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船舶碼頭電纜絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計

文檔作者：姚東紅1 王新枝劉連超1 張軍3 文檔來源： 1．海軍91370部隊2 海軍工程大學(xué)3．海軍92459部隊		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月07日
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V01．35 No．7 2015．7 船電技術(shù)i應(yīng)用研究
船舶碼頭電纜絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計
姚東紅1，王新枝2，
(1．海軍91370部隊，福州350000；2．海軍工程大學(xué)，
劉連超1，張軍3
武漢430033；3．海軍92459部隊，福建寧德352000)
摘要：交聯(lián)聚乙烯電力電纜廣泛應(yīng)用于船舶碼頭電力系統(tǒng)。針對船舶碼頭電力電纜的絕緣狀態(tài)檢測，目
前大都采用定期離線檢測的方式，不利于電力系統(tǒng)運行的連續(xù)性，正逐漸被在線監(jiān)測技術(shù)所取代。本文根
據(jù)船舶碼頭輸電電纜的特點，確定了船舶碼頭電力電纜等效電路模型，采川II三反直流疊加快速檢測法測量
電纜絕緣值，并設(shè)計研制了船舶碼頭電纜絕緣蛉測裝置的軟硬件電路。試驗結(jié)果表明，該裝置能夠較好地
完成對船舶碼頭電力電纜絕緣的絕緣監(jiān)測任務(wù)。
關(guān)鍵詞：電力電纜在線絕緣監(jiān)測·陜速檢測法
中圖分類號：TM930 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003—4862(20l 5)07．0057．05
Design of Hot—line Insulation Monitoring Device of Dock Power Cable
Yao Donghong l，Wang Xinzhi2，Liu Lianchao l，Zhang Jun3
(1．No．91370 Troops ofPLA，F(xiàn)uzhou 350000，China；2．Naval University ofEngineering，Wuhan430033，China；3
No．92459 Troops of PLA，Ningde 352000，F(xiàn)ujian，China)
Abstract：Power cable with CROSS—linked polyethylene insulation is widely used in dock power system．For
continuity of power system，traditional insulation monitoring technology in the power-off mode，used to
monitor power cable insulation in dock,is being substituted by the on—line monitoring technology．According
to the feature of power cable in dock,the paper gives dock power cable equivalent models，brings up
forward and inverse DC superposition fast detection，and puts forward the gross structure of the hot—line
insulation monitoring device of dock power cable．The design of corresponding hardware and software is
introduced,and the field experimen括show that the device can meet the requirements of monitoringfor the
insulation ofthe XLPE cable in dock power system．
Keywords：power cable；hot—line insulation monitoring；力st detection
0引言
XLPE電力電纜是船舶碼頭輸配電系統(tǒng)的重
