CN100403042C - 交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法，采用直流叠加的方法对三相XLPE电缆绝缘水树枝老化程度和绝缘电阻在线进行测量，测量得到参数以后，下位主机通过数据收发单元GPRS发送到上位机，上位机通过设置的数据采集分析软件对测量参数进行分析，按给定的评价标准给出电缆绝缘状态的评判，给出综合诊断结果。该方法对于防止电缆击穿事故发生和对电缆绝缘的剩余寿命能够进行有效的评估，并利用公用移动通信网络的独特无线数据传送方式，实现了无人值守在线监测和无线遥控测量。

Description

交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种在线检测方法及其装置，特别涉及一种交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法。

背景技术

交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆因其良好的电性能和热性能等多方面的优势而被广泛采用于电力系统，在国内外均已成为替代220kV及以下电压等级充油(或油浸纸)高压电缆的主要电缆品种。日本有关部门曾对1963-1979年投运的6.6kV级XLPE电缆的事故原因进行了调查分析并发现，1970年前敷设的电缆，发生的事故较多。从使用年数来看，运行了8年之后的电缆事故和更换数激增。从事故的种类来看，水树、自然老化、浸水占总事故的50％，在考虑XLPE电缆寿命时，把终端头、接头不良这类早期故障和外力破坏事故等排除，就可以认为现场绝缘诊断应以水树枝老化状态为主。及时、准确地检测到电缆绝缘劣化隐患，可以及时采取必要的应对措施，减少故障停电带来的巨大经济损失，提高供用电的安全性和可靠性。

目前针对交联聚乙烯电缆绝缘的主要在线监测方法研制热点有：直流成分法，直流叠加法，泄漏电流法，在线损耗因数(tanδ)法，局部放电法，分布型光纤测温法等。典型的如德国、英国的学者进行的电缆及接头局部放电在线监测技术研究，日本学者进行的电缆直流分量与直流叠加及损耗因数(tanδ)的在线监测技术，其提出的在线监测方法已经多于8种，其中较为成熟和广泛应用的是直流成分法、直流叠加法和测量tanδ法等。前者对于绝缘水树枝劣化状态、特别是对于个别危险长度水树枝比较敏感，后二者对电缆整体老化、受潮等反应显著，两者结合可以取得较好的绝缘诊断结果。目前已有两者联合的监测装置投入运行，并积累了一定的测量数据。国内亦有开始试用叠加电压法和直流分量法监测的例子，如上海电缆研究所开发的直流成分法与直流叠加法在线监测电缆绝缘状况，并已在宝钢试运行数年，但尚未检索到该设备商业化运行的报道。

目前，国内外已开发或研究中的XLPE电缆在线检测方法已近10种，但真正成功进入实用化推广的几乎还没有。原因有三方面：1)电缆护层金属被腐蚀产生化学电势Es和护套绝缘电阻Rs下降是制约多数在线检测方法进入实用化阶段的一个重要原因，特别是对“直流成份法”的影响尤为严重。这是因为电缆屏蔽的接地化学电势Es和护套绝缘电阻Rs所组成的串联等值支路事实上与在线检测设备的检测阻抗处于并联状态，它们对所检测的微弱真实信号的干扰或分流也就在所难免；2)微量监测是绝缘在线检测的特征，静电感应是直流微电流检测的大敌，工频强电场和电晕多频谱干扰会对所有在线检测微弱信号造成强干扰；3)安全问题是所有在线检测研究所必须解决的首要问题，必须考虑万一发生电缆绝缘击穿对人员和设备的危害。

发明内容

针对以上技术上存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法。

为了实现上述任务，本发明采取的技术解决方案是：一种交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，采用直流叠加的方法进行测量，具体包括下列步骤：

1)将电缆屏蔽层接地线断开，电流传感器套装在电缆接地线上，在屏蔽层和大地之间接入测量仪器；测量仪器包括在三相电源上接入的叠加电源E_N、在电缆屏蔽层接入的安全电容、接地化学电动势E_S和护套绝缘电阻R_S，以及滤波及保护单元、下位主机、上位计算机系统，下位主机、上位计算机系统通过数据收发单元GPRS通信；

