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船舶码头电缆绝缘监测装置设计

文档作者：姚东红1 王新枝刘连超1 张军3 文档来源： 1．海军91370部队2 海军工程大学3．海军92459部队		点击数：	更新时间： 2021年06月07日
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V01．35 No．7 2015．7 船电技术i应用研究
船舶码头电缆绝缘监测装置设计
姚东红1，王新枝2，
(1．海军91370部队，福州350000；2．海军工程大学，
刘连超1，张军3
武汉430033；3．海军92459部队，福建宁德352000)
摘要：交联聚乙烯电力电缆广泛应用于船舶码头电力系统。针对船舶码头电力电缆的绝缘状态检测，目
前大都采用定期离线检测的方式，不利于电力系统运行的连续性，正逐渐被在线监测技术所取代。本文根
据船舶码头输电电缆的特点，确定了船舶码头电力电缆等效电路模型，采川II三反直流叠加快速检测法测量
电缆绝缘值，并设计研制了船舶码头电缆绝缘蛉测装置的软硬件电路。试验结果表明，该装置能够较好地
完成对船舶码头电力电缆绝缘的绝缘监测任务。
关键词：电力电缆在线绝缘监测·陕速检测法
中图分类号：TM930 文献标识码：A 文章编号：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，Fuzhou 350000，China；2．Naval University ofEngineering，Wuhan430033，China；3
No．92459 Troops of PLA，Ningde 352000，Fujian，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电力电缆是船舶码头输配电系统的重
要组成部分。在投入运行后，XLPE电力电缆将
受到电、机械、化学、以及热、光等因素的作用
而发生老化，出现“电树枝”和“水树枝”等现象
【l’3]，甚至发生电击穿和热击穿。传统的离线检
测电缆绝缘老化的方法，需要在停电状态下检
测，不能满足供电连续性的要求。目前XLPE电
力电缆在线监测手段主要包括：直流成分法，直
流叠加法，介质损耗正切法，低频法，局部放电
收稿日期：2014．09．09
作者简介：姚东红(1972．)，男，工程师。研究方向：电
气设备状态监测诊断。
法等【4】。其中直流叠加法在实际在线检测XLPE
电力电缆绝缘状态中应用广泛。但是当电力电缆
存在水树枝整流效应及对地分布电容较大时，该
方法的检测精度和检测时间将受到很大影响。因
此，本文改进现有的直流叠加方法，通过测量暂
态参数计算XLPE电缆绝缘值，设计了在保证检
测精度的同时，实现快速测量的绝缘监测装置。
1检测原理
直流叠加法检测电缆绝缘电阻，只需要从中
性点向电网中注入直流电压，几乎不改变现有电
网的结构，易于安装使用。而电缆绝缘处于交流
高压的作用下，采用小功率低压稳压直流电源，
就能真实反映绝缘的实际情况，且对电网正常运
57
万方数据
船电技术l应用研究V01．35 No．7 201 5．7
行影响较小。同时采样电阻上的直流电压信号易
于提取，抗干扰能力强，受交流电网影响较小。
目前针对XLPE电缆绝缘的直流叠加检测方法，
主要有直流叠加快速检测法，正反叠加直流电源
法，以及在测量电缆防护层和外皮对地绝缘电阻
时采用的补偿电动势法等【5’7|。直流叠加快速检
测法采用了RxC。电缆等效模型，由于没有考虑
水树枝整流效应，虽然测量较快但易受干扰，数
据可靠性不高博J。正反叠加直流电源法采用了
RxId电缆等效，通过正反两次叠加直流电源，消
除杂散干扰，有效地提高了测量精确度【6J，但需
等待过渡过程结束，测量时间较长，不利于在线
监测。
本文采用正反直流叠加快速检测方法，其对
