获取方法上，采用了多个NI6140信息实时采集CPU和工控机，利用穿心式电流传感器与接地线相连接，不但可以获取电压以及电流所生成的数据，更可将传输至信号调理线路上，采集需监测电缆的特征信号量。

3.3 设备硬件组成部分

在线监测系统硬件组成的主要部分包含以下设备设施：第一，工控机；第二，电流信号调理部件；第三，穿心式变压器；第四，数据采集CPU。在选定工控机时必须符合以下条件：第一，抗冲击力强、防尘和防磁性能高。第二，钢材质为主。第三，设立配套底板，并包含ISA和PCI插槽。第四，配套电源具有较强抗干扰性，且具备散热性能好、低能耗、高稳定性的特征。基于数据在线实时采集芯片在正常工作状态之下的输入电压为0～5 V，而CT输出信号在0.100 mA区间之内，因此需要将现场电流所测量出的数据转化为等效电压数据，在其中要设置电压和电流转换线路，在电路之中设置低通滤波器。为提高检测的精准度，本文采用了WBCT51S901四川维博电流传感器，其原因为检测精准度可以达到小数点后一位，在监测过程中所输入的电流在0～5 A之间，输出电压则在0～1 V之间，过流输入区间为标称的30倍，且频率响应范围在5 kHz～25 Hz之间。数据采集CPU则主要是起到了将连续信号转化成数字信息的作用，基于工作本文监测供电线路需求，则采用了12为A/D转换器。

3.4 电脑监测程序设计

该电脑程序所负责的主要功能是，在系统之中获取可直观读取信号，在快速傅立叶变化以及小波噪声消除以后，可以将信息存储于数据库之中，并对照之前分析和摘取的样本数据进行对比分析，然后在程序之中创建出评测的结果，从而显示出当前电路绝缘的状态。其主程序主要分为四大部分，分别为：系统设置、数据查询、信号处理以及系统退出。在系统设置部分包含两大板块，一是通信端口设置，其中还要进行测量参数的设置，二是采样时间间隔设置。数据查询部分重要包含三大板块，一是监测点查询；二是绝缘判据查询；三是历史故障数据存储。信息处理部分主要分为两个板块分别为系统校验和自动采集，其中系统校验要对互感器进行校验，自动采集部分，通过小波消噪、DRT、故障辨识启动判据、相似度分析最终生成数据，进行存储与显示。当经过调理电路和A/D转换电路处理以后，电流的信号会分散，因此为了确立接地线路电流基本波形信号，则使用了小波消噪法进行低通滤波处理。

3.5 监测信号处理算法

在实际工程监测的过程中电脑软件只能对离散信号进行处理，而该系统则采用了TV变压器以及TA变流器对特性信号进行收集，通过调整线实现电压数据的转换，然后再利用A/D转换器，从而将模拟信号最终转变为数字信号，而在此过程中会有噪音的产生。虽然在处理的过程当中对初步的样本进行了采集，从而实现了连续小波以及信号的离散化，但还达不到供电系统电缆绝缘性能监测系统中可逆变换来离散化计算的要求。因此在进行信号处理计算时，离散小波的变化不需要仅依靠离散化计算进行采样，还要提供具有全面性的信息，用于信号的分析与使用重组，这样不仅能够方便工作人员的精准识别，更能够降低电脑能耗。依照当前普遍的离散算法公式，本文计算出了离散小波和对应离散小波转化的函数。最终利用小波分解度图，确定了对一维信号的去噪过程，其主要包含以下三个步骤：第一，基于复用分辨率分析理论，对信号小波进行分解；第二，将所得到的高频分量阈值进行量化；第三，重新配置一位小波。

