PVC电缆绝缘气体成分在线监测系统的研究和应用

彭彦军，周泽民，何启科，陈健禧

（广西电网有限责任公司桂林供电局，广西 桂林 541002）

0 引 言

在足够强的电场作用下，电力设备的绝缘材料发生微弱的放电现象称为局部放电。轻微局部放电一般不会严重破坏设备的绝缘强度，对电力设备的影响相对较小。若任由存在局部放电现象的设备长期运行，会降低设备绝缘寿命或影响设备的安全运行。局部放电的危害程度一方面取决于放电强度和放电次数，另一方面取决于绝缘材料的耐放电性能和放电作用下绝缘的破坏机理。为了保证电力设备安全运行，近年来局部放电检测技术得到了迅速发展，能及时发现电力设备中存在的安全隐患以及评估绝缘缺陷的严重程度[1-3]。

一般聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）电缆的工作寿命最长为30年，但由于电缆运行环境通常相对恶劣，运行过程中电缆中间接头等部位经常发生故障，缩短了电缆的使用寿命。经调研发现，PVC电缆的主要故障原因有3个方面：一是电缆制作材料存在缺陷、施工工艺不足引起的；二是安装等过程中的机械损伤导致的；三是长期过负荷运行、绝缘受潮、过电压等运行过程中引起的绝缘问题。在强电场的作用下，电力电缆及其中间接头绝缘层的薄弱部位极易发生局部放电而导致电介质局部损坏，长期运行将会导致电缆绝缘劣化甚至击穿，造成事故。

电缆发生局部放电时表现为产生光、热、声、电磁辐射，或引起电流突增、突降等。目前，常用的局部放电检测手段是利用这些物理、化学特征来实现，主要采用超声波法、暂态低电压法、特高频法及脉冲电流法等。但是，这些检测方法通常依靠人工定期在电缆沟内巡检。一方面由于局部放电具有随机性，导致检测效率较低；另一方面电缆局放时产生的脉冲信号较弱，对传感器的抗干扰能力及检测灵敏度要求较高。因此，研究新的技术手段，实现电缆绝缘状态的实时监测来保证电力系统稳定运行具有重要的意义。

电缆局部放电产生高温会引起电缆绝缘材料分解出特殊气体，通过检测特殊气体含量能反映电缆的绝缘性及可靠性[4]。下面通过研究PVC电缆在高温下的裂解原理，分析故障和气体的产生规律，研制一套电缆气体在线检测系统，通过对电缆绝缘气体的实时在线检测，以实现电缆绝缘状态的早期预警。

1 方案设计

1.1 系统方案

电缆气体在线监测系统设计基于物联网通信技术，由传感器节点、集中器节点和数据后台3大部分组成，如图1所示。传感器节点主要负责局部放电信号的采集、收发；集中器节点主要负责数据的接收透传、指令转发；数据后台主要进行大数据的计算、存储、展示。传感器节点通过LoRa无线通信技术向集中器节点传送采集数据。集中器节点接收传感器数据后经过处理，根据服务器网络部署方式，可采用无线方式或者有线方式与数据后台进行通信[5-7]。

图1 电缆气体在线监测系统框图

传感器节点由通信模组、主处理器和传感器3大块组成（见图2）。通信模组负责同汇聚节点进行数据通信，由主处理器通过串口协议控制数据的收发。传感器负责数据采集。主处理器对数据进行处理、分析以及发送。

图2 传感器节点功能框图

集中器节点主要负责数据的接收透传、指令转发，是输变电设备物联网感知层通信中继设备，具备自组网和传感器终端接入的功能（见图3）。

图3 集中器节点功能框图

数据后台主要进行大数据的计算、存储以及展示，将网络内的海量信息资源通过算力整合成可互联互通的大型网络，解决数据存储、检索、使用、挖掘和安全隐私保护等问题（见图4）。

图4 数据后台功能框图

1.2 硬件方案

气体在线检测装置的系统硬件结构如图5所示。在气体在线检测装置的主电路板设计上，地线设计使用抗干扰技术；数据采集信号设计采用双端差分输入，能模拟信号及数字信号，采用工业过程中常用的优化控制技术，确保准确及可靠地采集数据信号。采用防磁金属材料设计机壳，能屏蔽电磁干扰。连接电缆部分采用双屏蔽电缆，各种接头采用金属航空头，具有屏蔽、防水、防尘以及连接可靠等优势[8,9]。