要組成部分。在投入運行后，XLPE電力電纜將
受到電、機械、化學(xué)、以及熱、光等因素的作用
而發(fā)生老化，出現(xiàn)“電樹枝”和“水樹枝”等現(xiàn)象
【l’3]，甚至發(fā)生電擊穿和熱擊穿。傳統(tǒng)的離線檢
測電纜絕緣老化的方法，需要在停電狀態(tài)下檢
測，不能滿足供電連續(xù)性的要求。目前XLPE電
力電纜在線監(jiān)測手段主要包括：直流成分法，直
流疊加法，介質(zhì)損耗正切法，低頻法，局部放電
收稿日期：2014．09．09
作者簡介：姚東紅(1972．)，男，工程師。研究方向：電
氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷。
法等【4】。其中直流疊加法在實際在線檢測XLPE
電力電纜絕緣狀態(tài)中應(yīng)用廣泛。但是當(dāng)電力電纜
存在水樹枝整流效應(yīng)及對地分布電容較大時，該
方法的檢測精度和檢測時間將受到很大影響。因
此，本文改進(jìn)現(xiàn)有的直流疊加方法，通過測量暫
態(tài)參數(shù)計算XLPE電纜絕緣值，設(shè)計了在保證檢
測精度的同時，實現(xiàn)快速測量的絕緣監(jiān)測裝置。
1檢測原理
直流疊加法檢測電纜絕緣電阻，只需要從中
性點向電網(wǎng)中注入直流電壓，幾乎不改變現(xiàn)有電
網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，易于安裝使用。而電纜絕緣處于交流
高壓的作用下，采用小功率低壓穩(wěn)壓直流電源，
就能真實反映絕緣的實際情況，且對電網(wǎng)正常運
57
萬方數(shù)據(jù)
船電技術(shù)l應(yīng)用研究V01．35 No．7 201 5．7
行影響較小。同時采樣電阻上的直流電壓信號易
于提取，抗干擾能力強，受交流電網(wǎng)影響較小。
目前針對XLPE電纜絕緣的直流疊加檢測方法，
主要有直流疊加快速檢測法，正反疊加直流電源
法，以及在測量電纜防護(hù)層和外皮對地絕緣電阻
時采用的補償電動勢法等【5’7|。直流疊加快速檢
測法采用了RxC。電纜等效模型，由于沒有考慮
水樹枝整流效應(yīng)，雖然測量較快但易受干擾，數(shù)
據(jù)可靠性不高博J。正反疊加直流電源法采用了
RxId電纜等效，通過正反兩次疊加直流電源，消
除雜散干擾，有效地提高了測量精確度【6J，但需
等待過渡過程結(jié)束，測量時間較長，不利于在線
監(jiān)測。
本文采用正反直流疊加快速檢測方法，其對
應(yīng)的電纜綜合等效模型為絕緣電阻尺補對地分
布電容Cx汞I整流效應(yīng)等效電流源厶的并聯(lián)模
型， (即R、C。Id等效模型)見圖l。通過先后正
反疊加直流電源，}『lj除水樹枝引起的歷等其他單
向雜散干擾，并利川快速檢測的方法，減少直流
電源疊加時問，快速準(zhǔn)確地得出電纜絕緣值。
圖1 XLPE電纜簡化等效模型
E
圖2正反直流疊加快速檢測法等效電路
正反直流疊加快速檢測法等效電路如圖2，
該檢測原理的測量過程敘述如下：
將開關(guān)S推至1位，監(jiān)測回路由采樣電阻
凡、限流電阻Rl、疊加的直流電源E以及電纜
R；C。Id等效電路組成?；芈方油ê?，等時間間隔
地對采樣電阻Ro的電壓Uo采樣，得到四個電壓
值：％，、％2、％3、％4，計算出分別對應(yīng)的分
58
布電容瞬時值以，、以2、Ux3、Ux4
?。卜掣] ㈣
其中：以f(i=1，2，3，4)為分布電容上直流電
壓的實時電壓值。
由上式可得：
‰：—』L-_
·一(糕丁
(2)
即該情況下的電纜絕緣尺x上的分壓乩。。上
述測量完成后，將開關(guān)S推至2位，反向疊加直
流電源E。pI路接通時，電纜分布電容上有初始
電壓％，其方向與此時疊加的直流電源E的正
方向相反，則：
蜘(u洲h掣k(3) L ／
重復(fù)l：述過程得}{{電纜絕緣JRx上的分壓
U。2。
再由： u。：半(4)
消除厶等造成的雜散干擾電流的影響，并由
R一：墜(魚±墨!±型3
E—U。
(5)
得到電纜絕緣電阻B。
從式l一5可以看出，測得的絕緣值與上述干
擾因素?zé)o關(guān)，因此正反直流疊加快速檢測法在理
論上能很好的消除水樹枝整流效應(yīng)造成的影響。
同樣的，電路中存在其他單向雜散干擾均可通過
該檢測方法消除，彌補直流疊加快速檢測的缺
陷，提高了測量精度。同時，只要實現(xiàn)快速等間
隔采樣，就能保證檢測速度。因此，正反直流疊
加快速檢測法能夠適用于船舶碼頭輸電電纜在線
