基于接地線電流法的電力電纜絕緣在線監測

肖思華

（新疆特變電工樓蘭新能源有限公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841899）

0 引 言

供電企業為減少工作人員數量，并提高供電的安全性和高效性，對變電站設備的自動化要求越來越高。但電力系統在實際運行過程中易出現故障現象，可能造成較大損失。因此，文章設計電力電纜絕緣在線監測系統，可實時監測電纜的絕緣狀態，便于工作人員及時確定電纜的故障位置，并對故障部位進行相應的處理。

1 電力電纜絕緣在線監測原理

電力電纜絕緣在線監測系統內部包含傳感器、電流采集單元以及計算機系統等設備，為實現電力電纜絕緣參數的精準監測，可充分利用系統內部設備判斷電力電纜的絕緣狀態。電力電纜絕緣在線監測系統中存在多個電流采集單元，每條電纜均有對應的電流采集單元。為保證電力電纜絕緣狀態的精準監測，1 個電流采集單元只負責1 條電纜的狀態監測。不同電流采集單元之間處于相互獨立的狀態，可采用就地安裝的方式將電流采集單元安裝在電纜一側。若其中一個采集單元出現故障現象，則可由其他電流采集單元負責該條電纜的狀態監測工作。通過該方式可有效避免系統出現故障時無法有效監測電纜絕緣狀態的問題，有利于最大限度降低電纜發生風險的概率。為保證電流采集單元與上位主機之間的通信聯系，文章采用串行通信的方式建立電流采集單元與上位主機之間的連接[1]。

2 電力電纜絕緣在線監測系統方案設計

文章采用星型拓撲結構，設計電力電纜絕緣在線監測系統。為實現數據的精準查詢，將服務器與系統節點之間存在的通信協議作為主要依據，利用系統軟件點名式查詢數據。電力電纜絕緣在線監測系統是一種可綜合評判電纜絕緣狀態的系統，通過該系統可實現電纜各種狀態量的實時監測。由于電纜中各條線路之間的距離較遠，為保證各條線路之間的通信連接，在應用過程中將通用分組無線業務/碼分多址（General Packet Radio Service/Code Division Multiple Access，GPRS/CDMA）通信方式作為電力電纜絕緣在線監測系統的核心。傳統電纜絕緣狀態監測主要采用現場總線通信方式建立連接關系，但可靠性、距離以及性價比等均低于GPRS/CDMA 通信方式[2]。

設計電力電纜絕緣在線監測系統的方案時，在系統內部增加多個節點，每個節點在電力電纜絕緣在線監測系統中主要負責監測就近的一相或多相接地電流。利用節點采集電纜的電流數據，通過GPRS/CDMA 通信方式實現數據傳輸，電流數據的傳輸終點為中心服務器。服務器在電力電纜絕緣在線監測系統中主要負責處理各個節點上傳的數據信息，并將電纜絕緣狀態監測數據整合成報告的形式，為工作人員提供相應的參考。電力電纜絕緣在線監測系統的設計方案如圖1 所示。

圖1 電力電纜絕緣在線監測系統的設計方案

3 基于接地線電流法的電力電纜絕緣在線監測系統硬件設計

設計電力電纜絕緣在線監測系統的硬件部分時，采用接地線電流法作為該系統的核心方法。當電纜處于運行狀態時，將系統內部各個節點掛接在電纜上，長期監測電纜的絕緣狀態，并實時采集電纜產生的數據信息。通過接地線電流法實時監測電纜絕緣狀態，有利于提高電力電纜的安全性，同時可在不改動電網接線的情況下，實現運行狀態的精準監測。電力電纜絕緣在線監測系統的關鍵部分為接地線電流監測單元，該單元位于電力電纜絕緣在線監測系統的每個接地點，且電力電纜絕緣在線監測系統內部每個節點均含有一個或者多個電流檢測單元。為保證電力電纜絕緣在線監測系統的穩定性，將電力電纜絕緣在線監測系統劃分為多個組成部分，硬件結構如圖2 所示[3]。

圖2 電力電纜絕緣在線監測系統的硬件結構

3.1 電流檢測單元

電流檢測單元內部的核心設備為電流互感器（Current Transformer，CT），在電力電纜絕緣在線監測系統中主要負責實時檢測電纜電流的變化情況。為保證電流檢測單元的精準性，設計電流檢測單元時，將電纜線路的絕緣狀態與電流檢測單元的精度要求作為主要依據，選擇性能優良的CT 作為電力電纜絕緣在線監測系統的核心設備，有利于提高電流檢測單元的檢測精度。

3.2 信號變換單元

信號變換單元在電力電纜絕緣在線監測系統中主要負責處理電纜電流，量化CT 二次側輸出的電纜電流數值，并將其轉換為標準的直流電壓信號，轉換完成后的電壓信號為0 ～5 V。設計信號變換單元時，為保證電纜電流信號轉換的精準性，在信號變換單元內部增加保護、濾波及抗沖擊等電路。通過添加多種電路，有利于精準反映CT 二次側輸出的電纜電流數值的大小，同時可提高電力電纜絕緣在線監測系統內部信號電壓的穩定性，使其處于安全的電壓范圍內。對于經信號變換單元處理后的信號，主要傳輸至模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換單元。

