1、本科毕业论文（20 届）配电电缆线路绝缘在线监测方法研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 配电电缆线路绝缘在线监测方法研究摘要配电线路的安全稳定运行，很大程度上取决于高压电气设备绝缘的可靠性。随着 XLPE 电缆在国内外电力系统的广泛应用，XLPE 电缆的绝缘检测工作显得更为重要。传统的停电状态下的绝缘测试方法试验周期长，具有一定盲目性，而且试验结果不可靠，因而正逐渐被在线监测技术所取代。绝缘在线监测系统是在不改变系统运行方式的情况下，从被测设备上取得电压或电流信号，从中分析计算出各种参数，并由此判断设备的绝缘状况。本文基于交流电压叠加法
2、理论分析：利用单片机辅以若干外围电路，利用数字信号处理的新技术，对采集过来的信号进行适当的处理，得出所要测量的参数。作者在研究并比较了各种测量方法的不同与优劣以后，提出并设计了电缆绝缘在线监测系统的硬件总体框架。根据电力系统运行现场存在的多种干扰信号，本文侧重于采集部分的研究和数字信号技术应用，分别采用了放大器技术和低通滤波技术。本文对电流电压信号的提取，滤波放大电路，以及数据的采集和传输分别进行了仿真。仿真结果表明，该系统能够较好地完成对 XLPE 电力电缆绝缘的在线监测任务。论文的最后部分以 GSM 短消息的远程控制系统为基础，给出了此系统应用领域的一些探讨和研究。关键词： XLPE 电缆
3、；交流叠加法；在线监测哈尔滨理工大学学士学位论文- II-Distribution line cable insulation online monitoring method researchAbstractThe distribution line security stable movement, is decided to a great extent by the high pressure electrical equipment insulation reliability. Along with the XLPE electric cable in the domestic a
4、nd foreign electrical power system widespread application, the XLPE electric cable insulation examination work appears importantly. Under the traditional power cut condition insulation test method experiment cycle is long, has certain blindness, moreover the test result is unreliable, thus is being
5、substituted gradually by the online monitor technology.Insulates the online monitor system is in does not change the system movement way in the situation, from was measured on the equipment obtains the voltage or the electric current signal, analyzes calculates each kind of parameter, from this and
6、judges the equipment the insulation condition. This article based on alternating voltage method of superposition theoretical analysis: Using monolithic integrated circuit auxiliary by certain periphery electric circuit, use digital signal processing new technology, to the signal which gathers carrie
7、s on suitable processing, obtains parameter which must survey. The author in studied and has compared each measuring technique was different with the fit and unfit quality after, proposed and has designed the electric cable insulation online monitor system hardware overall frame.According to the ele
