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基于多传感器的电缆绝缘监测分析

发表时间：2021/5/28 来源：《基层建设》2021年第2期作者：罗江

[导读] 摘要：本文基于电缆绝缘故障位置监测难度大的问题，阐述了利用多传感器电缆绝缘监测原理，并进一步从框架组成到单元采集与传输等环节进行深入分析，保证在线监测系统设计方案的完整性，同时还需进行仿真模型构建，切实提高监测水平，为电力发展奠定良好基础。

        珠海泰坦科技股份有限公司广东省珠海市 519015
        摘要：本文基于电缆绝缘故障位置监测难度大的问题，阐述了利用多传感器电缆绝缘监测原理，并进一步从框架组成到单元采集与传输等环节进行深入分析，保证在线监测系统设计方案的完整性，同时还需进行仿真模型构建，切实提高监测水平，为电力发展奠定良好基础。
        关键词：多传感器；交叉互联；绝缘监测
        引言：随着社会经济的快速发展，电力电缆也在向高电压、长距离方向前进，但是由于现阶段用电量大幅度提升，不仅增加了电缆负载压力，还会增加安全事故发生概率，由于技术的不完善对电缆绝缘故障位置监测难度较大，因此需要深入研究利用多传感器的电缆绝缘监测系统。
        一、多传感器电缆绝缘监测原理
        基于多传感器的交叉互联电缆绝缘监测方法，首先就是在电缆线的两端以及芯首的位置安装电流传感器，对通过电流的具体参数值进行测量，以两端电流之差来判断是否存在电缆线路绝缘故障情况，在此基础上还需在每个交叉互联箱上安装适当数量的电流传感器，并观察流通电流的大小变化，确保交叉互联箱安装位置与电缆故障位置吻合。当某一段电缆发生绝缘故障时，必然会导致阻抗以及电流发生一定变化，利用多传感器电缆绝缘方法能够依靠电流参数值对电缆绝缘情况进行实时监测，对规避安全风险具有一定积极意义[1]。
        二、多传感器电缆绝缘监测内容分析
        （一）多传感器电缆绝缘监测系统设计
        在进行多传感器电缆绝缘监测系统设计过程中，从数据处理流程角度看，第一，需要明确多传感器所监测的数据内容，可包括现场电缆运行电流值采集，以及交叉互联箱流经电流具体数值，并利用具有较强通用性、系统性的无线分组业务手段，以及无线传感技术将所获取的电流数据传输至控制系统终端，对相应数值进行记录、储存和应用；第二，将从电缆两端以及交叉互箱的电流数值进行采集，并利用相应的数据公式进行精准计算，从而得出介质损耗角正切值，才能从根本上对电缆是否出现绝缘故障进行准确判断，对电缆绝缘监测系统构建起到一定保障作用；第三，观察交叉互联箱与电缆连接处的传感器采集数值，对其电流值变化情况进行观察和记录，才能以此为依据判断电缆的局部故障位置，为后期电缆设备维修工作打下坚实基础。

