钟建军
（广州南方投资集团有限公司电力建设分公司）
摘要：对电力电缆进行定期的检查能够检测出电缆的绝缘情况，但离线的对电缆进行检测必须在停电后进行，影响生产生活，同时停电后检测的电缆的参数也有所不同，因此在线的对电力电缆进行检测尤为重要，本文就主要对电力电缆绝缘的在线检测及诊断进行探讨。
关键词：电力电缆；在线监测；系统设计
前言
电力电缆的离线监测是一种预防性测试方法，然而这种监测方式存在许多的缺点，例如多次对电缆进行监测会引起绝缘性能变化，电源故障，电源中断以及电缆上的“整流效应”等，已经不能适应电力供应的实际需求。而电力电缆在线监测技术克服了离线监测技术的诸多弊端，能够准确及时的科学检测和维护电缆，而且可以通过接受的信号准确地判断电缆绝缘的状况，提高电缆使用的安全性，降低电力电缆供电的事故率。但这项技术在中国还不是很成熟，以下便介绍电力电缆的在线检测技术的软硬件设计。
1当前电力电缆绝缘在线监测状况
电力电缆由于占地面积小，电源安全可靠，对周围环境的电磁干扰小，因此被广泛使用，它们已经存在了100多年。在使用电力电缆时，电磁、温度、机械和化学等方面会导致电缆逐渐老化，从而导致破坏性的故障。早期的电缆故障主要以自身故障为主，当前的电缆终端和中间接头故障已成为电缆故障的主要原因。对电力电缆进行监测，预防故障发生非常重要。在上世纪60年代和70年代，很多的工业化国家开始探究电力电缆的在线监测和诊断技术。而中国在电力电缆在线监测技术研究的领域比较落后，技术进步缓慢。当前的电力电缆绝缘在线监测的主要方式有：直流分量法，直流电压叠加法，tanδ在线检测法，谐波分量法，低频电压叠加法，交流叠加法等，个别方法仍处于探索和实验阶段。总的来说，世界上对电缆绝缘故障的在线监测技术的研究还不够深入。
2绝缘监测系统总体设计方法
电力电缆绝缘监测系统设计如图1所示。
图1电力电缆监测设计图
监控单元必须具有合理的精度，但盲目追求高精度会增加设计成本，因此有必要在系统的稳定性和准确性之间找到合理的平衡点。通过对各种指标进行分析，监控单元的测量精度最合适设为0.2级。
3在线监测系统的硬件设计
现场监测单元主要由微处理器、信号处理器、FPGA、以及显示器等元件构成。ARM平台系统结构如图2所示。
图2ARM平台结构图
ARM体系结构的微处理器能够支持32位的CPU实时的进行仿真和信号追踪。LPC2214的功耗极低，且具有9个以上外部中断和32位定时器。系统中微处理器的主要功能是收集调节信号并进行控制存储，同时处理故障信号，提取特征和操作参数，保持与主机的通信，上传检测到的参数信息，方便上层电脑综合对电力电缆的使用情况进行检测评估。综合评估电力电缆的使用状况，为电力电缆的绝缘提供定量依据。系统应用MAX485芯片实现主机与现场监测元器件之间的通信连接，MAX485芯片主要由可控驱动器和可控接收器组成。
3.1A/D转换电路与锁相环电路设计
接地线电流的频谱分析可以更准确地获得基地线的电流基波分量，并且通常通过DFT运算操作获得。在进行频谱分析时，有必要处理频谱泄漏和频谱混叠的问题。对于频谱混叠问题，可以设置低通滤波器对信号进行过滤。对于频谱泄漏问题，可以采用锁相环的设计，在设计中只要窗口函数的宽度是最小周期的整数倍，就可以避免这个问题。由于锁相环的稳定性和高精度，因此对频率追踪准确，测量精度高。锁相环的设计如图3所示。
图3锁相环的组成结构
3.2信号电路与传感器设计
