基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测

肖思华

（新疆特变电工楼兰新能源有限公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841899）

0 引 言

供电企业为减少工作人员数量，并提高供电的安全性和高效性，对变电站设备的自动化要求越来越高。但电力系统在实际运行过程中易出现故障现象，可能造成较大损失。因此，文章设计电力电缆绝缘在线监测系统，可实时监测电缆的绝缘状态，便于工作人员及时确定电缆的故障位置，并对故障部位进行相应的处理。

1 电力电缆绝缘在线监测原理

电力电缆绝缘在线监测系统内部包含传感器、电流采集单元以及计算机系统等设备，为实现电力电缆绝缘参数的精准监测，可充分利用系统内部设备判断电力电缆的绝缘状态。电力电缆绝缘在线监测系统中存在多个电流采集单元，每条电缆均有对应的电流采集单元。为保证电力电缆绝缘状态的精准监测，1 个电流采集单元只负责1 条电缆的状态监测。不同电流采集单元之间处于相互独立的状态，可采用就地安装的方式将电流采集单元安装在电缆一侧。若其中一个采集单元出现故障现象，则可由其他电流采集单元负责该条电缆的状态监测工作。通过该方式可有效避免系统出现故障时无法有效监测电缆绝缘状态的问题，有利于最大限度降低电缆发生风险的概率。为保证电流采集单元与上位主机之间的通信联系，文章采用串行通信的方式建立电流采集单元与上位主机之间的连接[1]。

2 电力电缆绝缘在线监测系统方案设计

文章采用星型拓扑结构，设计电力电缆绝缘在线监测系统。为实现数据的精准查询，将服务器与系统节点之间存在的通信协议作为主要依据，利用系统软件点名式查询数据。电力电缆绝缘在线监测系统是一种可综合评判电缆绝缘状态的系统，通过该系统可实现电缆各种状态量的实时监测。由于电缆中各条线路之间的距离较远，为保证各条线路之间的通信连接，在应用过程中将通用分组无线业务/码分多址（General Packet Radio Service/Code Division Multiple Access，GPRS/CDMA）通信方式作为电力电缆绝缘在线监测系统的核心。传统电缆绝缘状态监测主要采用现场总线通信方式建立连接关系，但可靠性、距离以及性价比等均低于GPRS/CDMA 通信方式[2]。

设计电力电缆绝缘在线监测系统的方案时，在系统内部增加多个节点，每个节点在电力电缆绝缘在线监测系统中主要负责监测就近的一相或多相接地电流。利用节点采集电缆的电流数据，通过GPRS/CDMA 通信方式实现数据传输，电流数据的传输终点为中心服务器。服务器在电力电缆绝缘在线监测系统中主要负责处理各个节点上传的数据信息，并将电缆绝缘状态监测数据整合成报告的形式，为工作人员提供相应的参考。电力电缆绝缘在线监测系统的设计方案如图1 所示。

图1 电力电缆绝缘在线监测系统的设计方案

3 基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测系统硬件设计

设计电力电缆绝缘在线监测系统的硬件部分时，采用接地线电流法作为该系统的核心方法。当电缆处于运行状态时，将系统内部各个节点挂接在电缆上，长期监测电缆的绝缘状态，并实时采集电缆产生的数据信息。通过接地线电流法实时监测电缆绝缘状态，有利于提高电力电缆的安全性，同时可在不改动电网接线的情况下，实现运行状态的精准监测。电力电缆绝缘在线监测系统的关键部分为接地线电流监测单元，该单元位于电力电缆绝缘在线监测系统的每个接地点，且电力电缆绝缘在线监测系统内部每个节点均含有一个或者多个电流检测单元。为保证电力电缆绝缘在线监测系统的稳定性，将电力电缆绝缘在线监测系统划分为多个组成部分，硬件结构如图2 所示[3]。

图2 电力电缆绝缘在线监测系统的硬件结构

3.1 电流检测单元

电流检测单元内部的核心设备为电流互感器（Current Transformer，CT），在电力电缆绝缘在线监测系统中主要负责实时检测电缆电流的变化情况。为保证电流检测单元的精准性，设计电流检测单元时，将电缆线路的绝缘状态与电流检测单元的精度要求作为主要依据，选择性能优良的CT 作为电力电缆绝缘在线监测系统的核心设备，有利于提高电流检测单元的检测精度。

3.2 信号变换单元

信号变换单元在电力电缆绝缘在线监测系统中主要负责处理电缆电流，量化CT 二次侧输出的电缆电流数值，并将其转换为标准的直流电压信号，转换完成后的电压信号为0 ～5 V。设计信号变换单元时，为保证电缆电流信号转换的精准性，在信号变换单元内部增加保护、滤波及抗冲击等电路。通过添加多种电路，有利于精准反映CT 二次侧输出的电缆电流数值的大小，同时可提高电力电缆绝缘在线监测系统内部信号电压的稳定性，使其处于安全的电压范围内。对于经信号变换单元处理后的信号，主要传输至模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换单元。

