1、第3l卷第11期2005年 11月高电压技术High Voltage Engineeringv01 31 NnllNov200563基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测罗华煜，关根志，易小羽(武汉大学电气_T-程学院，武汉430072)摘要：提出了基于接地线电流法的110 kV交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘在线监测的方案，以此设计出一套电力电缆绝缘在线监测系统，它包括传感器、基于AT89C55单片机和MAXl99AD转换器的数据采集和串口通信单元、以及后台微机监控系统。该方案成本较低，简便易行，系统运行稳定，安全可靠。关键词：XLPE；绝缘；电力电缆；在线监测；接地线电流法中图分类号：T
2、M855 文献标识码：A 文章编号：1003652012005)IL006303Study of Online Monitoring of XLPE Power Cableby Earth Line Current MethodIUO HuayuGUAN Genzhi。YI Xiaoyu(School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)Abstract：A new approach based on earth line current method is presented for on-line mo
3、nitoring of XLPE power cable and all on-line insulation monitoring system is designed for XLPE power cable based on this methodThis systemis composed of sensors，data acquisition unit and serial interface communication based on AT89C55 MCU andMAXl99ADCand background microcomputer monitoring systemThi
4、s method is at low cost，easy to realize，andthe system operates smoothly，safely and reliablyKey words：XLPE；insulation；electric pOwer cable；earth line current method；on-line monitoring0引言交联聚乙烯(XI。PE)电力电缆因电气绝缘性能好、抗酸碱、防腐蚀而应用越来越广泛口，高电压等级(110 kV)XI。PE电力电缆因其绝缘特性(绝缘电阻高，水树枝不多见等等)以及本身的结构特点(分相单芯，中性点直接接地等等)，传统的
5、检测方法如直流成分法、直流叠加法、低频叠加法与在线介质损耗角正切法等等已不十分适用o“。局部放电法与趋势管理法是电缆绝缘在线监测的发展方向。虽然局部放电法较有效，但技术要求高，价格昂贵。故本文分析具体的电缆线路，选用接地线电流法进行在线检测，既经济，又有效。1接地线电流法的原理及检测方案XIPE电缆主绝缘在运行过程中将流过电容电流，在老化过程中其电容量将呈增加趋势，导致接地线电流增大。加速老化试验”】证明这种变化是明显的，同时交流击穿电压与接地线电流增量j。有较好的相关性”8。故可排除掉与老化信息关联微弱的信号干扰，从接地线电流中提取出蕴含电缆绝缘老化信息的参量，以此来综合评估绝缘的老化状况，
