XLPE电缆在线监测系统设计

冯 硕，曹玉兰，马海峰，金德辉，吕广辉，刘 杰

(1.鹤岗电业局 黑龙 江鹤岗 154101;2.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024)

电缆能否安全可靠运行的关键取决于电缆绝缘性能的好坏。常用的检测电缆方法为预防性离线检测，即定期停电对电缆进行耐压试验。但是，随着科学技术进步和智能电网建设的发展，离线检测的方法已不适合电力发展的需要。因此，能够即时发现电缆故障和安全隐患[1]的电缆在线监测技术应运而生。目前电力电缆在线监测方法已有直流分量法、直流叠加法、介质损耗检测法、局部放电法、交流叠加法及低频叠加法等。

据相关资料数据统计表明，XLPE电缆70%以上的故障是由水树枝老化导致的[2]，所以研究电缆的水树枝老化对评估电缆的健康状况具有重要的意义。基于这一理论，本文研究了在线测量电缆绝缘中水树枝老化产生的直流分量，实现了对XLPE电缆老化的评估。同时对电缆运行环境中的复杂噪声进行过滤处理，应用PLC系统实现对纳安级电流的提取和测量，并且通过MCGS系统实现人机交互设计，开发出能够真实反映电缆运行状态的在线监测系统。

1 水树枝产生机理及直流分量法原理

1.1 水树枝定义和产生机理

绝大多数学者认为水树枝是高分子有机绝缘的一种有液态导电物质(常见的是水)电导性老化现象。一旦某些液体导电物质(例如水)存在于两个电极之间的绝缘层中(比如电极与绝缘交界面处)，那么当此处场强超过一定值时，导电物质就会沿着电场慢慢进入电缆绝缘层的深处形成泄痕，这些泄痕形状类似树枝或树叶，被称为“水树枝”。但是与之不同，IEEE的技术报告则将水树枝定义为在电场的作用下，电缆中聚乙烯类绝缘材料由于长期和水共存，产生了空隙，其形状是被水充满的树枝状的细微通道。因此不管对水树枝如何表述，都认为水树枝是在水和电场共同作用下产生的。

XLPE电缆绝缘在制造、运输、安装和后期运行过程中不可避免会引发缺陷和水分的缓慢浸入。浸入的水分中有大量水溶性的导电离子，介电常数比较大的导电离子在电场力的作用下会向电场更集中的地方漂移。这种不断的漂移使水树枝的尖端电场越来越集中，局部的高电场会使水树枝引发成电树枝，当电树枝形成时，电缆的绝缘层在短时间内会被击穿。

1.2 直流分量法原理

由于老化电缆中水树枝的存在，可以将电缆的绝缘层模拟为一个电阻和电容的并联。通过研究发现，工作状态中含有水树枝的XLPE电缆绝缘，在导体芯和金属屏蔽层中间会有微小的直流电流存在，该直流成分完全是由电缆水树枝引起，是绝缘中水树引起的特征量。含有水树的电缆放电模型如1所示。

图1 含有水树的电缆放电模型

直流分量法的理论依据是XLPE电缆中有水树存在时，电缆的绝缘层因为水树而出现整流效应。当电缆处于运行状态时，水树枝的尖端在外施电压的负半周期时会向电缆绝缘中注入较多的负电荷。这些负电荷会在水树枝处于正半周期时，被一部分正电荷中和，因为在正半周期时，水树枝的尖端被注入正电荷，同负半周期相比较注入的正电荷较少，仅有一部分负电荷被中和，余下的负电荷就会形成电流，从而被检测到。所以通过测试直流电流，可以诊断出由于水树枝引起的电缆老化程度。

