2024年4月10日发(作者：玄正诚)
２０２１年
第３期
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
仪表技术与传感器
２０２１
Ｎｏ．３
电网电缆绝缘在线监测系统设计
（１．成都工业学院电子工程学院，四川成都 ６１１７３０；２．重庆大学电气工程学院，重庆 ４０００４４）
罗 乐
１
，汪金刚
２
摘要：电缆由于长期暴露在环境中老化会存在重大安全隐患，开发一种在线绝缘监测系统。利用
利用频率测量程序、绝缘电阻计算程序可以输出电缆的绝缘电阻值，并且降低终端和被检测电缆对测
量精度的影响。最后利用实测标准线缆数据验证绝缘电阻监测值符合实际绝缘特性，并且绝缘电阻检
测精度可以在５％以内。
关键词：电缆；绝缘电阻；嵌入式；在线监测
中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２
－
１８４１（２０２１）０３
－
００６３
－
０４
交流低频叠加作为测量激励信号，通过频率测量电路、信号源电路和５０Ｈｚ的带通电路搭建硬件平台，
Ｏｎ⁃ｌｉｎｅＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣａｂｌｅｓ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７３０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｂｌｅｓｃａｎｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓａｆｅｔｙｈａｚａｒｄｓｄｕｅｔｏｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｅｘｐｏｓｕｒｅｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｏｎｌｉｎｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍｏ⁃
ｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＵｓｉｎｇＡＣｌｏｗ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ，ａｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ
ｗａｓｂｕｉｌｔｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ５０Ｈｚｂａｎｄ⁃ｐａｓｓｃｉｒｃｕｉｔ．Ｕｓｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓ⁃
ｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍａｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃａｂｌｅｗａｓｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅ
ｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌａｎｄｄｅｔｅｃｔｅｄｉｍｐａｃｔｏｆｃａｂｌｅｓｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｔａｎｄａｒｄｃａｂｌｅｄａｔａｗａｓｕｓｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙ
ｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｖａｌｕｅｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｃａｎｂｅｗｉｔｈｉｎ５％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ＬＵＯＬｅ
１
，ＷＡＮＧＪｉｎ⁃ｇａｎｇ
２
０ 引言
电网系统的线缆全部暴露在自然环境中，长时间
的暴晒和雨淋等环境因素会造成电缆腐蚀
［１］
，由于电
网都为高压电，电缆内部会局部放电而击穿绝缘电
缆。传统检测方式是停止供电，然后用绝缘表等仪器
测量
［２］
，在线监测的方式可以避免供电站停止供电，
也可以提前定位绝缘线缆的动态故障。
１ 信号叠加法
目前电缆绝缘在线监测方式有局部放电法、电磁