6、此即接地线电流法。本文研究湖北省襄樊供电局的两回(每回有三相)110 kV电缆(见图1)。其特点为：线路长约500 m，属于短线路，故未采取金属屏蔽层三相交叉互连措施，电缆中段未设置连接盒，不用考虑其影响。电缆线路进线端接杆塔，金属屏蔽层经保护器接地，出线端接GIS，金属屏蔽层直接接地。接架空线 接GIS图1电缆接线图Fig1 Cable connection因较短电缆线路的线芯在铜屏蔽上的感应电压也较小，故采用出线端一端接地方式，以防两端接地产生循环电流而限制电缆载流量。进线端加接保护间隙，以防感应过电压过高而危害其它设备。因此，接地线上不会流过感应电流，只是进线端存在感应电压。电缆外屏蔽接
7、地点处所测电流就是流经电缆主绝缘的电流。用电缆接地线电流中的基波分量作为信息采集的主体，并滤除一些高频随机干扰和高次谐波信号。这样，采用接地线电流法可很安全地挂接在现场进行长期的数据采集与在线监测，而无需对电网接线等作很大改动。具体方案为：先将接地线电流通过穿心式电流传感器变换为计算机能采集的电压万方数据64Nov2005 High Voltage Engineering V0131 No11信号，再经过信号调理、低通滤波及量化处理后交由单片机现场检测单元进行数据的滤波处理以及基波分量的计算，最后通过通信接口把数据传送给后台的微机作进一步的信号处理与诊断。由上位机定时控制可得电缆三相接地线电流
8、基波幅值的时问序列，对其统计处理的方法口”1为：单向电流的显著性增长判别接地线电流幅值会随系统运行电压波动、负荷电流变化而有所变化，故可看作是一种具有统计特性的随机时间序列。接地线电流的统计分布特性应与电网电压的一致。电网是一可控的大的惯性系统，其电压分布有稳定的统计特性。而电缆绝缘变差时，其电容电流变大体现为某个时刻后时间序列的均值“上浮”。若发现电容电流显著增长，则在排除线路运行故障的可能性后，可认为是电缆绝缘变差。届时可进一步检测与分析，如减小定时采样的时间间隔以获取更多的数据来密切关注电流的变化趋势等。三相电流的相间横向比较三相运行电压平衡时电缆的三相接地线电流也应平衡。但电网中的电压
9、总有一定的不平衡度。这样。相间的横向比较也必须以统计均衡的观点来进行。给定显著性水平a，检验A、B相电流的均值是否处于同一统计水平。将三相电流两两比较，再根据它们之前的相互关系进一步作出判断。2电力电缆绝缘在线监测系统的设计与实践电力电缆绝缘在线监测系统的原理见图2。GIS端 架空线端电流传感器图2系统原理图Fig2 Principle of system21现场检测单元接地线电流现场检测单元包括电流传感器、信号调理单元、锁相环电路、单片机采集系统、串口通信模块及人机交互界面(键盘和图形式液晶显示器)等几部分，其任务是：先由电流传感器获得电流信号，再经过信号调理电流处理、AD转换以及单片机处理
10、后得到可反映绝缘状况的数据，最后通过RS485总线送到数据处理计算机。此外，现场检测单元还具备就地检测功能，包括数据采集、特征量计算r1”以及数值显示。电缆的电容值较大，使其接地线电流也相对较大(现场用钳型表粗略测得约19 A)。故采用单匝穿心式电流传感器，既可达到其准确度要求，又可避免与被测系统有直接的电气联系，从而保证测试装置的电气安全性。从传感器二次侧得到的一次侧电流的跟踪信号输出电流在进行AD转换前，需经过信号调理电路进行低通滤波和放大，滤除高频噪声信号，防止信号频谱的混叠，并使被测信号的幅值符合AD转换器的量程要求。基准电压信号还需经过过零比较、锁相环倍频电路等，使采样频率实时跟踪信
11、号的基波频率，据此来确定采样间隔，以获得信号周期的定点采样，从根本上解决频谱泄漏问题口“。此外，电流传感器信号人口处并接TVS放电管(瞬态电压抑制器)，以防电流传感器开路造成过电压。数模转换器(ADC)的核心部件MAXl99为12位数据采集系统(DAS)。8路模拟量输入，采样时间6as，系统通过速率100 kHz，完全可满足本检测单元的要求。本芯片可方便地用指令选择其采样通道和模式，可用指令切换到睡眠模式以减少功耗。单片机所用AT89C55芯片“1功耗低，有20kB的内部程序空间，使电路无需外挂外部程序存储器，其复杂度降低；同时有256 B的内部数据存储器，使运算速度提高。基本电路含一片非易失
