新型电缆多参量带电检测装置设计与应用

0 引言

为满足国民用电需求，电网不断改造升级，交联聚乙烯绝缘电力电缆已成为重点地区输电的主流设备，在城市电网中占有非常重要的地位。由于电缆附件是电缆线路中最薄弱的环节，加之电缆附件内部的场强分布复杂、运行环境相对较差，随着电缆线路运行时间增长，不可避免地产生老化现象，影响绝缘性能，最终引发电缆故障。为确保电网安全、可靠运行，对电力电缆进行带电检测尤为重要。

目前带电检测的设备在应用过程中存在一些问题：（1）设备功能单一，对于电力电缆检测一般仅具备局部放电检测，检测其他信号时需携带不同功能的检测设备，检测流程烦琐，效率低且不能利用多种状态参量进行综合分析；（2）缺乏数据诊断功能，需要技术水平较高的人员才能给出检测结果；（3）带电检测的测试项目种类和测试点多，导致测试数据多且杂，检测过程中单纯靠人工记录容易混淆测试点和与之对应的数据，导致测试难度增加，不利于数据的规范和整理，影响测试数据的准确性[1-2]。针对这些问题，有必要设计一套多参量集成型带电检测装置，以一台主机搭配不同传感器进行多参量的带电检测工作，解决现场检测设备与检测类别繁多、操作过程烦琐、检测效率不高及对巡检人员技术水平要求高的难题。

为此，本文设计了一套集电缆局部放电、红外测温、接地电流及负荷电流等多种检测技术于一体的多参量带电检测装置。该装置体积小，便于携带，简化了巡检工作流程，降低了巡检人员的工作量；该装置适配百兆信号采样的小型信号采集分析模块，以进行高级信号处理分析，增加现场实用性；同时装置检测数据基于物联网和网络诊断的多状态量检测数据分析应用，对局放检测、红外图像检测、接地电流检测、数据存储、数据分析与应用进行统一管理，有效提高工作效率，维护设备安全。

1 多参量检测装置总体设计

结合电力电缆带电检测的任务需求，本文设计了一种集局部放电、红外测温、接地电流及负荷电流等检测技术于一体的新型多参量带电检测装置，该装置主要由传感器、信号调理模块、无线通信模块、嵌入式处理器、人机交互模块、数据存储与管理模块及RFID（射频识别）设备台账识别模块等部分组成[3-5]，如图1所示。

该装置能够满足电力电缆的高频电流、超声波、特高频局放信号、红外温度、接地电流与负荷电流等多种状态参量的检测与综合分析，实现电力电缆运行状态的综合判断。其中信号调理模块实现各种传感器信号的处理与转换；无线通信模块实现检测数据的传输；数据存储和管理模块实现检测数据的存储；RFID设备台账识别模块主要实现设备信息读取，并完成设备检测数据的同步匹配，确保检测数据的准确性；人机交互模块实现检测任务的界面操作，可较好展现信号值的强弱及变化过程及相关周期图谱，结合嵌入式处理器实现检测任务与数据的综合处理。

图 1 多参量检测装置总体架构
Fig. 1 General structure of the multi-parameter detection device

1.1 多参量检测装置硬件方案

该装置的硬件部分主要由各种传感器、信号调理模块、巡检终端（包含通信模块、数据存储模块、人机交互模块、RFID设备台账识别模块）等部分组成。

1.1.1 传感器

该装置采用了高频电流传感器、超声波传感器、特高频传感器、红外探测器、接地电流传感器与负荷电流传感器实现电缆运行状态的信号采集。其中特高频传感器采用微带天线结构，如图2所示。

图 2 微带天线基本结构
Fig. 2 Basic structure of microstrip antenna

微带天线可看作是一个终端开路的传输线。假定电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，由于贴片电极采用半波长的设计，电磁波在法向分量z方向上反相，相互抵消，在平行于金属底板的切向分量x方向上同相，相互叠加。故而贴片电极感应到的合成电场在开路端和馈线端上极性相反，将空间的电磁波信号转化为电信号。针对设计的特高频传感器的频段进行试验测试，该传感器的检测频段为300～1 500 MHz，满足国家电网有限公司要求的频率范围[6-7]。

超声波传感器采用压电晶体的结构，如图3所示，通过在晶体表面涂抹导电胶固定于保护膜上[8-9]。金属外壳可以屏蔽外部信号干扰、保护内部的陶瓷晶体结构，并起到传感器可靠接地的作用。陶瓷压电晶体将振动信号转化为电量输出。超声波传感器谐振频率为40 kHz，集成于巡检仪内部。

