高压电缆绝缘状态在线监测及诊断系统的设计

高压电缆绝缘状态在线监测及诊断系统的设计

缪应行

云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650214

摘要：在煤矿生产中，煤矿电网是保证正常生产的基本条件。由于矿井下部粉尘较多，环境潮湿，电缆外绝缘逐渐降低，形成绝缘缺陷，电流击穿，最终导致电网面积大的区域停电。目前，国内煤矿尚未具备监测矿井下电缆的有效监测手段，日常维护低，绝缘老化，损坏的电缆未能及时更换，最终导致停电事故的发生。因此，研究矿井下电缆设备的绝缘状况，设计有效的监测系统和方法，在电缆绝缘性能不断下降到一定程度的情况下，能够及时发出报警信号，对矿井生产安全具有重要意义。

关键词：高压电缆;绝缘状态;在线监测;诊断系统

引言

近年来，煤炭需求量不断增加，煤矿开采向着更深的方向发展。煤矿供电系统是保证煤矿安全开采的关键组成部分，煤矿巷道布置有四通八达的电缆，承担着在煤矿井下的电力输送任务。由于煤矿井下空气中存在腐蚀性气体和有毒有害气体，时常会遇到水的浸泡、冒顶和人工拖动等情况，电缆的绝缘性能会受到严重影响，甚至有可能引发电缆的短路，从而造成煤矿事故。对高压电缆进行绝缘性能检测是为了及时发现电缆及附件的老化损害情况，判断及预测高压电缆的使用寿命，电缆绝缘检测和故障诊断对于保证供电系统的可靠性具有重要的研究意义和价值。

1电缆状态监测技术

状态检测是为了评估电缆的状态和可靠性而进行的工作。通常，使用一个或多个称为状态指数的参数来估计电缆状态，这些参数用于指示电缆绝缘材料的老化或恶化程度。有效的状态检测可识别长期运营中电缆老化现象，为初步故障诊断提供基础和参考，为寿命评估和风险控制奠定基础。

2系统方案设计

高压电缆绝缘监测系统采用局部放电监测方法设计。主要包括高频电流传感器、现场数据采集模块、光电传输模块、信息接收模块和工控机。工作时电缆地线部分放大的脉冲信号由高频电流传感器采集，经滤波放大后，传输至现场数据采集模块，分析后作为数字信号传输至地面信号接收模块，再进一步传输至工控机进行数据分析处理。提供局部放电信号特征信息，以获得地下高压电缆绝缘状态地面显示器。当绝缘性能下降超过规定阈值时，向工作人员发出警告信号，以恢复电缆。

3在线监测系统设计

3.1在线监测系统总体方案设计

煤矿高压电缆绝缘在线监测系统不仅需要满足对高压电缆的基本监测和诊断功能，同时需要满足煤矿井下环境要求等，具体功能要求如下。(1)诊断系统能够准确、实时、在线监控电缆的各种状态参数变化，能够显示电缆接线盒的各种状态参数变化并迅速做出反应。(2)具有良好的可视化性能，直观清晰展示电缆的运行状态，通过采用直观的图表或曲线展示电缆内部电流或电压等参数的变化。(3)具有分析功能，系统对电缆运行故障进行综合评判，对电缆进行智能化诊断和分析。煤矿高压电缆绝缘在线监测与故障诊断系统主要由数据采集模块、网络通讯模块、数据处理分析模块、上位机显示模块组成。通过电压互感器、电流互感器、温度传感器采集电缆运行状态，并通过数据采集与分析处理模块对采集到的物理信号转变为电信号，在线检测模块通过ＲS－485总线联系，最后通过以太网与上位机监控系统界面联系，实现对远程在线监控。相比于现有的高压电缆绝缘检测方法而言，采用本套方案可以实现对高压电缆在线检测，建立了井下检测与地面监控网络，检测结果可信度更高，信号质量更加稳定。

