基于谐波法判断电缆接地故障的方法研究

中煤平朔集团有限公司动力中心 张宇 李永宽

1 引言

电缆供电具有占地少、适合各种环境以及可靠性较高的优势，随着我国经济快速发展，供电设备使用电缆输电已经非常广泛。但在电缆实际应用的过程中，由于环境原因、机械原因、质量原因以及负载原因等，使电缆发生各种问题最终导致接地故障。所以通过对电缆老化、损伤的检测能够防止电缆出现接地故障，从而确保供电网络可靠运行。

2 谐波电缆检测的原理

谐波主要是指检测电流里具有基波频率的电量，在电缆流过带有基波频率电流的时候，会在电缆产生磁化的电流。电缆正常状态时，电缆会约束此电流，而如果电缆存在问题的时候，电缆介质磁偶极将产生改变，电缆存在的异常会通过高次谐波表现出来，电缆介质磁束的变化会导致涡电流的产生，电缆涡流示意图如图1所示。

图1 电缆涡流示意图

当交流电流经过电缆时，在电缆中会产生磁束φa,φb,φc......φn，因为磁束发生变化，电缆会形成涡电流Ia1,Ib1,Ic1......In1以及Ia2,Ib2,Ic2......In2等[1]。如果此时电缆正常（介质均匀），电缆磁束平衡涡电流会达到抵消的状态，但是如果电缆存在缺陷，例如老化、介质存在水分等情况时，电缆的磁束将发生变化，电缆存在损伤的磁束示意图如图2所示。

图2 电缆存在损伤的磁束示意图

由图2可知，B、C 磁束和正常A 磁束不一样，它能够使电缆产生涡流，从而反映出电缆的实际状况。机械作用导致介质发生震动出现涡流，这也是电流谐波主要产生的原因。

当电缆受到机械作用发生冲击脉冲的时候，电缆磁场会在冲击作用下产生微小的运动，从而使其产生A、B涡电流。

机械原因产生涡流示意图如图3所示。

图3 机械原因产生涡流示意图

如果电缆发生老化，会造成磁束发生变化出现高次谐波情况。老化情况包括机械老化、环境老化、电压老化以及热老化等。

通过对电缆老化和电缆产生高次谐波之间的连带关系分析，能够获得缺陷电缆工作过程中电流和磁场分布的情况。所以，利用电缆谐波的分析能够判断出电缆存在的具体缺陷情况与位置[2]。

3 谐波电缆检测的方法

3.1 仿真检测

利用仿真对电缆进行检测要面临以下问题。

一是搭建电缆仿真模型。二是确定电场变化和电缆问题之间的关系。三是磁场变化和电缆问题之间的关系。

利用FEM 有限元法进行电缆磁场与电场的仿真，利用波导方程作为仿真的理论基础，进而实现TEM波可视三维仿真模拟，达到能够定量、定向分析电缆电介质、电量变化参数，从而达到分析电缆磁场、电场变化的目的。

在利用FEM有限元实现对电缆磁场与电场的仿真时，在仿真模型中加进故障树分析理论，同时在仿真分析过程中，要改变树的生长过程，将一个微孔变成相互链接的微孔，通过观察水树的生长判断电场与磁场的变化。随着水树不断地生长，电缆芯处的磁场强度也随之加强。磁场的强度大小和相应的位置不变，当出现微孔的时候，随着微孔不断生长以及水通道的产生，电缆绝缘的磁场强度会出现显著波动。

随着树的不断生长，最大密度电流会出现在树的末梢，可是因为微孔初始末端的电流增加，致使磁场最大强度也出现在微孔初始末端。利用仿真模型的分析，能够获得水树故障对电缆绝缘磁场分布产生的影响，还有造成分子密度电流的变化规律。因为电缆电流不断变化，致使电缆磁通也随之变化，最终使电缆磁场的强度也发生变化，磁场发生变化和电流发生变化具有一定关联性，它们的变化会导致电缆线芯出现高次谐波。通过仿真模型的研究得出，当电缆发生老化的情况时，电缆会出现磁场变化以及电流变化，其老化的程度能够利用高次谐波的变化参数反映出来[3]。

3.2 试验检测研究

当前国内外研究机构对电缆产生谐波和电缆出现老化故障之间存在的联系进行了大量的试验与分析，通过试验研究分析获得电缆出现的老化和出现谐波的关系，经过研究逐步完善试验方法。电缆试验检测研究主要是利用正常的电缆与老化的电缆对比试验的方法，研究电缆产生谐波和电缆老化存在的关系。