3.3 A/D 转换单元

A/D 转换单元在电力电缆绝缘在线监测系统中主要负责信号与信号之间的转换，可将电力电缆绝缘在线监测系统输出的电压信号转换为数字信号。为实现电缆接地线电流状态数据的综合处理，可充分利用单片机和GPRS 节点主机，精准反映电缆接电线的电流数据变化情况，并将数据信息上传至GPRS 数据中心服务器。单片机具有通信控制等功能，在电力电缆绝缘在线监测系统中可实现数据的采集，同时可分析数据的有效性。通过GPRS 数据中心服务器的处理与分析，有利于提高电力电缆绝缘在线监测系统对信号接收的精准度[4]。

3.4 GPRS 通信单元

GPRS 通信单元在电力电缆绝缘在线监测系统中主要负责建立系统与远程主机之间的通信联系，有利于提高电力电缆绝缘在线监测系统的工作效率。GPRS 通信单元的工作条件较为简单，建立通信连接的区域仅需要覆盖手机信号，即可维持GPRS 通信单元的稳定工作。文章设计GPRS 通信单元时，将无线通信技术作为GPRS 通信单元的核心技术。随着无线通信技术性能的提高和运行成本的降低，有利于提高GPRS/CDMA 的性价比，为电力电缆绝缘在线监测系统的后续发展奠定基础。

4 基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测系统软件设计

设计电力电缆绝缘在线监测系统的软件部分时，将该系统的软件部分划分为数据分析模块、导航模块、数据输出模块等。其中，数据分析模块可对电力电缆绝缘在线监测系统产生的多种数据进行对比分析、趋势分析等操作，同时可分析数据生成的历史曲线、柱状图等。在实际操作过程中，电力电缆绝缘在线监测系统的导航功能可对电缆线路的运行状态与电流传感器的安装位置进行导航，导航过程中产生的参数变化可通过图形化界面进行显示。电力电缆绝缘在线监测系统运营人员可将节点监测信息和电缆线路的异常状态作为主要依据，在图形化界面中快速地查找出电缆线路的位置，并及时修复故障电缆线路。数据输出模块可将电力电缆绝缘在线监测系统生成的数据报表和报警记录信息整合成报告，并输出至上位机，为打印文件等传送工作提供依据，有利于运营人员直观查看电缆线路维修情况。绝缘在线监测系统的软件结构如图3 所示。

图3 绝缘在线监测系统软件结构

通过对绝缘在线监测系统上传的电流数据进行对比和趋势分析，有利于提高电缆线路的稳定性。为实现电缆电路绝缘状态的综合性判断，文章采用电流幅值波形比较判别法和同一线路相间的横向比较法作为主要判断方法。

4.1 电流幅值波形比较判别法

在实际运行过程中，电缆线路易出现负荷和电压的变化，接地线电流的幅值会随着电缆线路参数的变化而变化，因此无法根据接地线电流幅值的大小判断电缆的绝缘状态。采用电流幅值波形比较判别法综合性判断电缆电路的绝缘状态，将接地线电流法的原理作为主要依据，有利于提高判断结果的准确性。在实际监测过程中，将220 kV 的电力电缆接地线电流作为主要研究对象，利用绝缘在线监测系统48 h 观察该接地线的电流变化情况，并将观测结果绘制成波形，便于运营人员更加直观地观察电缆接地线的绝缘状态。

通过分析电力电缆绝缘在线监测系统的观测结果，在电缆运行过程中，电流数值在峰谷与峰值处存在较大差异。将时间作为观测依据时，电缆电流的变化情况与负荷电流一致。电容电流在电缆运行的某个时刻出现均值的大幅度增长时，需要排除该线路的故障现象。若该电路未出现故障现象，可认为该线路的护层绝缘较好[5]。

4.2 同一线路相间的横向比较法

若三相运行电压处于平衡状态，电缆的三相接地线电流也应处于平衡状态。采用同一线路相间的横向比较法判断电缆的绝缘状态时，将电缆的A、C 两相接地线电流产生的数据绘制成波形，判断电缆线路电流的变化情况与绝缘状态。电网在运行过程中，内部电压易产生不平衡现象，且电网电压存在不平衡度。进一步分析电缆各项指标的变化情况，电缆两相接地电路电流的幅值之间存在较大差异，但整体变化规律较为一致。为综合判断电缆护层的绝缘状态，可在一定时间内判断每相均值是否在同一统计值范围内，并将判断结果与三相电流进行对比，从而实现电缆护层绝缘状态的精准判断。

5 结 论

为有效防止电缆线路出现故障现象，设计电力电缆绝缘在线监测系统，通过该系统实时监测电缆护层的绝缘状态。电力电缆绝缘在线监测系统具有组件灵活、扩展空间大及性价比高等优势，通过该系统判断电缆绝缘状态，有利于提高电缆的安全性，为电力系统的稳定运行提供保障。