1.3 设计方案及实现

当电缆运行在工频电压下，电缆水树枝前端的负电荷逐渐累积，并形成电流，水树枝逐渐发挥整流作用，出现了微弱的直流电流。直流电流的数值非常小，仅有几十nA，甚至是几nA。本文设计的XLPE电缆在线监测系统如图2所示，包括信号采样模块、滤波模块、含有PEC8000实现的A/D转换模块、软件滤波模块、通信模块以及MCGS实现的人机交互功能模块。

图2 XLPE电缆在线监测系统框图

该系统先将直流电流通过采样电路实现I/U转换，通过低通滤波器实现衰减交流成分，便于检测出直流成分。信号通过PEC8000将模拟量转换为数字量，在内部PLC软件滤波后，通过MODBUS通信协议传输给MCGS平板PC，由MCGS开发的HMI界面实现电流的重现。该系统具有低通滤波器和系统接地保护措施。

2 在线监测系统设计

2.1 电流采样模块

一般来说，如果需要对检测的电流信号进行滤波，需要将测量信号转化为电压信号，此外由于真实的电缆直流分量很小，需要将微弱的小信号通过采样电路放大，因此采样模块在整个监测系统中必不可少。

电缆和大地之间杂散电流及由水树枝引起的电流混杂在一起，会对检测结果造成很大误差，所以应该考虑阻断杂散电流回路。在使用采样电阻实现电流-电压转换时，可使用串入电容的方法。

直流分量法监测电缆时，要断开电缆绝缘屏蔽层的接地线，之后在电缆的外皮和大地之间连接一个电阻来取样电流信号，使电流信号转化为电压信号，直流分量法原理如图3所示。该采样电阻须小于外皮和地之间的电阻，这样对测量结果影响才足够小。一般很多国产的电缆外皮与地之间电阻仅有几MΩ，采样阻值一般为电缆外皮与地之间电阻的1%，取值在100～1000 kΩ。

图3 直流分量法原理图

2.2 低通滤波电路

经过采样模块后，直流电流信号已转变为直流电压信号，这时直流电压信号为mV级别，而干扰信号需要通过低通滤波滤掉。干扰信号的频率主要有工频干扰信号50 Hz和热噪声、高斯白噪声等的高频噪声(MHz)[3]。

无源低通滤波器可以选择电阻、电容和电感器件，因为本监测系统需要密闭封装，兼顾整套设备的体积和重量，又因为低通滤波器需要设计较低的截止频率，将会导致感性元件电感较大，其尺寸和重量也会较大，所以使用电阻和电容来构成低通滤波器。将滤波器的截止频率设置为10 Hz左右，可以有效地滤掉工频干扰信号、热噪声和高斯白噪声等。此外，RC无源低通滤波电路的截止特性需要多阶串联才能达到要求。

有源滤波器分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器等。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。贝塞尔滤波器在最大时间延时非常平坦，在其余特性上不如巴特沃斯和切比雪夫滤波器。实验发现，在对由水树枝产生的直流小信号滤波后发现，有源滤波器设计电路虽然将工频电压等干扰信号滤掉，但是由于运算放大器存在直流的失调电压，在经过有源滤波之后该失调电压远远高于被测的直流信号，对信号造成极大的干扰。另一种思路是使用BB公司生产的OPA637高精度集成运算放大器，该运算放大器通过接入一个电位器，可以实现失调电压的调整，相对简单。

2.3 基于PEC8000的PLC数据采集模块

本文使用的是PEC8000型混合型网络化可编程控制器，如图4所示。该PLC由8路数字输入、8路数字输出、6路模拟输入、2路模拟输出组成，由PLC_Config编程软件进行程序开发，编程语言支持梯形图、功能块，通过以太网、RS485与其他控制器组成网络控制系统。

图4 PEC8000接口图

对PEC8000做出修改后，选取其0A和0B两个输入端口作为测试信号的输入端，而1A和1B作为热电阻两端的连接端口。由PLC_Config软件对PEC8000进行设置，实现数据检测和传输。