8、ctrical power system movement scene existence many kinds of unwanted signal, this article stresses on the gathering part research and the digital signal technology application, has used the amplifier technology and the low pass filter technology separately. This article to the electric current 哈尔滨理工
9、大学学士学位论文- III-voltage signal extraction, the filter enlarges the electric circuit, as well as data gathering and the transmission has carried on the simulation separately. The simulation result indicated that, this system can complete well to the XLPE power cable insulation online monitor duty. The
10、paper finally partially take the GSM short news long-distance control system as a foundation, has given this system application domain some discussions and the research.Keywords : XLPE cable; AC Superposition Method; online monitor哈尔滨理工大学学士学位论文- IV-目录摘要 .IIAbstract.III第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 国内外
11、的研究现状 .21.2.1 国外现状 .31.2.2 国内现状 .41.3 研究配电线路在线监测的意义 .51.4 本文主要研究内容 .6第 2 章 损耗因数的在线监测 .72.1 损耗因数测量的原理与意义 .72.2 电力电缆绝缘在线监测方法理论介绍 .82.2.1 直流成分法 .82.2.2 直流叠加法 .82.2.3 tan 法 .92.2.4 低频叠加法 .102.2.5 交流叠加法 .112.2.6 其他方法 .112.2.7 几种在线监测方法的优缺点 .122.3 影响损耗因数在线监测值的因素分析 .142.4 损耗因数在线监测的算法研究 .152.4.1 过零检测比较法 .152
12、.4.2 电压电流波形积分法 .152.4.3 正弦波参数法 .162.4.4 高阶正弦拟合法 .172.4.5 频域分析法 .182.5 本章小结 .19第 3 章 电缆绝缘在线监测系统硬件设计 .203.1 交流电压叠加法的理论研究 .203.2 交流电压叠加法（101Hz 检测法）的应用实例 .213.3 总体设计方案 .233.3.1 滤波电路 .243.3.2 放大电路 .273.3.2 A/D 转换部分的设计 .30哈尔滨理工大学学士学位论文- V-3.3.3 单片机控制部分 .303.3.4 扩展 RAM 部分的设计 .313.3.5 串口通讯部分的设计 .323.3.6 GSM
13、 通信模块 .333.4 本章小结 .37结 论 .38致谢 .39参考文献 .40附录 .42哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题研究背景电网一般由输电网、配电网和用电网三部分组成，配电网是直接向用户供电的变电站引出馈电线路、用户变电站、用户用电设备等部分 1，具体结构如图 1-1 所示。由于配电网是电力生产和供应中的最后一个环节，直接面向用户，它的正常运行，保证用户的连续供电越来越受到有关部门的重视。对配电设备的运行状况进行实时监测，随时获得其运行状态变化的信息显得尤为重要，这种实时监测系统就叫做配电监测网。GGGG发 电 厂 升 压 变 电 站降 压 变 电