3.3 A/D 轉換單元

A/D 轉換單元在電力電纜絕緣在線監測系統中主要負責信號與信號之間的轉換，可將電力電纜絕緣在線監測系統輸出的電壓信號轉換為數字信號。為實現電纜接地線電流狀態數據的綜合處理，可充分利用單片機和GPRS 節點主機，精準反映電纜接電線的電流數據變化情況，并將數據信息上傳至GPRS 數據中心服務器。單片機具有通信控制等功能，在電力電纜絕緣在線監測系統中可實現數據的采集，同時可分析數據的有效性。通過GPRS 數據中心服務器的處理與分析，有利于提高電力電纜絕緣在線監測系統對信號接收的精準度[4]。

3.4 GPRS 通信單元

GPRS 通信單元在電力電纜絕緣在線監測系統中主要負責建立系統與遠程主機之間的通信聯系，有利于提高電力電纜絕緣在線監測系統的工作效率。GPRS 通信單元的工作條件較為簡單，建立通信連接的區域僅需要覆蓋手機信號，即可維持GPRS 通信單元的穩定工作。文章設計GPRS 通信單元時，將無線通信技術作為GPRS 通信單元的核心技術。隨著無線通信技術性能的提高和運行成本的降低，有利于提高GPRS/CDMA 的性價比，為電力電纜絕緣在線監測系統的后續發展奠定基礎。

4 基于接地線電流法的電力電纜絕緣在線監測系統軟件設計

設計電力電纜絕緣在線監測系統的軟件部分時，將該系統的軟件部分劃分為數據分析模塊、導航模塊、數據輸出模塊等。其中，數據分析模塊可對電力電纜絕緣在線監測系統產生的多種數據進行對比分析、趨勢分析等操作，同時可分析數據生成的歷史曲線、柱狀圖等。在實際操作過程中，電力電纜絕緣在線監測系統的導航功能可對電纜線路的運行狀態與電流傳感器的安裝位置進行導航，導航過程中產生的參數變化可通過圖形化界面進行顯示。電力電纜絕緣在線監測系統運營人員可將節點監測信息和電纜線路的異常狀態作為主要依據，在圖形化界面中快速地查找出電纜線路的位置，并及時修復故障電纜線路。數據輸出模塊可將電力電纜絕緣在線監測系統生成的數據報表和報警記錄信息整合成報告，并輸出至上位機，為打印文件等傳送工作提供依據，有利于運營人員直觀查看電纜線路維修情況。絕緣在線監測系統的軟件結構如圖3 所示。

圖3 絕緣在線監測系統軟件結構

通過對絕緣在線監測系統上傳的電流數據進行對比和趨勢分析，有利于提高電纜線路的穩定性。為實現電纜電路絕緣狀態的綜合性判斷，文章采用電流幅值波形比較判別法和同一線路相間的橫向比較法作為主要判斷方法。

4.1 電流幅值波形比較判別法

在實際運行過程中，電纜線路易出現負荷和電壓的變化，接地線電流的幅值會隨著電纜線路參數的變化而變化，因此無法根據接地線電流幅值的大小判斷電纜的絕緣狀態。采用電流幅值波形比較判別法綜合性判斷電纜電路的絕緣狀態，將接地線電流法的原理作為主要依據，有利于提高判斷結果的準確性。在實際監測過程中，將220 kV 的電力電纜接地線電流作為主要研究對象，利用絕緣在線監測系統48 h 觀察該接地線的電流變化情況，并將觀測結果繪制成波形，便于運營人員更加直觀地觀察電纜接地線的絕緣狀態。

通過分析電力電纜絕緣在線監測系統的觀測結果，在電纜運行過程中，電流數值在峰谷與峰值處存在較大差異。將時間作為觀測依據時，電纜電流的變化情況與負荷電流一致。電容電流在電纜運行的某個時刻出現均值的大幅度增長時，需要排除該線路的故障現象。若該電路未出現故障現象，可認為該線路的護層絕緣較好[5]。

4.2 同一線路相間的橫向比較法

若三相運行電壓處于平衡狀態，電纜的三相接地線電流也應處于平衡狀態。采用同一線路相間的橫向比較法判斷電纜的絕緣狀態時，將電纜的A、C 兩相接地線電流產生的數據繪制成波形，判斷電纜線路電流的變化情況與絕緣狀態。電網在運行過程中，內部電壓易產生不平衡現象，且電網電壓存在不平衡度。進一步分析電纜各項指標的變化情況，電纜兩相接地電路電流的幅值之間存在較大差異，但整體變化規律較為一致。為綜合判斷電纜護層的絕緣狀態，可在一定時間內判斷每相均值是否在同一統計值范圍內，并將判斷結果與三相電流進行對比，從而實現電纜護層絕緣狀態的精準判斷。

5 結 論

為有效防止電纜線路出現故障現象，設計電力電纜絕緣在線監測系統，通過該系統實時監測電纜護層的絕緣狀態。電力電纜絕緣在線監測系統具有組件靈活、擴展空間大及性價比高等優勢，通過該系統判斷電纜絕緣狀態，有利于提高電纜的安全性，為電力系統的穩定運行提供保障。