高压电缆绝缘在线监测系统技术研究

程 斌

（温州电力建设有限公司，浙江温州 325000）

0 引言

高压电缆绝缘老化是导致电缆故障的主要原因之一。电缆绝缘老化的主要因素包括电压应力、温度变化、湿度等，这些因素会导致电缆绝缘材料的物理和化学性质发生变化，从而降低绝缘的性能[1]。如果绝缘老化严重，可能会导致电缆绝缘击穿，造成电力系统的故障。目前，传统的电缆绝缘监测方法主要是通过定期的离线测试来判断绝缘的状态。然而，这种方法存在着测试周期长、无法实时监测等问题，无法满足电力系统对绝缘状态的实时监测需求[2]。因此，高压电缆绝缘在线监测系统技术成为当前的研究热点，文献[3-4]针对高压电缆绝缘在线监测与诊断系统进行了深入研究。

高压电缆绝缘在线监测系统技术能够实时监测电缆绝缘的状态，并及时报警，提醒运维人员采取相应的措施。通过在线监测系统，可以实现对电缆绝缘状态的全面、准确监测，提高电力系统的可靠性和安全性。为此，本文对高压电缆绝缘在线监测系统技术进行深入研究，设计了在线监测系统并进行了模拟实验测试。本文的研究可以为电力系统的维护和管理提供有效的手段，提高电力系统的可靠性和安全性。

1 高压电缆绝缘监测特征量

高压电缆绝缘可以等效为一些监测特征量，包括等值阻抗、等值容抗和介质损耗。通过监测这些特征量，可以有效评估电缆的绝缘状态和性能。等值阻抗是指电缆在交流电压下的等效电阻，它反映了电缆绝缘的导电性能。等值容抗则是指电缆在交流电压下的等效电容，它反映了电缆绝缘的介电性能。而介质损耗是指电缆绝缘材料在交流电场中产生的能量损耗，它是评估电缆绝缘损耗情况的重要指标。在本文中采用模拟实验系统来测试电缆的绝缘电阻、等值电容、接地电流和介质损耗tan δ，通过对这些特征量的监测和分析，可以及时发现电缆绝缘存在的问题，并采取相应的措施进行修复和保护。

2 高压电缆在线监测系统设计

高压电缆在线监测系统设计示意图如图1所示，系统通过电压传感器（VS）、电压互感器（PT）和电流传感器（CS）提取高压电缆的电压信号转换为对应的低压信号，然后通过预处理及保护模块对采集到的电压、电流信号进行放大、滤波、抗干扰预处理和保护后传送至SCXI（Signal Conditioning Extensions Instruments）信号调理系统，调理和处理后的信号由同步数据采集卡对电缆绝缘参数进行实时采集和监测，最后数据处理显示保存模块对采集到的数据进行处理和分析，再通过监测主站平台人机界面实时监测高压电缆的运行状态和各项特征量的变化趋势。

图1 高压电缆在线监测系统图

2.1 系统硬件设计

高压电缆在线监测系统装置如图2所示。该装置设计包括传感器、预处理及保护模块、SCXI信号调理系统、同步数据采集卡、数据处理显示保存模块和监测主站平台。

图2 高压电缆在线监测系统装置图

2.1.1 传感器

在高压电缆绝缘在线监测系统中，传感器主要包括电压传感器（VS）、电压互感器（PT）、电流传感器（CS）。电压传感器（VS）用于测量电缆的电压信号，通过将电压信号转换为对应的电流信号进行传输和处理。电压互感器（PT）则通过将高压电缆的电压信号转换为对应的低压信号，以便进行后续的数据采集和处理。而电流传感器（CS）则是用来测量电缆的电流信号，通过将电流信号转换为对应的电压信号进行传输和处理。这些传感器通过对电压和电流信号的准确测量，可以实现对高压电缆绝缘状态的实时监测和分析。在系统设计中，需要考虑传感器的精度、灵敏度和稳定性，以确保对电缆绝缘状态的准确监测。

2.1.2 预处理及保护模块

预处理及保护模块主要功能是对采集到的电压、电流信号进行预处理和保护，以确保系统的稳定性和可靠性。预处理模块包括信号放大、滤波、抗干扰处理等功能，可以有效提高信号的质量和准确性。同时，预处理模块还根据信号进行保护，当电压或电流超出设定范围时，可以及时进行报警或切断电源，以保护监测系统和被监测的设备。保护模块还可对系统进行过载、短路等异常情况的保护，确保系统的安全运行。