12、静态随机存储器DSl230Y，容量32 kB，无需外部电源即可实现自动掉电数据保护，且读写时间仅70 ns。它可用来安全地保存所采集及计算的历史数据，相当于自己带一独立的小数据库。为了用上位机长期定时监控接地线电流现场检测单元，两者间必须建立通信连接，所依据的是RS485标准，其中的数据信号采用差分传输(即平衡传输)方式，因而其有效传输距离远比采用RS232标准长得多。单片机通过光隔与485芯片连接，避免传输总线上的过电压侵入现场检测单元。图3为串口中断程序的流程图。此外，通过键盘和液晶显图3串口中断程序流程图Fig3 How chart of port breaking off万方数据200
13、5年11月 高电压技术 第31卷第11期65示器可进行人机交互。监测系统提示出现可疑情况时，可就地进行多次手动检测，以确认情况的发生。22后台管理软件后台监控程序以Windows操作系统为运行平台，以Microsoft Visual C+为开发工具，并采用Microsoft Access 2000数据库，包括串口通讯程序(图)、监测方式选择程度、数据库的设计、历史数据趋势图的设计以及系统托盘程序等部分o 51”。用户可选择对设备参数进行“自动监测”或“手动监测”，监测所得数据存人由Microsoft Access 2000建立的数据库中，并可在程序界面中进行查看及趋势分析。自动监测时用户还可选
14、择“后台运行”选项，使系统界面隐藏为Windows系统托盘中的一个图标，而监测程序仍在后台运行。监控程序的主要界面及数据库的显示界面见图46。圄4监控程序界面(1)Fig4 Interface of monitor and control(1图5监控程序界面(2】Fig5 Inlerface of monitor and control2)3结论a)对于高电压等级电缆线路，由于其特性及接线方式等原因，现有几种在线检测方法已不适用。b)接地线电流法是目前用来进行电缆绝缘趋势管理的一种非常简单有效的方法。c)高电压等级新式电缆的老化故障概率很低，没必要为每条线路固定安装一套昂贵的局放监测仪。因此，
15、开发一套经济可行的、能反映绝缘老化状况的在线监测系统，对所得电参数进行趋势分析，以期获得电缆老化的征兆，具有重要的实际意义。d)现场运行调试证明，本系统运行稳定性良好，测量准确度合格。对于三相交叉互连线路，也可按具体接地线连接方式对本系统稍加改动进行设计。图6数据库显示界面Hg6 lnlerface of datale display参考文献1江日洪交鞋聚乙烯电力电缆线路M北京：中国电力出版社19972柴旭峥，关根志，黄海鲲，等交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监浏技术口电线电缆，2002，(6)：30333胨天翔段建东，陈夭韬，等电力电缆绝缘在线监测撞I量方法及判据设计J高压电器t200440(3
16、)：183*1854孙红梅，罗隆福，陆佳政，等110220 kV XLPE电缆绝缘在线监铡方法的研究口高电压技术200430(1)：283n5吴情刘毅刚高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术评述J广东电力，2003，16(4)：1-吼6严璋电气绝缘在线检I技术M北京：中国电力出版社，19957速水敏幸电力设备的绝缘诊断M北京：科学出版社20038斯维高电压设备的绝缘监测旧北京：水利电力出版社，19989朱德恒，谈克罐电绝缘诊断技术M北京：中国电力出版牡t199010胡上序，陈德钊观涮数据的分析与处mEM浙江：浙江大学出版社199611孙忡康快速傅立叶变换及其应用M北京：民邮电出版杜，19821
17、2王茂海刘会金，彭辉，等采样信号频率偏离设计值情况下离散傅立叶变换的误差分析口电测与仪表2001，38(1)：13-1513何立民NK导51系列单片帆应用系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，1 99914季华MCS-51系列单片机实用接口技术M北京：北京航空航天大学出版社199315李现勇Visual c+串H通信技术与工程实践M北京：人民邮电出版社200216董长武壬博等Vis帅l c一+tl-算机语言函数应用M北京：科学出版社2000(收稿日期90041l-16)罗华煜1978年生，硕士生研究方向为电力电缆绝缘在线监测。电话(027)68772283、304IE-瑚il：Ihyww26
