高压电缆在线监测技术分析

马新雷，张 媛

（国网西安供电公司亮丽电缆工程分公司，陕西 西安 710000）

1 电力电缆事故的危害

根据国家电力系统有关部门的安全事故分析，全国多次发生的隧道、沟道火灾事故，90%是由电缆过温导致着火或放炮等引起的，进而出现大面积停电、停水、停气现象，造成企事业单位被迫停产，且在短时间内无法恢复生产。比如：上海宝钢99年隧道电缆着火引发的火灾，损失了数亿元；西安市莲湖路沟道电缆的突发性爆炸；2002年10月，广东韶关发电厂多年的老电缆爆发了一次火灾事故，损失惨重；2004年7月，湖南湘谭市双扶煤矿井下发生电缆着火事故，造成6人死亡，3人下落不明；2004年11月，河北省沙河铁矿因电缆着火引起了爆炸，造成68人遇难；2005年，湘钢电缆对接头事故造成停电、停水、停气；2006年吉林局220 kV电缆本体事故；2007年国华电厂电缆事故造成停机。

2 电力电缆在线监测的现实内涵

电力电缆在线监测技术应用范围广且功能多元，目前深受各行业领域的关注。究其原因，主要包括以下几个方面。原有停电预防性试验不能适应社会的发展和要求；电缆在线监测技术越来越成熟，并得到了推广应用；在线监测技术将降低电缆维护成本，提高利用率；可系统地反馈设备的质量信息，提高产品的可靠性；能够为电力电缆的实际状态和故障维修提供可靠的技术和理论依据。

虽然电力电缆在线监测现实内涵丰富且应用范围极广，但是业界关注的核心只有一个，即跟踪监测运行电力电缆的绝缘性，争取在第一时间发现故障并及时处理，避免造成更大事故和损失[1]。

3 电力电缆在线监测的方法

3.1 直流叠加法

通过给运行中的电缆施加较低的直流电压10～50 V（护套5 V），在电缆金属屏蔽层接地处检测电缆的泄漏电流，从而判断电缆的绝缘状况。直流叠加法原理，如图1所示。

图1 直流叠加法原理

针对主绝缘：当Rg＞1 000 MΩ时，绝缘性能良好；当100 MΩ＜Rg＜1 000 MΩ时，绝缘出现轻度问题，仍可继续使用；当10 MΩ＜Rg＜100 MΩ，绝缘出现中度问题，应时刻关注，也可继续使用；当Rg＜10 MΩ，绝缘出现严重问题，应停电检修或更换电缆。

针对护套：Rg＞1 000 MΩ，性能良好；Rg＜1 000 MΩ，性能不良。

3.2 直流分量法

实际上，交联聚乙烯电缆中存在树枝化绝缘缺陷，这种缺陷能够在交流正负半周中表现出不同于正常电荷注入和中和特性的树枝化特性，其中还包括水树枝化特性和电树枝化特性。直流分量法原理，如图2所示。在长时间交流工作电压反复作用下，树枝化的前端会积聚大量负电荷，导致负电荷逐渐向弱电方飘逸，进而产生新的整流效应[2]。换言之，整流效应的存在会导致电缆接地线交流电流中的微弱直流成分显现，可通过检测这种直流成份对电缆的绝缘劣化程度进行诊断。根据国外检测经验和有关资料，测得的电流大于100 nA为不良，10～100 nA为需注意（严重）；1～10 nA为需注意（轻度）；小于1 nA为良好。

图2 直流分量法原理

3.3 低频叠加法

低频叠加法是在电缆上施加低频电压（7.5 Hz，20 V），从接地端检测低频电流并分离出和电压同相的有功电流分量，然后求得绝缘电阻，据此判断电缆老化程度。低频叠加法原理，如图3所示。

图3 低频叠加法原理

3.4 低频分量法

水树枝除了会产生直流成分外，在电缆的泄漏电流中也含有低频成分。根据频谱分析，频率在10 Hz以下特别是在3 Hz以下，幅度较大，如图4所示。故障可在电缆接地线中监测低频成分进行诊断，但是该低频电流是纳安级的，因此检测难度较大。