3.2采集模块设计

根据每个模块的功能，监控系统可以分为两个模块:采集模块和传输模块。采集模块包括a/d转换装置、电流传感器等设备。电流传感器的功能是检测区域脉冲信号。为了保证测量的准确性，该系统使用高频脉冲电流传感器。传感器由环形磁性材料制成。高频脉冲通过线圈后，电流传感器形成电压，并获得可用于信号处理和分析的电流波形。通过电流传感器检测脉冲信号，可以防止高线性度、安装方便的高压电缆侵入，从而满足脉冲信号测量[1]的要求。部分脉冲信号频率范围广，宽度小，对数据分析和去噪影响很大。因此，在电流传感器采集脉冲信号之后，需要有效的预处理，以使采集的信号电压能够满足数据转换单元的输入电压，并处理信号。脉冲电压为mV级，脉冲频率约为10 khz。A/D转换模块芯片是AD8138芯片，信号调节电路输出端的模拟信号是差分输入信号，使转换过程不受外部因素影响。采集设备处理器选择EP1C12240C8型号的FPGA芯片，其功能主要包括参数设置、数据存储和逻辑控制。在采集模块中，最小的系统具有较高的处理速度，但内存相对较小。收集的数据太多，当通信模块无法完成数据传输时，系统内存很快填满，收集模块关闭，收集的数据写入ram区域，系统运行速度慢得多，内存寿命缩短。为了有效解决这些问题，必须将存储模块扩展到最低系统之外，以便能够收集和存储数据。系统芯片是IS660。

3.3无损状态监测方法

当老化时，其特征官能团，如羰基、羟基、羧基等会发生变化，因此红外光谱也经常用于监测材料官能团在观察老化状态时的变化。红外光谱法虽然无损且易于操作，但有很大的局限性，如不适合炭黑填充的材料和老化后羰基指数变化不敏感的材料。因此，用红外光谱监测电缆绝缘老化是定性的，而不是定量的。

3.4主程序设计

基于煤矿井下电力电缆绝缘监测系统硬件设计方案，完成了软件主程序工作流程的设计，主要包括下位机装置和上位机监测预警界面两部分组成。监测系统软件程序流程主要功能如下：下位机实时采集高压电缆局部放电的数据信息，及时传输至上位机；初始化FPGA和DSP，主要完成通用I/O接口、CPU定时器和中断寄存器等的初始化设置及相关引脚数据的清零；能够实时显示电缆局部放电脉冲波形，可以设置数据采集的频率和采集数据点数，实时记录保存波形数据；能够完成采集数据的滤波和去噪处理，获得较为稳定的放电脉冲信号，实时显示在上位机中，实时采集得到的数据超出设定的阈值时会发出报警信号；系统还具有电力电缆历史绝缘信息数据回放、导出和删除操作等功能。

结束语

在线测试的主要目的是解决问题，修复和更换老化严重的电缆，实验室样品分析和分析的主要目的是检测和收集电缆绝缘老化过程中各种相关特性特性特性值数据。为建立后寿命评估模型提供数据支持。

参考文献

[1]刘敬华,欧阳本红,夏荣,费雯丽.高压XLPE电力电缆绝缘老化状态评价研究进展[J].电力工程技术,2021,40(06):141-149.

[2]王治.电力电缆绝缘状态在线监测研究进展[J].机电工程技术,2021,50(11):215-219.

[3]冯琛.基于阶跃脉冲的矿井电缆局部放电与绝缘状态监测研究[D].中国矿业大学(北京),2020.DOI:10.27624/d.cnki.gzkbu.2020.000083.

[4]夏涛,余海涛,张亚超,汪旭东.基于小波变换的波浪发电输电电缆绝缘监测[J].东南大学学报(自然科学版),2019,49(02):267-273.

[5]康健.基于电气特性分析的高压电缆绝缘状态在线监测研究[D].中国石油大学(华东),2018.DOI:10.27644/d.cnki.gsydu.2018.001983.