18、3 nel万方数据基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测作者： 罗华煜， 关根志， 易小羽， LUO Huayu， GUAN Genzhi， YI Xiaoyu作者单位： 武汉大学电气工程学院,武汉,430072刊名： 高电压技术英文刊名： HIGH VOLTAGE ENGINEERING年，卷(期)： 2005，31(11)被引用次数： 5次参考文献(16条)1.江日洪 交联聚乙烯电力电缆线路 19972.柴旭峥.关根志.黄海鲲 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监测技术期刊论文-电线电缆 2002(06)3.陈天翔.段建东.陈天韬 电力电缆绝缘在线监测测量方法及判据设计期刊论文-高压电器 200
19、4(03)4.孙红梅.罗隆福.陆佳政 110/220 kV XLPE电缆绝缘在线监测方法的研究期刊论文-高电压技术 2004(01)5.吴倩.刘毅刚 高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术评述期刊论文-广东电力 2003(04)6.严璋 电气绝缘在线检测技术 19957.速水敏幸 电力设备的绝缘诊断 20038.斯维 高电压设备的绝缘监测 19989.朱德恒.谈克雄 电绝缘诊断技术 199910.胡上序.陈德钊 观测数据的分析与处理 199611.孙仲康 快速傅立叶变换及其应用 198212.王茂海.刘会金.彭辉 采样信号频率偏离设计值情况下离散傅立叶变换的误差分析期刊论文-电测与仪表2001
20、(01)13.何立民 MCS-51系列单片机应用系统设计 199914.李华 MCS-51系列单片机实用接口技术 199315.李现勇 Visual C+串口通信技术与工程实践 200216.董长武.王博 Visual C+计算机语言函数应用 2000相似文献(10条)1.期刊论文 应启良 500kV交联聚乙烯绝缘电缆绝缘结构研究 -电线电缆2003(4)本文叙述交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆绝缘统计设计方法.论述我国研制开发500 kV XLPE电缆的绝缘结构采用绝缘统计设计方法的合理性.叙述我国500 kV XLPE电缆的绝缘水平要求.论述对照日本已经运行的500 kV XLPE电缆的绝缘
21、结构参数和绝缘质量控制要求,采用绝缘统计设计方法,按相同可靠性原则作为我国500kV XLPE电缆确定电缆绝缘厚度和绝缘质量控制要求的基础是合理的.本文提出不同导体截面500 kV XLPE电缆的推荐绝缘厚度.2.期刊论文 邢益平.郑晓泉 XLPE电力电缆综合绝缘诊断策略研究 -电线电缆2006(5)长久以来,有关交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘现场试验或诊断被清晰的分为离线和在线两类,绝缘监测目标也往往以针对电缆本体或针对电缆附件区别对待.本文第一次提出针对电缆整体,在电缆整个运行期的综合绝缘监视方法,同时提出以在线监测为主,离线绝缘诊断为辅的综合绝缘评价策略,论证了推行这种策略的必要性.3.
22、期刊论文 陈小林.成永红.谢小军.崔浩.CHEN Xiaolin.CHENG Yonghong.XIE Xiaojun.CUI Hao XLPE绝缘电老化中局放特性试验研究 -高电压技术2006,32(4)利用TE571局放检测仪和超宽频带局放(PD)检测系统研究了XLPE电缆绝缘试样加速电老化过程中判断试样老化状态的局放统计参量和单次放电波形特性.结果表明,电老化过程中单次放电时域波形的上升沿变陡,从老化前50 ns降低为老化50 h的8 ns脉冲幅值从老化前的2 mV增加到老化50 h的17mV;放电频谱中特征峰的位置随着老化程度的加剧向高频方向移动,从老化前15 MHz增加到老化50 h
