電力電纜絕緣在線監(jiān)測方法分析

汪昊銘　陽麗

摘要：電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)需根據(jù)電纜的分布情況布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量相對較多，與之匹配的監(jiān)控終端和系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)都要相應(yīng)增加，這從設(shè)備成本上就限制了該技術(shù)的發(fā)展。更有一些監(jiān)測點(diǎn)需要在鋪設(shè)電纜的同時布置，增加了老舊線路的改造困難。由于現(xiàn)場強(qiáng)電磁場的干擾，系統(tǒng)對通信設(shè)備的抗干擾能力、精度、響應(yīng)時問都有著較高的要求;同時，要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測，這就對通信技術(shù)的高速傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：電力電纜;絕緣;在線監(jiān)測;方法

一、高壓電纜絕緣性監(jiān)測原理

對于高壓電纜的絕緣性監(jiān)測，常用方法包括直流疊加法、工頻疊加法和低頻疊加法等，其中直流疊加法可對同一變壓器下各支路電纜的對地絕緣電阻值進(jìn)行測量，但該方法無法檢測線路的對地分布電容，因此檢測精度有限;工頻疊加法操作簡便，可同時檢測電纜的對地絕緣電阻和分布電容，但缺點(diǎn)是靈敏度較低，誤差偏大;低頻疊加法經(jīng)過不斷發(fā)展和改進(jìn)，其測量方法和精度都可滿足當(dāng)前對電纜絕緣性的在線監(jiān)測要求，因此以下將對該方法的具體監(jiān)測原理進(jìn)行研究。

對于常見的6kV高壓三相交流輸電系統(tǒng)，其中Ra、Rb、Rc和Ca、Cb、Cc分別為被測電纜的對地絕緣電阻和對地分布電容。在母線側(cè)通過三相阻抗器SK設(shè)置接地中性點(diǎn)，同時隔離設(shè)置低頻電壓信號源AC。信號源AC可在其二次側(cè)感應(yīng)出低頻電壓信號，并經(jīng)三相阻抗器SK注入輸電網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)被測電纜線、電纜對地阻抗和容抗等流向大地，并流回感應(yīng)信號源，形成完整的低頻信號閉合回路。通過在電纜上套裝電流傳感器，以及在低頻電壓信號二次側(cè)安裝電壓傳感器，可對低頻電流和電壓信號進(jìn)行檢測，然后運(yùn)用矢量方程計算得到電纜對地電阻和電容。

分析認(rèn)為，以上低頻信號單相回路可簡化為如圖1所示的等效回路，其中，LD為三相電抗器的等效阻抗，LX為電纜分布阻抗，R、C分別為被測電纜的對地絕緣電阻和絕緣電容，則該回路的綜合絕緣阻抗Z可表示為：

其中：為低頻信號電壓;為低頻信號電流;j表示虛部;ωi為當(dāng)?shù)皖l信號頻率為fi時的角頻率。

式（1）經(jīng)簡化可得：

其中：Ai和Bi分別為綜合絕緣阻抗Z的實(shí)部和虛部。

式（1）中有LD+LX、R、C三項(xiàng)未知數(shù)，傳統(tǒng)計算方法中一般忽略第一項(xiàng)未知數(shù)影響，由此造成計算誤差，而通過向電網(wǎng)中注入頻率分別為f1、f2的低頻信號，可避免此情況發(fā)生。通過測量兩種信號對應(yīng)的電參數(shù)，可得以下方程組：

求解以上方程組，可得被測電纜的對地絕緣電阻R和絕緣電容C：

式（5）、式（6）中的A1、A2、B1、B2可由互感器測得的低頻電壓和低頻電流信號經(jīng)全波傅里葉求和處理求得。生產(chǎn)實(shí)踐中，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，一般采集多組數(shù)據(jù)計算，然后對所有結(jié)果利用最小二乘法等進(jìn)行處理，以提高計算精度。

二、電力電纜絕緣在線監(jiān)測方法

（一）交流疊加法

該方法是將101Hz的交流電壓疊加在XLPE電纜的運(yùn)行電壓上，此時會產(chǎn)生1Hz的特征電流信息，通過測量系統(tǒng)的分析進(jìn)而可評估電纜的絕緣老化程度。當(dāng)疊加101.4Hz的交流電壓時，絕緣老化的電纜將產(chǎn)生顯著的特性電流，并且特性電流達(dá)到最大值，但是在沒有老化問題的電纜中不會檢測到該電流。優(yōu)點(diǎn)：安裝檢測過程簡便快捷，不易受外界信號的干擾，檢測結(jié)果精準(zhǔn)度高。缺點(diǎn)：該方法用于現(xiàn)場電纜絕緣監(jiān)測的案例較少，缺少現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及絕緣劣化的評估標(biāo)準(zhǔn)。