2)E_S和R_s的测量

通过叠加电势的方法来先测量和计算出这个影响因素接地化学电势E_S和护套绝缘电阻R_S，然后再在测量结果上进行修正；测量方法如下：

在测量仪器两个输入端叠加1V左右的电动势E_n1，测量得到流过护套绝缘电阻R_s的电流I₁ ⁺，将E_n1极性调换得到E_n2，再进行测量得到上述电流得到反向的大小为I₁ ^-的电流；同时略去并联的阻值很大的电缆绝缘电阻RI的影响，通过两次测量得到的I₁ ⁺和_I ^-值，通过下式(1)和(2)计算出Es和Rs的大小；

$E_S\≈\frac{I_1^{-}-I_1^{+}}{I_1^{-}+I_1^{+}}{E}_n---\left(2\right)$

3)直流成分测量

置叠加电源E_n＝0V，再测量采样电阻上流过的电流I₁，把接地化学电势E_S和护套绝缘电阻R_S两个值代入补偿电势法等效电路，即可得到I_d大小，也就是直流成分电流，I_d的计算公式为；

4)直流叠加法测量

通过控制打开叠加电源的开关K₁，叠加在电缆导体芯上一个电压E_N，闭打开自动控制开关开始测量得到I⁺，然后将叠加源极性调换，再测量得到电流I^-；

按下式进行修正：

$R_I=\frac{E_N}{I}---\left(6\right)$

式中，R₁为测量得到的绝缘电阻，根据被测量电缆长度得到单位长度电缆的绝缘电阻，叠加源正负极性交换两次进行测量，以减少测量误差；

5)测量得到上述参数以后，下位主机通过数据收发单元GPRS发送到上位机，上位机通过设置的数据采集分析软件对测量参数进行分析，按给定的评价标准给出电缆绝缘状态的评判，给出综合诊断结果。

本发明的方法能够在线测量三相XLPE电缆绝缘水树枝老化程度和绝缘电阻。对电缆主绝缘运行可靠性进行判别，防止电缆击穿事故发生和对电缆绝缘的剩余寿命进行有效的评估。

附图说明

图1是系统结构示意图；

图2是内部叠加示意图；

图3是补偿电势法等效电路示意图；

图4是直流成分电流分量的发生原理图(水树枝的整流作用模型)；

图5是系统保护部分简图；

图6是陶瓷气体放电管外形和电气参数；

图7是是自动保护开关电路；

图8是放大器组成及工作框图；

图9是互感器与XLPE在线检测主机安装示意图；

图10是测量流程图；

图11是结果显示界面；

图12是数据采集过程波形；

图13是单芯电缆模拟试验结果界面；

图14是三芯电缆模拟试验结果界面；

图15是三芯电缆在线测量结果界面。

以下结合附图和原理对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明依据的原理之一是，水树枝是交联聚乙烯电缆绝缘老化的首要形式，水树枝是在微量水分存在的情况下，在长期工作电压下，聚合物绝缘电力电缆中所出现的一种树枝状绝缘老化缺陷。水树枝在电缆长期运行电压下产生并不断生长是导致交联聚乙烯电缆绝缘寿命缩短和最终在水树枝尖端引发电树枝进而引发主绝缘击穿事故的主要原因。水树枝在交流电压下会产生整流效应，在电缆接地线上检测整流效应在电缆主绝缘中产生的nA级微弱直流电流和运行趋势，可以获知电缆绝缘水树老化状态。当直流成份电流超限(超过100nA)，或出现急剧增加时，表明电缆绝缘已处于击穿故障前夕，应予以更换。

依据的原理之二是，直流叠加法在线检测到的绝缘电阻与离线检测数据有良好的对应关系。

依据的原理之三是，电缆接地全电流中包含有电缆主绝缘劣化的丰富信息。当电缆主绝缘水树枝老化严重时，在电缆接地线上的交流漏电流中会产生高次谐波，可将全电流大小和波形畸变程度作为电缆水树老化程度的判据之一。

综上，本发明采用直流叠加法测量电缆绝缘电阻的大小和运行趋势；采用直流成分法获知绝缘的水树枝老化状态和变化趋势，辅以测量交流漏电流的综合方法来获知交联聚乙烯电缆绝缘的水树枝老化状况；采用补偿电势法在线测量屏蔽接地化学电势Es和护套绝缘电阻Rs。