23、的50 MHz和125200MHz.该研究为放电单次波形检测技术评估XLPE电力电缆绝缘状态的基础研究.4.期刊论文 张海龙.关伟民.关根志.ZHANG Hai-long.GUAN Wei-min.GUAN Gen-zhi 基于ART2A-E的交叉互联XLPE电缆绝缘在线诊断技术研究 -高压电器2010,46(9)研究110 kV及以上电压等级的XLPE电缆绝缘的在线监测与诊断技术,确保电缆的安全可靠运行具有重要意义.笔者根据屏蔽层交叉互联接地XLPE电缆在线监测的特点,提出了基于ART2A-E(Adaptive Resonance Theory)神经网络的交叉互联电缆绝缘在线诊断方法.首先,
24、通过分析电缆绝缘老化的特点以及电缆加速老化的实验结果,建立交叉互联XLPE电缆的仿真模型.然后,计算首末端A、B、C三相接地线电流与电缆初始安装时的接地线电流幅值和相位的相对劣化度得到12个特征量,并以此特征量作为ART2A-E的输入样本进行模式识别.仿真实验结果表明,ART2A-E神经网络可以识别发生在交叉互联中的任意一段电缆的绝缘故障,为交叉互联电缆的绝缘在线诊断开辟了新的途径.5.期刊论文 刘忠杰.关根志.龙望成.LIU Zhong-jie.GUAN Gen-zhi.LONG Wang-cheng XLPE电缆交叉互联接线时的绝缘在线监测 -高电压技术2008,34(8)XLPE电力电缆
25、的交叉互联接线方式具有屏蔽层接地回路环流小、经济安全等优点,但因无法直接测得各段流经主绝缘的电流值的特征量而给绝缘在线监测带来了困难.为了研究电缆在交叉互联接线时的绝缘在线监测方法,介绍了电缆主绝缘各项参数的等值计算方法,并且对交叉互联接线的XLPE电力电缆的一个标准单元展开了分析,通过分析和计算其等值电路,说明了利用向量运算分析方法的理论依据,以及定量的分析了各处监测点的电流值.利用Matlab仿真可以检测到各处电流值和母线电压的向量值,计算出流过主绝缘电流向量值,然后计算出等值阻抗值、等值容抗值和介质损耗角正切值等绝缘参数,从而可以判断交叉互联电缆各段的绝缘状况.不同绝缘故障下电缆的仿真分
26、析结果表明:无论是单相绝缘故障还是多项同时出现绝缘问题,向量运算分析方法均能准确判断各段的绝缘状况.采用此向量运算方法来判断各段电缆的绝缘状况可靠且可行,为绝缘在线监测提供了一种新方法.6.期刊论文 刘毅刚.李熙谋 关于高压XLPE电缆的绝缘厚度 -电力设备2003,4(3)就电缆绝缘厚度设计方法、XLPE电缆绝缘减薄的技术发展作了概述.针对110 kV、220 kVXLPE电缆绝缘厚度国内外存在的差异,从工程选用到全面对待提出了建议.7.期刊论文 郑晓泉.阎春雨.孙希斌.冯小倩 高压XLPE电缆护层绝缘故障及检测技术 -电线电缆2004(4)护层绝缘完好是35 kV及以上电压等级XLPE电缆
27、安全运行的重要标志之一.本文在讨论护层绝缘损伤对电缆运行危害性的基础上,提出了在线监测护层绝缘状态的方法,对目前流行的护层故障测距方法进行了评估.8.期刊论文 沈彬华.SHEN Bin-hua 高压交联聚乙烯电缆绝缘料的国产化研究 -电线电缆2010(1)简述我国高压交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆及其绝缘料的市场情况,以国产商品化中压XLPE电缆的绝缘料为基准,分析国内外高压XLPE电缆绝缘料及其制品的绝缘性能,介绍了新上化高分子材料有限公司高压XLPE电缆绝缘料国产化的研发过程.9.学位论文 贾欣 高压XLPE电缆绝缘可靠性建模及其影响因素研究 2003可靠性理论是从十九世纪20年代发展
