电网电缆绝缘在线监测系统设计

0 引言

电网系统的线缆全部暴露在自然环境中，长时间的暴晒和雨淋等环境因素会造成电缆腐蚀[1]，由于电网都为高压电，电缆内部会局部放电而击穿绝缘电缆。传统检测方式是停止供电，然后用绝缘表等仪器测量[2]，在线监测的方式可以避免供电站停止供电，也可以提前定位绝缘线缆的动态故障。

1 信号叠加法

目前电缆绝缘在线监测方式有局部放电法、电磁叠加、红外扫描、低频叠加法等。局部放电法可能会二次损坏导线[3]，使绝缘良好的导线漆皮出现隐藏故障，电磁叠加由于是连接在导线两端，只能定位整个导线的性能，当出现小缺陷时并不能定位故障位置。本监测系统叠加低频信号，三相电源中叠加低频信号不会对原系统造成影响，检测原理见图1，监测系统产生的低频信号通过绝缘电阻和寄生电容形成的回路产生电压向量[4]，通过分析电压向量计算出线缆的绝缘电阻。

图1 叠加信号检测原理

2 电网电缆的绝缘在线监测硬件

电网电缆的绝缘在线监测系统如图2所示，包括信号输入、信号调理电路、DSP信号处理、人机交互等部分，传感器读取的电压信号需要经过检测、调理和采集，在硬件检测部分比较重要的是信号调理电路，包括带阻电路、信号源电路和频率测量电路3部分，带阻电路主要作用是滤除工频50 Hz的无效信号，信号源电路用于产生低频信号并叠加到三相电缆中[5]，频率测量电路用于分析电压向量。

图2 电网电缆的绝缘在线监测系统

2.1 带阻电路

由于在电网的三相电缆中50 Hz的交流电源信号最多，工频信号对低频有效信号造成的干扰最严重，为了抑制噪声信号需要设计带阻滤波电路[6]，具体电路见图3。输入信号IN后面连接了一个二阶带阻滤波电路，其中R478、R479、R480、C385、C386、C387 6个器件可以计算出滤波器的截止频率，R480可以等效为2个33 kΩ的电阻并联，C387等效为两个100 nF的电容并联，因此滤波器可以等效为对称式[7]，电路的截止频率为2πRC，计算结果为50 Hz，后面的运算放大器为2倍的差分放大电路。

图3 带阻电路

2.2 信号源电路

信号源电路主要用于产生10 Hz的低频脉冲电压信号，信号的输入为工频交流信号，产生的低频信号源叠加到电缆后用于检测绝缘电阻[8]，具体电路如图4所示。S_L和S_N为交流电压的输入信号，先经过整流桥电路D55～D58，整流后输出为直流信号，并联一个C388的电容可以平滑直流电压纹波，IGBT用于逆变输出一个频率可调的交流电路，由于开关频率和输出电压都不是很高，在栅极和射极之间的寄生电容可以忽略不计，为保证低频信号的有效，在逆变电路上并联一个LC低通滤波器。逆变电路后面连接了一个隔离变压器，隔离变压器后面连接一个光耦驱动电路，驱动电路的输出为+5 V脉冲电压。

图4 信号源电路

2.3 频率测量电路

绝缘在线监测系统中，靠硬件采集电路采样输入高速信号[9]，单纯靠信号调理电路和高速I/O口采集的信号会出现延时和丢脉冲，因此加入频率测量电路，主要功能是保证测量精度和过零点的起始点检测，具体电路如图5所示。当低频信号和工频都进入IN引脚时，有信号噪声峰值时在经过零点时会转变为电平信号，通过检测电平信号脉冲频率就可以测量出信号周期，INA-输入低电平参考信号，INA+为线缆输出的混合信号。

