电缆故障的在线检测系统设计.docx

    电缆故障的检测系统设计    摘  要：电缆是电力系统的重要组成部分，为了确保输配电安全性和稳定性，设计电缆故障检测系统非常重要故设计了一种电缆故障的检测系统，通过分析电缆故障和电缆局部放电特性，选取电缆电容漏电流值、局部脉冲电流、环境温度、环境湿度四个特征量进行检测，检测系统可以以这些数据为基础监测电缆绝缘状况，有效减少和预防漏电事故的发生Key：电缆故障;局部放电;监测;Proteus：TP311        ：A：2096-4706（2021）23-0064-05Design of Online Detection System for Cable FaultWANG Keqin（Cccc Mechanical & Electrical Engineering Co.， Ltd.， Beijing  100011， China）Abstract： Cable is an important part of the power system. In order to ensure the safety and stability of transmission and distribution， it is very important to design an online detection system for cable faults. Therefore， an online detection system for cable fault is designed， by analyzing the cable fault and cable partial discharge characteristics， four characteristic quantities of cable capacitance leakage current value， partial pulse current， ambient temperature and ambient humidity are selected for detection. The detection system can monitor the cable insulation status online based on these data， so as to effectively reduce and prevent the occurrence of leakage accidents.Keywords： cable fault; partial discharge; online monitoring; Proteus0  引  言本文设计了电缆故障的检测系统。

通过研究和阅读文献，明确了电缆发生故障的主要原因和局部放电的主要诱因通过对电缆局部放电特性的研究分析，并依据电缆故障理论，选定采集電容漏电流值、脉冲电流峰值、环境相对湿度、环境温度四个特征量来综合判断电缆的绝缘特性，并分析各特征量对电缆的影响选定适当的传感器采集电容漏电流、脉冲电流和环境温湿度设计电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路，将信号进行处理，精确地将信号输入到处理器中设计A/D转换电路，将传感器采集信号转换成数字信号利用Proteus仿真软件，对各电路进行仿真模拟，并对仿真结果进行分析1  绪  论1.1  课题研究背景与意义电缆已成为城市电气系统的重要组成部分，年增长率约为35%[1]由于交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的制造工艺简单、易于安装、重量轻且具有良好的热和电性能，因此电力电缆主要使用交联聚乙烯材料当前，电缆事故不时发生，并且取决于多个因素，例如电缆设计、制造、安装、维护和操作条件对于电网的安全运行来说，电缆是最重要的隐患之一长时间使用会导致电缆暴露于机械、电磁、高温、环境腐蚀和其他原因因此，要保证电缆的正常运行和电力系统的安全稳定，开发准确可靠的电力电缆故障监测和预警系统非常重要。

电力电缆故障的50%至65%是由连接器引起的据统计，在电缆运行10年后，必须更换90%以上的电缆连接监测有助于确定绝缘老化并评估其状况，从而有效减少和预防电缆故障事故[2]由于状态监测系统的广泛使用，每年可以将电力系统的维护成本降低25%至50%，从而大大提高了电力系统的稳定性包括使用热电偶测量电缆系统、数字温度传感器等关键组件的温度使用热红外摄像机通过对温度敏感的电缆或连接到电缆外套的分布式光纤温度传感器来测量整个电缆线的温度，并在电缆表面进行非接触式温度测量为了避免事故，很长一段时间以来，电力系统一直坚持使用在运行期间定期对电缆进行预防性测试的系统为了确保电力电缆的安全可靠运行并防止事故的发生，电力电缆系统的监控将发挥重要作用随着电网的不断发展，传统的预防性测试系统已无法满足电力电缆的维护需求，因此，有必要开发新的系统，以做到对电缆状态信息及时了解，并对电缆系统可能发生的故障给予早期警告电力电缆会遭受诸如绝缘性能下降之类的故障，这些故障会随着时间的流逝而累积并最终导致较大故障[3]在此过程中，电缆的绝缘状态会发生变化为了达到预测电缆绝缘性能和故障发生的目的，需要采集和研究电缆数据参数。

这不仅有助于防止因隐藏危险的扩散而引起的电缆故障，而且还可以作为减少人力和物力的基准监测电力电缆可以确定电气参数，例如电力电缆的运行状况和绝缘状态当前，我国仍在研制电力电缆故障的监测及预警系统掌握测量电缆参数的内容，简化监测流程、提高测量效率、减小系统误差、控制设备成本是当前和未来工作的方向1.2  国内外发展现状欧美发达国家此前已经开始了相关领域的电缆监测技术的研发早在70年代，西方许多发达国家就进行相关领域的研发，并创建了对电力电缆系统进行监测的测试项目由于科技进步，电缆监测系统的功能也越来越完善和智能迄今为止，许多西方工业化国家已经开始通过监视配电系统来对供电系统进行监视例如，几年前在加拿大，电力公司开发了一系列用于高端电源系统的集成监控系统，这些系统具有非常全面的功能，这些功能集成了检测、测量、通信和控制以及高性能DSP芯片通过使用数字信号极大地改善了监视过程中系统继电保护的操作在欧洲和美国，几家公司已成功开发了用于中央电缆检测系统的光纤分布式温度传感器和动态载流算法但是，西方国家的监测系统通常具有操作复杂的缺陷，并且由于我国电网的特殊结构，很难直接复制和使用国外产品，而且成本很高，不符合我国电缆保护监测的要求。