                      图1 数据处理流程图
        以数据处理流程为依据，才能加强传感器与电缆之间的联系，从而构成多传感器监测系统整体框架，在根据实际情况对各项系统模块单元进行优化补充，才能保证系统具有完整性特点，满足实际电缆绝缘监测需求。从系统内容角度看，多传感器电缆监测系统构成主要由各个模块和单元共同组成的，其中包括数据采集单元、传输单元以及信息管理单元等，采集单元是利用传感器将现场采集到的电流数据进行集中处理，进一步将电流信号转变为模拟信号，再经过相应的滤波处理，通过传输单元将信号传输至终端控制系统，通过利用相应的公式将信息进行带入并推导，以实际监测情况为基准，能够综合得出电缆故障的局部位置，为后期电缆设备维修工作提供便利条件。
        （二）基于多传感器电缆仿真模型构建
        在进行多传感器电缆仿真模型建立时，为了能够有效验证多传感器电缆监测的实际应用效能，本文选用XLPE电缆进行仿真分析，同时还要将电流和电压数值设定在标准范围内，才能保证仿真模型构建满足实际要求。将XLPE电缆额定电压保持在220kV，导体标称截面为1000mm2,外径和内屏蔽厚度分别为41.4mm和2.0mm，绝缘厚度为27.0mm，以相应数据为主要依据在软件上进行交叉互联电缆仿真模型构建，如果在电缆电流中点设置金属护套层，则能够凭借电缆的具体数值和整体结构进行参数计算，能够有效得出每一段的电缆线芯与绝缘电阻、电感和电容等具体数值，按照以上电缆参数值为依据，能够得出二者的电阻分别为4.4×10-3Ω和3.476×107Ω[2]。通过对电缆监测和维修经验可知，当电缆在绝缘老化故障时，由于电缆外层保护装置被破坏，其内部金属信号传输性能也大幅度下降，所以其电容逐渐呈上升趋势发展，相应的绝缘电阻也大幅度减小，以此结论为依据进行电缆模型的仿真分析，才能保证仿真结果与实际情况相符合。当电流流经过电缆的金属保护套时，需要对电流种类进行分析，才能对多传感器电缆绝缘监测效能加以确定，主要可分为感性电流、泄露电流和容性电流三种形式，但是由于感性电流自身具有特殊性质，所以金属护套流过的电流主要为其他形式，而对于感性电流来说，其主要是依靠护套回路阻抗比与感应电压形成的，而且在应用交叉互联箱时与感应电压角度差距过大，二者的矢量和数值为0，且其大小始终处于相等状态，因此难以对其进行绝缘监测，以单点绝缘故障状态为例进行仿真分析，继而总结出模型仿真特性并进行基础构建。
        当电缆未发生绝缘故障时，其始终保持正常运行状态，从电缆内部金属保护套流经过的电流主要为泄漏和容性两种电流形式，以仿真时间为0.1s，步长为1μs为基础数值设定，通过利用仿真软件进行模型构建和运行操作，能够总结出当电缆处于正常运行阶段，金属保护套具有较强的控制作用，不会对电缆的正常运行造成影响；当电缆发生绝缘故障后，电缆自身的运行性能大幅度下降，在电容值提升的同时绝缘电阻值也处于持续下降的趋势，在此基础上进行仿真试验。以电容不变且绝缘电阻减少为前提，通过与处于正常状态下电流波形进行对比，当发生绝缘故障时，能够明确得出泄漏电流量较小的结论；当电缆电容增大但是绝缘电阻保持不变时，也需要将正常与故障二者之间电流波形图进行对比分析，进一步得出在此条件下，当绝缘故障发生时容性电流较大，所以此时电缆流经电流主要为容性电流。除此之外，当电缆与设备连接端出现故障时，由于没有经过交叉互联箱且没有进行信号转化，能够明确得出其与金属护套相连的电流传感器中波形保持不变。
        在经过多传感器电缆绝缘监测仿真试验后，能够得出当电缆一段发生故障后，与其相邻的金属保护套上的电流传感器数值会大幅度提升，并根据交叉互联箱上的传感器采集数值的大小，从而能够对电缆局部故障位置进行大概确定。此种方式不仅能够充分发挥多传感器形式的实际应用价值，还能提高对电缆绝缘性质的监测质量和水平，确保其在实时监测过程中精准找出故障位置，并通过相应数据信息为后期故障维修提供数据支持，除此之外通过利用多传感器形式，提高了电缆故障监测简便程度，还能节约后期运检维修成本，为高压电缆绝缘故障监测提供技术支持，有助于推动电力企业的可持续健康发展。
        结论：综上所述，利用多传感器形式对电缆绝缘位置进行监测，是满足现代化电力发展的重要趋势，同时也是提高电缆运行质量和效率，保证电缆运行安全的重要举措，因此，需要充分发挥多传感器自身特性，优化监测系统设计内容，有利于实现企业经济和社会效益的和谐统一。
        参考文献：
        [1]杨玉新,李盛.基于高频局放检测的电缆绝缘诊断系统设计研究[J].电力学报,2020,35(03):246-254.
        [2]叶永市,林瑞全.基于多传感器的电缆绝缘监测[J].电气技术,2020,21(03):91-96.