叠加、红外扫描、低频叠加法等。局部放电法可能会
二次损坏导线
［３］
，使绝缘良好的导线漆皮出现隐藏故
障，电磁叠加由于是连接在导线两端，只能定位整个
导线的性能，当出现小缺陷时并不能定位故障位置。
本监测系统叠加低频信号，三相电源中叠加低频信号
不会对原系统造成影响，检测原理见图１，监测系统产
基金项目：教育部产学合作协同育人项目（２０１９０１００９０３８）
收稿日期：２０２０
－
０３
－
２７
生的低频信号通过绝缘电阻和寄生电容形成的回路
产生电压向量
［４］
，通过分析电压向量计算出线缆的绝
缘电阻。
图１ 叠加信号检测原理
２ 电网电缆的绝缘在线监测硬件
电网电缆的绝缘在线监测系统如图２所示，包括
信号输入、信号调理电路、ＤＳＰ信号处理、人机交互等
部分，传感器读取的电压信号需要经过检测、调理和
采集，在硬件检测部分比较重要的是信号调理电路，
包括带阻电路、信号源电路和频率测量电路３部分，带
６４ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｍａｒ．２０２１
阻电路主要作用是滤除工频５０Ｈｚ的无效信号，信号
源电路用于产生低频信号并叠加到三相电缆中
［５］
，频
率测量电路用于分析电压向量。
图３ 带阻电路
图２ 电网电缆的绝缘在线监测系统
２．２ 信号源电路
信号源电路主要用于产生１０Ｈｚ的低频脉冲电压
信号，信号的输入为工频交流信号，产生的低频信号
４所示。Ｓ＿Ｌ和Ｓ＿Ｎ为交流电压的输入信号，先经过
整流桥电路Ｄ
５５
～Ｄ
５８
，整流后输出为直流信号，并联一
个Ｃ
３８８
的电容可以平滑直流电压纹波，ＩＧＢＴ用于逆变
源叠加到电缆后用于检测绝缘电阻
［８］
，具体电路如图
２．１ 带阻电路
由于在电网的三相电缆中５０Ｈｚ的交流电源信号
最多，工频信号对低频有效信号造成的干扰最严重，
为了抑制噪声信号需要设计带阻滤波电路
［６］
路见图３。输入信号ＩＮ后面连接了一个二阶带阻滤
波电路，其中Ｒ
４７８
、Ｒ
４７９
、Ｒ
４８０
、Ｃ
３８５
、Ｃ
３８６
、Ｃ
３８７
６个器件可
３３ｋΩ的电阻并联，Ｃ
３８７
等效为两个１００ｎＦ的电容并
联，因此滤波器可以等效为对称式
［７］
，电路的截止频
率为２πＲＣ，计算结果为５０Ｈｚ，后面的运算放大器为２
倍的差分放大电路。
以计算出滤波器的截止频率，Ｒ
４８０
可以等效为２个
，具体电
输出一个频率可调的交流电路，由于开关频率和输出电
压都不是很高，在栅极和射极之间的寄生电容可以忽略
不计，为保证低频信号的有效，在逆变电路上并联一个
ＬＣ低通滤波器。逆变电路后面连接了一个隔离变压
的输出为
＋
５Ｖ脉冲电压。
器，隔离变压器后面连接一个光耦驱动电路，驱动电路
图４ 信号源电路
２．３ 频率测量电路
绝缘在线监测系统中，靠硬件采集电路采样输入
高速信号
［９］
，单纯靠信号调理电路和高速Ｉ／Ｏ口采集
的信号会出现延时和丢脉冲，因此加入频率测量电
路，主要功能是保证测量精度和过零点的起始点检
测，具体电路如图５所示。当低频信号和工频都进入
ＩＮ引脚时，有信号噪声峰值时在经过零点时会转变为
电平信号，通过检测电平信号脉冲频率就可以测量出
信号周期，ＩＮＡ
－
输入低电平参考信号，ＩＮＡ
＋
为线缆输
出的混合信号。
３ 软件
绝缘在线监测系统的软件系统包括频率测量程
序和绝缘电阻计算程序，频率测量是为了识别采集的
有效电压向量，绝缘电阻计算是对提取的特定频率信
号计算转化为绝缘电阻值。
图５ 频率测量电路
３．１ 频率测量程序
在信号源中只有工频和注入１０Ｈｚ２种频率，硬
件电路滤除工频信号后只剩有效信号，但是信号源在
逆变过程中及采集过程中频率不会做到绝对精准
［１０］
，
如果直接由采用的频率计算必然会造成频率误差，因
此对采集的电压向量信号先要进行频率转化，具体程
序见图６，系统上电后先要初始化和启动定时器１和
２，开始捕获单元１即第１个脉冲上升沿，定时器开始
第３期罗乐等：电网电缆绝缘在线监测系统设计
６５
捕捉第２个上升沿并比较，如果确认是１个脉冲后把
中断标志位置位，同时对定时器２加１个脉冲数量，同
理补充多个脉冲后判断是否结束１个周期，根据采集
的脉冲数就可以计算出信号的周期和频率。
图６ 频率测量程序
３．２ 绝缘电阻计算程序
绝缘电阻计算程序的作用是对采样数据进行计
算，先对数据进行转化分解，再根据转化的数据计算
线缆绝缘电阻
［１１］
初始化，再利用均方根法去除异常的采样数据
，具体流程见图７。系统上电后先要
，删除
的数据用插值法补齐，对电压信号进行傅里叶变换后
分离出实部和虚部，根据两个值计算出电缆的绝缘电
阻值，为提高计算效率，数据处理程序放在主程序中，
傅里叶变换程序为系统库函数。
图７ 缘电阻计算程序