14、站 高 压 配 电 变 电 站 中 压 配 电 变 电 站 低 压 配 电 变 电 站发 电 系 统 输 电 系 统高 压 配 电 系 统 中 压 配 电系 统低 压 配 电 系 统开 闭 所开 关 站5 0 0 k V 2 2 0 k V1 1 0 k V3 5 k V1 0 k V 0 . 4 k V1 0 ( 6 . 3 ) / 0 . 4 k V5 0 0 k V 5 0 0 k V5 0 0 k V 2 2 0 k V1 1 0 k V1 0 k V1 0 k V1 0 k V1 0 k V0 . 4 k V0 . 4 k V0 . 4 k V0 . 4 k V0 . 4 k V配
15、电 系 统图 1-1 电力系统组成划分示意图随着我国国民经济的发展和人民物质文化生活水平不断提高，对电力的需求越来越大，对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。但是由于在我国，电力公司在计划经济时代“重发、轻供、不管用”的政策形成了在配电系统上大量的历史欠账，主要表现为配电网络结构薄弱，自动化管理水平低，缺少有效技术手段进行实时监测，造成负荷不均衡和停限电严重的现象。近年来，随着城乡电网建设和改造的展开，我国电网规模逐渐扩大，局部故障波及的范围会更广，更容易造成大面积停电等后果，带来巨大的损失。所以，为了配电系统的安全稳定运行，加强配电网的管理，提高供电质量，保证正常供电，迫切需要一种能够对配
16、电设备的运行状况进行实时监测，随时获得反映其运行状态变化信息的监测系统。工作人员对信息进行分析处理后作出判断，并根据所作判断进行必要的维修，最大哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -程度降低因停电等故障造成的经济损失 2。这种配电监测系统可以为电力部门提供可靠的技术数据，保障规范用电及监督管理，为电能企业面向市场，适应市场竞争提供强有力的技术手段。配电监测系统必将在电力系统中起到越来越重要的作用。电缆绝缘在线监测的研究工作起于上世纪 80 年代，在世界范围内，日本是最先开展研究的国家。但到目前为止，研究工作多以交联聚乙烯电缆的绝缘电阻在线监测和电缆中由于水树的存在而引起的直流电流的监测为主，被监
17、测电缆电压等级也比较低。关于这两方面的监测技术已经开发了很长时间，有些也已经应用到了实际电力系统中，但是并没有获得大面积推广使用。交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆是一种新型的塑料绝缘电力电缆，与油纸电缆相比，具有结构简单，制造周期短，工作温度高，无油，重量轻，安装、维护简单和输电损耗小等优点并且由于耐热性和机械性能好，传输容量大，不仅适用于中低压，而且还可以应用到高压和超高压系统中。电缆投入运行后，由于受到电、热、机械、化学等因素的作用将发生老化。由于我国早期应用的 10kV 及以下电压级别的 XLPE 电缆绝缘多采用水蒸汽湿法交联工艺生产，至今运行已逾二十年以上，有的甚至已超过三十年，水树
18、枝老化造成电缆击穿导致重大停电事故正呈加速上升之势，加之电力系统对正在迅速发展的更高电压等级的 XLPE 电缆线路运行可靠性的要求，为了保证电缆的可靠运行，我国目前预防性试验规程规定，对电力电缆绝缘的主要试验项目是测量绝缘电阻、直流耐压和测泄漏电流。除了进行这些离线测试以外，为了在运行过程中掌握电缆绝缘的老化状况，及时发现异常现象以避免事故的发生，还有必要对之进行在线的绝缘检测及诊断，防患于未然。1.2 国内外的研究现状随着电力供应的发展停电试验的传统方法已愈来愈不能适应电力生产和供应的实际需要。研究配电电缆线路的绝缘在线监测技术，可及时对电缆进行合理的维护、检修及更换对保证电缆可靠运行具有重
19、要的意义。由于交联聚乙烯(XLPE)电缆的绝缘性能良好，并且易于生产和安装方便，在国内外得到了广泛应用。但它也存在一些缺点。研究表明，XLPE 电缆的击穿故障中有 74%是由绝缘体内杂质引起的电树枝老化，26%是由屏蔽层表面粗糙引起的电树枝老化。因此，采用在线检测技术可较好地保证XLPE 电缆的可靠运行，具有较高的经济意义。目前，国内外已采用的或较有前途的几种在线监测法主要有：直流成分法、直流叠加法、电缆绝缘tan 的在线监测法、交流叠加法、谐波分量法等在线监测方法。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -1.2.1 国外现状电缆的使用至今已有百余年历史。美国发明家 T.A.爱迪生在 1879 年
20、将铜棒上包绕黄麻并将其穿入铁管内，然后填充沥青制成简易电缆。并将此电缆敷设于纽约，从而开创了地下输电线路。1880 年，英国人卡伦德发明了沥青浸渍纸绝缘电力电缆；在 1889 年，英国人 S.Z.费兰梯首次在德特福德与伦敦之间敷设了 10kV 油浸纸绝缘单相电缆；而 1908 年，英国人又建成了 20kV 电缆网，使电缆得到了越来越广的应用；在 1911 年，德国敷设成了 60kV 高压电缆，从而开始了中高压电缆的发展； 1913 年，德国人 M.霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆,改善了电缆绝缘内部电场的分布,消除了绝缘表面的正切应力，成为电缆发展中的里程碑；自 1944 年美国铺设第一根 3kV
