电缆故障的在线检测系统设计

摘  要：电缆是电力系统的重要组成部分，为了确保输配电安全性和稳定性，设计电缆故障在线检测系统非常重要。故设计了一种电缆故障的在线检测系统，通过分析电缆故障和电缆局部放电特性，选取电缆电容漏电流值、局部脉冲电流、环境温度、环境湿度四个特征量进行检测，检测系统可以以这些数据为基础在线监测电缆绝缘状况，有效减少和预防漏电事故的发生。

关键词：电缆故障;局部放电;在线监测;Proteus

中图分类号：TP311        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0064-05

Design of Online Detection System for Cable Fault

WANG Keqin

（Cccc Mechanical & Electrical Engineering Co.， Ltd.， Beijing  100011， China）

Abstract： Cable is an important part of the power system. In order to ensure the safety and stability of transmission and distribution， it is very important to design an online detection system for cable faults. Therefore， an online detection system for cable fault is designed， by analyzing the cable fault and cable partial discharge characteristics， four characteristic quantities of cable capacitance leakage current value， partial pulse current， ambient temperature and ambient humidity are selected for detection. The detection system can monitor the cable insulation status online based on these data， so as to effectively reduce and prevent the occurrence of leakage accidents.

Keywords： cable fault; partial discharge; online monitoring; Proteus

0  引  言

本文设计了电缆故障的在线检测系统。通过研究和阅读文献，明确了电缆发生故障的主要原因和局部放电的主要诱因。通过对电缆局部放电特性的研究分析，并依据电缆故障理论，选定采集電容漏电流值、脉冲电流峰值、环境相对湿度、环境温度四个特征量来综合判断电缆的绝缘特性，并分析各特征量对电缆的影响。选定适当的传感器采集电容漏电流、脉冲电流和环境温湿度。设计电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路，将信号进行处理，精确地将信号输入到处理器中。设计A/D转换电路，将传感器采集信号转换成数字信号。利用Proteus仿真软件，对各电路进行仿真模拟，并对仿真结果进行分析。

1  绪  论

1.1  课题研究背景与意义

电缆已成为城市电气系统的重要组成部分，年增长率约为35%[1]。由于交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的制造工艺简单、易于安装、重量轻且具有良好的热和电性能，因此电力电缆主要使用交联聚乙烯材料。当前，电缆事故不时发生，并且取决于多个因素，例如电缆设计、制造、安装、维护和操作条件。对于电网的安全运行来说，电缆是最重要的隐患之一。长时间使用会导致电缆暴露于机械、电磁、高温、环境腐蚀和其他原因。

因此，要保证电缆的正常运行和电力系统的安全稳定，开发准确可靠的电力电缆故障监测和预警系统非常重要。

电力电缆故障的50%至65%是由连接器引起的。据统计，在电缆运行10年后，必须更换90%以上的电缆连接。在线监测有助于确定绝缘老化并评估其状况，从而有效减少和预防电缆故障事故[2]。由于状态监测系统的广泛使用，每年可以将电力系统的维护成本降低25%至50%，从而大大提高了电力系统的稳定性。包括使用热电偶测量电缆系统、数字温度传感器等关键组件的温度。使用热红外摄像机通过对温度敏感的电缆或连接到电缆外套的分布式光纤温度传感器来测量整个电缆线的温度，并在电缆表面进行非接触式温度测量。为了避免事故，很长一段时间以来，电力系统一直坚持使用在运行期间定期对电缆进行预防性测试的系统。为了确保电力电缆的安全可靠运行并防止事故的发生，电力电缆系统的在线监控将发挥重要作用。随着电网的不断发展，传统的预防性测试系统已无法满足电力电缆的维护需求，因此，有必要开发新的系统，以做到对电缆状态信息及时了解，并对电缆系统可能发生的故障给予早期警告。

电力电缆会遭受诸如绝缘性能下降之类的故障，这些故障会随着时间的流逝而累积并最终导致较大故障[3]。在此过程中，电缆的绝缘状态会发生变化。为了达到预测电缆绝缘性能和故障发生的目的，需要采集和研究电缆数据参数。这不仅有助于防止因隐藏危险的扩散而引起的电缆故障，而且还可以作为减少人力和物力的基准。

