电力电缆绝缘在线监测方法分析

汪昊铭　阳丽

摘要：电缆绝缘在线监测系统需根据电缆的分布情况布置监测点，监测点数量相对较多，与之匹配的监控终端和系统通信节点都要相应增加，这从设备成本上就限制了该技术的发展。更有一些监测点需要在铺设电缆的同时布置，增加了老旧线路的改造困难。由于现场强电磁场的干扰，系统对通信设备的抗干扰能力、精度、响应时问都有着较高的要求;同时，要实现多点实时监测，这就对通信技术的高速传输和系统的稳定性提出了更高的要求。

关键词：电力电缆;绝缘;在线监测;方法

一、高压电缆绝缘性监测原理

对于高压电缆的绝缘性监测，常用方法包括直流叠加法、工频叠加法和低频叠加法等，其中直流叠加法可对同一变压器下各支路电缆的对地绝缘电阻值进行测量，但该方法无法检测线路的对地分布电容，因此检测精度有限;工频叠加法操作简便，可同时检测电缆的对地绝缘电阻和分布电容，但缺点是灵敏度较低，误差偏大;低频叠加法经过不断发展和改进，其测量方法和精度都可满足当前对电缆绝缘性的在线监测要求，因此以下将对该方法的具体监测原理进行研究。

对于常见的6kV高压三相交流输电系统，其中Ra、Rb、Rc和Ca、Cb、Cc分别为被测电缆的对地绝缘电阻和对地分布电容。在母线侧通过三相阻抗器SK设置接地中性点，同时隔离设置低频电压信号源AC。信号源AC可在其二次侧感应出低频电压信号，并经三相阻抗器SK注入输电网络，然后经被测电缆线、电缆对地阻抗和容抗等流向大地，并流回感应信号源，形成完整的低频信号闭合回路。通过在电缆上套装电流传感器，以及在低频电压信号二次侧安装电压传感器，可对低频电流和电压信号进行检测，然后运用矢量方程计算得到电缆对地电阻和电容。

分析认为，以上低频信号单相回路可简化为如图1所示的等效回路，其中，LD为三相电抗器的等效阻抗，LX为电缆分布阻抗，R、C分别为被测电缆的对地绝缘电阻和绝缘电容，则该回路的综合绝缘阻抗Z可表示为：

其中：为低频信号电压;为低频信号电流;j表示虚部;ωi为当低频信号频率为fi时的角频率。

式（1）经简化可得：

其中：Ai和Bi分别为综合绝缘阻抗Z的实部和虚部。

式（1）中有LD+LX、R、C三项未知数，传统计算方法中一般忽略第一项未知数影响，由此造成计算误差，而通过向电网中注入频率分别为f1、f2的低频信号，可避免此情况发生。通过测量两种信号对应的电参数，可得以下方程组：

求解以上方程组，可得被测电缆的对地绝缘电阻R和绝缘电容C：

式（5）、式（6）中的A1、A2、B1、B2可由互感器测得的低频电压和低频电流信号经全波傅里叶求和处理求得。生产实践中，为保证数据的可靠性，一般采集多组数据计算，然后对所有结果利用最小二乘法等进行处理，以提高计算精度。

二、电力电缆绝缘在线监测方法

（一）交流叠加法

该方法是将101Hz的交流电压叠加在XLPE电缆的运行电压上，此时会产生1Hz的特征电流信息，通过测量系统的分析进而可评估电缆的绝缘老化程度。当叠加101.4Hz的交流电压时，绝缘老化的电缆将产生显着的特性电流，并且特性电流达到最大值，但是在没有老化问题的电缆中不会检测到该电流。优点：安装检测过程简便快捷，不易受外界信号的干扰，检测结果精准度高。缺点：该方法用于现场电缆绝缘监测的案例较少，缺少现场测量数据以及绝缘劣化的评估标准。