我国在这一领域的研究始于20世纪90年代，与许多工业化国家相比，已经远远落后了在21世纪，电力工业和通信技术得到了飞速发展，并且对电缆故障监视设备的需求已大大增加这导致许多公司和研发部门从事新的监控设备的开发，这些监控设备可适应整个配电网络，并且智能化和自动化成为发展趋势，各个行业对供电系统的可靠性和稳定性的要求进一步提高因此，对电缆进行快速和可靠的监控平台的研发变得更为急切例如，日本和韩国，LS公司和Sumitomo公司从2003年开始研究新的传感器和先进的算法，并将其应用于新的电缆监视和预警系统2008年，北京电力成功开发了一个大型中央监控系统，该系统可以覆盖整个城市区域对比所有系统，它们中的大多数都可以执行基本功能，但是多少都存在以下问题比如，系统的不同级别之间的区分不够清楚，这使设备和接口变得繁杂，这不仅增加了激活和维护成本，而且降低了系统的整体可靠性和可扩展性还有数据库的缺点：在初始设计期间数据库结构不足，这意味着不能同时输入、输出和存储整个数据库数据，并且整个数据相对繁重1.3  本设计的主要工作第1章节对本毕业设计研究背景意义和国内外发展现状进行了论述，对本文的研究内容进行介绍。

第2章节分析了电缆故障原因和电缆局部放电原因，根据电缆故障理论选择电容漏电流、脉冲电流、环境温湿度特征量，分析了各特征量对电缆绝缘性能影响第3章节介绍了电缆故障的检测系统的主要框架选择合适的电容漏电流传感器和脉冲电流传感器，将信号及时准确的传递到电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路选择合适的温湿度传感器，敏锐准确的反应电缆所处环境温湿度的变化情况选择合适AD转换芯片和单片机，编写程序，将采集的漏电流、脉冲电流、温湿度数据进行AD转换和数据传输第4章节本文对电容漏电流采集电路和脉冲电流采集电路进行了理论研究和详细的分析，并利用Proteus软件对采集电路进行了仿真，验证两个采集电路的设计是否达到预期的要求并且还利用Proteus软件搭建AD转换芯片和单片机的仿真电路，模拟AD转换过程和数据显示第5章节对本设计进行了总结，并对其做出来了展望2  电缆故障分析及特征量研究2.1  电缆故障分析在电力电缆运行过程中，故障的发生是不可避免的设计和开发一个高效的检测系统，以便监测电缆的健康状况，并对故障发生进行及时或早期的预警，这就需要研究电力电缆系统中可能发生的故障类型，因此，首先讨论电力电缆系统可能发生的故障类型[4]。

虽然XPLE绝缘电缆远低于其他类型电缆的故障率，但是由于电缆运行时间的增长和数量的增多，导致电气线路中普遍存在的故障现象和电缆绝缘老化依旧存在，大大增加了故障产生概率研究分析产生电缆故障的成因，避免对电缆的损伤，根据研究分析检测电缆性能和判断出故障点位置研究表明，电缆线出现故障的原因很多主要原因可以归纳为：（1）机械损坏在电缆的运输和安装过程中，由于人为操作或在埋入时电缆上的构造不正确，可能会导致外力损坏电缆[5]，使电缆会受到机械损伤如果损坏不是很严重，或损伤电缆长度较短，则进一步使用电缆导致存在潜在危险，这些潜在危险将导致损坏的零件完全失效，并在数月或数年内引起故障如果损坏严重，则可能会导致短路故障并中断对电源系统的正常供电2）绝缘受潮在电缆接头处很容易发生电缆故障，由于电缆是人力手工制作，如果制作不符合标准，或在下雨和湿润环境时进行制作，很容易造成水蒸气或水分渗入到电缆接头，在电场的长期作用下，形成水树枝进而诱发局部放电，渐渐破坏电缆的绝缘介质层而导致故障3）长期过负荷运行如果电缆长时间过载，电缆芯会因流过电流超过限定值而产生大量热量;同时，绝缘介质损耗、钢铠的涡流损耗和电荷的集肤效应等都会导致电缆非常严重的发热。

电缆在过载运行时会很快发生热老化，致使电缆介电绝缘层遭到破坏尤其是在夏日，由于电缆过热而引起的故障较多4）化学腐蚀如果电缆敷设在腐蚀性强或酸碱作用物质排放量大的地区，使电缆垫圈、外护套和铅铝护套长期遭受化学腐蚀，会使电缆绝缘介质层损坏，导致电缆绝缘故障5）环境温湿度电缆绝缘性能由于环境温湿度的变化会产生很大的差异，環境温度过高可能会引起电缆故障甚至起火爆炸[6]2.2  电缆局部放电分析电气设备的绝缘材料的施加电压的大小和击穿场的强度将随时间变化[7]电缆中发生的局部放电是非穿透放电的现象通过研究故障情况下电缆的状况，可以看出，大多数电缆在故障情况下都会有局部放电的现象研究表明，当电缆发生部分放电时，电缆的绝缘性能会下降，从而导致击穿电压下降这种放电不会立即破坏电缆的绝缘材料，但会导致芯线部分磨损由于局部放电长时间连续发生，电缆内部的绝缘性能进一步下降，最终导致电缆绝缘层完全破坏，从而导致故障电缆局部放电的主要原因为：（1）电缆的绝缘介质层内部有空隙或气泡，气隙的介电常数比绝缘介质层的介电常数小很多在长期交流电的作用下，由于介电常数与电场强度成反比，因此，绝缘介电层的击穿电压远高于气隙的击穿电压。

在正常电路的作用下，首先会在气隙中发生局部放电电缆在搬运、安装和使用过程中遭受严重的振动或机械损坏，导致绝缘材料出现细小裂纹，这。