应的电缆综合等效模型为绝缘电阻尺补对地分
布电容Cx汞I整流效应等效电流源厶的并联模
型， (即R、C。Id等效模型)见图l。通过先后正
反叠加直流电源，}『lj除水树枝引起的历等其他单
向杂散干扰，并利川快速检测的方法，减少直流
电源叠加时问，快速准确地得出电缆绝缘值。
图1 XLPE电缆简化等效模型
E
图2正反直流叠加快速检测法等效电路
正反直流叠加快速检测法等效电路如图2，
该检测原理的测量过程叙述如下：
将开关S推至1位，监测回路由采样电阻
凡、限流电阻Rl、叠加的直流电源E以及电缆
R；C。Id等效电路组成。回路接通后，等时间间隔
地对采样电阻Ro的电压Uo采样，得到四个电压
值：％，、％2、％3、％4，计算出分别对应的分
58
布电容瞬时值以，、以2、Ux3、Ux4
⋯。卜掣] ㈣
其中：以f(i=1，2，3，4)为分布电容上直流电
压的实时电压值。
由上式可得：
‰：—』L-_
·一(糕丁
(2)
即该情况下的电缆绝缘尺x上的分压乩。。上
述测量完成后，将开关S推至2位，反向叠加直
流电源E。pI路接通时，电缆分布电容上有初始
电压％，其方向与此时叠加的直流电源E的正
方向相反，则：
蜘(u洲h掣k(3) L ／
重复l：述过程得}{{电缆绝缘JRx上的分压
U。2。
再由： u。：半(4)
消除厶等造成的杂散干扰电流的影响，并由
R一：坠(鱼±墨!±型3
E—U。
(5)
得到电缆绝缘电阻B。
从式l一5可以看出，测得的绝缘值与上述干
扰因素无关，因此正反直流叠加快速检测法在理
论上能很好的消除水树枝整流效应造成的影响。
同样的，电路中存在其他单向杂散干扰均可通过
该检测方法消除，弥补直流叠加快速检测的缺
陷，提高了测量精度。同时，只要实现快速等间
隔采样，就能保证检测速度。因此，正反直流叠
加快速检测法能够适用于船舶码头输电电缆在线
Q四r
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绝缘监测系统。
2船舶码头输电电缆绝缘在线监测装置的
设计
10 kvXLPE电力电缆监测装置是码头供配
电监测系统的组成部分之一，要求能采用在线和
离线两种测量方式，具有自动和手动检测功能，
实时显示监测结果，发出报警信号，同时将数槲
上传至上级管理控制系统，并具有良好的人机交
互界面。
2．1硬件设计
根据监测系统要求及装置技术性能指标，基
于正反直流叠加快速检测法，设计的电缆在线监
测装置主要构成部分有：信号叠加和取样模块
(包括直流叠加电源、保护模块和滤波取样模
块)、A／D转换模块、CPU处理控制分析模块、
通信模块、人机交互模块。整体框图如图3。
CPU分析
控制处理
毕
颦，露i窘蘸}．誊Am I离蠢
：堡堕垦塑塑墼堂堡垫
图3监测系统组成图
其中直流叠加电源采用洛埃耶逆变一变压一全桥
整流——稳压输出的方案，实现50 VDC稳压输
出。在提供稳定、有较高精度的直流电压的同
时，不会影响GPT二次开口三角的输出电压导
致保护开关动作。此外，为了在电网断电状态下
也能正常检测，采用12VDC蓄电池为直流电源
供电，保证较高的可靠性和连续性。
滤波取样模块采用AD202精密隔离放大器，
将单片机电路与交流电网、叠加采样电路进行良
好的隔离。在隔离放大电路后加入了电压跟随电
路。由于监测装置叠加的直流电压很低，而电缆
绝缘电阻、采样电阻和限流电阻阻值相对较高，
采样的电压信号功率很小。如果后续电路输入阻
抗比较小，信号就会有相当的部分损耗在前级的
输出阻抗中。采用电压跟随电路作为缓冲级，输
入阻抗高，输出阻抗低，提高了带载能力，并具
备一定的隔离作用。
保护模块包含快速熔丝、高压继电器、限流
电阻、低压放电管。保证在线监测装置的正常使
用和故障情况均不会影响输配电系统的正常工
作，同时减少电网的故障对在线监测系统的影响。
监测装置设置了良好的人机交互模块，采用
WYM320240E型单色标准图形点阵显示模块，采