图4 低频成分电流的频谱分析

3.5 交流叠加法

交流叠加法是将频率的2倍（100 Hz）50 V电压叠加于电缆屏蔽层，以得到针对100 Hz劣化信息的方法。交流叠加法原理，如图5所示。在水树枝老化的电缆上，101.4 Hz时测出的电流幅值最大。当叠加电流大于10 nA时，判定为不良，如图6所示。

图5 交流叠加法原理

图6 交流叠加法电流与频率关系

3.6 电桥法

用电桥测量绝缘电阻，原理如图7所示。调节R4使电桥平衡，这时U0=0，则R1=（E1-U4）R2/U4。设E1=20 V，U4=1 mV，R2=50 MΩ，R1最大可测到100 000 MΩ（0.2 nA的分辨率）。E0是用来消除电缆防护层和地之间的反应。E1一般小于50 V。

图7 电桥法原理图

3.7 接地线电流法

接地电流法是根据XLPE电缆伴随水树枝老化出现电容量和tanδ增加的倾向，在接地线端检测其接地电流。接地电流的大小和电缆的长短有关，但是当电流较大时，要用钳形电流计进行测量。这种方法对趋势化管理较为理想。

3.8 局部放电法

局部放电法主要通过绝缘介质的局部重复击穿和熄灭现象进行放电，一般发生在电缆局部缺陷位置，但是它的放电量较小，在放电初期基本不会影响到电力电缆本身，也不会削弱其绝缘能力。如果长期发生放电现象，可能会导致电缆绝缘部分受损，缩短电缆寿命。具体来讲，电脉冲是局部放电伴随而来的放电现象之一，发出的电磁波同时放射光、热、声和噪音等自然现象。此时，要采用局部放电量法配合电磁波法、脉冲电流检测法、超声波发以及振动加速度法展开深入分析。目前，应用最多的是电缆中间绝缘连接盒的差分法和预制中间连接接头电磁耦合法[3]。树枝初期局部放电量约0.1 pC，0.5 mm树枝放电量超过100 pC。

3.9 tanδ法

电缆在线测量介质损耗角正切值（tanδ）的方法和容性设备的tanδ测量方法基本相同，是基于电压互感器计量端提取电压信号，并利用专用的高精度电流传感器获取电流传感器电缆接地线工频电流信号内容，然后通过处理计算出tanδ。但是，必须注意电缆的结构。目前，对用tanδ以有效测量电缆绝缘老化缺陷问题这一技术还存在诸多争议。有的研究者认为它可以反映电缆绝缘缺陷的平均程度，有的研究者认为它反映的是电缆绝缘普遍性缺陷，有的研究者认为它只能反映电缆的吸水程度，有的人认为它可以反映绝缘受潮、劣化等缺陷。它的判断标准：小于0.2%为绝缘良好；0.2%～5%为有水树枝形成；大于5%为水树枝明显增多。

3.10 在线测温法

电力电缆的温度通常和电缆的载流能力、局部绝缘受损、导体接触电阻以及电缆的敷设环境等有关。通过实时检测电缆每一点的温度和变化情况，可对电缆的负荷量进行控制，可对电缆某一点的绝缘受损或导体接触不良而导致温度上升的变化情况进行精确定位，可对电缆周边环境特别是靠近电缆的热力管道和其他热源对电缆影响进行监控。电缆温度监测的方法是从缆式感温到缆式测温/点式测温到分布式光纤测温。目前，比较理想的方法是采用分布式光纤温度传感器系统，判断标准根据电缆本身的出厂参数而定。

3.11 在线故障法

如果电力电缆中的某一点出现绝缘受损，就会表现出间歇性瞬间闪络放电，如常见的过电压、过热等。目前，国内采用的是中心点不接地供电系统，但这种系统本身存在巨大缺陷。例如，电缆出现严重故障后还能运行数十分钟或数小时，会导致电力电缆系统出现严重的故障后果。电缆故障在线测量采用行波原理，通过电缆接地线实时在线测量故障的出现，并及时检测出故障点的具体位置，同时通过图、文、声、光进行故障上报。

4 结 论

针对讲述的11种电力电缆在线监测方法，目前多数只是试验室方法，真正能应用到实际现场并有效推广有在线温度、在线故障、接地电流、介质损耗和局部放电等。虽然这几种方法都有缺点，但是不会影响正常使用，因为在线测量数据完全可以说明电缆的缺陷程度。