船舶码头电缆绝缘监测装置设计

姚东红，王新枝，刘连超，张 军



船舶码头电缆绝缘监测装置设计

姚东红1，王新枝2，刘连超1，张 军3

（1. 海军91370部队，福州 350000; 2. 海军工程大学，武汉 430033; 3. 海军92459部队，福建宁德352000）

交联聚乙烯电力电缆广泛应用于船舶码头电力系统。针对船舶码头电力电缆的绝缘状态检测，目前大都采用定期离线检测的方式，不利于电力系统运行的连续性，正逐渐被在线监测技术所取代。本文根据船舶码头输电电缆的特点，确定了船舶码头电力电缆等效电路模型，采用正反直流叠加快速检测法测量电缆绝缘值，并设计研制了船舶码头电缆绝缘监测装置的软硬件电路。试验结果表明，该装置能够较好地完成对船舶码头电力电缆绝缘的绝缘监测任务。

电力电缆 在线绝缘监测 快速检测法

0 引言

XLPE电力电缆是船舶码头输配电系统的重要组成部分。在投入运行后，XLPE电力电缆将受到电、机械、化学、以及热、光等因素的作用而发生老化，出现“电树枝”和“水树枝”等现象[1,3]，甚至发生电击穿和热击穿。传统的离线检测电缆绝缘老化的方法，需要在停电状态下检测，不能满足供电连续性的要求。目前XLPE电力电缆在线监测手段主要包括：直流成分法，直流叠加法，介质损耗正切法，低频法，局部放电法等[4]。其中直流叠加法在实际在线检测XLPE电力电缆绝缘状态中应用广泛。但是当电力电缆存在水树枝整流效应及对地分布电容较大时，该方法的检测精度和检测时间将受到很大影响。因此，本文改进现有的直流叠加方法，通过测量暂态参数计算XLPE电缆绝缘值，设计了在保证检测精度的同时，实现快速测量的绝缘监测装置。

1 检测原理

直流叠加法检测电缆绝缘电阻，只需要从中性点向电网中注入直流电压，几乎不改变现有电网的结构，易于安装使用。而电缆绝缘处于交流高压的作用下，采用小功率低压稳压直流电源，就能真实反映绝缘的实际情况，且对电网正常运行影响较小。同时采样电阻上的直流电压信号易于提取，抗干扰能力强，受交流电网影响较小。目前针对XLPE电缆绝缘的直流叠加检测方法，主要有直流叠加快速检测法，正反叠加直流电源法，以及在测量电缆防护层和外皮对地绝缘电阻时采用的补偿电动势法等[5,7]。直流叠加快速检测法采用了RxCx电缆等效模型，由于没有考虑水树枝整流效应，虽然测量较快但易受干扰，数据可靠性不高[8]。正反叠加直流电源法采用了RxId电缆等效，通过正反两次叠加直流电源，消除杂散干扰，有效地提高了测量精确度[6]，但需等待过渡过程结束，测量时间较长，不利于在线监测。

本文采用正反直流叠加快速检测方法，其对应的电缆综合等效模型为绝缘电阻R、对地分布电容C和整流效应等效电流源I的并联模型，（即RxCxId等效模型）见图1。通过先后正反叠加直流电源，消除水树枝引起的I等其他单向杂散干扰，并利用快速检测的方法，减少直流电源叠加时间，快速准确地得出电缆绝缘值。

正反直流叠加快速检测法等效电路如图2，该检测原理的测量过程叙述如下：

将开关S推至1位，监测回路由采样电阻R0、限流电阻R1、叠加的直流电源E以及电缆RxCxId等效电路组成。回路接通后，等时间间隔地对采样电阻R0的电压U0采样，得到四个电压值：UUUU，计算出分别对应的分布电容瞬时值UUUU

其中：U（=1，2，3，4）为分布电容上直流电压的实时电压值。

由上式可得：

即该情况下的电缆绝缘R上的分压。上述测量完成后，将开关S推至2位，反向叠加直流电源E。回路接通时，电缆分布电容上有初始电压U，其方向与此时叠加的直流电源E的正方向相反，则：

重复上述过程得出电缆绝缘R上的分压。

再由：

消除I等造成的杂散干扰电流的影响，并由

得到电缆绝缘电阻R。

从式1-5可以看出，测得的绝缘值与上述干扰因素无关，因此正反直流叠加快速检测法在理论上能很好的消除水树枝整流效应造成的影响。同样的，电路中存在其他单向杂散干扰均可通过该检测方法消除，弥补直流叠加快速检测的缺陷，提高了测量精度。同时，只要实现快速等间隔采样，就能保证检测速度。因此，正反直流叠加快速检测法能够适用于船舶码头输电电缆在线绝缘监测系统。