28、起来的一门科学,可靠性理论认为研究对象所受的应力及本身的强度是呈一定的概率分布的,设计对象的可靠程度不仅受到所取安全系数的影响,还受到应力和强度离散程度的影响.该文利用可靠性理论提出了XLPE电缆绝缘可靠性研究和评估的电压-绝缘强度干涉模型.利用此模型,对XLPE电缆绝缘可靠度计算的推导,提出了XLPE电缆可靠性研究和评估所需的参数.这些参数包括绝缘最小击穿强度、XLPE电缆的老化指数、温度系数、电缆在制造过程中绝缘厚度的随机分布参数.这些参数也是采用安全系数法确定电缆绝缘厚度和电缆制造过程中所需测试的,因此在没有增大测试量的基础上,使XLPE电缆绝缘确定更加科学、更加符合实际情况,并能用具体
29、的可靠度数据来描述电缆的可靠性,这是安全系数法所不具备的.按照对XLPE电缆进行可靠性研究所需参数的要求,提出了必要的可靠性试验内容及条件,设定了小试样(即样本个体)的抽取、制备方法、形状及尺寸,以及试样与实际电缆绝缘可靠度的等效性原则.在此基础上,对从国产220kV XLPE电缆绝缘层中所制得的试样进行了击穿试验,得到了XLPE电缆绝缘最小击穿强度与绝缘厚度的关系.应用所提出的动态电压-绝缘强度干涉模型对高压XLPE电缆进行了可靠性评估和可靠寿命的计算.对220kV XLPE电缆试样进行了加速老化试验,得到了国产高压XLPE电缆的老化指数.电树枝化老化是影响XLPE电缆绝缘性能可靠度的重要原
30、因.XLPE电缆绝缘中引发电树枝的缺陷主要有三种:微孔、杂质及半导电层上的凸起.该文建立了XLPE电缆绝缘的耐电树枝起始可靠性模型,并采用针-板电极模拟了绝缘中的缺陷,测试了从国产高压XLPE电缆绝缘层所取得试样的电树枝起始场强.利用所提出的耐电树枝起始可靠性模型计算了国产高压XLPE电缆绝缘中允许的缺陷尺寸,讨论了缺陷尺寸分布对于XLPE电缆耐电树枝起始可靠度的影响.同时,该文利用从国产220kV XLPE电缆绝缘层中所制得的试样对绝缘设计所需的相关参数进行了系统试验.绝缘厚度设计所得的结果与国外类似电压等级电缆的厚度基本相同.依据可靠性理论和试验结果提出在中国现有工艺条件下制造500kV
31、XLPE超高压电缆应采用的材料和参数方案的建议.这对于国内高压、超高压XLPE电缆的绝缘结构设计具有一定的参考价值,可以减少设计成本.10.期刊论文 杨师伯.聂一雄.文波.莫宝律.YANG Shi-bo.NIE Yi-xiong.WEN Bo.MO Bao-l XLPE电缆绝缘仿真判据探讨 -广东电力2010,23(1)为获得交联聚乙烯绝缘电缆(简称XLPE电缆)绝缘击穿的判据,对10 kV XLPE电缆单相和三相接地不平衡电流建立绝缘仿真模型,用Matlab软件对单相、三相的整体、局部绝缘故障进行仿真计算,得出接地不平衡电流i与绝缘层的电阻、电容、介质损耗因数之间的关系.仿真结果:绝缘层的电
32、容、介质损耗因数的变化对i的影响较明显;三相整体老化时i的变化极小,三相局部绝缘故障时i的变化较明显;单相局部绝缘故障的i值随故障严重程度变化,三相局部绝缘故障时电缆首尾两端接地不平衡电流之比随故障点位置变化.对仿真结果进行分析并得出结论:通过监测接地不平衡电流可以判断电缆绝缘状况和确定故障点位置,绝缘判据与电缆长度、电压、负载和电缆劣化前参数有关.引证文献(5条)1.王修岩.程婷婷.李宗帅.宋秀魁.陈国勤 助航灯光回路绝缘电阻下降模型研究期刊论文-工业控制计算机2010(2)2.孟永鹏.彭发东.闫力.CHEN Xiao-lin.CHENG Yong-hong.LIU Jing 电缆外护套环流分布在线监测系统的研制期刊论文-高电压技术 2009(3)3.刘忠杰.关根志.龙望成 XLPE电缆交叉互联接线时的绝缘在线监测期刊论文-高电压技术 2008(8)4.龙望成.高炎辉.关根志.郑良华.朱大铭 交叉互联接线的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘在线监测理论分析期刊论文-电力自动化设备 2008(3)5.孙和义.浦昭邦.赵学增 基于模糊神经网络高压电气设备绝缘状况评价方法研究期刊论文-电力自动化设备2007(1)本文链接：http:/
