电缆耦合局放温度在线监测系统

电缆耦合局放温度在线监测系统

一、 综述

目前全国大多数电力公司对电力隧道、沟道内主干电缆的管理还处于计划检修阶段，一般采用定期巡视的方法对电缆的运行状况进行检查。从经济角度和技术角度来说，计划检修都有很大的局限性，例如定期试验和检修造成了很大的直接和间接经济浪费，许多绝缘缺陷和潜在的故障无法及时发现。

随着国家电力基础设施投入的逐年增大，电力隧道的长度也正在迅速增加，

由于运行维护人员的增长速度远远跟不上电力基础设施的增长速度，致使电力隧道运行工作面临着巨大压力，再者随着城市的加速发展，电力沟道和高压管线的迅速增长，电力负荷的急剧增加，电力公司对隧道的运行维护工作面临着巨大压力：如何保证隧道内电缆不因过载、过热等情况突发大的运行安全事故；隧道内积水、可燃气体等不影响到供电系统的安全等新的要求，想解决当前面临的种种问题，仅靠大量增加运行人员数量来应对电力隧道的迅速增长和管理压力已经不现实，采用现代化的技术手段来提高电力隧道运行维护水平是当务之急。

电缆是电缆网发生故障几率较大的设施，分别通过传感器耦合电缆的信号、传感器对电缆接头的局部放电对电缆进行监测数据采集，将其采集到的局部放电参量、温度数据传送到监测中心，对电缆的运行状态进行分析评估，实现电缆运行状态的行时时监控，从而为电力部门有效的预防事故灾害的发生提供有力的的保障。

二、 电缆耦合局放温度在线监测系统 

2.1 概述

由于交联聚乙烯（XLPE）电缆具有绝缘性能好、易于制造和安装方便、供电 安全可靠、有利于美化城市等优点，在 60 年代初问世以来的 40 余年中得到了迅速发展。在中低压领域几乎替代了油浸纸绝缘电缆，并已在高电压等级中使用。近十年来，我国城市电网中大量采用 XLPE 电力电缆输配电。但是这种电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料不纯而存在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因，在绝缘与半导电屏蔽层之间存在间隙或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电（PD），同时在电力电缆的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电。由于 XLPE 等挤塑型绝缘材料耐放电性较差，在局部放电的长期作用下，绝缘材料不断老化最终导致绝缘击穿，造成严重事故。

有关资料统计，电力系统中的电力电缆的事故主要发生在其接头，事故原因很大程度上取决于接头的施工条件和施工技术。为了保证电力电缆的安全运行，要求在接头做好后进行耐压和局部放电的试验。同时，对已经进入运行的电缆也能经常测量其局部放电以评估其绝缘状态。

在工厂制造的电缆，出厂前必须经高压耐压试验，检验有无局部放电。电缆在现场施工安装好后也要做现场耐压和局部放电测试，以保证能安全投入运行。 IEC 及世界各国都制定了相关的局部放电测试标准[4]，通过对局部放电的监测及时发现绝缘系统中的薄弱环节，找出故障原因，保证电力电缆质量，保障电力

系统安全可靠运行。

电力电缆已经成为输送电力的血管之一，而高压电力电缆接头又是电力电缆系统中的薄弱环节，容易发生故障。因此对电缆进行现场局部放电监测、温度监测对实现电力系统的安全运行，进而对经济发展、社会稳定都有重要的意义。

2.2 国内外发展现状

局部放电一直是电缆绝缘（特别是塑料电缆）非破坏性电气检验的主要项目。从 50 年代后期开始，世界各国专业人士纷纷致力于高灵敏度的局部放电检测仪器的开发来对电缆绝缘进行局部放电的检测。在以后的发展中，主要是围绕局部放电测量中的抗干扰问题和局部放电点的定位两个方面展开。随着电子技术的发展，在传统的脉冲电流法的基础上发展了基于宽频带检测技术，应用数字信号处理方法进行抗干扰、定位和谱图分析的计算机辅助的局部放电测量技术，大大推动了电缆局部放电测量技术的发展。

2.3 该系统的技术原理及功能简述 

2.3.1 技术原理简述

系统采用模块化设计，其结构原理如图所示。

通过安装电容耦合传感器(在电缆接头装有防爆壳情况下，电容耦合主副传感器分别包裹在电缆接头两侧，尽量选择接头两侧1米范围之内;在电缆接头无防爆壳情况下，主传感器包裹在电缆接头上的一侧，副传感器包裹在电缆接头另一侧外电缆本体上，尽量选择距离接头1米范围之内)，来耦合电缆接头的局部放电脉冲电流信号(每一个中间接头需配置2套电容耦合传感器，其中1套安装于监测点位，用于采集局部放电信号，另1套安装于电缆隧道的其他电缆回路上，主副传感器的两部分距离与电容耦合传感器两部分距离保持一致且平行安装，若被监测电缆附近无其他电缆，则可将噪声传感器安装在所监测电缆距离电容耦合传感器5m处，用于采集噪声信号);耦合到的脉冲信号通过同轴电缆传送至监测装置，对模拟信号经过放大、模拟数字转换后变成数据信号。