具体的技术措施如下：

1.原理和方法

电缆在非测量状态下，屏蔽层通过接地线进行接地来确保安全，而测量过程中，需要对电缆接地线进行断开操作，并串入测量仪器，这样，屏蔽层对地的电势和屏蔽的对地电阻(也就是电缆外护套绝缘电阻)组成的串联电路和测量装置形成了并联，影响了测量装置上通过的电流，与理想测量有偏差，造成测量误差。这里我们通过叠加电势的方法来先测量和计算出这个影响因素，然后再在测量结果上进行修正。

如图3，装置对E_S和R_S的在线检测采用“补偿电势法进行”，测量方法如下：在测量仪器两个输入端叠加E_n1(1V左右)测量得到流过采样电阻的电流I₁ ⁺，将E_n1极性调换得到E_n2以后再进行测量得到上述电流，得到反向的大小为I₁ ^-的电流。同时略去并联的阻值很大的电缆绝缘电阻R₁的影响，通过两次测量得到的I₁ ⁺和I₁ ^-值，通过式1、2就可以计算出Es和Rs的大小。

$R_S?\frac{{2E}_n}{I_1^{-}+I_1^{+}}(R_i+R_l)---\left(1\right)$

$E_S>>\frac{I_1^{-}-I_1^{+}}{I_1^{-}+I_1^{+}}{E}_n---\left(2\right)$

1)直流成分测量

把这两个值代入到图3的电路图中，可以得到Id大小，也就是直流成分。

$I_s=\frac{R_S+R_i}{R_S}{I}_1---\left(3\right)$

2)直流叠加法测量

通过控制打开叠加电源模块开关，叠加在电缆导体芯上一个电压E_N，并打开自动控制开关开始测量得到I^-，然后将叠加源极性调换，再测量得到电流I^-。

修正：

$R_I=\frac{E_N}{I}---\left(6\right)$

R₁为测量得到的绝缘电阻，可根据被测量电缆长度得到单位长度电缆的绝缘电阻。叠加源正负极性交换两次测量可以有效地减少测量误差。

测量得到这些参数以后，将通过GPRS发送到上位机，上位机通过软件计算分析，按一定的评价标准给出电缆绝缘状态的评判，给电力系统提出建议。

2、硬件方面详细说明

1)保护措施

通过接地电容，快速熔丝陶瓷放电管自动保护开关单相接地保护等进行多重保护，这些保护优缺点互相弥补，能很好地起到保护作用，确保人员和设备的安全，见图5。

(1)接地电容：接地电容是为了保证电缆在任何情况下都有可靠的交流接地通路，这也是电缆运行规程的要求。这个接地电容的大小一般是几十微法，对接地电容的具体要求是耐压性能好(AC1000V)、绝缘电阻大(R＞1000MΩ)，接地阻抗小。

(2)快速熔丝：快速熔丝用以保证人身及仪器的绝对安全的需要。当电缆万一发生绝缘击穿事故时，熔丝快速断掉，自动断开测试回路。

(3)陶瓷放电管：该系统采用型号为B8G070H或B8G090H的陶瓷放电管，为某厂批量化生产的成熟产品，质量较可靠，里面装有特殊电气材料，能保证在电压加到超过阀值电压(工频阀值电压＜70V)时，发生放电，正常情况下管子等效电阻接近无穷大，保护测量仪器和操作人员的安全，外形如图6所示，其参数如下：

(4)自动保护开关：可以控制接地或者是测量回路的通断，在测量过程中，如果发生意外情况，测量回路自动断开，输入迅速短接，保护仪器和人员安全。出现过电压时，该保护电路自动控制主电路迅速实现“零电阻”硬接地，确保人员和仪器的安全，如图7。

2)单相接地保护

为防止万一发生不可预知的单相电缆绝缘击穿接地事故可能对人员和设备的威胁，专门研制了大电流(100A以上)接地保护器(图中未画出)，可保证大接地电流持续流通数小时以上。该保护器为一次性器件，一旦击穿需重新更换新保护器。