（二）介質(zhì)損耗因數(shù)法

電纜的介質(zhì)損失角正切值tanδ越小，電力電纜絕緣介質(zhì)的性能越好，絕緣介質(zhì)損耗也越小。介質(zhì)損耗因數(shù)法是通過電壓互感器、電流互感器對電纜絕緣上的電壓及電流進(jìn)行測量，然后利用特定的方法和裝置對電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ進(jìn)行測量，如圖4為損耗因數(shù)的在線監(jiān)測方式。在對多條電路的電纜做tanδ巡回監(jiān)測過程中，通過比較各電纜上所得到的電流信息和從母線的電壓互感器處獲得的電流信息的相對位置，即可完成對全部電纜的損耗因數(shù)的測定。但是由于介質(zhì)損耗因數(shù)法反映的是電力設(shè)施或者電纜絕緣的整體性缺陷，在一個較大的電路系統(tǒng)中，某處個別較為集中的缺陷并不會造成tanδ值的明顯變化。

（三）局部放電測量法

如果電纜絕緣體受到破壞后引發(fā)局部放電，會對絕緣介質(zhì)產(chǎn)生不利影響，讓其老化甚至損壞，放電量的多少與絕緣層的變化呈正比。因此，在不同的電壓環(huán)境中，對電纜的局部放電進(jìn)行監(jiān)測，能夠了解絕緣介質(zhì)老化的程度，判斷電纜內(nèi)是否有缺陷。而該方法具有的特點(diǎn)是檢測的周期短，產(chǎn)生的波形復(fù)雜多變，很容易受到外部環(huán)境的干擾。其使用的方法有四種，分別是脈沖電流法、方向耦合法、超高頻法、差分法等。首先，脈沖電流法可以得到局部放電最直接的參數(shù)，得到豐富的信息，包括相位、電量多少、發(fā)展規(guī)律等。其次，方向耦合法是運(yùn)用方向耦合器得到局位置的放電信號，準(zhǔn)確判斷信號脈沖的來源，有良好的抗干擾能力，但它的不足是傳感器直接與絕緣層接觸，破壞絕緣層。再次，超高頻法，其使用的是電容、電頻耦合法，用于檢測超高頻段的放電信號，它使用后不會破壞電纜的絕緣層，可以使用多個傳感器，保證了檢測信號的精度。而它的兩種方法中，電感耦合只可以用于附件的測量，要求把電纜彎成一定形狀后才可以檢測。最后，差分法是在電纜相接的地方粘貼一塊金屬箔，由金屬箔、屏蔽層和電纜的絕緣層連接成電路，檢測一定范圍內(nèi)的電信號，同時，這一方法也可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別裝置。這一方法的不足是檢測時間較長，對電纜接頭進(jìn)行無緣處理后很難得到準(zhǔn)確的電量或其它數(shù)值。

（四）直流分量法

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜中水樹枝具備“整流作用”（如圖2所示）可以使外加交流電壓負(fù)半周樹枝放電向的絕緣中增加許多負(fù)電荷，但是正半周樹枝的正電荷比較少，所以不能完全中和負(fù)電荷。這種方法不用外加電源，而且測量的時候僅需將外皮接地線而不需要接觸其它帶電的位置，因此在使用的過程中更加的安全方便。但是由于直流分量很小，因此在護(hù)層絕緣電阻數(shù)值較低時容易受到其它電流干擾。所以需要從所測量的數(shù)值之中區(qū)分出干擾電流和直流分量電流。如果電纜屏蔽接地化學(xué)電動勢比較大但護(hù)套絕緣電阻比較小時，可能在所監(jiān)測的回路中形成比較大的干擾電流，造成待測的電流被淹沒。

（五）接地線電流測量方法

不論是電纜正常運(yùn)行或是出現(xiàn)運(yùn)行故障，都會在接地線的表面形成一層電流，根據(jù)電纜自身或是外部環(huán)境的變化，電纜投入使用后的一段時間，可能出現(xiàn)絕緣層劣化的情況，導(dǎo)致絕緣層損傷，使電流有明顯的波動。而除了上述四種方法外，其也可以用不同的方法檢測。比如直流分壓法和諧波分量法。首先，直流分量法主要在惡劣的環(huán)境中使用，當(dāng)電纜絕緣層的水樹枝、電樹枝等方式發(fā)出電流后，交流電流就會整流，而絕緣層上水樹枝的密集程度以及電樹枝的長度越長，直流分量在電流中比例也就越大。其次，諧波分量法是對因電纜老化或其它因素產(chǎn)生的諧波分量，并根據(jù)電纜老化的程度監(jiān)測諧波分量，這一方法會受其它因素的影響，無法在實(shí)際工作中應(yīng)用。而場致發(fā)光法的使用，是針對絕緣介質(zhì)凸起或有雜質(zhì)的情況，及時根據(jù)電樹枝的出現(xiàn)判斷電纜是否惡化，如果惡化需及時處理，保持電纜的可靠。

三、結(jié)論

通過高壓電纜絕緣故障的類型以及在線監(jiān)測系統(tǒng)對其的檢測，可以總結(jié)得出，用在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測高壓電纜，可對電纜系統(tǒng)提供實(shí)時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)電纜故障，優(yōu)化高壓電纜的使用，保證電纜的絕緣效果，確保電纜在不同領(lǐng)域應(yīng)用的安全性，為生產(chǎn)與發(fā)展提供助力，同時，也可以完善系統(tǒng)的功能，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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