在线监测电力电缆可以确定电气参数，例如电力电缆的运行状况和绝缘状态。当前，我国仍在研制电力电缆故障的在线监测及预警系统。掌握测量电缆参数的内容，简化监测流程、提高测量效率、减小系统误差、控制设备成本是当前和未来工作的方向。

1.2  国内外发展现状

欧美发达国家此前已经开始了相关领域的电缆在线监测技术的研发。早在70年代，西方许多发达国家就进行相关领域的研发，并创建了对电力电缆系统进行监测的测试项目。由于科技进步，电缆在线监测系统的功能也越来越完善和智能。迄今为止，许多西方工业化国家已经开始通过监视配电系统来对供电系统进行在线监视。例如，几年前在加拿大，电力公司开发了一系列用于高端电源系统的集成监控系统，这些系统具有非常全面的功能，这些功能集成了检测、测量、通信和控制以及高性能DSP芯片。通过使用数字信号极大地改善了监视过程中系统继电保护的操作。在欧洲和美国，几家公司已成功开发了用于中央电缆检测系统的光纤分布式温度传感器和动态载流算法。但是，西方国家的监测系统通常具有操作复杂的缺陷，并且由于我国电网的特殊结构，很难直接复制和使用国外产品，而且成本很高，不符合我国电缆保护监测的要求。

我国在这一领域的研究始于20世纪90年代，与许多工业化国家相比，已经远远落后了。在21世纪，电力工业和通信技术得到了飞速发展，并且对电缆故障监视设备的需求已大大增加。这导致许多公司和研发部门从事新的监控设备的开发，这些监控设备可适应整个配电网络，并且智能化和自动化成为发展趋势，各个行业对供电系统的可靠性和稳定性的要求进一步提高。因此，对电缆进行快速和可靠的在线监控平台的研发变得更为急切。例如，日本和韩国，LS公司和Sumitomo公司从2003年开始研究新的传感器和先进的算法，并将其应用于新的电缆监视和预警系统。2008年，北京电力成功开发了一个大型中央监控系统，该系统可以覆盖整个城市区域。对比所有系统，它们中的大多数都可以执行基本功能，但是多少都存在以下问题。比如，系统的不同级别之间的区分不够清楚，这使设备和接口变得繁杂，这不仅增加了激活和维护成本，而且降低了系统的整体可靠性和可扩展性。还有数据库的缺点：在初始设计期间数据库结构不足，这意味着不能同时输入、输出和存储整个数据库数据，并且整个数据相对繁重。

1.3  本设计的主要工作

第1章节对本毕业设计研究背景意义和国内外发展现状进行了论述，对本文的研究内容进行介绍。

第2章节分析了电缆故障原因和电缆局部放电原因，根据电缆故障理论选择电容漏电流、脉冲电流、环境温湿度特征量，分析了各特征量对电缆绝缘性能影响。

第3章节介绍了电缆故障的在线检测系统的主要框架。选择合适的电容漏电流传感器和脉冲电流传感器，将信号及时准确的传递到电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路。选择合适的温湿度传感器，敏锐准确的反应电缆所处环境温湿度的变化情况。选择合适AD转换芯片和单片机，编写程序，将采集的漏电流、脉冲电流、温湿度数据进行AD转换和数据传输。

第4章节本文对电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路进行了理论研究和详细的分析，并利用Proteus软件对采集电路进行了仿真，验证两个采集电路的设计是否达到预期的要求。并且还利用Proteus软件搭建AD转换芯片和单片机的仿真电路，模拟AD转换过程和数据显示。

第5章节对本设计进行了总结，并对其做出来了展望。

2  电缆故障分析及特征量研究

2.1  电缆故障分析

在电力电缆运行过程中，故障的发生是不可避免的。设计和开发一个高效的在线检测系统，以便监测电缆的健康状况，并对故障发生进行及时或早期的预警，这就需要研究电力电缆系统中可能发生的故障类型，因此，首先讨论电力电缆系统可能发生的故障类型[4]。

虽然XPLE绝缘电缆远低于其他类型电缆的故障率，但是由于电缆运行时间的增长和数量的增多，导致电气线路中普遍存在的故障现象和电缆绝缘老化依旧存在，大大增加了故障产生概率。研究分析产生电缆故障的成因，避免对电缆的损伤，根据研究分析检测电缆性能和判断出故障点位置。研究表明，电缆线出现故障的原因很多。主要原因可以归纳为：

（1）机械损坏。在电缆的运输和安装过程中，由于人为操作或在埋入时电缆上的构造不正确，可能会导致外力损坏电缆[5]，使电缆会受到机械损伤。如果损坏不是很严重，或损伤电缆长度较短，则进一步使用电缆导致存在潜在危险，这些潜在危险将导致损坏的零件完全失效，并在数月或数年内引起故障。如果损坏严重，则可能会导致短路故障并中断对电源系统的正常供电。

（2）绝缘受潮。在电缆接头处很容易发生电缆故障，由于电缆是人力手工制作，如果制作不符合标准，或在下雨和湿润环境时进行制作，很容易造成水蒸气或水分渗入到电缆接头，在电场的长期作用下，形成水树枝进而诱发局部放电，渐渐破坏电缆的绝缘介质层而导致故障。

（3）长期过负荷运行。如果电缆长时间过载，电缆芯会因流过电流超过限定值而产生大量热量;同时，绝缘介质损耗、钢铠的涡流损耗和电荷的集肤效应等都会导致电缆非常严重的发热。电缆在过载运行时会很快发生热老化，致使电缆介电绝缘层遭到破坏。尤其是在夏日，由于电缆过热而引起的故障较多。

（4）化学腐蚀。如果电缆敷设在腐蚀性强或酸碱作用物质排放量大的地区，使电缆垫圈、外护套和铅铝护套长期遭受化学腐蚀，会使电缆绝缘介质层损坏，导致电缆绝缘故障。

（5）环境温湿度。电缆绝缘性能由于环境温湿度的变化会产生很大的差异，環境温度过高可能会引起电缆故障甚至起火爆炸[6]。

2.2  电缆局部放电分析

电气设备的绝缘材料的施加电压的大小和击穿场的强度将随时间变化[7]。电缆中发生的局部放电是非穿透放电的现象。通过研究故障情况下电缆的状况，可以看出，大多数电缆在故障情况下都会有局部放电的现象。研究表明，当电缆发生部分放电时，电缆的绝缘性能会下降，从而导致击穿电压下降。这种放电不会立即破坏电缆的绝缘材料，但会导致芯线部分磨损。由于局部放电长时间连续发生，电缆内部的绝缘性能进一步下降，最终导致电缆绝缘层完全破坏，从而导致故障。电缆局部放电的主要原因为：

（1）电缆的绝缘介质层内部有空隙或气泡，气隙的介电常数比绝缘介质层的介电常数小很多。在长期交流电的作用下，由于介电常数与电场强度成反比，因此，绝缘介电层的击穿电压远高于气隙的击穿电压。在正常电路的作用下，首先会在气隙中发生局部放电。

电缆在搬运、安装和使用过程中遭受严重的振动或机械损坏，导致绝缘材料出现细小裂纹，这将在内部形成空气空间。另外，当操作环境周围的温度突然变化时，由于热膨胀和收缩的影响，材料不能恢复到其原始形状，并且还将出现气隙。

（2）在实际安装过程中，由于特定组件的人为因素，电缆会损坏或安装不符合规格，从而无法有效接地。结果，该接地部分的电势不能保持为零，从而导致电势差。电势差的连续增加导致出现局部放电。

（3）电缆在运行中时，当不同介质的接触面变脏或弄湿时，就会发生表面放电现象。由于电缆接头制作工艺的缺陷，使其在周围环境潮湿或者下雨时水分进入到电缆接头的不同介质接触面上，使电缆接头的不同介质接触面会发生电压分布不均匀，电场畸变，致使电缆接头出现局部放电现象。

（4）电缆绝缘介质层出现毛刺或者不同导电杂质，导致该部分出现一些畸变电场，也可能会引发局部放电现象。

2.3  特征量的选取

通过对电缆故障产生的原因的研究，尤其是对电缆绝缘局部放电产生的原因详细的分析。电缆存在故障或缺陷时电场均有畸变，容易引发局部放电的现象。仅仅依靠采集一个可以反映电缆绝缘性能的特征量，已经不能满足当今对电缆绝缘状态的在线监测的要求。最后依据电缆故障的理论基础采集电缆电容漏电流值[8]，脉冲电流频次、脉冲电流峰值，环境相对湿度，环境温度四个特征量。