（二）介质损耗因数法

电缆的介质损失角正切值tanδ越小，电力电缆绝缘介质的性能越好，绝缘介质损耗也越小。介质损耗因数法是通过电压互感器、电流互感器对电缆绝缘上的电压及電流进行测量，然后利用特定的方法和装置对电缆的介质损耗因数tanδ进行测量，如图4为损耗因数的在线监测方式。在对多条电路的电缆做tanδ巡回监测过程中，通过比较各电缆上所得到的电流信息和从母线的电压互感器处获得的电流信息的相对位置，即可完成对全部电缆的损耗因数的测定。但是由于介质损耗因数法反映的是电力设施或者电缆绝缘的整体性缺陷，在一个较大的电路系统中，某处个别较为集中的缺陷并不会造成tanδ值的明显变化。

（三）局部放电测量法

如果电缆绝缘体受到破坏后引发局部放电，会对绝缘介质产生不利影响，让其老化甚至损坏，放电量的多少与绝缘层的变化呈正比。因此，在不同的电压环境中，对电缆的局部放电进行监测，能够了解绝缘介质老化的程度，判断电缆内是否有缺陷。而该方法具有的特点是检测的周期短，产生的波形复杂多变，很容易受到外部环境的干扰。其使用的方法有四种，分别是脉冲电流法、方向耦合法、超高频法、差分法等。首先，脉冲电流法可以得到局部放电最直接的参数，得到丰富的信息，包括相位、电量多少、发展规律等。其次，方向耦合法是运用方向耦合器得到局位置的放电信号，准确判断信号脉冲的来源，有良好的抗干扰能力，但它的不足是传感器直接与绝缘层接触，破坏绝缘层。再次，超高频法，其使用的是电容、电频耦合法，用于检测超高频段的放电信号，它使用后不会破坏电缆的绝缘层，可以使用多个传感器，保证了检测信号的精度。而它的两种方法中，电感耦合只可以用于附件的测量，要求把电缆弯成一定形状后才可以检测。最后，差分法是在电缆相接的地方粘贴一块金属箔，由金属箔、屏蔽层和电缆的绝缘层连接成电路，检测一定范围内的电信号，同时，这一方法也可以使用神经网络识别装置。这一方法的不足是检测时间较长，对电缆接头进行无缘处理后很难得到准确的电量或其它数值。

（四）直流分量法

交联聚乙烯（XLPE）电力电缆中水树枝具备“整流作用”（如图2所示）可以使外加交流电压负半周树枝放电向的绝缘中增加许多负电荷，但是正半周树枝的正电荷比较少，所以不能完全中和负电荷。这种方法不用外加电源，而且测量的时候仅需将外皮接地线而不需要接触其它带电的位置，因此在使用的过程中更加的安全方便。但是由于直流分量很小，因此在护层绝缘电阻数值较低时容易受到其它电流干扰。所以需要从所测量的数值之中区分出干扰电流和直流分量电流。如果电缆屏蔽接地化学电动势比较大但护套绝缘电阻比较小时，可能在所监测的回路中形成比较大的干扰电流，造成待测的电流被淹没。

（五）接地线电流测量方法

不论是电缆正常运行或是出现运行故障，都会在接地线的表面形成一层电流，根据电缆自身或是外部环境的变化，电缆投入使用后的一段时间，可能出现绝缘层劣化的情况，导致绝缘层损伤，使电流有明显的波动。而除了上述四种方法外，其也可以用不同的方法检测。比如直流分压法和谐波分量法。首先，直流分量法主要在恶劣的环境中使用，当电缆绝缘层的水树枝、电树枝等方式发出电流后，交流电流就会整流，而绝缘层上水树枝的密集程度以及电树枝的长度越长，直流分量在电流中比例也就越大。其次，谐波分量法是对因电缆老化或其它因素产生的谐波分量，并根据电缆老化的程度监测谐波分量，这一方法会受其它因素的影响，无法在实际工作中应用。而场致发光法的使用，是针对绝缘介质凸起或有杂质的情况，及时根据电树枝的出现判断电缆是否恶化，如果恶化需及时处理，保持电缆的可靠。

三、结论

通过高压电缆绝缘故障的类型以及在线监测系统对其的检测，可以总结得出，用在线监测系统监测高压电缆，可对电缆系统提供实时监控，及时发现电缆故障，优化高压电缆的使用，保证电缆的绝缘效果，确保电缆在不同领域应用的安全性，为生产与发展提供助力，同时，也可以完善系统的功能，达到预期目标。

参考文献：

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