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萬方數(shù)據(jù)
V01．35 No．7 2015．7 船電技術(shù)I應(yīng)用研究
絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。
2船舶碼頭輸電電纜絕緣在線監(jiān)測裝置的
設(shè)計
10 kvXLPE電力電纜監(jiān)測裝置是碼頭供配
電監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分之一，要求能采用在線和
離線兩種測量方式，具有自動和手動檢測功能，
實時顯示監(jiān)測結(jié)果，發(fā)出報警信號，同時將數(shù)槲
上傳至上級管理控制系統(tǒng)，并具有良好的人機交
互界面。
2．1硬件設(shè)計
根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)要求及裝置技術(shù)性能指標(biāo)，基
于正反直流疊加快速檢測法，設(shè)計的電纜在線監(jiān)
測裝置主要構(gòu)成部分有：信號疊加和取樣模塊
(包括直流疊加電源、保護(hù)模塊和濾波取樣模
塊)、A／D轉(zhuǎn)換模塊、CPU處理控制分析模塊、
通信模塊、人機交互模塊。整體框圖如圖3。
CPU分析
控制處理
畢
顰，露i窘蘸}．謄Am I離蠢
：堡墮墾塑塑墼堂堡墊
圖3監(jiān)測系統(tǒng)組成圖
其中直流疊加電源采用洛埃耶逆變一變壓一全橋
整流——穩(wěn)壓輸出的方案，實現(xiàn)50 VDC穩(wěn)壓輸
出。在提供穩(wěn)定、有較高精度的直流電壓的同
時，不會影響GPT二次開口三角的輸出電壓導(dǎo)
致保護(hù)開關(guān)動作。此外，為了在電網(wǎng)斷電狀態(tài)下
也能正常檢測，采用12VDC蓄電池為直流電源
供電，保證較高的可靠性和連續(xù)性。
濾波取樣模塊采用AD202精密隔離放大器，
將單片機電路與交流電網(wǎng)、疊加采樣電路進(jìn)行良
好的隔離。在隔離放大電路后加入了電壓跟隨電
路。由于監(jiān)測裝置疊加的直流電壓很低，而電纜
絕緣電阻、采樣電阻和限流電阻阻值相對較高，
采樣的電壓信號功率很小。如果后續(xù)電路輸入阻
抗比較小，信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的
輸出阻抗中。采用電壓跟隨電路作為緩沖級，輸
入阻抗高，輸出阻抗低，提高了帶載能力，并具
備一定的隔離作用。
保護(hù)模塊包含快速熔絲、高壓繼電器、限流
電阻、低壓放電管。保證在線監(jiān)測裝置的正常使
用和故障情況均不會影響輸配電系統(tǒng)的正常工
作，同時減少電網(wǎng)的故障對在線監(jiān)測系統(tǒng)的影響。
監(jiān)測裝置設(shè)置了良好的人機交互模塊，采用
WYM320240E型單色標(biāo)準(zhǔn)圖形點陣顯示模塊，采
用了RAl0雙圖形中文文字／圖形控制器RA8803。
顯示信息包括裝置白檢狀態(tài)，測量狀態(tài)、測量數(shù)
據(jù)及報警信息。通信模塊設(shè)置了RS一485和CAN
總線兩種通信方式，便于與上級管理控制系統(tǒng)通
信。Htl,J‘也設(shè)置了延伸報警觸點。．
2．2軟件設(shè)計
監(jiān)測裝置豐程序同化在cPu處理分析模塊
中，包括自榆初始化單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字
濾波單元、數(shù)據(jù)分析處理單元、以及顯示通信單
元和按鈕繼電器控制單元等。其流程圖見圖4。
[J榆卡JJ始
’化學(xué)，÷
f1榆ff心
失|45[ 成功
繼電器
H控制啦無
數(shù)據(jù)采集
單元
顯示通信
’
單元
簍·數(shù)巍波-。菱霉
圖4監(jiān)測裝置軟件流程圖
裝置的自檢和初始化是指在檢測系統(tǒng)軟件啟
動的時候，檢查各個硬件能否正常工作，并按照
設(shè)計的默認(rèn)值設(shè)置參數(shù)。硬件的自檢和初始化目
的在于系統(tǒng)軟件啟動之后，不需要人為地設(shè)置任
何參數(shù)就可以正常檢測，并在硬件出現(xiàn)問題時，
及時報警提醒維修更換，避免影響損壞其它部
件。軟件的初始化主要是對界面顯示、采樣時
間、數(shù)據(jù)計算參數(shù)、校準(zhǔn)設(shè)置、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)?