2.3.1  电缆电容漏电流值

当电缆处于正常运行状态时，流经绝缘层的电流将从电缆的金属屏蔽层的接地线中逸出。该电流包括电容性和电阻性成分。由于电阻成分非常小，电容成分非常大，因此电容起主要作用，因此该电流称为电容泄漏电流[9]。当电缆潮湿或老化时，电缆的绝缘电阻将逐渐降低，电容将逐渐增加，流经接地线的电容泄漏电流将逐渐增加，因此可以通过测量流经电缆的漏电流可用于监测线路中电缆的绝缘性能，以防止发生电缆故障。图1为导体与金属屏蔽层之间的等效电路图，电缆的金属屏蔽层通过接地导体接地[10]。并且屏蔽层和导体可以看作是由分布式电容器和分布式电阻器组成的等效电路。分布在电容器和电阻器之间的电压是电缆在工作状态下的电压U，电压频率f是我国的供电频率，通常是稳定的。为了便于计算，我们将等效分布式电容器为电容器C，将等效分布式电阻为电阻器R，具体公式如式（1）所示：

i=U（2πfC+1/R）   （1）

电阻器R减小，电容C增大，并且频率f和电压U保持相对稳定。根据式（1），流过电缆绝缘层的电流i将增加。另外，增加的幅度与容量C的变化密切相关。

2.3.2  电缆局放脉冲电流

通过上文可知，电缆发生故障时基本都会发生局部放电的现象。同时还伴随着一些物理变化和化学反应现象的发生，比如在接地线上泄露出来的脉冲电流、电缆绝缘材料的氧化和炭化、带电粒子的碰撞导致电缆温度增高和嘈杂的噪音等，所以可通过采集与局部放电现象有关的数据来评判电缆绝缘状态。本文使用的检测方法是脉冲电流法。该方法被广泛认可和使用。在本文中，宽频Rogowski线圈高频电流传感器将瞬时脉冲电流变化耦合到高频电流传感器，然后将瞬时脉冲电流转换为通过电路发射的比例电压信号，获得脉冲电流信号。

2.3.3  环境温度的影响

温度的升高导致电缆绝缘介质中热运动的影响增加，这促进了更多离子的产生，并且离子获得了更大的动能。在电缆的导电芯的电压作用下，离子运动的增强导致增加了通过电缆的绝缘层的电流，这导致电缆绝缘的电阻系数减小。在高温环境下，电缆绝缘介质的绝缘电阻会随着温度的升高而降低，即绝缘电阻与温度升高成反比。随着绝缘电阻的降低，流过电缆的电介质绝缘层的电流持续增加，并且电流的增加伴随温度的进一步升高，导致电介质层的电缆绝缘变成恶性循环。根据经验和理论，电导率随温度升高而呈指数增长，而绝缘电阻随温度升高而呈指数下降。许多电缆由于高温而断裂，尤其是在夏天。

2.3.4  环境相对湿度的影响

水分子具有良好的导电性，电缆绝缘聚合物分子比水分子大得多。电缆在正常负载下的温度升高或外部环境中的温度升高会导致绝缘聚合物分子和链节的相对运动，这有利于水分子渗透到电缆的绝缘层中并增加电性电缆绝缘层的电导率。离子数[11]的增加会使电缆的绝缘性能降低。由于水分子的连续渗透，流过电缆绝缘层的电流逐渐增加，这不仅导致能量浪费，而且导致绝缘介质中的温度升高。由于电流过大，会加速热老化，最终导致电缆绝缘完全失效。电缆连接的不良制造过程意味着在下雨或空气潮湿时，水分和各种介质会进入电缆连接的接触面。在电缆运行期间，由于电缆接头上的沿面电压不均匀而发生局部放电，从而导致严重故障。研究表明，可以通过检查绝缘材料的电阻率变化来评估绝缘材料的水分含量。

2.4  本章小结

本章主要介绍了电缆故障的主要原因，和電缆发生局部放电的发展机理和主要诱因。并依据电缆故障的理论基础采集电缆电容漏电流值，脉冲电流频次、脉冲电流峰值，环境相对湿度，环境温度四个特征量。