图5 频率测量电路

3 软件

绝缘在线监测系统的软件系统包括频率测量程序和绝缘电阻计算程序，频率测量是为了识别采集的有效电压向量，绝缘电阻计算是对提取的特定频率信号计算转化为绝缘电阻值。

3.1 频率测量程序

在信号源中只有工频和注入10 Hz 2种频率，硬件电路滤除工频信号后只剩有效信号，但是信号源在逆变过程中及采集过程中频率不会做到绝对精准[10]，如果直接由采用的频率计算必然会造成频率误差，因此对采集的电压向量信号先要进行频率转化，具体程序见图6，系统上电后先要初始化和启动定时器1和2，开始捕获单元1即第1个脉冲上升沿，定时器开始捕捉第2个上升沿并比较，如果确认是1个脉冲后把中断标志位置位，同时对定时器2加1个脉冲数量，同理补充多个脉冲后判断是否结束1个周期，根据采集的脉冲数就可以计算出信号的周期和频率。

图6 频率测量程序

3.2 绝缘电阻计算程序

绝缘电阻计算程序的作用是对采样数据进行计算，先对数据进行转化分解，再根据转化的数据计算线缆绝缘电阻[11]，具体流程见图7。系统上电后先要初始化，再利用均方根法去除异常的采样数据，删除的数据用插值法补齐，对电压信号进行傅里叶变换后分离出实部和虚部，根据两个值计算出电缆的绝缘电阻值，为提高计算效率，数据处理程序放在主程序中，傅里叶变换程序为系统库函数。

图7 缘电阻计算程序

将三相电缆分别简化为单相电缆模型，计算模型需要按照图8分解，Ld为电抗器等效电感模型，Lx为电缆等效阻抗模型，C为线缆对地线的分布电容。

图8 电网电缆等效电路图

按照等效电路将电缆阻抗用计算模型等效为

(1)

式中：ω为信号发生电路产生的频率，ω=10 Hz，L为电缆的等效感抗；R为电缆20 ℃的单位铜线阻值；C为三根电缆对地分布电容。

4 绝缘在线监测系统的试验验证

电网电缆的绝缘在线监测系统需要在2个重要的方面进行验证，一是要抑制工频干扰信号，二是要验证不同电缆绝缘电阻的精度。前期均在实验室环境中完成绝缘在线检测系统的验证，如图9所示，采用8 kV三相动力线缆，该线缆长度为5 m，用示波器采集线缆中信号同步验证硬件信号采集部分，设定在线监测系统信号源工作电压为15 V，三相线缆连接到三相程控电源上。

图9 实验室测试环境

4.1 频率波特图

采集带阻电路后的电压信号，为了区分电压信号是否抑制工频干扰信号，用工频信号源验证系统[12]，先对信号进行傅里叶变换，得到频率波特图，如图7所示。衰减频率可以准确地落到50 Hz内，由于元器件的精度和温度漂移等原因造成在40～60 Hz会有不同程度的衰减，衰减幅值可以达到65 dB，但此电路在10 Hz没有衰减，也可以满足系统设计要求。

图10 频率波特图

4.2 绝缘电阻误差分析

由于电网电缆电磁干扰和地线之间的分布电容等原因，造成干扰信号导致测量误差，用系列标准线缆来验证电缆的绝缘电阻，可以更加准确地验证系统精度，具体结果见图11。标准线缆绝缘电阻在0～160 kΩ之间，电阻值比较小时测量的相对误差比较大可以达到5%，随着阻值增加误差减小并趋于平稳在2.5%左右，而实际电网线缆的绝缘电阻值在几十MΩ左右，监测系统精度可以满足要求。

图11 绝缘电阻误差结果

数据结果传递到信号上位机中显示，人机交互界面如图12所示。本系统可以同时监测6条线缆，在绝缘电阻为9 999 MΩ时表示系统绝缘状态良好，历史查询界面可以读取所有的绝缘电阻数据。

图12 电缆绝缘的人机交互界面

5 结论

本文设计了一种电网电缆的绝缘在线监测系统，采用叠加低频信号测试电缆绝缘电阻，首先分析叠加信号检测原理，然后对频率测量电路、信号源电路和50 Hz的带通电路搭建硬件设计，开发频率测量程序、绝缘电阻计算程序，最后利用现场实测数据验证测量的绝缘电阻符合实际绝缘特性，并且绝缘电阻检测精度可以达到5%以内。