2 船舶码头输电电缆绝缘在线监测装置的设计

10 kVXLPE电力电缆监测装置是码头供配电监测系统的组成部分之一，要求能采用在线和离线两种测量方式，具有自动和手动检测功能，实时显示监测结果，发出报警信号，同时将数据上传至上级管理控制系统，并具有良好的人机交互界面。

2.1硬件设计

根据监测系统要求及装置技术性能指标，基于正反直流叠加快速检测法，设计的电缆在线监测装置主要构成部分有：信号叠加和取样模块（包括直流叠加电源、保护模块和滤波取样模块）、A/D转换模块、CPU处理控制分析模块、通信模块、人机交互模块。整体框图如图3。

其中直流叠加电源采用洛埃耶逆变—变压—全桥整流——稳压输出的方案，实现50 VDC稳压输出。在提供稳定、有较高精度的直流电压的同时，不会影响GPT二次开口三角的输出电压导致保护开关动作。此外，为了在电网断电状态下也能正常检测，采用12VDC蓄电池为直流电源供电，保证较高的可靠性和连续性。

滤波取样模块采用AD202精密隔离放大器，将单片机电路与交流电网、叠加采样电路进行良好的隔离。在隔离放大电路后加入了电压跟随电路。由于监测装置叠加的直流电压很低，而电缆绝缘电阻、采样电阻和限流电阻阻值相对较高，采样的电压信号功率很小。如果后续电路输入阻抗比较小，信号就会有相当的部分损耗在前级的输出阻抗中。采用电压跟随电路作为缓冲级，输入阻抗高，输出阻抗低，提高了带载能力，并具备一定的隔离作用。

保护模块包含快速熔丝、高压继电器、限流电阻、低压放电管。保证在线监测装置的正常使用和故障情况均不会影响输配电系统的正常工作，同时减少电网的故障对在线监测系统的影响。

监测装置设置了良好的人机交互模块，采用WYM320240E型单色标准图形点阵显示模块，采用了RAIO双图形中文文字/图形控制器RA8803。显示信息包括装置自检状态，测量状态、测量数据及报警信息。通信模块设置了RS-485和CAN总线两种通信方式，便于与上级管理控制系统通信。同时也设置了延伸报警触点。

2.2软件设计

监测装置主程序固化在CPU处理分析模块中，包括自检初始化单元、数据采集单元、数字滤波单元、数据分析处理单元、以及显示通信单元和按钮继电器控制单元等。其流程图见图4。

装置的自检和初始化是指在检测系统软件启动的时候，检查各个硬件能否正常工作，并按照设计的默认值设置参数。硬件的自检和初始化目的在于系统软件启动之后，不需要人为地设置任何参数就可以正常检测，并在硬件出现问题时，及时报警提醒维修更换，避免影响损坏其它部件。软件的初始化主要是对界面显示、采样时间、数据计算参数、校准设置、远程数据传输等的初始化。

数据采集单元主要完成测量数据的获取和初步识别任务。当采样数据达到设定的采样点数时，系统自动停止采样。如果系统发现采样数据不成功，则执行补充采集程序。在补充采集程序中，直流电源的叠加顺序与前次采集相反，即先反向叠加直流电源，再正向叠加。数字滤波单元采用中位值平均滤波法对采集的数据进行分析。对于偶然出现的脉冲性干扰和周期性干扰均有良好的抑制作用，平滑度较高[9]。

监测装置获取的电压信号在模数转换之前经过了硬件RC滤波，但仍有部分干扰信号无法滤除，可以通过数字滤波方式进一步消除。 数据分析处理单元将初步分析后的数据进行运算处理，得出被测电缆的绝缘值，并将结果发送至数据输出单元。采样的电压信号经过数字滤波后，存放在指定的数组中。为了得出被测的绝缘电阻值，需要甄别采样数据的真伪，再根据数据的性质，采用不同的处理运算方法。

3 试验分析

在实验室完成对船舶码头输电电缆绝缘监测装置的试验，试验电路见图5。

监测装置由三相电压互感器中性点接入电网，380 VAC采用浮地三相三角形连接方式，由隔离变压器输出实现交流电网环境。为了测试监测装置在各种绝缘状态的检测情况，实验室采用可以任意调整的电阻R、电容C模拟XLPE电力电缆的绝缘电阻和对地分布电容。三相电压互感器中性点电压，即零序电压，模拟实际监测环境中的单向杂散干扰。

试验时将另一台采用传统直流叠加法的绝缘监测装置（装置2）与本文研制的监测装置（装置1）一起接入电路，通过开关S切换监测装置，比较两者的性能。

首先，在采用相同绝缘电阻R的情况下，设置不同的分布电容值，两台装置测量结果对比如表1。监测装置2采用测量结果实时显示的方式，即测量出当前数据就立即显示，随着测量时间的推移不断更新显示数据。

