交联聚乙烯电缆在线监测技术研究
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作者:袁欣雨 孔明 于冰洋
摘要：交联聚乙烯作为当前高压输电电缆常用的材料，如何防止材料老化、材料破损等给输电线路带来的安全隐患，是当前解决的重点问题。对此，该研究尝试从交联聚乙烯材料局部放电特征入手，构建交联聚乙烯材料局部放电监测系统。为实现该系统，通过电流传感器实现局部放电电流信号的采集，采用放大电路对信号放大，通过信号分配箱实现多信号分配，然后将处理后的信号传输给后台服务器对电流信号进行分析。最后通过测试，验证上述方法可有效采集电流信号，并实现对交联聚乙烯电缆故障的在线分析。
关键词：交联聚乙烯;信号;局部放电;在线监测
中图分类号：TM855*.2;TQ325.1"2
文献标识码：A
文章编号：1001-5922（2020）07-0168-04
目前在电力市场中广泛使用了XLPE，相对于传统的充油电缆，其应用的优势主要体现在抗干扰性和抗腐蚀性较强等方面，具有较高的绝缘强度，能够应用到极端环境条件下;此外其制作工艺复杂度较低，安装方便，能够显著降低生产和应用的成本。由此，基于XLPE形成的交联聚乙烯绝缘电力电缆受到关注。但是在实际应用中发现，受到温度、水分以及化学等要素变化的影响，电缆绝缘层容易出现老化，长期发展会破坏整个绝缘系统的完整性，最终影响到了电缆的正常使用。此领域内的很多学者以及企业针对上述问题进行了研究，提出了一些监测电缆运行状况的策略，有研究指出XLPE耐压试验存在明显的弊端，一方面容易加速绝缘系统的老化，降低了系统运行的质量;另一方面长期发展容易引发更严重的事故，会造成更大的损失。因此在联聚乙烯绝缘电力电缆在线监测中应该选用更安全可靠的方法，结合信息化以及自动化等技术构建更成熟的在线监测系统成为一种趋势，能够提升电缆运行的稳定性。
1XLPE电缆局部放电在线监测整体架构设计
本次设计的在线监测系统总体划分为3个模块，分别是后台管理模块、数据采集模块以及前端信息取样模块，各个模块的功能不同，通过特定的方式进行衔接。系统的工作过程如下所示：首先利用电磁耦合接地线来对脉冲电流信号进行检测，但是检测到的原始信号响应不明显，需要先通过特殊的调节电路进行放大处理。接着由高速信号采集卡完成对信号的采集和传输工作，由此能够在专家诊断系统中接收到采集的信号，然后进一步传输到远程监控中心，通过这种方式完成了对电缆的在线监测。系统结构如图1所示。
本系统的总体结构包括硬件、软件两大部分，其中硬件主要指的是数据采集和前端信号采样两个模块，前者使用的硬件设备有数据采集卡等;后者则包括专用的信号调节电路与传感器，通过各个设备的正确连接能够完成数据的采集和传输功能。软件部分主要包括后台软件模块，主要与数据的接收、存储以及处理等过程有关。需要在XLPE电缆屏蔽接地线中安装高频电流传感器，然后通过采集模块将信号传输到后台数据库中存储，通过特定的算法对信号处理来识别其中可能存在的问题。
在本次设计中选用的检测技术是非接触方法，即不需要与XLPE电缆直接接触而获取其电流信号，一般不会影响到电缆的正常工作。考虑到各个子系统之间的连接问题，系统设计了特殊的屏蔽机制，避免系统受到千扰信号的影响。
整个系统具有较高的自动化特征，能够自主完成信号的采集、传输、存储以及处理等过程，不依赖于人工的干预。在信号处理方面采用了小波分析以及频谱分析等方法，并将处理后的结果实时传输到远程监控中心中，由此能够实现对电缆的全方位监测，便于针对出现的问题及时采取有效的对策。
2系统设计
2.1硬件整体架构
系统的硬件部分涉及到了信号分配箱、信号调节电路以及数据采集卡等部分，各个部分需要按照正确的方式进行连接，具体硬件架构如图2所示。首先通过高频电流传感器获取到特定的信號，然后通过信号调节电路进行放大处理，进一步通过信号采集卡将信号传输到服务器中。
2.2信号放大设计
考虑到信号的传输质量以及传输距离等问题，在系统中设计了专用的信号调节电路，通过主信号放大的方式降低信号衰减带来的不利影响。在设计信号调节电路时考虑到较多的影响因素，由于局部放电信号具有较高的频带，对于差分放大器提出了更高的要求，由此才能保证高频信号的质量，所以最终选用了频率响应为160MHz的差分放大器。另外采用模拟开关芯片的放大方式，便于在软件编程中进行设置。信号调节的具体流程即为图3所示。
2.3信号分配
信号分配模块的工作过程如下所示：首先需要将信号调节电路处理之后的信号转化为对应的单端电压信号，然后通过模拟开关的4个通道来获取传输的信号，接着进行信号处理的过程，并将处理后的信号传输到采集卡的采集通道中。具体的执行流程如图4所示。
3软件部分设计
3.1软件功能模块设计
软件部分功能如图5所示。根据图5可看到，整个软件划分为3大模块，分别是数据库模块、监控管理模块以及数据采集模块，各个模块通过特定的接口进行连接，由此完成数据的传输和转换功能。其中数据库部分主要与数据的存储有关，能够将采集的初始数据以及处理后的数据进行完整的存储，并提供便捷的查询和管理方式;监控管理部分主要包括对数据采集数据的管理，通过多种形式展示采集的数据，根据数据处理结果实现相关操作;数据采集部分主要完成数据的采集工作，具体包括放电电流等数据的采集，然后将采集的数据进行转换和传输，为之后的数据处理过程奠定基础。
3.2XLPE电缆绝缘在线监测系统数据诊断设计
在采集信号的过程中可能会存在一定的干扰信号，因此应该针对此问题进行去噪处理，特别是处理.可能存在的白噪声等千扰信息。在系统设计过程中结合干扰信息的特征设计了对应的算法，主要包括FFT算法以及带通滤波算法，基于这种方式能够有效地去除千扰信息，提升了信号的信噪比。具体处理流程如图6所示。 4系统测试
4.1测试部署
系统测试是一个关键的过程，将直接影响到系统的运行效果，因此在系统完成后有必要进行全面的测试过程，便于检测其中存在的不足问题。本系统的测试环境部署如图7所示，分别为本地服务器、前端采集部分。前者主要完成数据的存储和管理，并能够及时响应用户的需求，具体包括数据采集卡、工控机以及信号分配箱等部分;后者主要与数据的采集与传输过程有关，具体涉及到了放大器、传感器以及信号传输线路等。前端采集系统采集到信号之后需要先将信号分配到采集卡中，然后通过特定的传输线路进一步传输到工控机中。
4.2采集信号测试
在2019年12月29日20：08：47对某线路电缆的监测，通过采集得到如图8所示的频谱数据。根据图中曲线可知，数据中含有明显的噪声，严重影响到了有效信号的识别，特别是在幅值100mV以内基本难以检测到正常的放电脉冲信号。
而在通过一定的措施后，电缆线路没有明显的放电信号，说明可能是局部放电信号小，或者是局部放电，也进一步说明该电缆线路工作良好。
5结语
通过上述的测试看出，通过电流传感器的采集，以及结合电流放大和电路信号分配等，最终在服务器中可查询到采集到的局部放电信号频谱，通过频谱分析，可直接查看该交联聚乙烯电缆线路是否存在局部放电的问题。而通过这种在线监测，也大大提高了电力电缆的使用寿命。
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