3.6 绝缘条件评定程序

绝缘条件评定子程序用于确定当前供电系统电缆的电源线绝缘状态和运行参数是否符合既定标准值，通过在线观察接地线电流时间曲线的方式，进行判定。而不同的供电系统所敷设的电缆其所处作业环境是不同的，因此在观察电缆绝缘状态的过程中，还需要提取正确的特性偏差，对比数据库内不同种类的绝缘性能故障数据，从而判断当前电缆绝缘性能不佳的主要原因及故障种类。依据系统监测需求，对信号采集、绝缘缺陷判断程序原理架构进行了梳理，例如：开始→采集该条电缆接地线i→从数据库中读取相应信息iR和iC→判断电缆老化程度→从数据库中读取该线路的5种缺陷数据→分析i与第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）→发生该类型的绝缘缺陷→结束。系统接地线绝缘状况的评估标准可参考表1。

表1 接地线绝缘状况评估对照表

3.7 监测系统数据显示

这一环节的子系统主要是为了实现人机界面的交换，使得工作人员可以在电脑界面之中了解到当前电缆绝缘的相关数据以及处理完毕的信号和绝缘状态的评估结果信息。工作人员还可以通过该系统界面，对电缆绝缘监测的相关系统进行设定。在设计研究的过程中，本文通过Labview程序进行了界面设定，其中不仅可以对各项参数进行设置，还可以进行文件保存以及绝缘判据的查询和监控时间查询。这样工作人员便可以在显示界面之中快速搜索出历史数据，用于对电流变化趋势的观察。

3.8 系统串行通信程序

该部分程序功能主要负责对上位机检测模块进行实时命令的发送，不用通过人工操作便可实现自动数据采集，其中数据检测模块会在系统之中随时待命。首先，应在工控机之中设定好时间，然后系统便可根据时间设定自动发出采样信息，获取模块进行服务例程的中断，合理设置标记位，对当前信号进行采集并进行处理，最终导出到存储板块之中，存储板块根据输送命令，将其上传至上位机之中。另电缆数据读取模块应与上位机通信标准进行衔接，从而保证通信畅通稳定。

4 供电系统电力电缆带电检测实际验证分析

4.1 监测预警软件设计

监测预警软件设计必须要满足电脑人机界面操作需求，文章基于Windows系统对检测预警软件相关功能及模块进行了设计，依照上述监测系统需求，确立了软件的几大模块，分别为：输出模块、分析模块以及导航模块。主要构成及组合方式如下：后台监控系统作为软件的核心对其余子系统进行数据的交换以及实时信息发布，其中分析模块包含：对比分析、趋势分析以及历史曲线呈现等性能。导航模块则包含了线路位置导航、在线监测预警装置导航、预警位置导航。而输出模块包含了数据表格以及模糊算法绝缘评估及预警，并要通过GPRS通讯模块实现信息的交换与发布。不仅如此，预警软件还可以对既往信息进行存储，形成一个实用的数据查询资料库，为数据分析打下良好的基础，依照时间变量进行曲线图的绘制，则可直观地将数据变化显示在系统界面之中。

4.2 在线监测设备安装

在实际运行过程中，当供电系统发生电缆绝缘故障时，电缆之中的脉冲电流会与电容漏电流，穿过绝缘层，顺着接地线以及金属屏蔽层，传播至土地之中，提高了安全事故发生概率。因此设计安装时，应在电缆的接地线部位安装高频脉冲以及电容漏电传感器，从而确保对相关电流数据的采集准确性。在安装时，应将监测设备安放于电缆的高空杆塔之上，需要依靠人工高空作业实施。在安置过程当中，不仅要保证监测设备精准到位，还要进一步提升安装人员的自我保护意识和安全责任意识，避免出现触电以及坠落等现象。考虑到此装置的经济性，可安装太阳能电池板，这样不仅可以降低设备的能耗，还可以提高光电转化的效率，减少后期作业人员的维护与更换作业频率，实现监测设备的安全稳定运行。

5 结语

综上所述，据资料表明供电系统事故多数是由于电缆绝缘故障所造成的，当前我国电网绝缘在监测系统并不统一，而也无法保障各类供电系统运行的安全稳定性。基于电缆敷设环境复杂，易受高温、高湿以及电量冲击等问题影响的故障特点，文章根据系统实际特征进行了变化量选取，结合我国当前的一些在线监测方法，进行了检测系统设计，希望能对有关单位及人员起到帮助作用。