对电缆电流损耗的测定能够间接对电缆电流损耗谐波进行测试，具体测试原理是将正弦电压加在电容以及XLPE 试验电缆上，这两路的电流接入电桥，这时调节电桥使其平衡，由于电缆容性的电流被补偿，这时只存在损耗的电流，而示波器将损耗的电流数据采集，并将这一信号实施转换，进而获得谐波电流分量的信息，依据谐波分量以及相位对电缆老化的状况进行判断。

电桥判断法是通过高压流比电桥实施的，Ix与IS是流过电容与样品电流，经过电桥电容Cd与电阻R将电流分成Is1与Is2。当电桥处在平衡状态时，利用调整电容Cd与N2的变比达到Is1与IX2两者抵消，具体如公式（1）所示：

式（1）中：Ix为流过电容电流；IS为流过电缆样品电流；N为变比。

通过调整电桥中的Cd使电流Is2变为零，这时变压器检测装置会检测出和Is2相对应的电流输出，因为材料tanδ的数量级别是10.3～10.4，所以，Is2电流和损耗的电流相等。由于放大器与变压器的特性关系，会使放大器信号输出产生失真现象，所以需要利用反卷积的技术将实际损耗的波形与电流反映出来[4]。

通过研究试验过程发现，电缆存在老化情况，其电流损耗具有很大畸变性，谐波的分量和电缆击穿的强度、水树的长度存在紧密的联系，和介质电损耗的测量方法相比，采用谐波的测量方法能够对不同阶段水树的测量起到非常好的效果。

3.3 谐波测量

利用试验、仿真方法能够找出电力损耗谐波的分量，通过分量能够证明电缆损坏的程度。对于谐波检测电缆技术国内外相关机构进行了大量的研究，从而使谐波检测技术得到大范围的应用。现阶段，谐波检测电缆技术主要有两种，分别是测量电缆损耗的电流和测量电缆感应的电流。

3.3.1 测量电缆损耗电流

在电缆中谐波电流分量对于利用测量电流损耗对电缆进行诊断的方法具有制约的作用，研究人员根据测试电流损耗谐波的原理研究出车载电缆检测系统，车载电缆检测系统如图4所示。该系统最长能够测试200m 长的电缆，能够实施劣化测试负载1μF的电缆，当前该系统已经应用到电缆的实际测试中。

图4 车载电缆检测系统

当在安装气体隔离开关的电缆使用上述检测设备的时候，其检测的信号容易受到互感器以及避雷器影响。所以在上述电缆测试时，需要将互感器、避雷器移除后再实施测量，这会导致测试的时间延长、费用增加，因此研究机构设计出相应的检测电路，避免互感器与避雷器对测试信号的影响。

这一电路主要是利用电流型互感器，减少电压型互感器与避雷器影响电流损耗的测量，这种方式的应用取得了很好的效果。由于上述系统在测试过程中必须由人工进行电桥调节，从而导致工作时间较长、效率低。因此，研究机构又研究出一种自动测试电流损耗分量的谐波测量装置，该装置利用线圈对电流补偿调节，进而达到电流的平衡。

电缆测试时，流经电缆电流会在比较器线圈Nx上产生感应电磁，Nd检测线圈此时会检测到信号U2（t），随后系统会利用U1（t）与U2（t）获得电流补偿信号，再经过电压对电源进行控制、对Nc线圈进行控制，使其产生磁势达到流比器耦合，通过多次的耦合最终达到电桥的平衡，也就是流比器输出为0。在电桥平衡情况下获得电缆损耗的因数和电缆电流损耗谐波的分量，最终达到对电缆老化产生接地的分析[5]。

3.3.2 测试电缆感应电流

测试电缆感应电流设备能够现场对电缆进行测试，该设备能够利用传感器进行电缆谐波电流采集，随后对其进行分析、处理，最后将分析处理结果和数据库进行对比生成电缆诊断的报告，通过诊断报告能够预测出电缆寿命，同时利用连续诊断的结果可以了解电缆今后变化的趋势[6]。

上述两种谐波电缆检测的方法都能够实现现场电缆检测，电缆检测车能够应用在66kV 电缆的检测。上述测量电缆损耗电流系统能够对中压的电缆进行检测，而电缆感应电流测试系统能够对10kV以上的电缆进行检测，其效果非常显著。

4 结语

本文针对电缆损伤、老化导致电缆接地故障的判断方法进行研究，谐波电缆诊断具有一定的优势，对谐波电缆诊断的原理进行详细的介绍。结合国内外对谐波电缆诊断、试验以及检测设备对谐波电缆诊断的优缺点、发展进行细致地分析。虽然目前国内外针对谐波电缆检测的研究较多，但是仍然存在不足，今后还需要进行不断的完善，从而使谐波电缆检测技术能够大范围地推广，进而确保供电网络的可靠运行。