图5 系统硬件框图

选用ST公司推出的STM32系列芯片作为微控制单元（Micro Control Unit，MCU），通过对采集的模拟信号进行放大、滤波、转换等一系列处理，实现对传感器信号的误差修正，得到精确稳定的信号输出。它的原理是采用外部基准电压芯片ADR391作为信号调理模块，ADC（Analog-to-Digital Converter）模数转换单元利用AD7790模数转换器、ADG1608双电源模拟开关和多路复用器实现多通道模拟信号采集，实现对传感器信号、温湿度输出信号和内部电源电压的采样；气泵流率利用PWM信号占空比进行控制。系统硬件还设计了按键、液晶显示及声光报警控制等功能模块。

特征气体传感器模块选用了英国CITY公司的4ETO。该传感器的工作原理是将气体含量转换成电流信号选择 STM32芯片内部的SDIO作为数据存储电路，并将接口采集的数据直接保存在内存芯片中。电缆气体在线监测传感器如图6所示。

图6 电缆气体在线监测传感器实物图

1.3 软件方案

软件有现场可编程门阵（Field-Programmable Gate Array，FPGA）软件和ARM（Advanced RISC Machines）软件，设计流程如图7所示。FPGA软件主要用于系统自检及数据采集，并与24 bit高精度ADC芯片连接，将24 bit数据采样转换结果读入FPGA的先入先出队列（First Input First Output，FIFO）中，定时2 s采集一次数据，转换为实际电压值。在转换过程中，将采样过程中的突发性干扰去除，平均值滤波后存储到公用存储地址。嵌入式ARM在公用存储地址中读取电压值，并通过标定系统转换为浓度值，显示在液晶显示屏上。嵌入式软件还可完成用户交互、数据存储、结果显示及数据分析。

图7 下位机软件设计流程

每个传感器的基准电压不同。受电路参数漂移、传感器特征参数等多种因素的影响，为了确定每个传感器的基准电压，对1#传感器进行了测试，测试结果如表1所示。由表1可见，在当天11:00—12:00进行了测试，记录了12个数据，稳定后基准电压值为0.173 5 V；当天17:00—18:00也进行了测试，稳定后基准电压值为0.179 6 V。上午与下午测试的环境温度和湿度相差不大，电压基准值非常接近，最终确定此装置的基准电压为0.18 V。

表1 基准电压测试

2 现场应用

2020年8月底，在公司110 kV七星变电站上线了PVC电缆绝缘气体在线监测系统，安装了电缆气体在线监测传感器40台实现对电缆沟绝缘气体的检测，同时配置2台集中器实现检测数据的接收与转发。图8为现场安装示意图，图9显示集中器安装在站所室内的墙壁上。

图8 传感器现场安装

图9 集中器现场安装

电缆气体智能诊断平台兼容Window和Linux操作系统，接收集中器上送的检测数据，经系统分析处理将实时数据和检测报警状态展示在PC端，主界面如图10所示。

图10 电缆气体诊断平台主页面

进一步分析现场数据发现，现场电缆目前运行状态良好，安装2个月内无绝缘气体浓度告警。为验证系统检测的有效性，现场运维人员于2020年10月18日点燃一段废旧电缆，将产生的烟气靠近电缆沟，几分钟内多个传感器检测到有气体浓度异常情况发生，检测点14检测到气体浓度超过950 mg/kg，如图11所示。

图11 气体浓度异常数据（检测点14）

通过分析系统数据发现，现场多个检测点同时检测到气体浓度异常数据，准确反映了电缆沟内异常气体浓度的变化。该方法为PVC电缆的绝缘状态的实时检测提供了一种快速有效的初步判断方法，可根据气体检测数据进行电缆绝缘故障的早期预警。

3 结 论

本文基于PVC电缆在高温下的裂解原理，通过分析故障和气体的发生规律，研制了电缆气体在线检测系统，实现了对PVC电缆气体的实时在线检测，并将该方法应用到实际现场进行电缆绝缘特殊气体检测数据分析。应用结果表明，该方法在不停电的情况下，可用于判断电缆沟内运行的电缆是否存在绝缘异常情况，说明本文所述方案具有有效性及实用性。上述研究成果不仅可以预警绝缘缺陷，避免电缆停电事故，而且可以预防有毒气体，实现火灾预警，可应用于PVC电缆绝缘故障分析和诊断。