将三相电缆分别简化为单相电缆模型，计算模型
需要按照图８分解，Ｌ
，Ｃ
ｄ
为电抗器等效电感模型，Ｌ
为线缆对地线的分布电容。
ｘ
为
电缆等效阻抗模型
按照等效电路将电缆阻抗用计算模型等效为
Ｚ
＝
ｊωＬ
＋
Ｒ∥（
ｊωＣ
１
）（１）
式中：ω为信号发生电路产生的频率，ω
＝
１０Ｈｚ，Ｌ为
电缆的等效感抗；Ｒ为电缆２０℃的单位铜线阻值；Ｃ
为三根电缆对地分布电容。
图８ 电网电缆等效电路图
４ 绝缘在线监测系统的试验验证
电网电缆的绝缘在线监测系统需要在２个重要的
方面进行验证，一是要抑制工频干扰信号，二是要验
证不同电缆绝缘电阻的精度。前期均在实验室环境
中完成绝缘在线检测系统的验证
８
线缆中信号同步验证硬件信号采集部分
ｋＶ三相动力线缆，该线缆长度为
，
５
如图
ｍ，用示波器采集
９所示，采用
，设定在线监
测系统信号源工作电压为１５Ｖ，三相线缆连接到三相
程控电源上。
图９ 实验室测试环境
４．１ 频率波特图
采集带阻电路后的电压信号，为了区分电压信号
是否抑制工频干扰信号，用工频信号源验证系统
［１２］
先对信号进行傅里叶变换，得到频率波特图，如图７所
，
示。衰减频率可以准确地落到５０Ｈｚ内，由于元器件
的精度和温度漂移等原因造成在４０～６０Ｈｚ会有不同
程度的衰减
Ｈｚ没有衰减
，
，
衰减幅值可以达到
也可以满足系统设计要求
６５ｄＢ，但此电路在
。
１０
图１０ 频率波特图
４．２ 绝缘电阻误差分析
由于电网电缆电磁干扰和地线之间的分布电容
等原因，造成干扰信号导致测量误差，用系列标准线
缆来验证电缆的绝缘电阻，可以更加准确地验证系统精
度，具体结果见图１１。标准线缆绝缘电阻在０～１６０ｋΩ
６６ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｍａｒ．２０２１
之间，电阻值比较小时测量的相对误差比较大可以达
到５％，随着阻值增加误差减小并趋于平稳在２．５％左
右，而实际电网线缆的绝缘电阻值在几十ＭΩ左右，
监测系统精度可以满足要求。
的绝缘电阻符合实际绝缘特性，并且绝缘电阻检测精
度可以达到５％以内。
参考文献：
［１］ 王宏伟，张利民，姜建平，等．特高压站避雷器泄漏电流在
线监测和分析系统［Ｊ］．电瓷避雷器，２０１９（６）：６７
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７２．
［２］ 郑文迪，周腾龙，邵振国，等．模块化多电平换流器ＩＧＢＴ
１２０
－
１２５．
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裂综合设计研究［Ｊ］．地震工程学报，２０１９，４１（６）：１４９９
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１５０５．
（６）：１４０７
－
１４１８．
［４］ 杨微．断裂带首波研究进展［Ｊ］．地震工程学报，２０１９，４１
［５］ 李嘉明，陈曦，郝一帆，等．电缆线路中操作过电压主导频率
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２７９３．
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［６］ 张超，杜博超，崔淑梅，等．电动汽车高压系统绝缘状态在线
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［８］ 赵世林，周凯，何珉，等．冲击电压下电缆的介电响应特性与
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１３０４．
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的抑制效果［Ｊ］．高电压技术，２０１８，４４（８）：２７３２
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２７３７．
［１０］ 汪颖，卢宏，杨晓梅，等．堆叠自动编码器与Ｓ变换相结
２０１８，３８（８）：１１７
－
１２４．
图１１ 绝缘电阻误差结果
数据结果传递到信号上位机中显示，人机交互界
面如图１２所示。本系统可以同时监测６条线缆，在绝
缘电阻为９９９９ＭΩ时表示系统绝缘状态良好，历史查
询界面可以读取所有的绝缘电阻数据。
合的电缆早期故障识别方法［Ｊ］．电力自动化设备，
［１１］ 刘益军，欧晓妹，李恒真，等．变压器油纸绝缘的回复电压法
图１２ 电缆绝缘的人机交互界面
测试结果对比分析［Ｊ］．绝缘材料，２０１７，５０（１１）：５９
－