2.4 基于MCGS组态的HMI设计

XLPE电缆在线监测系统使用的触摸PC是北京昆仑通态公司生产的TPC1062K。TPC1062K是一套以低功耗CPU为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏。

以MCGS组态软件和PEC8000型PLC为基础，实现MCGS组态软件和PEC8000的通讯连接，从而达到PLC设备监测结果同步显示。利用RS232接口实现触摸平板电脑和PLC之间的通讯，并基于MODBUS通信协议[4]，完成MCGS组态软件监控下的电流显示及如下要求:

1)实现MCGS组态软件和硬件设备PEC8000型PLC的串行通讯连接。

2)利用MCGS组态软件和PLC的组态通信连接，实现触摸屏对电缆监测系统现场的实时监控及同步模拟显示功能。

3)利用Modbus协议实现控制器相互之间和其它设备之间的通信。

4)系统控制部分均在MCGS连机运行环境上进行功能操作。

图5是监测系统主界面，可以实时显示检测信号的电流值以及环境温度，并且在右侧可以直接观察电流信号的波动和变化。

图5 系统主界面

通过MCGS实现人性化的HMI设计，在平板电脑上可以轻松设置，来实现检测过程、查看数据、处理历史数据以及删除和导出历史数据等。

2.5 系统封装设计

系统的抗干扰能力一直是本设计努力达到的目标。由于电缆监测的现场有复杂的干扰源，高压电缆、变压器以及周围噪声会对监测系统造成干扰，甚至影响整个系统的正常工作。因此，本系统在设计时使用了密闭的铝制外壳密封箱，将监测系统封装在内部，只在外部保留几个接口，确保系统不受外界的干扰[5]。

本系统通过电缆测试接口、温度测试接口等实现外部信号的输入。由于要检测高压电缆，为了保护系统和测量人员，系统设置了保护装置，并且放置在系统面板上方便替换。连接好电源后，通过开关键控制系统的开启、关闭。

3 XLPE电缆在线监测系统现场试验

从2011年4月至2011年9月，利用本套监测系统在大连理工大学中心变电所对XLPE电缆进行长期的实时监测。以不同服役时间的两根电缆监测数据为例，对本套系统进行说明。

以2011年4月13日监测结果为例，一根服役6年的XLPE电缆其水树枝产生的直流分量约为3 nA，而服役11年的电缆对应的值约为18 nA。根据相关的实验结论、评级和数据分析等[6]，直流分量为10 nA以下的电缆健康状况良好，可以继续使用，而对应的直流分量为10 nA以上的电缆需要重点监测，并应该及早更换。通过实验研究得到一组经验评估数据:直流分量为0～10 nA的电缆为绝缘良好，10～100 nA的电缆应该重点监测或及早更换，而高于100 nA的电缆不能再使用。

4 结论

采用基于直流分量法的监测系统对XLPE电缆绝缘进行在线监测是可行的。同时对于利用电缆泄漏电流直流分量判断电缆绝缘状况，尚需进一步积累数据。

[1]徐红义，黄斌.XLPE高压电缆在线监测方法综述与设计[J].湖北电力，2009，33(6):38-39.

[2]NAKAAMA T.On-Line Cable Monitor Developed in Japan[J].IEEE Transaction on Power delivery，1991，6(4):1359-1365.

[3]郑晓泉，屠德民.采用直流法对XLPE电缆进行在线检测的抗干扰技术研究[J].电线电缆，1998(4):33-35.

[4]关根志，郭玮.绝缘在线监测系统软件设计[J].中国电力，2001，34(10):39-43.

[5]王俊士，李国新.XLPE电缆绝缘在线监测方法的研究[C]//2006中国电机工程学会年会论文集.徐州:中国矿业大学文昌校区信息与电气工程学院，2006:1823-1825.

[6]AKAJIMA.Development of a hot-line diagnostic method for XLPE cables and the measurement results[J].IEEE Trans action on Power Delivery，1989，4(2):857-862.