的初始化。
數(shù)據(jù)采集單元主要完成測量數(shù)據(jù)的獲取和初
步識別任務(wù)。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的采樣點數(shù)
時，系統(tǒng)自動停止采樣。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)
不成功，則執(zhí)行補充采集程序。在補充采集程序
中，直流電源的疊加順序與前次采集相反，即先
反向疊加直流電源，再正向疊加。數(shù)字濾波單元
采用中位值平均濾波法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾和周期性干擾均有良
好的抑制作用，平滑度較高[9J。
監(jiān)測裝置獲取的電壓信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前
59
萬方數(shù)據(jù)
船電技術(shù)應(yīng)用研究V01．35 No．7 201 5．7
經(jīng)過了硬件RC濾波，但仍有部分干擾信號無法
濾除，可以通過數(shù)字濾波方式進(jìn)一步消除。數(shù)
據(jù)分析處理單元將初步分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處
理，得出被測電纜的絕緣值，并將結(jié)果發(fā)送至數(shù)
據(jù)輸出單元。采樣的電壓信號經(jīng)過數(shù)字濾波后，
存放在指定的數(shù)組中。為了得出被測的絕緣電阻
值，需要甄別采樣數(shù)據(jù)的真?zhèn)?，再根?jù)數(shù)據(jù)的性
質(zhì)，采用不同的處理運算方法。
3試驗分析
在實驗室完成對船舶碼頭輸電電纜絕緣監(jiān)測
裝置的試驗，試驗電路見圖5。
j80V陟
-+11lU限
7f_7出器
s
R、Cx
碼、大輸電普通龜纜
電纜絕緣絕緣監(jiān)測
雌洲犍筲裝置
圖5監(jiān)測裝置試驗電路
監(jiān)測裝置由三相電壓互感器中性點接入電
網(wǎng)，380 VAC采用浮地三相三角形連接方式，由
隔離變壓器輸出實現(xiàn)交流電網(wǎng)環(huán)境。為了測試監(jiān)
測裝置在各種絕緣狀態(tài)的檢測情況，實驗室采用
可以任意調(diào)整的電阻凡、電容G模擬XLPE電
力電纜的絕緣電阻和對地分布電容。三相電壓互
感器中性點電壓，即零序電壓，模擬實際監(jiān)測環(huán)
境中的單向雜散干擾。
試驗時將另一臺采用傳統(tǒng)直流疊加法的絕緣
監(jiān)測裝置(裝置2)與本文研制的監(jiān)測裝置(裝
置1)一起接入電路，通過開關(guān)S切換監(jiān)測裝置，
比較兩者的性能。
首先，在采用相同絕緣電阻凡的情況下，
設(shè)置不同的分布電容值，兩臺裝置測量結(jié)果對比
如表l。監(jiān)測裝置2采用測量結(jié)果實時顯示的方
式，即測量出當(dāng)前數(shù)據(jù)就立即顯示，隨著測量時
間的推移不斷更新顯示數(shù)據(jù)。
從上表可以看出，若不設(shè)置分布電容，兩臺
監(jiān)測裝置測量結(jié)果相似，完成時間也比較接近。
當(dāng)分布電容不斷增加時，裝置2得出最終數(shù)據(jù)的
等待時間不斷增加，而裝置1的測量時間沒有明
顯的變化。一般碼頭電力電纜長度不超過10
km，分布電容一般在4．59F(按0．451,tF／km計算)
以內(nèi)，因此采用正反直流疊加快速檢測法的裝置
l，檢測時間不受分布電容的影響。
其次，設(shè)置多個分布電容C；值，以比較不
同分布電容對本文研制的監(jiān)測裝置測量影響，其
結(jié)果見表2。
上表中，當(dāng)R。<10 MQ，即電纜絕緣在嚴(yán)重
問題范圍時，測量誤差絕對值在0．7％～2．4％之
問。當(dāng)10 MQ<尺。>

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