６２．
５ 结论
本文设计了一种电网电缆的绝缘在线监测系统，
采用叠加低频信号测试电缆绝缘电阻，首先分析叠加
信号检测原理，然后对频率测量电路、信号源电路和
５０Ｈｚ的带通电路搭建硬件设计，开发频率测量程序、
绝缘电阻计算程序，最后利用现场实测数据验证测量
（上接第５７页）
［１２］ 程运安，吴永忠，魏臻，等．电桥法电缆绝缘测试仪的设
２００７（９）：１１１０
－
１１１２．
计及精度分析［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），
作者简介：罗乐（１９７４—），硕士，副教授，主要研究方向为电子
技术与计算机应用。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｕｏｌｅ９１５＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
汪金刚（１９７９—），博士，教授，主要研究方向为电磁
测量与计算。
２００４，１１（２）：２２
－
３３．
［８］ 朱辉杰．优傲机器人：协作机器人市场已进入爆发期［Ｊ］．
智能制造，２０１９（１０）：１３
－
１５．
［９］ ＩＳＯＩＳＯ．ｒｏｂｏｔｓａｎｄｒｏｂｏｔｉｃｄｅｖｉｃｅｓ⁃ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｒｏｂｏｔｓ：ＴＳ
１５０６６（２０１６）［Ｓ］．
［１０］ 刘洋，孙恺．协作机器人的研究现状与与技术发展分析
［Ｊ］．北方工业大学学报，２０１７，２９（２）：７６
－
８５．
［１１］ 田志伟．协作机器人无传感器碰撞检测方法研究［Ｄ］．天
津：天津大学，２０１８．
［１２］ 郑海峰．协作机器人安全测试方法研究［Ｊ］．电器与能效
管理技术，２０１７（２４）：１６
－
１９．
作者简介：靳励行（１９９３—），博士研究生，主要研究方向为机械
工程。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉｎｌｉｘｉｎｇ１９９３＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：田野（１９８３—），博士，讲师，主要研究方向为人机交
互、智能机器人。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔｉａｎｙｅ７２４８＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
［４］ ＶＡＬＬＥＲＹＨ，ＥＫＫＥＬＥＮＫＡＭＰＲ，ＶＡＮＤＥＲＫＯＯＩＪＨ，ｅｔ
ａｌ．Ｐａｓｓｉｖｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｅｒｉｅｓｅｌａｓｔｉｃａｃｔｕａ⁃
ｔｏｒｓ［Ｃ］／／２００７ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎ⁃
ｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．ＩＥＥＥ，２００７：３５３４
－
３５３８．
［５］ ＺＩＮＮＭ，ＲＯＴＨＢ，ＫＨＡＴＩＢＯ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗａｃｔｕａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈ
ｆｏｒｈｕｍａｎｆｒｉｅｎｄｌｙｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ
ＲｏｂｏｔｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２００４，２３（４／５）：３７９
－
３９８．
［６］ ＢＩＣＣＨＩＡ，ＲＩＺＺＩＮＩＳＬ，ＴＯＮＩＥＴＴＩＧ．Ｃｏｍｐｌｉａｎｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒ
ｉｎｔｒｉｎｓｉｃｓａｆｅｔｙ：ｇｅｎｅｒａｌｉｓｓｕｅｓａｎｄｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］／／
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００１ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎ⁃
ｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．ＥｘｐａｎｄｉｎｇｔｈｅＳｏｃｉｅｔａｌＲｏｌｅｏｆ
ＲｏｂｏｔｉｃｓｉｎｔｈｅｔｈｅＮｅｘｔＭｉｌｌｅｎｎｉｕｍ（Ｃａｔ．Ｎｏ．０１ＣＨ３７１８０）．
ＩＥＥＥ，２００１：１８６４
－
１８６９．
［７］ ＢＩＣＣＨＩＡ，ＴＯＮＩＥＴＴＩＧ．Ｆａｓｔａｎｄ“ｓｏｆｔ
－
ａｒｍ”ｔａｃｔｉｃｓ［ｒｏｂｏｔ
ａｒｍｄｅｓｉｇｎ］［Ｊ］．ＩＥＥＥＲｏｂｏｔｉｃｓ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭａｇａｚｉｎｅ，
2024年4月10日发(作者：玄正诚)
２０２１年
第３期
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
仪表技术与传感器
２０２１
Ｎｏ．３
电网电缆绝缘在线监测系统设计
（１．成都工业学院电子工程学院，四川成都 ６１１７３０；２．重庆大学电气工程学院，重庆 ４０００４４）
罗 乐
１
，汪金刚
２
摘要：电缆由于长期暴露在环境中老化会存在重大安全隐患，开发一种在线绝缘监测系统。利用
利用频率测量程序、绝缘电阻计算程序可以输出电缆的绝缘电阻值，并且降低终端和被检测电缆对测
量精度的影响。最后利用实测标准线缆数据验证绝缘电阻监测值符合实际绝缘特性，并且绝缘电阻检
测精度可以在５％以内。
关键词：电缆；绝缘电阻；嵌入式；在线监测
中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２
－
１８４１（２０２１）０３
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００６３
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０４
交流低频叠加作为测量激励信号，通过频率测量电路、信号源电路和５０Ｈｚ的带通电路搭建硬件平台，
Ｏｎ⁃ｌｉｎｅＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣａｂｌｅｓ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７３０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｂｌｅｓｃａｎｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓａｆｅｔｙｈａｚａｒｄｓｄｕｅｔｏｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｅｘｐｏｓｕｒｅｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｏｎｌｉｎｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍｏ⁃
ｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＵｓｉｎｇＡＣｌｏｗ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ，ａｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ
ｗａｓｂｕｉｌｔｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ５０Ｈｚｂａｎｄ⁃ｐａｓｓｃｉｒｃｕｉｔ．Ｕｓｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓ⁃
ｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍａｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃａｂｌｅｗａｓｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅ
ｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌａｎｄｄｅｔｅｃｔｅｄｉｍｐａｃｔｏｆｃａｂｌｅｓｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｔａｎｄａｒｄｃａｂｌｅｄａｔａｗａｓｕｓｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙ
ｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｖａｌｕｅｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｃａｎｂｅｗｉｔｈｉｎ５％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ＬＵＯＬｅ
１
，ＷＡＮＧＪｉｎ⁃ｇａｎｇ
２
０ 引言
电网系统的线缆全部暴露在自然环境中，长时间
的暴晒和雨淋等环境因素会造成电缆腐蚀
［１］
，由于电
网都为高压电，电缆内部会局部放电而击穿绝缘电
缆。传统检测方式是停止供电，然后用绝缘表等仪器
测量
［２］
，在线监测的方式可以避免供电站停止供电，
也可以提前定位绝缘线缆的动态故障。
１ 信号叠加法
目前电缆绝缘在线监测方式有局部放电法、电磁
叠加、红外扫描、低频叠加法等。局部放电法可能会
二次损坏导线
［３］
，使绝缘良好的导线漆皮出现隐藏故
障，电磁叠加由于是连接在导线两端，只能定位整个
导线的性能，当出现小缺陷时并不能定位故障位置。
本监测系统叠加低频信号，三相电源中叠加低频信号
不会对原系统造成影响，检测原理见图１，监测系统产
基金项目：教育部产学合作协同育人项目（２０１９０１００９０３８）
收稿日期：２０２０
－
０３
－
２７
生的低频信号通过绝缘电阻和寄生电容形成的回路
产生电压向量
［４］
，通过分析电压向量计算出线缆的绝
缘电阻。
图１ 叠加信号检测原理
２ 电网电缆的绝缘在线监测硬件
电网电缆的绝缘在线监测系统如图２所示，包括
信号输入、信号调理电路、ＤＳＰ信号处理、人机交互等
部分，传感器读取的电压信号需要经过检测、调理和
采集，在硬件检测部分比较重要的是信号调理电路，
包括带阻电路、信号源电路和频率测量电路３部分，带
６４ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｍａｒ．２０２１
阻电路主要作用是滤除工频５０Ｈｚ的无效信号，信号
源电路用于产生低频信号并叠加到三相电缆中
［５］
，频
率测量电路用于分析电压向量。
图３ 带阻电路
图２ 电网电缆的绝缘在线监测系统
２．２ 信号源电路
信号源电路主要用于产生１０Ｈｚ的低频脉冲电压
信号，信号的输入为工频交流信号，产生的低频信号
４所示。Ｓ＿Ｌ和Ｓ＿Ｎ为交流电压的输入信号，先经过
整流桥电路Ｄ
５５
～Ｄ
５８
，整流后输出为直流信号，并联一
个Ｃ
３８８
的电容可以平滑直流电压纹波，ＩＧＢＴ用于逆变
源叠加到电缆后用于检测绝缘电阻
［８］
，具体电路如图
２．１ 带阻电路
由于在电网的三相电缆中５０Ｈｚ的交流电源信号
最多，工频信号对低频有效信号造成的干扰最严重，
为了抑制噪声信号需要设计带阻滤波电路
［６］
路见图３。输入信号ＩＮ后面连接了一个二阶带阻滤
波电路，其中Ｒ
４７８
、Ｒ
４７９
、Ｒ
４８０
、Ｃ
３８５
、Ｃ
３８６
、Ｃ
３８７
６个器件可
３３ｋΩ的电阻并联，Ｃ
３８７
等效为两个１００ｎＦ的电容并
联，因此滤波器可以等效为对称式
［７］
，电路的截止频
率为２πＲＣ，计算结果为５０Ｈｚ，后面的运算放大器为２
倍的差分放大电路。
以计算出滤波器的截止频率，Ｒ
４８０
可以等效为２个
，具体电
输出一个频率可调的交流电路，由于开关频率和输出电
压都不是很高，在栅极和射极之间的寄生电容可以忽略
不计，为保证低频信号的有效，在逆变电路上并联一个
ＬＣ低通滤波器。逆变电路后面连接了一个隔离变压
的输出为
＋
５Ｖ脉冲电压。
器，隔离变压器后面连接一个光耦驱动电路，驱动电路
图４ 信号源电路
２．３ 频率测量电路
绝缘在线监测系统中，靠硬件采集电路采样输入
高速信号
［９］
，单纯靠信号调理电路和高速Ｉ／Ｏ口采集
的信号会出现延时和丢脉冲，因此加入频率测量电
路，主要功能是保证测量精度和过零点的起始点检
测，具体电路如图５所示。当低频信号和工频都进入
ＩＮ引脚时，有信号噪声峰值时在经过零点时会转变为
电平信号，通过检测电平信号脉冲频率就可以测量出
信号周期，ＩＮＡ
－
输入低电平参考信号，ＩＮＡ
＋
为线缆输
出的混合信号。
３ 软件
绝缘在线监测系统的软件系统包括频率测量程
序和绝缘电阻计算程序，频率测量是为了识别采集的
有效电压向量，绝缘电阻计算是对提取的特定频率信
号计算转化为绝缘电阻值。
图５ 频率测量电路
３．１ 频率测量程序
在信号源中只有工频和注入１０Ｈｚ２种频率，硬
件电路滤除工频信号后只剩有效信号，但是信号源在
逆变过程中及采集过程中频率不会做到绝对精准
［１０］
，
如果直接由采用的频率计算必然会造成频率误差，因
此对采集的电压向量信号先要进行频率转化，具体程
序见图６，系统上电后先要初始化和启动定时器１和
