基于谐波法的电缆谐波监测分析技术研究

中山景明智慧能源技术有限公司 李 朋 覃远云

20世纪80年代，国外学者结合多起电缆故障，通过低压脉冲法、冲闪法及二次脉冲法分析波形数据、进行故障点位初步测距，再通过声磁同步法精确定位故障点。最后将电缆故障部分进行解剖，分析具体故障原因，为中压电缆终端在电力系统中安全、稳定运行提供依据。虽在电力电缆检测的技术和应用方面取得了一些进展，但当前常规检测手段难以对带电运行中的电缆进行绝缘劣化分析及寿命预测，大多数绝缘劣化分析及寿命预测是在实验室中完成[1]。

本文主要研究内容包括：电缆谐波诊断终端的研究和开发；研究用两大模块来设计电缆谐波诊断的硬件系统；通过电流经过电谐波监测系统信号对比系统中的数据监测信号对比完成采集。

1 谐波诊断系统

是一种可提取、存储、分析、对比并上传信息的新型系统。该系统能测量电气电缆和电气设备的谐波并分析其中的高次谐波的含有率，然后利用神经网络的思维与故障诊断技术相结合，处理后的数据与已有专家数据库进行对比分析就可得到电缆老化的基本情况，从而给出检修建议。从该系统得到的结果不需断电，且在带电工作下测量且操作简单、安全、便捷；为减少不必要的安全隐患及能源损耗，以及针对性的检修维护、大幅度降低各生产环节设备的非正常停电及停机时间，可从给出的检修方案可实现。

谐波诊断系统在线诊断技术核心，是利用非接触式的传感器，在不影响设备正常运行的情况下采集电气设备产生的电流高次谐波信号，并经过快速傅里叶变换变换及小波变换后，与谐波诊断系统诊断技术专家数据库进行比对分析，来判断设备目前存在的异常和缺陷，再采用先进的劣化趋势分析技术对当前设备存在的异常和缺陷进行劣化趋势分析，从而实现对设备的带电状态诊断及故障预测。谐波诊断系统诊断技术具有以下技术特点和优势。

预知预判，准确性高：谐波诊断系统诊断技术能及早发现设备潜在的风险，为故障排除赢得准备时间；带电检测，效率性高：实现设备带电运行状态下的动态监测，不影响正常生产；分析简单，智能性高：无需专业人员频谱分析，设备状态的分析过程由智能化管理软自动完成；非接触式，安全性高：采用电磁感应技术，进行非接触式状态数据采集，实现人机安全；单点检测，系统性高：选取一点数据采集，可同时分析电气故障和机械故障并自动生成诊断结果。

趋势管理，指导性高：谐波诊断系统诊断技术先进的劣化趋势分析技术能实现设备故障预测和寿命周期分析；范围全面，适用性高：可对常见的各类电动机进行在线状态监测，广泛应用于工业生产的各个领域；提升管理，精细性高：使用户在企业效益、投入成本、库存管理、减员增效、部门协调等方面得到极大提升。

谐波诊断系统电气设备健康状态在线监测诊断系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括谐波传感器、电流互感器、谐波数据采集器、上位机、显示终端，软件部分包括谐波数据采集器嵌入式数据采集软件、上位机数据分析、数据诊断软件、谐波诊断系统专家数据库软件和Web服务平台。

2 数据采集终端的设计和研发

2.1 电缆谐波诊断终端概述

电缆谐波诊断终端硬件系统分为电源、信号采集处理模块和通信模块。该系统电源部分采用220V/50Hz交流市电供电，交流电经过电源硬件部分的降压、整流处理后输出12V的直流电。电源部分输出的直流电给系统中信号采集处理模块和通信模块供电，充当系统的直流电源。

系统中信号采集处理模块部分是整个终端的核心部分，完成谐波诊断的主要电路包括电缆谐波检测电路、信号放大电路、模数转换电路和电缆谐波诊断主控微控制单元。FLASH存储电路存储系统运行的参数和日志信息，其中微控制单元的程序烧录接口可与电脑连接完成主控芯片的调试和程序烧录。信号采集处理模块与通信模块间通信的信号总线协议是工业485总线，485总线通信电路通过串口信号线与主控芯片微控制单元通信，完成信号采集与处理模块与通信模块的交互数据。

鉴于信号采集处理模块部分在运行时有多种信号存在和不同电压标准的需要，本系统对不同功能的电路采用独立的供电电源芯片，满足不同电路的供电要求的同时也有效预防电缆谐波检测信号中浪涌电流的冲击。单片机、存储芯片和485通信芯片采用单独的电源芯片供电，电缆谐波检测电路部分采用分开的电源芯片以供该部分电路工作。此外信号放大电路需要+15V和-15V电源供电，模数转换芯片需要5.0V的电压供电。

2.2 电缆谐波诊断硬件系统设计

系统电源、通信模块：该硬件系统的电源电路设计为后续整流电路提供低压交流电，降压部分由220V/50Hz交流电经变压器T1后输出10.5V交流电。电源中整流电路是由电路通过MB14S整流IC芯片将10.5V交流电整流为10.5V的直流，整流后直流信号的稳压电路采用LT3045线性稳压芯片，稳压电路输出12.0V的直流电以供其他模块工作；通信模块采用NB通信模组，是通信模组的供电电路，采用同步降压芯片TPS62148，输出5.0V直流电。485串行总线与信号采集处理模块通信，而生存时间值转485通信模块的电源采用线性稳压芯片TPS73633，输出3.3V直流电。

信号采集处理模块：电缆谐波检测电路的供电电源是电缆谐波检测电路，采用的是线性稳压芯片TPS73633，输出3.3V稳压直流。电缆工作流过交流电时会产生交变磁场，传感器通过其内部的线圈感应该磁场然后输出感应电流。谐波传感器的输出连接电缆谐波检测电路的采集口J4、J5、J6。谐波信号放大电路采用E0515S电源模块作为谐波信号放大电路电源，该电源电路输出+15V和-15V两路直流电源给信号放大电路供电。输入是电缆谐波检测电路的输出，采用OPA4277UA高精度运算放大器芯片，将电缆谐波检测电路的信号运算方法后输出。

该硬件系统的485总线通信电路采用MAX3485 RS-485收发芯片完成485通信，而其中的瞬态阻断单元浪涌保护器能很好的保护电路不被外部不正常信号的冲击，气体放电管起到防雷保护的作用。该通信电路与微控制单元共用电源。

3 研究总结

本项目通过分析被监测电缆的谐波信号，从而实现电缆的劣化情况追踪，因此该系统除需分析数据的后台诊断系统，还需电缆运行时现场的真实数据才能完成。

为进一步将理论应用到实际复杂环境的电缆监测上，本文结合人工神经网络和专家数据库建立了电缆诊断系统。当前人工神经网络取得很大发展，通过结合专家数据库系统，有效的将复杂的理论和专家数据库结合到整个诊断系统中，不仅有更准确的诊断结果，且不依赖操作人极强的专业知识，有较为高效的人机交互过程。本文结合已有的电缆寿命研究和谐波诊断系统，建立了多老化应力的电缆的剩余使用寿命的预测系统，通过贝叶斯推断将专家经验相结合，通过监测的数据即可对运行的电缆做出个体性的电缆剩余使用寿命的预测。

在建立了完整的理论基础和具体的电缆诊断系统的基础上，开发了云端的诊断系统和现场的电缆在线数据采集终端。电缆数据采集终端可采集电缆的特征量，可定时上传数据至云端，云端的诊断系统通过监测的数据对电缆监控和诊断，及时发现电缆的故障，对电缆的劣化程度进行监控。