考虑到电力电缆检测系统中的接地电流很大，使用了穿通电流传感器，不仅能够满足精度标准，还保证了监控装置的用电安全性。通过对比分析，WBI513C0电流传感器可以满足系统要求。贯通式输入确保了监测设备的安全性，追踪电流源的输出便于信号分析，25kHz至5kHz的输入频率适合对工频信号进行采样。在有关信号整理的电路设计中，因为故障电流信号的输出可以到达100mA，所以应该增加电压或电流转换器，并通过运算放大器将电压放大到适当的范围，然后发送到随后的电路。随后的电路还需要加装低通滤波器，由于地线电流高频干扰强烈，加装低通滤波器可以减少干扰。
4绝缘在线检测的软件设计
4.1监测单元程序设计
监测系统软件主要由后台电脑的管理程序和现场的监控单元程序组成。现场监控单元程序从数据采集设备中读取相关的信息，将这些信息进行处理整合后保存在存储器中。上位机对上传的数据进行计数和分析，以次为依据对电力电缆进行判断分析是否有问题。一般现场的监测控制程序用μC/OS-II操作系统，主要由串行通信中断程序，数据处理程序数据和采集管理程序组成。如图4所示的串口中断程序的基本流程。
4.2后台电脑管理程序
一般用软件Lab-VIEW用于电力电缆绝缘在线监测系统程序的编写。在软件编程中，提出了一种结构化数据流程图模型，可以实现图形显示，数据采集和数据处理。程序采用分块框架结构，而监控管理程序分为主界面层，应用层和功能支持层。主界面是显示和操作面板；应用层具有评估故障标准，进行数据采集，数据查询和数据打印功能；支持层在主程序和每个模块之间调用和传输数据流。
4.2.1主程序
主程序包括系统设置，数据查询，超限报警，数据采集，系统退出和报告打印等模块。为了使系统更直观简单的操作，采用全中文设计用户界面，按钮模式进行选择功能，四个按键可以实现手动采集，参数设置，历史数据和表格打印功能。手动采集功能为地线电流提供实时测量方法；参数设置主要针对波特率和串口的通道设置；报告打印功能可以将历史信息打印出来直接观测；历史数据功能可查询之前的数据。
4.2.2诊断与故障分析功能
进行电力电缆绝缘监测的首要目的是检查电缆的绝缘性能是否能够进行电力的运输。由于电缆的绝缘性能需要由多个参数进行综合评估，因此需要多级，多参数的综合分析和比较判断条件。在将数据从现场检测单元发送到后台服务器之后，立即启动分析和判断故障的判断分析程序，并获得相关的特征值。“过渡期”电流意味着电流进入老化期，“危险期”电流“表示要击穿的电流。不同电缆模型的识别指标不同，最终判断的结构也不同。
4.3系统的调试与模拟仿真
在线监测系统将受到实际工作环境中各种电磁信号的影响。这些干扰降低了系统的测量精度，使系统无法执行正常程序，甚至可能导致系统崩溃。因此，有必要采取一定的抗干扰措施。这些措施主要包括：尽可能提高整个系统的集成度，去除不必要的组件；在监控系统中增加一个过压保护电路，以防止电流传感器突然产生过流导致产电压过高；经过光电隔离后的输出可以更好地消除接地回路的干扰，具有响应快，抗冲击的优点；数字信号滤波技术的灵活运用，通过进行系统调试，很大程度上降低信号的误差，提高了测量精度，实现了在线监测系统的可靠性。仿真测试表明，监控系统可以方便有效的判断电力电缆是否有绝缘的问题。
5结语
在线监测电缆为的是能够更好地诊断电缆可能出现故障。然而，电力电缆绝缘的在线监测的技术研究非常的复杂，在理论和工程实践中还存在许多亟待解决的问题，比如还需要进一步研究在线绝缘监测的原理。在对信号的采集和处理过程中，还应对当前的信号处理技术进行改进，减少信号干扰，使监测和判断标准达到各方的共识，是需要进一步解决的问题。然而，我们应该相信随着对电缆绝缘在线监测的持续探究，伴随着崭新的软件和硬件的运用，一个成熟可靠和有效的电力电缆在线监测技术将很快投入实际使用之中。
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