２，开始捕获单元１即第１个脉冲上升沿，定时器开始
第３期罗乐等：电网电缆绝缘在线监测系统设计
６５
捕捉第２个上升沿并比较，如果确认是１个脉冲后把
中断标志位置位，同时对定时器２加１个脉冲数量，同
理补充多个脉冲后判断是否结束１个周期，根据采集
的脉冲数就可以计算出信号的周期和频率。
图６ 频率测量程序
３．２ 绝缘电阻计算程序
绝缘电阻计算程序的作用是对采样数据进行计
算，先对数据进行转化分解，再根据转化的数据计算
线缆绝缘电阻
［１１］
初始化，再利用均方根法去除异常的采样数据
，具体流程见图７。系统上电后先要
，删除
的数据用插值法补齐，对电压信号进行傅里叶变换后
分离出实部和虚部，根据两个值计算出电缆的绝缘电
阻值，为提高计算效率，数据处理程序放在主程序中，
傅里叶变换程序为系统库函数。
图７ 缘电阻计算程序
将三相电缆分别简化为单相电缆模型，计算模型
需要按照图８分解，Ｌ
，Ｃ
ｄ
为电抗器等效电感模型，Ｌ
为线缆对地线的分布电容。
ｘ
为
电缆等效阻抗模型
按照等效电路将电缆阻抗用计算模型等效为
Ｚ
＝
ｊωＬ
＋
Ｒ∥（
ｊωＣ
１
）（１）
式中：ω为信号发生电路产生的频率，ω
＝
１０Ｈｚ，Ｌ为
电缆的等效感抗；Ｒ为电缆２０℃的单位铜线阻值；Ｃ
为三根电缆对地分布电容。
图８ 电网电缆等效电路图
４ 绝缘在线监测系统的试验验证
电网电缆的绝缘在线监测系统需要在２个重要的
方面进行验证，一是要抑制工频干扰信号，二是要验
证不同电缆绝缘电阻的精度。前期均在实验室环境
中完成绝缘在线检测系统的验证
８
线缆中信号同步验证硬件信号采集部分
ｋＶ三相动力线缆，该线缆长度为
，
５
如图
ｍ，用示波器采集
９所示，采用
，设定在线监
测系统信号源工作电压为１５Ｖ，三相线缆连接到三相
程控电源上。
图９ 实验室测试环境
４．１ 频率波特图
采集带阻电路后的电压信号，为了区分电压信号
是否抑制工频干扰信号，用工频信号源验证系统
［１２］
先对信号进行傅里叶变换，得到频率波特图，如图７所
，
示。衰减频率可以准确地落到５０Ｈｚ内，由于元器件
的精度和温度漂移等原因造成在４０～６０Ｈｚ会有不同
程度的衰减
Ｈｚ没有衰减
，
，
衰减幅值可以达到
也可以满足系统设计要求
６５ｄＢ，但此电路在
。
１０
图１０ 频率波特图
４．２ 绝缘电阻误差分析
由于电网电缆电磁干扰和地线之间的分布电容
等原因，造成干扰信号导致测量误差，用系列标准线
缆来验证电缆的绝缘电阻，可以更加准确地验证系统精
度，具体结果见图１１。标准线缆绝缘电阻在０～１６０ｋΩ
６６ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
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之间，电阻值比较小时测量的相对误差比较大可以达
到５％，随着阻值增加误差减小并趋于平稳在２．５％左
右，而实际电网线缆的绝缘电阻值在几十ＭΩ左右，
监测系统精度可以满足要求。
的绝缘电阻符合实际绝缘特性，并且绝缘电阻检测精
度可以达到５％以内。
参考文献：
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１２４．
图１１ 绝缘电阻误差结果
数据结果传递到信号上位机中显示，人机交互界
面如图１２所示。本系统可以同时监测６条线缆，在绝
缘电阻为９９９９ＭΩ时表示系统绝缘状态良好，历史查
询界面可以读取所有的绝缘电阻数据。
合的电缆早期故障识别方法［Ｊ］．电力自动化设备，
［１１］ 刘益军，欧晓妹，李恒真，等．变压器油纸绝缘的回复电压法
图１２ 电缆绝缘的人机交互界面
测试结果对比分析［Ｊ］．绝缘材料，２０１７，５０（１１）：５９
－
６２．
５ 结论
本文设计了一种电网电缆的绝缘在线监测系统，
采用叠加低频信号测试电缆绝缘电阻，首先分析叠加
信号检测原理，然后对频率测量电路、信号源电路和
５０Ｈｚ的带通电路搭建硬件设计，开发频率测量程序、
绝缘电阻计算程序，最后利用现场实测数据验证测量
（上接第５７页）
［１２］ 程运安，吴永忠，魏臻，等．电桥法电缆绝缘测试仪的设
２００７（９）：１１１０
－
１１１２．
计及精度分析［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），
作者简介：罗乐（１９７４—），硕士，副教授，主要研究方向为电子
技术与计算机应用。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｕｏｌｅ９１５＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
