PVC電纜絕緣氣體成分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

彭彥軍，周澤民，何啟科，陳健禧

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局，廣西 桂林 541002）

0 引 言

在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，電力設(shè)備的絕緣材料發(fā)生微弱的放電現(xiàn)象稱為局部放電。輕微局部放電一般不會(huì)嚴(yán)重破壞設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，對(duì)電力設(shè)備的影響相對(duì)較小。若任由存在局部放電現(xiàn)象的設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)降低設(shè)備絕緣壽命或影響設(shè)備的安全運(yùn)行。局部放電的危害程度一方面取決于放電強(qiáng)度和放電次數(shù)，另一方面取決于絕緣材料的耐放電性能和放電作用下絕緣的破壞機(jī)理。為了保證電力設(shè)備安全運(yùn)行，近年來(lái)局部放電檢測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備中存在的安全隱患以及評(píng)估絕緣缺陷的嚴(yán)重程度[1-3]。

一般聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）電纜的工作壽命最長(zhǎng)為30年，但由于電纜運(yùn)行環(huán)境通常相對(duì)惡劣，運(yùn)行過(guò)程中電纜中間接頭等部位經(jīng)常發(fā)生故障，縮短了電纜的使用壽命。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，PVC電纜的主要故障原因有3個(gè)方面：一是電纜制作材料存在缺陷、施工工藝不足引起的；二是安裝等過(guò)程中的機(jī)械損傷導(dǎo)致的；三是長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行、絕緣受潮、過(guò)電壓等運(yùn)行過(guò)程中引起的絕緣問(wèn)題。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電力電纜及其中間接頭絕緣層的薄弱部位極易發(fā)生局部放電而導(dǎo)致電介質(zhì)局部損壞，長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣劣化甚至擊穿，造成事故。

電纜發(fā)生局部放電時(shí)表現(xiàn)為產(chǎn)生光、熱、聲、電磁輻射，或引起電流突增、突降等。目前，常用的局部放電檢測(cè)手段是利用這些物理、化學(xué)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要采用超聲波法、暫態(tài)低電壓法、特高頻法及脈沖電流法等。但是，這些檢測(cè)方法通常依靠人工定期在電纜溝內(nèi)巡檢。一方面由于局部放電具有隨機(jī)性，導(dǎo)致檢測(cè)效率較低；另一方面電纜局放時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)較弱，對(duì)傳感器的抗干擾能力及檢測(cè)靈敏度要求較高。因此，研究新的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

電纜局部放電產(chǎn)生高溫會(huì)引起電纜絕緣材料分解出特殊氣體，通過(guò)檢測(cè)特殊氣體含量能反映電纜的絕緣性及可靠性[4]。下面通過(guò)研究PVC電纜在高溫下的裂解原理，分析故障和氣體的產(chǎn)生規(guī)律，研制一套電纜氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電纜絕緣氣體的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)的早期預(yù)警。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案

電纜氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，由傳感器節(jié)點(diǎn)、集中器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)后臺(tái)3大部分組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)局部放電信號(hào)的采集、收發(fā)；集中器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收透?jìng)鳌⒅噶钷D(zhuǎn)發(fā)；數(shù)據(jù)后臺(tái)主要進(jìn)行大數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、展示。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa無(wú)線通信技術(shù)向集中器節(jié)點(diǎn)傳送采集數(shù)據(jù)。集中器節(jié)點(diǎn)接收傳感器數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)處理，根據(jù)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署方式，可采用無(wú)線方式或者有線方式與數(shù)據(jù)后臺(tái)進(jìn)行通信[5-7]。

圖1 電纜氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

傳感器節(jié)點(diǎn)由通信模組、主處理器和傳感器3大塊組成（見(jiàn)圖2）。通信模組負(fù)責(zé)同匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由主處理器通過(guò)串口協(xié)議控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。主處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及發(fā)送。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)功能框圖

集中器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收透?jìng)?、指令轉(zhuǎn)發(fā)，是輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)感知層通信中繼設(shè)備，具備自組網(wǎng)和傳感器終端接入的功能（見(jiàn)圖3）。

圖3 集中器節(jié)點(diǎn)功能框圖

數(shù)據(jù)后臺(tái)主要進(jìn)行大數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)以及展示，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的海量信息資源通過(guò)算力整合成可互聯(lián)互通的大型網(wǎng)絡(luò)，解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索、使用、挖掘和安全隱私保護(hù)等問(wèn)題（見(jiàn)圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)后臺(tái)功能框圖

1.2 硬件方案

氣體在線檢測(cè)裝置的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。在氣體在線檢測(cè)裝置的主電路板設(shè)計(jì)上，地線設(shè)計(jì)使用抗干擾技術(shù)；數(shù)據(jù)采集信號(hào)設(shè)計(jì)采用雙端差分輸入，能模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)，采用工業(yè)過(guò)程中常用的優(yōu)化控制技術(shù)，確保準(zhǔn)確及可靠地采集數(shù)據(jù)信號(hào)。采用防磁金屬材料設(shè)計(jì)機(jī)殼，能屏蔽電磁干擾。連接電纜部分采用雙屏蔽電纜，各種接頭采用金屬航空頭，具有屏蔽、防水、防塵以及連接可靠等優(yōu)勢(shì)[8,9]。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖

選用ST公司推出的STM32系列芯片作為微控制單元（Micro Control Unit，MCU），通過(guò)對(duì)采集的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等一系列處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的誤差修正，得到精確穩(wěn)定的信號(hào)輸出。它的原理是采用外部基準(zhǔn)電壓芯片ADR391作為信號(hào)調(diào)理模塊，ADC（Analog-to-Digital Converter）模數(shù)轉(zhuǎn)換單元利用AD7790模數(shù)轉(zhuǎn)換器、ADG1608雙電源模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)、溫濕度輸出信號(hào)和內(nèi)部電源電壓的采樣；氣泵流率利用PWM信號(hào)占空比進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件還設(shè)計(jì)了按鍵、液晶顯示及聲光報(bào)警控制等功能模塊。

特征氣體傳感器模塊選用了英國(guó)CITY公司的4ETO。該傳感器的工作原理是將氣體含量轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)選擇 STM32芯片內(nèi)部的SDIO作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，并將接口采集的數(shù)據(jù)直接保存在內(nèi)存芯片中。電纜氣體在線監(jiān)測(cè)傳感器如圖6所示。

圖6 電纜氣體在線監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)物圖

1.3 軟件方案

軟件有現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）軟件和ARM（Advanced RISC Machines）軟件，設(shè)計(jì)流程如圖7所示。FPGA軟件主要用于系統(tǒng)自檢及數(shù)據(jù)采集，并與24 bit高精度ADC芯片連接，將24 bit數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入FPGA的先入先出隊(duì)列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）中，定時(shí)2 s采集一次數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將采樣過(guò)程中的突發(fā)性干擾去除，平均值濾波后存儲(chǔ)到公用存儲(chǔ)地址。嵌入式ARM在公用存儲(chǔ)地址中讀取電壓值，并通過(guò)標(biāo)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為濃度值，顯示在液晶顯示屏上。嵌入式軟件還可完成用戶交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、結(jié)果顯示及數(shù)據(jù)分析。

圖7 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

每個(gè)傳感器的基準(zhǔn)電壓不同。受電路參數(shù)漂移、傳感器特征參數(shù)等多種因素的影響，為了確定每個(gè)傳感器的基準(zhǔn)電壓，對(duì)1#傳感器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，在當(dāng)天11:00—12:00進(jìn)行了測(cè)試，記錄了12個(gè)數(shù)據(jù)，穩(wěn)定后基準(zhǔn)電壓值為0.173 5 V；當(dāng)天17:00—18:00也進(jìn)行了測(cè)試，穩(wěn)定后基準(zhǔn)電壓值為0.179 6 V。上午與下午測(cè)試的環(huán)境溫度和濕度相差不大，電壓基準(zhǔn)值非常接近，最終確定此裝置的基準(zhǔn)電壓為0.18 V。

表1 基準(zhǔn)電壓測(cè)試

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020年8月底，在公司110 kV七星變電站上線了PVC電纜絕緣氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝了電纜氣體在線監(jiān)測(cè)傳感器40臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝絕緣氣體的檢測(cè)，同時(shí)配置2臺(tái)集中器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。圖8為現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖，圖9顯示集中器安裝在站所室內(nèi)的墻壁上。

圖8 傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖9 集中器現(xiàn)場(chǎng)安裝

電纜氣體智能診斷平臺(tái)兼容Window和Linux操作系統(tǒng)，接收集中器上送的檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)分析處理將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和檢測(cè)報(bào)警狀態(tài)展示在PC端，主界面如圖10所示。

圖10 電纜氣體診斷平臺(tái)主頁(yè)面

進(jìn)一步分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)電纜目前運(yùn)行狀態(tài)良好，安裝2個(gè)月內(nèi)無(wú)絕緣氣體濃度告警。為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)的有效性，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員于2020年10月18日點(diǎn)燃一段廢舊電纜，將產(chǎn)生的煙氣靠近電纜溝，幾分鐘內(nèi)多個(gè)傳感器檢測(cè)到有氣體濃度異常情況發(fā)生，檢測(cè)點(diǎn)14檢測(cè)到氣體濃度超過(guò)950 mg/kg，如圖11所示。

圖11 氣體濃度異常數(shù)據(jù)（檢測(cè)點(diǎn)14）

通過(guò)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到氣體濃度異常數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映了電纜溝內(nèi)異常氣體濃度的變化。該方法為PVC電纜的絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了一種快速有效的初步判斷方法，可根據(jù)氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行電纜絕緣故障的早期預(yù)警。

3 結(jié) 論

本文基于PVC電纜在高溫下的裂解原理，通過(guò)分析故障和氣體的發(fā)生規(guī)律，研制了電纜氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PVC電纜氣體的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，并將該方法應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電纜絕緣特殊氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法在不停電的情況下，可用于判斷電纜溝內(nèi)運(yùn)行的電纜是否存在絕緣異常情況，說(shuō)明本文所述方案具有有效性及實(shí)用性。上述研究成果不僅可以預(yù)警絕緣缺陷，避免電纜停電事故，而且可以預(yù)防有毒氣體，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，可應(yīng)用于PVC電纜絕緣故障分析和診斷。