21、 交联聚乙烯绝缘电缆以来 3，XLPE 电缆因其性能优良、工艺简单、安装方便、输送容量大、适应多种场合和运行维护简单而在世界范围内得以广泛应用；而 1952 年，瑞典敷设了 380kV 超高压电缆,实现了超高压电缆的实际应用并促进了电缆的快速发展。高压 XLPE 电缆的发展历史并不长，日本在 1955 年首次成功研制出 XLPE 交联聚乙烯绝缘电力电缆。1960 年在美国才开始交联聚乙烯电缆的制造技术。该技术一问世，立即传入了欧洲和日本，此后 XLPE 电缆在美国、欧洲和日本开始逐渐成熟。由于日本 XLPE 电缆自 1960 年以后，发展速度最快，并形成了自己的体系。目前日本己使用的 XLPE
22、 交联聚乙烯绝缘电力电缆占整个电力电缆用量的85%。目前，在国外电缆的在线监测开展比较早、比较多的是日本。早在 80年代初，日本就在该领域进行持续不断的研究和探索，开发出直流分量法、叠加电压法和电介质损耗法等多种诊断技术 4。日本住友电气工业株式会社于 80 年代后期研制出在线运行电缆监测仪(OLCM on Line Cable Monitor)。该仪器分为固定型和携带型两种，主要应用的条件是电压等级在 3.3、6.6、11.0kV 电压等级下；电网中性点的接地方式为不接地、经消弧线圈接地或接电阻接地:采用的方法主要是直流叠加法 5。近十年来，为了保障 XLPE 电力电缆的安全运行，电力电缆绝
23、缘在线监测技术得到了长足的发展，提出了多种在线监测的方法，并在欧美和日本等发达国家获得广泛的应用。日本学者研究发现，在同时对含水树枝 XLPE 电缆施加 2 个频率相近或相似呈倍数关系的正弦电压时，检测回路中会有超低频水树劣化特征电流信号产生。因此在强工频电场下，叠加 100+f(几十伏)的正弦电压会在水树枝老化的 XLPE 电缆中产生 1Hz 以下的超低频正弦响应电流信号。合成超低频频率越小，电流响应幅值越大，这种效应可作为判别 XLPE 电缆绝缘水树枝老化状态的依据。通过获取差频电流的大小，就可以判断出电缆绝缘中的水树枝劣化程度。该检测法即为交流叠加检测法或差频检测法。哈尔滨理工大学学士学
24、位论文- 4 -1.2.2 国内现状我国的 XLPE 电缆的在线监测的起步较晚、发展相对缓慢。九十年代初，上海电缆研究所也开始了研究工作，并进行了大量的现场试验。1993年，该所采用直流成分和直流叠加的复合诊断方法，研制成了适合于工业现场使用的 CDZ 型 XLPE 电缆诊断仪，并在包钢东码头电网中现场运行了两年。为企业的经济运行提供了有力保证。电缆运行的安全与否，对电力系统的影响较大，这一点已经逐渐被电力运行部门重视。1998 年 10 月，中原油田下属分公司的一从总变电站到聚乙烯变电站的电缆，由于环境潮湿，温度过热，绝缘提前老化，造成相间短路，造成上游开关由于差动保护而跳闸的恶性事故，为生
25、产安全和连续生产造成极大的损失。1999 年本溪钢铁公司由于电缆接头烧毁，导致隧道内一百二十多条电缆全部被烧毁。2000 年宝钢某一电缆隧道的一条电缆故障引起火灾，造成经济损失上亿元 6。近几年来，为了保障电力电缆的安全运行，我国在电力电缆绝缘在线监测技术上也得到了一定的发展。目前，电力电缆的在线监测技术主要有直流分量法、直流叠加法、局部放电法及低频叠加法等 7。国外发达国家这些方法已经得到较广泛的应用，积累了丰富的经验。而且，日本在交联聚乙烯电缆的在线监测技术和方法上投入了大量人力和物力，开发了一些监测与诊断设备，并提出了电缆绝缘老化程度的判据 8。我国在线监测技术刚刚起步，不少学者、专家和
26、研究单位对国外的监测技术和方法进行跟踪研究。目前，在电力电缆在线监测领域，国内也有了大量的相关论文和研究成果，但是目前投入实际运行的在线监测产品还很少。整体来说，国内外对于电缆绝缘故障的在线监测研究还不够成熟，尤其是对于 110kV/220kV 超高压电缆系统的研究和应用少之而又少。而随着电力系统的容量的不断扩大，电压等级的不断提高，高压电缆的造价和维护费用的不断增加，一种经济可行、安全可靠的在线监测方法和装置是迫切需要的。同时，随着变频技术和数字信号处理方面的成熟，采集和传输系统的数字化，并在此基础上进一步实现智能化，才能真正的做到提高系统的稳定性和可靠性，从而令电缆绝缘故障在线监测系统在大面积、长距离、多测点、工作条件恶劣的现场使用。电缆绝缘在线监测是电缆故障诊断的主流发展方向，提前发现电缆故障，防患于未然。最理想的是能同时实现电缆故障点的精确定位与故障类别的准确识别。进而实现电缆的“预防性维修”向“预知性维修”的发展，即实现对电缆的以“时间为基准”的维修方式到以“状态为基准”的维修