用了RAl0双图形中文文字／图形控制器RA8803。
显示信息包括装置白检状态，测量状态、测量数
据及报警信息。通信模块设置了RS一485和CAN
总线两种通信方式，便于与上级管理控制系统通
信。Htl,J‘也设置了延伸报警触点。．
2．2软件设计
监测装置丰程序同化在cPu处理分析模块
中，包括自榆初始化单元、数据采集单元、数字
滤波单元、数据分析处理单元、以及显示通信单
元和按钮继电器控制单元等。其流程图见图4。
[J榆卡JJ始
’化学，÷
f1榆ff心
失|45[ 成功
继电器
H控制啦无
数据采集
单元
显示通信
’
单元
篓·数巍波-。菱霉
图4监测装置软件流程图
装置的自检和初始化是指在检测系统软件启
动的时候，检查各个硬件能否正常工作，并按照
设计的默认值设置参数。硬件的自检和初始化目
的在于系统软件启动之后，不需要人为地设置任
何参数就可以正常检测，并在硬件出现问题时，
及时报警提醒维修更换，避免影响损坏其它部
件。软件的初始化主要是对界面显示、采样时
间、数据计算参数、校准设置、远程数据传输等
的初始化。
数据采集单元主要完成测量数据的获取和初
步识别任务。当采样数据达到设定的采样点数
时，系统自动停止采样。如果系统发现采样数据
不成功，则执行补充采集程序。在补充采集程序
中，直流电源的叠加顺序与前次采集相反，即先
反向叠加直流电源，再正向叠加。数字滤波单元
采用中位值平均滤波法对采集的数据进行分析。
对于偶然出现的脉冲性干扰和周期性干扰均有良
好的抑制作用，平滑度较高[9J。
监测装置获取的电压信号在模数转换之前
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经过了硬件RC滤波，但仍有部分干扰信号无法
滤除，可以通过数字滤波方式进一步消除。数
据分析处理单元将初步分析后的数据进行运算处
理，得出被测电缆的绝缘值，并将结果发送至数
据输出单元。采样的电压信号经过数字滤波后，
存放在指定的数组中。为了得出被测的绝缘电阻
值，需要甄别采样数据的真伪，再根据数据的性
质，采用不同的处理运算方法。
3试验分析
在实验室完成对船舶码头输电电缆绝缘监测
装置的试验，试验电路见图5。
j80V陟
-+11lU限
7f_7出器
s
R、Cx
码、大输电普通龟缆
电缆绝缘绝缘监测
雌洲犍筲装置
图5监测装置试验电路
监测装置由三相电压互感器中性点接入电
网，380 VAC采用浮地三相三角形连接方式，由
隔离变压器输出实现交流电网环境。为了测试监
测装置在各种绝缘状态的检测情况，实验室采用
可以任意调整的电阻凡、电容G模拟XLPE电
力电缆的绝缘电阻和对地分布电容。三相电压互
感器中性点电压，即零序电压，模拟实际监测环
境中的单向杂散干扰。
试验时将另一台采用传统直流叠加法的绝缘
监测装置(装置2)与本文研制的监测装置(装
置1)一起接入电路，通过开关S切换监测装置，
比较两者的性能。
首先，在采用相同绝缘电阻凡的情况下，
设置不同的分布电容值，两台装置测量结果对比
如表l。监测装置2采用测量结果实时显示的方
式，即测量出当前数据就立即显示，随着测量时
间的推移不断更新显示数据。
从上表可以看出，若不设置分布电容，两台
监测装置测量结果相似，完成时间也比较接近。
当分布电容不断增加时，装置2得出最终数据的
等待时间不断增加，而装置1的测量时间没有明
显的变化。一般码头电力电缆长度不超过10
km，分布电容一般在4．59F(按0．451,tF／km计算)
以内，因此采用正反直流叠加快速检测法的装置
l，检测时间不受分布电容的影响。
其次，设置多个分布电容C；值，以比较不
同分布电容对本文研制的监测装置测量影响，其
结果见表2。
上表中，当R。<10 MQ，即电缆绝缘在严重
问题范围时，测量误差绝对值在0．7％～2．4％之
问。当10 MQ<尺。>

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