图 3 超声波传感器结构
Fig. 3 Structure of acoustic emission sensor

高频电流传感器采用Rogowski线圈的结构，如图4所示。当一次待测导体中加载电流i1（t）时，传感器通过Rogowski线圈在二次侧产生感应电动势e（t），本文设计的高频电流传感器采用自积分的测量方法，在Rogowski线圈的输出端并联一个积分电阻RS，通过积分电阻Rs上的电压输出反映一次导体中的电流i1（t）。

图 4 高频电流传感器结构
Fig. 4 High-frequency current sensor structure

检测带宽达0.5～50.0 MHz，用于耦合局部放电脉冲电流通路周围产生的电磁场信号[10-13]；采用检测范围为-10～150 ℃的红外探测器实现电缆附件因过热而向外进行红外热辐射的检测，结构如图5所示。

图 5 红外测温结构
Fig. 5 Infrared temperature measurement structure

该结构通过大面积快速扫描成像，形成清晰的热图像，可形象地显现出电缆设备过热缺陷的状态[14-17]；采用检测范围为0～5 kA的电流传感器作为负荷电流传感器实现现场电缆运行负荷电流的检测；当金属护套发生老化或遭受破坏时，都会造成金属护套多点接地，接地电流增大，增大的幅度随线路阻抗的变化而变化，严重时会达达到几十甚至是几百安培，损耗很大，而且使金属护套发热，以致损害电缆主绝缘，加速电缆绝缘老化，甚至发生电缆爆炸事故；可采用检测范围为0～500 A的电流传感器作为接地电流传感器，来实现现场电缆接地电流大小的检测[18-21]。

1.1.2 信号调理模块

信号调理模块将检测到的信号进行滤波、增益切换、频带切换，检波、放大及A/D转换，将采集到的模拟信号转换为数字信号进入信号服务器，进行处理与分析，然后通过无线通信模块将数据传输到巡检终端。调理模块结构设计如图6所示。

图 6 调理模块结构
Fig. 6 Conditioning module structure

本文设计的各调理模块，得到的相关参数如表1所示。

表 1 各调理模块技术参数
Table 1 Equipment parameters of different conditioning modules

为了能够实现多工频周期的连续检测，设计的检波电路如图7所示，通过保持振荡脉冲信号的峰值，并延拓信号持续时间宽度，以满足采集系统对采集信号的带宽要求。

图 7 高速检波电流原理
Fig. 7 Schematic diagram of high speed detection current

信号经过电容耦合隔除直流电平，通过高频检波二极管，由积分电容对信号进行积分处理，从而获得峰值保持检测信号输出，拓宽信号的有效时延。信号积分点由电源经过电阻提供偏置电压，在积分电容两端并联电阻形成放电回路，峰值保持的时间常数由电容和电阻匹配得到。

1.1.3 巡检终端

巡检终端主要接收数据管理平台下发的检测任务、收集与分析信号调理单元输入的数据并上传至数据管理平台，同时实现人机交互及诊断结果的展示。

（1）主嵌入式CPU的设计。巡检终端采用具有多个模数转换（ADC）通道，能够同时对各个检测通道进行并行信号采集的芯片。主频可达100 MHz以上，能够满足大量数据处理的要求，避免了以往需要使用手持式设备进行高级信号处理分析的烦琐，增加了现场电缆检测的实用性。

（2）基于RFID的设备识别设计。通过基于13.56 MHz频率的系列读写模块，来获取设备的编号信息，并建立相应的数据文件，完成检测信号的保存。从根本上解决电缆设备数量繁多、型号多样给电缆带电检测在实际操作上造成的困难。

（3）人机交互与数据存储的设计与实现。巡检终端通过配置用于信号显示的人机交互界面，来展现丰富的检测信息、信号值的强弱及变化过程与相关周期图谱。操作简单，便于巡检人员操作，实现单人携带手持式检测设备，完成检测数据的自动上传，为运维一体化提供技术设备支撑。

1.2 多参量检测装置软件方案

1.2.1 软件架构设计

本装置采用MVC框架模式进行设计，即模型-视图-控制器模式，按MVC模式分解的软件结构如图8所示。

图 8 软件架构
Fig. 8 Software architecture

模型层包括图谱数据、采样控制数据和状态数据三大模块。负责数据的存储，包括检测装置采集的幅值、相位图谱、波形图谱数据，采样控制数据及各系统状态信息数据等，并可供视图层读取。

控制层包括数据接收、数据管理、控制命令下发、物理按钮监控四大模块，是视图层与模型层、视图层与底层硬件之间的媒介，将模型层中需要被显示的数据直接转发给视图进行显示，接收视图层下发的控制指令，设置底层的采集模式、触发模式以及系统设置等。另外，控制层实时监控物理按钮的状态，并将状态信息反馈给视图层。