从上表可以看出，若不设置分布电容，两台监测装置测量结果相似，完成时间也比较接近。当分布电容不断增加时，装置2得出最终数据的等待时间不断增加，而装置1的测量时间没有明显的变化。一般码头电力电缆长度不超过10 km，分布电容一般在4.5μF（按0.45μF/km计算）以内，因此采用正反直流叠加快速检测法的装置1，检测时间不受分布电容的影响。

其次，设置多个分布电容Cx值，以比较不同分布电容对本文研制的监测装置测量影响，其结果见表2。

上表中，当R<10 MΩ，即电缆绝缘在严重问题范围时，测量误差绝对值在0.7%～2.4%之间。当10 MΩ<R<100 MΩ，即电缆绝缘在中度问题范围时，测量误差绝对值在0.2%～2.9%之间。当100 MΩ<R<600 MΩ，即电缆绝缘在轻度问题范围时，测量误差绝对值在0.3%～4.1%之间。能够精确测量绝缘值，正确反映电缆绝缘状态，降低误报概率。

试验结果表明，本文研制的监测装置能在有交流干扰，模拟分布电容和单向杂散干扰的情况下，快速准确的测量绝缘电阻，达到预期的目标。

4 结论

本文针对船舶码头输电电缆的特点，选择正反直流叠加快速检测法及相应的输电电缆电路等效模型（RxCxId等效模型），设计并完成了船舶码头输电电缆绝缘监测装置的软硬件设计。运行试验表明，该装置能对输电网络和XLPE电缆的绝缘状况进行监测，具有信号采集速度快，精度高，操作简单，监测结果直观等优点。该在线监测装置可以连续、实时地监测运行状态下的绝缘状况，在发生绝缘问题时，能及时准确的发出报警信号，避免故障进一步扩大。

[1] C．Kim，J．Jang，et，al．Finite element analysis of electric field distribution in water treed XLPE cable insulation (1)：The influence of geometrical configuration of water electrode for accelerated water treeing test [J]．Polymer Testing，2007，26：482-488．

[2] C．Kim，Z．Jin，et，al．Investigation on water treeing behaviors of thermally aged XLPE cable insulation [J]．Polymer Degradation and Stability，2007，92：537-544．

[3] G．Chen，C．H．Tham．Electrical treeing characteristics in XLPE power cable insulation in frequency range between 20 and 500 Hz [J]．IEEE Tran．On Dielectrical Insulation，2009，16 (1):179-188．

[4] 蔡丹寅，周汉亮．XLPE电缆现场在线诊断方法介绍[C]．第2届全国电气绝缘测试技术学术交流会论文集, 1987：154-156．

[5] 郑晓泉，曹晓珑．XLPE电缆护套电阻及接地化学电势对在线诊断的影响及其影响对策[J]．电线电缆，1996，4：20-22．

[6] 郑晓泉，王国红．直流法XLPE电缆绝缘在线诊断中的几个影响因素及其对策[J]．电线电缆，2000，5：28．

[7] 郑晓泉，曹晓珑，陈平等．补偿电动势在直流叠加法在线检测XLPE电缆绝缘老化技术中的应用[J]．电工技术杂志，1999，4：8-10．

[8] 王昌长，李福祺，高胜友．电力设备的在线监测与故障诊断[M]．北京：清华大学出版社，2006, 3:96-107．

[9] 张俊．匠人手记.一个单片机工作者的实践与思考[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2008:103-136．

Design of Hot-line Insulation Monitoring Device of Dock Power Cable

Yao Donghong1,Wang Xinzhi2, Liu Lianchao1, Zhang Jun3

(1. No.91370 Troops of PLA, Fuzhou 350000, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan430033, China ; 3.No.92459 Troops of PLA, Ningde 352000, Fujian, China)

Power cable with cross-linked polyethylene insulation is widely used in dock power system. For continuity of power system, traditional insulation monitoring technology in the power-off mode, used to monitor power cable insulation in dock, is being substituted by the on-line monitoring technology. According to the feature of power cable in dock, the paper gives dock power cable equivalent models, brings up forward and inverse DC superposition fast detection, and puts forward the gross structure of the hot-line insulation monitoring device of dock power cable. The design of corresponding hardware and software is introduced, and the field experiments show that the device can meet the requirements of monitoring for the insulation of the XLPE cable in dock power system.

power cable; hot-line insulation monitoring; fast detection

TM930

A

1003-4862（2015）07-0057-05

2014-09-09

姚东红(1972-)，男，工程师。研究方向：电气设备状态监测诊断。