测温传感器采用接触式测温，捆绑于电缆接头处，通过无线射频传输至温度局放主机。

2.3.2 系统的功能和特点 

1） 系统功能

1.能检测放电量，放电相位，放电次数等基本局部放电参数以及温度数据，并可按照客户要求，提供有关参数的统计量。

2.最小测量放电量：1mV； 测量频率:3MHz－300MHz； 放电脉冲分辨率：10µs；

3.能显示工频周期放电图、二维（q-φ,N-φ,N-q）及三维（N-q-φ）放电谱图。

4.利用 Access 构建的数据库，可记录测量相序、放电量、放电相位、测量时间等相关参数，可提供放电趋势图并具有预警和报警功能，可对数据库进行查询、删除、备份以及打印报表等。

2）系统特点

1.抗干扰能力强，系统采用宽频带检测技术，应用双传感器定向耦合脉冲信号并利用宽频差动电流脉冲极性鉴别法进行在线的干扰抑制，以剔除最难消除的随机脉冲型干扰；再加上设置阀值电压、数字滤波、小波分析等其他综合抗干扰措施，使测量结果准确可靠。

2.采用虚拟仪器技术，将硬件模块与计算机结合，利用 LabVIEW 编写软件，通过界面操作，实现各种功能，并便于进一步开拓。

2.4.系统结构 

2.4.1 系统结构图

该系统系统由多个模块构成，分别为：传感器模块、数据采集模块、数据服务器模块以及数据传输模块构成。

电缆接头在线监测系统分布式结构，即电缆接头局放信号通过分布在各个监测点的高速采集模对信号进行选通、放大、采集，转换成数字信号，经过通信协议，把数据传送到数据服务器，由数据服务器统一对信号进行计算、分析操作。

典型系统包括：

¨ 主站计算机系统（网络通信接口、软件平台和专用软件）

¨ 高速数据采集模块

¨ 工频触发模块

¨ 信号多路选通调理模块

¨ 电源模块

系统说明：

每个电缆接头放置一个检测装备，各个采集单元分布安装于被测电缆接头设备附近，通过4G，以数字通讯的方式与数据服务器通讯。所有监测数据存储于主站计算机数据库中，数据库格式符合国家电网公司状态维修支撑平台对在线监测系统数据库格式的要求。

2.4.2 系统网络图

信号采集单元与数据服务器是通过标准的 TCP/IP 协议进行通信。每个信号采集单元需要一个独立的局域网内的 IP 地址，数据服务器也需要一个独立的局域网内的 IP 地址，信号采集时，是由数据服务器来发送采集命令，逐次采集各个点的放电信号，并接收由各个测量点通过光纤局域网所传回的数据。然后在数据服务器上进行分析，计算后传输给中心数据库。

2.5 各单元介绍 

2.5.1 电缆局放耦合传感器 

传感器由耦合电路、信号天线、尼龙外壳、防水接头和捆绑扎带组成。天线耦合到将放电信号后传至主机分析。为了抑制干扰，提高信噪比，并考虑到防雨、防尘等要求，耦合天线及滤波采样单元都安装在金属屏蔽盒中。

2.5.2 传感器实物图  

局放耦合传感器

2.5.3 局放耦合传感器性能

频带 ：3M-100MHz（局放耦合传感器有效频段  ）              

灵敏度：≤5pC

检测范围：5pC～10000pC

输出接口：标准BNC或N型接口

校正接口 ：标准BNC或N型接口

环境温度： -40℃～85℃

电缆局放耦合传感器实验室条件下测试放电信号波形图

（a）           （b）

电缆局放耦合传感器的脉冲响应及频谱分析

2.5.4 无线温度传感器

2.5.5 局放温度监测主机

监测过程及原理：接收传感器从电缆接头处检测到的放电信号，进行滤波、放大、AD 转换，然后将转换后的数字信号进行运算、分析、处理后进行存储和转发，最后将数据送至监控后台。

主机性能指标，如下：

主机安装图片：

2.6 软件部分

系统采用虚拟仪器技术软件作为采集和分析软件的开发平台，保证抗干扰技术的良好实现。系统软件可分为参数设定、数据采集、抗干扰处理、谱图分析、趋势分析、数据整理及报表等部分。

系统特点 ：

1）子系统带有诊断功能，自动对比典型图谱

2）通信方式改用4G，解决了数据传输问题（RS485限制了数据传输）

3）每个子系统安装2个局放传感器（最多

   装4个），避免了同轴电缆太长导致信

   号衰减，同时提高了信号的真实性。

4）在传统频域、时域的基础上增加了1/6背

   景干扰滤除法，保证了信号的可信度。

5）系统可查看二维三维图谱及历史记录。

2.7局放温度监测重要性（现场事故案例）