视图层包括菜单栏、图谱显示、状态信息显示三大模块。将模型层数据以更直观的方式呈现给用户，并提供各种按钮可供用户切换界面及下达命令等。

1.2.2 软件功能设计

针对电缆的检测内容与实际的需求，设计2种检测模式实现检测需求，如图9所示。

图 9 多参量检测模式
Fig. 9 Multi-parameter detection mode

手动检测模式：用于开展单一项目检测，并将该项目检测结果与数据库中的国家电网有限公司现行带电检测标准进行比较，提供单项检测的初测结论。

智能检测模式：分为电缆本体和电缆终端、中间接头两种检测类型，根据设备状态管理监测系统推送应开展的测试项目，并将多状态检测结果与数据库中的国家电网有限公司现行带电检测标准进行计算和判别，提供被测设备的健康状况初步诊断结论。

2 物联网模式下检测流程

物联网模式下电缆带电检测流程如图10所示。

图 10 物联网检测流程
Fig. 10 IoT detection flowchart

精益化管理综合平台经无线通信下发检测任务。多参量检测装置无线同步检测任务，并通过RFID自动识别设备，同时根据检测任务执行带电检测，实现数据采集。

现场检测数据上传至精益化管理综合平台，现场无纸化作业，后台自动生成报告。同时平台根据检测数据及大数据库进行设备状态云诊断，实时下发诊断结果，现场人员摆脱数据分析难题。

3 现场应用

3.1 特高频检测案例

某220 kV变电站，采用本设备对电缆终端进行检测；在110 kV一线电缆终端A相环氧套管处检测到特高频放电信号，且有50 Hz相关性，检测的图谱如图11所示。

图 11 A相特高频PRPD图谱
Fig. 11 A-phase UHF PRPD map

在A相环氧处与附近盆子处采用示波器进行定位，检测结果如图12所示。其中示波器1号通道连接A相环氧处特高频传感器，2号通道连接电缆仓上方盆子处特高频传感器。根据式已知L为2.32 m；为4.8 ns。计算可知，放电源位置在A相环氧上方约0.44 m。

图 12 两特高频信号对比
Fig. 12 Comparison of two UHF signals

对A相进行解体，可见到导体线芯和均压环对应位置存在放电烧蚀情况。

3.2 高频电流检测案例

对某110 kV出线152间隔的电缆终端进行高频电流局放检测，发现A、B、C三相均存在异常高频电流信号，且A相特征相对更加明显，检测图谱如图13所示，工频周期内存在两簇脉冲信号，脉冲量较少，经判断为悬浮放电。

图 13 B相电缆终端高频电流PRPS&PRPD图谱
Fig. 13 PRPS & PRPD diagram of high frequency current at B-phase cable terminal

采用示波器对信号源进行定位，传感器位置如图14所示，由单周期脉冲图谱可知，黄色传感器信号起始沿超前于红色传感器起始沿约2.8 ns，红色、黄色传感器之间距离约1.3 m，根据公式已知L为1.3 m；为2.8 ns。计算可知，信号源距黄色传感器约23 cm。

图 14 信号源定位时传感器位置及单脉冲波形
Fig. 14 Sensor position and monopulse waveform for signal source location

同时对信号源进行定相，传感器位置如图15所示，由单周期脉冲图谱可知，黄色（A相）波形与绿色（B相）、蓝色（C相）波形反相，判断局放信号源位于A相。

综合以上诊断定位分析，判断局放信号源位于152间隔电缆终端气室A相电缆接头位置。对152间隔电缆终端气室A相电缆接头进行停电处理，在均压环和电缆导体位置均发现明显的放电痕迹，与定位位置完全吻合。

3.3 红外测温案例

对某35 kV C相电缆头进行红外测温，电缆头热点温度为1.9 ℃，正常相温度为0.8 ℃，温差1.1 K，如图16所示。以电缆伞裙下方为最热的热像，根据DL/T 664—2016《带电设备红外诊断应用规范》，电压致热型设备缺陷诊断判据：严重缺陷（电缆终端伞裙局部区域过热，内部可能有局部放电，温差0.5～1.0 K）。综合诊断C相电缆头伞裙下方发热缺陷为严重缺陷。

图 15 信号源定相时传感器位置及单脉冲波形
Fig. 15 Sensor position and monopulse waveform for signal source phasing

图 16 C相电缆头图像分析
Fig. 16 Image analysis of C-phase cable head

4 结论

本文设计的电缆多参量检查装置通过现场的实际应用，能够实现平台任务的接收，完成现场设备状态检测，以及数据的回传。经测试对比，该装置能够在新型物联网模式下有效、准确地检测到电缆在运行中存在的故障缺陷，检测效果达到了单一功能装置同等的功能，可节省现场多设备烦琐的检测流程，同时小型化、集成化以及高效率的人机交互特征，使得该设备具有广泛的实用和推广价值。