该装置是利用两金属尖锐平行电极之间间隔薄膜材料，利用尖端电场强度比较集中的基本原理，使得薄膜在较低的电压下实现击穿短路，实验证明通过改变薄膜材料和厚度以及电极形状，可以有效的缩小击穿电压，击穿后电极间为短路状态，由于平行电极面积大，所以通流能力强，不至于保护器烧毁而失去作用。该保护为一次性使用，动作一次后需要更换，可以有效保护人身和设备的安全，该保护为一次性使用，动作一次后需要更换。但在一般情况下，由于前面的各种保护措施，该保护器只是最后的保护，所以一般不至于击穿而需要更换。

3)信号采集放大模块

信号采集放大模块主要由自主设计的多级差动放大器构成(见图8)，尽可能地减小外界对系统干扰对测量结果的影响，为了保证测量仪器的动态范围，根据被测电流的大小选择不同的量程，采用不同的采样电阻。考虑到取样电阻的阻值较大，需要采用超高输入阻抗放大器，并用多级放大共同完成，表1为放大模块各档位检测阻抗标称值。

表1信号放大模块各档位采样电阻R_i及对应电流档位

4)DSP控制模块

DSP控制模块采用2400系列的DSP数字信号处理芯片，集成在线路板上，固定安装于下位机中。主要功能：采集由放大模块处理过的信号，并对其进行数学运算处理，获得测量显示值；实现对保护滤波模块、信号放大采集模块、GPRS通讯模块、显示模块的控制。是实现系统自动化的关键环节。

5)GPRS通讯模块

GPRS通讯模块是基于GSM/GPRS通信网络的数据传输和远程监控终端设备。本模块基于最新的GPRS数字移动通讯网络，克服了通讯距离短、性能不稳定的缺点。主要功能：完成上、下位机之间的数据通讯，资费按电信运营规定收取。下位机通过GPRS模块和动态主机域名服务器连接，上位机器上位机通过互联网登陆动态主机域名服务器，GPRS通过动态主机服务器检测登陆服务器的用户，并将数据传给该用户，也就是上位机系统。

6)显示模块

显示模块采用精电蓬远显示技术有限公司生产的带温度补偿功能的工业级专用液晶显示器件，点阵数240×128。主要功能：可以显示接地电流和直流微电流测量值，用于现场调试和维修。安装于下位机箱体外侧，便于操作人员观察显示的内容。该显示内容与主机液晶显示器上内容一致。

7)泄漏电流传感器

电流传感器采用罗高夫斯基线圈套装在电缆接地线上，用来测量接地全电流信号。传感器装于下位机机体当中，传感器在50Hz频率时，对信号放大增益最大，可以有效抑制其它频率的干扰。

8)直流工作电源

电源模块采用功率为40W的MW-T-40A型开关电源，可提供±5V和+12V输出电压，和足够大电流来达到系统的要求。体积比较小(129×98×38mm)。主要功能是为测量单元(下位机)提供电源。

9)直流叠加电源模块

提供+24V、-24V直流电压，加在三相电压互感器中性点和大地之间，由主机自动控制叠加电源开断和电压极性转换(如图9所示)，在电压互感器有有高压保险管、开关金属连接件、XLPE电缆头、XLPE电缆，通过电缆接地线连接XLPE在线检测主机。

3.软件方面

应用程序是电缆在线监测程序的应用软件。它基于美国NI仪器公司图形化编程软件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench)编制而成，采用仿Windows风格的人机界面，界面友好，操作简单、维护方便。本软件还可实现局部放电测量过程的自动化监测，简化工作人员操作，而用户也可以通过手动操作，实现查询、分析等更多功能。

本软件主要由以下几个模块构成：

●数据采集软件

数据库软件

A)采集分析软件

本局部放电在线监测控制软件是采用LabVIEW图形编辑软件编制而成。该软件在编写控制面板方面具有强大的功能。

该模块主要用来完成硬件接口控制的程序。可以进行网络采集控制，网络数据传输，抗干扰等功能。实现采集，输出波形，并设定采集时间，采集参数以及报警显示设置等。测量流程图参见图10，具体页面见图11～15。

B)数据库软件

由Microsoft SQL Server构建的局放数据数据库，可以方便实现数据服务器/客户结构，以及升级为数据网络传输。该模块将局放采集信号、诊断及查询的模块联结在一起，对一般用户隐藏，只有拥有高级管理权限的用户可以对其进行数据操作。数据库中存储三部分数据：