2.1.3 SCXI信号调理系统

SCXI信号调理系统是用于对采集到的信号进行调理和处理的硬件设备，它主要包括信号调理模块和数据采集模块两部分。在高压电缆绝缘在线监测系统中，信号调理模块主要是对电压传感器、电流传感器等传感器采集到的信号进行放大、滤波等处理，以保证采集到的数据准确可靠。数据采集模块是将经过信号调理的模拟信号转换成数字信号，并进行采样、存储和传输。

2.1.4 同步数据采集卡

同步数据采集卡主要功能是实现对电缆绝缘参数的实时采集和监测。在设计过程中考虑到数据采集的精度、采样率和实时性等因素，在每个通道采用专用的模拟数字转换器（ADC），以确保监测系统监测电缆绝缘状态的准确性和可靠性。同步数据采集卡通常包括模拟输入通道和数字输入/输出通道，模拟输入通道用于接收来自电压传感器、电流传感器等的模拟信号，而数字输入/输出通道则用于控制和通信。在实际应用中，需要根据监测系统的需求选择合适的数据采集卡，并进行相应的配置和参数设置。

2.1.5 数据处理显示保存模块

数据处理显示保存模块是用于对采集到的数据进行处理、分析和显示的硬件设备。它可以实现对采集到的信号进行实时处理和分析，同时也能够将处理和分析结果进行显示和保存，以便后续的数据查询和分析。

2.1.6 监测主站平台

监测主站平台提供了人机交互界面和远程监测功能。通过监测主站平台，用户可以实时监测高压电缆的绝缘状态，并进行远程控制和管理。

2.2 系统软件设计

在高压电缆绝缘在线监测系统中，为了实现对电缆绝缘状态的实时监测和分析，软件设计采用了程序化设计的方法，程序控制流程如图3所示，将系统的控制模块分解为独立的子程序，每个子程序负责不同的功能，如数据采集、数据处理、数据分析和数据存储等。这样的设计能够使系统更加灵活和高效，在实际运行中，各个子程序相互协作，通过主程序模块进行数据的汇总和整合，对采集的数据进行处理、分析和对比，反映出电缆绝缘的实际运行状态，以便及时发现电缆绝缘状态的异常变化，为电力系统的安全运行提供重要保障[5]。

图3 系统软件程序控制流程图

3 系统模拟测试实验

为研究高压电缆绝缘在线监测系统的监测性能，本文采用电容器替代高压电缆进行绝缘参数模拟测试，系统模拟测试实验图如图4所示。在模拟实验系统中电容器表示为Cx，等效电阻表示为Rx，这种方式可以模拟出高压电缆的绝缘情况，并对监测系统的性能进行评估和测试。

图4 系统模拟测试实验图

通过模拟实验系统可以更好地了解高压电缆绝缘在线监测系统的工作原理和监测效果，为实际应用提供重要的参考和指导。

根据图4，通过改变并联电容的个数进行测量。理论情况下，单个并联电容的介质损耗tan δ与电容数量n无数量关系，如式（1）所示，为一个定值。

式中：ω为角频率；R为单个等效电阻；n为电容个数；C为单个电容。

此次测量实验采用五个标称值为10 μF的并联电容，介质损耗角频率为0.02，测试结果如表1所示，其中Ra为并联电阻值，Rc为等效电阻理论计算值，Rav为等值电阻，Cav为等值电容，tan δav为测量介损值。

表1 增加五个并联电容绝缘测量数据

通过表1可以看出，测试结果与实际值一致，Rav与Rc值接近，Cav一直稳定在49.7 μF，tan δav值与实验设置相吻合。为此得出结论：本文研究的高压电缆绝缘在线监测系统能够较灵敏地监测高压电缆绝缘特征量。

4 结束语

本文研究的高压电缆绝缘在线监测系统具有以下优点：

1）能够实时监测电缆绝缘的状态，及时发现潜在的故障隐患。

2）能够提供准确的监测数据，帮助运维人员制定合理的维护计划。

3）能够提高电力系统的可靠性和安全性，降低电力系统的故障发生率。

通过不断的研究和实验验证，高压电缆绝缘在线监测系统技术已得到进一步的发展和应用，为电力系统的维护和管理提供了更有效的手段。