3  仿真结果分析

根据第三章设计的电容漏电流采集电路、脉冲电流采集电路以及A/D转换，用Proteus软件进行模拟仿真。Proteus性能强大，组件库丰富，电路搭建仿真功能可与Multisim类似，其电路仿真功能可以类比Multisim，而且具有单片机仿真功能。所以使用Proteus进行本设计的电路搭建和仿真模拟是合适的。Proteus完全可以达到本设计的目标和需求。

3.1  电容漏电流采集电路仿真

经电容漏电流传感器采集的信号为正弦波电压信号，而且漏电流的有效值范围为100 µA至700 mA。所以设置输入信号为有效值为500 mV的正弦波信号。图2是信号经精密整流电路的输出。图3为信号经整个电容漏电流采集电路的最终输出。

经精密整流电路将正弦波输出一个半方波半正弦波信号，进过电压跟随后，增强了电压的负载能力。此波形经RC滤波将其变成相对稳定直流电压输出，然此直流电压较小且仍不稳定，经过U1的稳压放大后，得到一个理想的直流电压输出，电压值为4 V。符合实际的设计要求。

3.2  脉冲电流采集电路仿真

图4是脉冲电流采集电路输出，通道A显示的是接入电路的输入信号方波信号，由通道D的显示可知，采集电路可以将输入信号精确完整的输出。

3.3  A/D转换电路仿真

ADC0809数据采集电路选用的是通道IN7。所以，为使通道IN7开启A/D转换，向地址执行一条由地址0xfeff读数的命令。本电路采用BCB数码管将十六进制数直接输出显示。此芯片分辨率只有8位，当输入电压的满刻度为5 V时，其精度为19.6 mV。在CLOCK引脚输入频率为5 KHz的时钟波。

通过滑动变阻器调节5 V的电压输出，此时电压输入为4.099 76 V，经A/D转换传输到单片机进行输出电压，采的电压值=AD采样值/采样精度×参考电压，将数码管显示的十六进制数d1转换为十进制数209，输出的数字信号电压值为209/255×5 V=4.098 V，满足精度要求。

3.4  本章小结

本章利用Proteus软件对电容漏电流采集电路、脉冲电流采集电路以及A/D转换进行仿真分析。通过对各电路仿真结果的分析和对比，各个部分的仿真结果都符合预期。

4  结  论

在线监测可以发现绝缘老化，评估其状况，从而有效地减少和预防故障事故的发生。电缆绝缘状态发生变化，通过对电缆数据参数的采集和分析，可以对电缆的数据信息进行预测，从而对电缆绝缘寿命和失效的发生作出预测，这样既可以防止电缆缺陷或隐患扩大造成的故障。现就论文工作做以下总结：

（1）在研究分析相关论文的基础上，介绍本设计的研究背景，主要难点，国内外研究现状以及本设计主要思路。介绍了电缆故障的主要原因和电缆发生局部放电的原因。

（2）根据对电缆局部放电特性的研究分析，并依据电缆故障理论，最终选定采集电容漏电流值，脉冲电流频次、脉冲电流峰值，环境相对湿度，环境温度四个特征量。并分析了各个特征量对电缆的影响。

（3）介绍电缆故障在线监测系统的主要构成。对选择的电容漏电流传感器、脉冲电流传感器以及环境温湿度传感器进行了原理介绍和工作分析。介绍了电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路的设计思路和工作原理。并用keil软件对A/D转换中单片机编写程序。

（4）利用Proteus仿真软件，对电路进行仿真并分析了仿真结果。

由于条件和时间的限制，本文仍然需要解决和深化以下工作：

（1）对各传感器的选择和原理分析，仅仅是依据所参考的材料做了简要介绍，实际上，这两个重要设备的设计非常精密且系统。因此，必须在后续工作中进一步研究这一部分。

（2）A/D转换中选择的芯片，后续可选择转换精度更高、反应速度更快的芯片，以进一步提高系统对电缆故障判断的准确性。

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作者简介：王克勤（1984.07—），男，汉族，江苏新沂人，工程师，本科，研究方向：电缆的故障检测。