1)存贮实时数据及预处理数据，此数据可生成各个参数波形图。

2)存贮历史局放数据信息，根据此数据可以生成每个参数的趋势图，并且实现对历史局放相关参数的查询

利用叠加电势方法进行电缆第一个功能特点是可用于三相XLPE电缆绝缘水树枝老化程度(直流成分法)和绝缘电阻(直流叠加法)的在线监测。前者用于对电缆主绝缘运行可靠性进行判别，防止电缆击穿事故发生；后者运行趋势图可用于对电缆绝缘的剩余寿命进行评估。

第二个特点是在线测量护套绝缘电阻R_s和接地化学电势E_s，并利用R_s和E_s的测量值对直流成分法微电流和主绝缘电阻在线测量值进行修正，保证了测量的可信度。

第三个特点是可以在线测量护套接地全电流大小及波形，利用全电流数值变化趋势和电流波形畸变程度对电缆绝缘水树老化程度进行辅助判别。

第四个独创性功能特点是系统独特设计的四重保护技术和专用大电流保护元件，可保在线检测的绝对安全。

第五个功能是利用公用移动通信网络的独特无线数据传送方式，实现了无人值守在线监测和无线遥控测量。

Claims (5)

1.一种交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，采用直流叠加的方法进行测量，具体包括下列步骤：

1)将电缆屏蔽层接地线断开，电流传感器套装在电缆接地线上，在屏蔽层和大地之间接入测量仪器；测量仪器包括在三相电源上接入的叠加电源、在电缆屏蔽层接入的安全电容、接地化学电动势E_S和护套绝缘电阻R_S，以及滤波及保护单元、下位主机、上位计算机系统，下位主机、上位计算机系统通过数据收发单元GPRS通信；

2)E_S和R_S的测量

通过叠加电势的方法来先测量和计算出这个影响因素接地化学电势E_S和护套绝缘电阻R_S，然后再在测量结果上进行修正；测量方法如下：

在测量仪器两个输入端叠加1V左右的电动势E_n1，测量得到流过护套绝缘电阻R_S的电流I₁ ⁺，将E_n1极性调换得到E_n2，再进行测量得到上述电流得到反向的大小为I₁ ^-的电流；同时略去并联的阻值很大的电缆绝缘电阻RI的影响，通过两次测量得到的I₁ ⁺和I₁ ^-值，通过下式(1)和(2)计算出Es和Rs的大小；

$R_S\≈\frac{2E_n}{I_1^{-}+I_1^{+}}-(R_i+R_l)---\left(1\right)$

$E_S\≈\frac{I_1^{-}-I_1^{+}}{I_1^{-}+I_1^{+}}{E}_n---\left(2\right)$

3)直流成分测量

置叠加电源E_n＝0V，再测量采样电阻上流过的电流I₁，把接地化学电势E_S和护套绝缘电阻R_S两个值代入补偿电势法等效电路，即可得到I_d大小，也就是直流成分电流，I_d的计算公式为；

$I_d=\frac{R_S+R_i}{R_S}\·I_1---\left(3\right)$

4)直流叠加法测量

通过控制打开叠加电源的开关K₁，叠加在电缆导体芯上一个电压E_N，闭打开自动控制开关开始测量得到I⁺，然后将叠加源极性调换，再测量得到电流I^-；

按下式进行修正：

$R_I=\frac{E_N}{I}---\left(6\right)$

式中，R₁为测量得到的绝缘电阻，根据被测量电缆长度得到单位长度电缆的绝缘电阻，叠加源正负极性交换两次进行测量，以减少测量误差；

5)测量得到上述参数以后，下位主机通过数据收发单元GPRS发送到上位机，上位机通过设置的数据采集分析软件对测量参数进行分析，按给定的评价标准给出电缆绝缘状态的评判，给出综合诊断结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的数据收发单元GPRS具有无线数据收发功能，下位机通过数据收发单元GPRS和动态主机域名服务器连接，上位机通过互联网登陆动态主机域名服务器，数据收发单元GPRS通过动态主机域名服务器检测登陆服务器的用户，并将数据传给上位机系统。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流传感器位于上位机上，其中心频率为50Hz。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的叠加电源加在三相电压互感器中性点和大地之间。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的电流传感器采用罗高夫斯基线圈。

Images