汪金刚（１９７９—），博士，教授，主要研究方向为电磁
测量与计算。
２００４，１１（２）：２２
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３３．
［８］ 朱辉杰．优傲机器人：协作机器人市场已进入爆发期［Ｊ］．
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１５．
［９］ ＩＳＯＩＳＯ．ｒｏｂｏｔｓａｎｄｒｏｂｏｔｉｃｄｅｖｉｃｅｓ⁃ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｒｏｂｏｔｓ：ＴＳ
１５０６６（２０１６）［Ｓ］．
［１０］ 刘洋，孙恺．协作机器人的研究现状与与技术发展分析
［Ｊ］．北方工业大学学报，２０１７，２９（２）：７６
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津：天津大学，２０１８．
［１２］ 郑海峰．协作机器人安全测试方法研究［Ｊ］．电器与能效
管理技术，２０１７（２４）：１６
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１９．
作者简介：靳励行（１９９３—），博士研究生，主要研究方向为机械
工程。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉｎｌｉｘｉｎｇ１９９３＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：田野（１９８３—），博士，讲师，主要研究方向为人机交
互、智能机器人。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔｉａｎｙｅ７２４８＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
［４］ ＶＡＬＬＥＲＹＨ，ＥＫＫＥＬＥＮＫＡＭＰＲ，ＶＡＮＤＥＲＫＯＯＩＪＨ，ｅｔ
ａｌ．Ｐａｓｓｉｖｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｅｒｉｅｓｅｌａｓｔｉｃａｃｔｕａ⁃
ｔｏｒｓ［Ｃ］／／２００７ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎ⁃
ｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．ＩＥＥＥ，２００７：３５３４
－
３５３８．
［５］ ＺＩＮＮＭ，ＲＯＴＨＢ，ＫＨＡＴＩＢＯ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗａｃｔｕａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈ
ｆｏｒｈｕｍａｎｆｒｉｅｎｄｌｙｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ
ＲｏｂｏｔｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２００４，２３（４／５）：３７９
－
３９８．
［６］ ＢＩＣＣＨＩＡ，ＲＩＺＺＩＮＩＳＬ，ＴＯＮＩＥＴＴＩＧ．Ｃｏｍｐｌｉａｎｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒ
ｉｎｔｒｉｎｓｉｃｓａｆｅｔｙ：ｇｅｎｅｒａｌｉｓｓｕｅｓａｎｄｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］／／
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００１ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎ⁃
ｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．ＥｘｐａｎｄｉｎｇｔｈｅＳｏｃｉｅｔａｌＲｏｌｅｏｆ
ＲｏｂｏｔｉｃｓｉｎｔｈｅｔｈｅＮｅｘｔＭｉｌｌｅｎｎｉｕｍ（Ｃａｔ．Ｎｏ．０１ＣＨ３７１８０）．
ＩＥＥＥ，２００１：１８６４
－
１８６９．
［７］ ＢＩＣＣＨＩＡ，ＴＯＮＩＥＴＴＩＧ．Ｆａｓｔａｎｄ“ｓｏｆｔ
－
ａｒｍ”ｔａｃｔｉｃｓ［ｒｏｂｏｔ
ａｒｍｄｅｓｉｇｎ］［Ｊ］．ＩＥＥＥＲｏｂｏｔｉｃｓ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭａｇａｚｉｎｅ，