電力電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

席傲然　莫岳平

摘? 要：密集的高架式電纜不僅危險(xiǎn)程度高、維修風(fēng)險(xiǎn)大，還影響著土地利用率和市容美觀。為了推動(dòng)城市化的進(jìn)程、保證人們的生活質(zhì)量以及人身安全，地下高壓電纜的普及是必然趨勢(shì)。但電纜下地也給電纜故障檢測(cè)帶來(lái)困難，如何快速有效的解決電纜故障檢測(cè)問(wèn)題成了研究的重點(diǎn)。文章在分析了高壓電纜絕緣接頭絕緣故障原因的基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)有電纜絕緣故障檢測(cè)方法，分析了不同方法的利弊和適用場(chǎng)所，著重介紹了現(xiàn)有電纜接頭絕緣故障檢測(cè)產(chǎn)品的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況。為有效解決電纜、特別是電纜接頭絕緣故障檢測(cè)問(wèn)題提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓電纜;電纜接頭絕緣故障;在線檢測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）31-0028-04

Abstract： The dense overhead cable is not only dangerous， but also affects the land utilization rate and the appearance of the city. In order to promote the process of urbanization， ensure people's quality of life and personal safety， the popularity of underground high voltage cable is an inevitable trend. However， it is difficult to detect cable faults under ground. So how to solve cable fault detection quickly and effectively has become the focus of research. In this paper，based on the analysis of the insulation fault reasons of the high-voltage cable insulation joints， the existing cable insulation fault detection methods are summarized， the advantages and disadvantages of different methods and their application places are analyzed， and the characteristics and application of the existing cable insulation fault detection products are emphatically introduced. It provides a reference for effectively solving the problem of cable， especially cable joint insulation fault detection.

Keywords： high voltage cable; cable joint insulation fault; on-line detection method

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，人們的生活水平逐年提高，越來(lái)越多的新型用電設(shè)備隨之而來(lái)。在滿足人們對(duì)更高生活質(zhì)量的要求的同時(shí)，也大幅度增加了用電需求，從而對(duì)電網(wǎng)的要求也越來(lái)越高。這種現(xiàn)象不僅對(duì)供電增加了壓力，也大大提高了電纜的故障頻率，威脅著供電的安全和穩(wěn)定，這在一些特殊場(chǎng)合帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)往往是致命的，并且伴隨著巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。如今高壓電纜已經(jīng)在地下電網(wǎng)、發(fā)電廠、變電站等場(chǎng)所占據(jù)了主流地位，電纜故障已成為重大電網(wǎng)事故的主要源頭。其中最容易受到損傷的就是電纜接頭，由于電纜接頭需要現(xiàn)場(chǎng)制作，因此更容易形成缺陷而引起絕緣故障的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜接頭故障占電纜故障的85%左右。有效的檢測(cè)方法很少，維修也成了一大難題。因此，如何高效低風(fēng)險(xiǎn)解決電纜接頭絕緣檢測(cè)問(wèn)題成了人們所關(guān)注的重點(diǎn)。本文在分析了高壓電纜絕緣接頭故障原因的基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)有電纜絕緣故障檢測(cè)方法，分析了不同方法的利弊和適用場(chǎng)所，著重介紹了現(xiàn)有電纜接頭絕緣故障檢測(cè)產(chǎn)品的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況，為有效解決電纜、特別是電纜接頭絕緣故障檢測(cè)問(wèn)題提供參考。

1 導(dǎo)致電纜接頭絕緣故障的主要因素

1.1 絕緣層老化

電纜接頭在使用了一定的時(shí)間后，其絕緣層總會(huì)受到一定因素的影響變得效果大不如初。這些因素是多種多樣的，如溫度和環(huán)境的變化、絕緣受潮、化學(xué)反應(yīng)的腐蝕、汽車壓過(guò)路面等導(dǎo)致的外力破壞、長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行等等因素都會(huì)破壞電纜接頭原有的絕緣層，也就是絕緣層的老化。

1.2 電纜接頭制作中出現(xiàn)的問(wèn)題

電纜接頭制造的高精密性要求制造商的產(chǎn)品完全依照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，小部分的工廠難免為了利益因素或者趕工導(dǎo)致電纜本身的絕緣不勻稱，體表存在小型瑕疵，絕緣層中混入雜質(zhì)等等;電纜接頭附件密封不嚴(yán)實(shí)，由于外部環(huán)境較差，使得接頭暴露在空氣中，讓水分滲入造成電纜接頭受潮;沒(méi)有預(yù)留足夠的管長(zhǎng)使得電纜接頭絕緣內(nèi)縮，造成接頭以及絕緣管的交界處有縫隙，在通電使用后，這個(gè)縫隙會(huì)不斷釋放出微小的電流，直到中間電纜接頭被擊穿。

1.3 發(fā)熱

高壓電纜長(zhǎng)期處于通電狀態(tài)，會(huì)使電纜發(fā)熱。若絕緣層氣隙不勻可能會(huì)造成局部受熱，導(dǎo)致電纜受損。而鋪設(shè)在一些特殊環(huán)境或者鋪設(shè)密集地方的電纜也會(huì)存在著一系列如電纜散熱不好或長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行而導(dǎo)致電纜接頭絕緣層的壽命大大衰減。

2 電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)方法

2.1 預(yù)防性試驗(yàn)

過(guò)去，我國(guó)普遍使用的是預(yù)防性試驗(yàn)的方法。有些地區(qū)的預(yù)防性試驗(yàn)是按計(jì)劃將電纜經(jīng)固定周期停運(yùn)，然后進(jìn)行絕緣、運(yùn)行方面的檢測(cè)。這種檢測(cè)方法從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種離線檢測(cè)，需要斷電才能夠進(jìn)行，存在著相當(dāng)大的弊端。如進(jìn)行一次檢修所需的周期長(zhǎng)，過(guò)程繁瑣難以一次完成等等，難以滿足供電配電的需求。并且使用離線檢測(cè)的方法常常伴隨著操作不夠靈活、方便直觀。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，電磁干擾較大，使得到的結(jié)果不準(zhǔn)確或是有些材質(zhì)的高壓電纜對(duì)此方法不適用。

因此如何做到在線絕緣狀態(tài)檢測(cè)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，也成為電纜絕緣檢測(cè)技術(shù)的必然趨勢(shì)。[1]

2.2 電纜絕緣狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)

電纜在線絕緣狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)即是在不斷電的情況下依舊能夠?qū)﹄娏υO(shè)備進(jìn)行絕緣狀態(tài)檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)更新檢測(cè)數(shù)據(jù)，并快速將檢測(cè)結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)中，使得測(cè)量過(guò)程智能化。這樣做既可以防止離線檢測(cè)帶來(lái)的停電困擾，又可以及時(shí)避免電纜絕緣損壞帶來(lái)的重大事故，提高了供電配電效率。并且，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便靈活，大大減少了人力物力的耗費(fèi)。

在歷經(jīng)多種材質(zhì)的電纜更替后，交聯(lián)聚乙烯電纜（Cross-linked polyethylene insulated cable，簡(jiǎn)稱XLPE）憑借其絕緣性能好、易于生產(chǎn)和安裝、受周邊環(huán)境影響較小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。近些年，針對(duì)XLPE電纜絕緣狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一些研究，并取得了一系列的成果。

2.2.1 直流疊加法

直流疊加法在各種在線監(jiān)測(cè)方法中運(yùn)用較為廣泛，它的原理是在電壓互感器中性點(diǎn)接地處加上一個(gè)約為50V的直流電壓，使得交流高壓上疊加有低直流電壓，進(jìn)而測(cè)得當(dāng)前電纜的絕緣電阻，以此判定電纜的老化程度。日本已經(jīng)給出了這種方法測(cè)絕緣電阻的判斷標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示：

直流疊加法測(cè)得的電纜絕緣電阻與停電后加直流高壓時(shí)測(cè)得的絕緣電阻數(shù)值很相近，得到的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，能夠很好地測(cè)得水樹(shù)枝泄露的電流分量大小，并且快速有效的進(jìn)行電纜絕緣電阻的在線監(jiān)測(cè)。[2]

2.2.2 直流分量法

研究表明電纜樹(shù)枝化的絕緣缺陷能夠產(chǎn)生整流效應(yīng)，這種效應(yīng)指的是在反復(fù)流過(guò)交流電壓時(shí)水樹(shù)枝會(huì)在正半周期注入少量的正電荷而在交流負(fù)半周期注入大量的負(fù)電荷，造成放電不對(duì)稱。這樣一來(lái)正電荷被完全中和而剩余大量負(fù)電荷，就會(huì)聚集在電纜的絕緣層上。在一定時(shí)間后這些負(fù)電荷就會(huì)向樹(shù)枝尾端運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生微弱的直流電流泄露。而直流分量法就是通過(guò)檢測(cè)這些泄露的直流電流來(lái)進(jìn)行電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)（圖1）。[3]

2.2.3 局部放電法

當(dāng)電纜局部區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，從檢測(cè)原理方面可歸納為電氣測(cè)試法和非電氣測(cè)試法兩大類。電氣測(cè)試法具有高靈敏度、高精確性的優(yōu)點(diǎn)，但容易受到外界干擾;非電氣測(cè)試法不易受到電磁信號(hào)的干擾但是靈敏度較低，各有所長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外研究較多的電纜局部放電檢測(cè)方法有差分法、電磁耦合法、溫度檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等。[4]

（1）差分法

差分法（如圖2所示）是將兩塊金屬箔分別貼在中間接頭金屬屏蔽絕緣外側(cè)，用絕緣墊圈隔開(kāi)，中間連接5Ω的檢測(cè)阻抗構(gòu)成回路。當(dāng)電纜的一側(cè)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，便能檢測(cè)到局部放電信號(hào)，并且由于產(chǎn)生的噪聲信號(hào)在阻抗兩端不能產(chǎn)生壓降，因此可以很好的抑制噪聲。但這種方法因?yàn)榘惭b檢測(cè)較為繁瑣，難以在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，具有局限性。[5]

（2）電磁耦合法

電磁耦合法目前是檢測(cè)電纜局部放電的最有效方法，它由局部放電信號(hào)垂直穿過(guò)電磁耦合圈，通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換來(lái)使得回路感應(yīng)局部放電信號(hào)。通過(guò)在電纜接頭處安裝局部放電傳感器，來(lái)捕捉電纜接頭產(chǎn)生的局部放電信號(hào)從而進(jìn)行采樣分析和數(shù)模轉(zhuǎn)換來(lái)獲得數(shù)據(jù)。這種方法由于占用空間小、抗干擾性強(qiáng)，這幾年在電力電纜絕緣檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但安裝內(nèi)置局部放電傳感器只能在施工的過(guò)程中添加，改變了接頭的電場(chǎng)分布，也具有一定局限性。[6]

（3）超聲波檢測(cè)法

電纜接頭絕緣故障時(shí)會(huì)在局部放電位置產(chǎn)生超聲波，超聲波檢測(cè)電纜局部放電是通過(guò)檢測(cè)輻射信號(hào)進(jìn)行的，通過(guò)超聲傳感器來(lái)檢測(cè)局部放電的輻射信號(hào)，可以捕捉到很微小的小火花放電，然后通過(guò)信號(hào)處理能夠精確地定位故障位置。并且通過(guò)向電纜發(fā)送一定信號(hào)頻率的超聲波，通過(guò)檢測(cè)其回傳反射波的強(qiáng)弱更是可以知曉故障的原因所在。目前，超聲波檢測(cè)方法已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，研究表明，檢測(cè)20-300kHz的聲信號(hào)用以表征電纜局放特征最為合適。[7]

與上述幾種電纜接頭的絕緣檢測(cè)方法對(duì)比，超聲波檢測(cè)法具有較大的優(yōu)越性：

（1）超聲波檢測(cè)法是一種非入侵式檢測(cè)方法，不會(huì)對(duì)正在運(yùn)行的電纜和設(shè)備造成影響，也無(wú)需進(jìn)行斷電檢測(cè)，避免了周期離線檢測(cè)所帶來(lái)的不便。

（2）超聲波具有很強(qiáng)的定向性和很快的傳播速度，能夠?qū)收喜课贿M(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)也大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，大大提高了檢測(cè)效率。

（3）超聲波檢測(cè)使用成本低，檢測(cè)效果精確，原理簡(jiǎn)單易懂，并且與其他檢測(cè)方法比它還具有受現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)，可以大大減少測(cè)量誤差。

（4）超聲波檢測(cè)法是一種新興的檢測(cè)方法，并且隨著傳感技術(shù)的提高，測(cè)量的精度也會(huì)大大提高，具有非常良好的市場(chǎng)前景。

3 電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)現(xiàn)有產(chǎn)品及應(yīng)用

基于超聲波檢測(cè)法的種種優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)已經(jīng)做了很多研究，設(shè)計(jì)發(fā)明出了一系列產(chǎn)品來(lái)解決電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)問(wèn)題，并將這些產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)際。

3.1 超聲波檢測(cè)儀

基于超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)，使用STM32微處理器來(lái)制作出一種能夠測(cè)試出80cm范圍內(nèi)的局部放電超聲波信號(hào)的超聲波檢測(cè)儀。這種測(cè)試方法的基本設(shè)計(jì)思路是將超聲波產(chǎn)生的微弱信號(hào)經(jīng)由放大電路進(jìn)行放大，并通過(guò)濾波手段抑制現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的低頻高頻干擾，從而使得通帶內(nèi)的幅頻特性更加平穩(wěn)，最后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換傳到上位機(jī)顯示，從而制作出一種STM32內(nèi)核的超聲波電纜局部檢測(cè)裝置。該裝置采用了中心頻率為27kHz的接收探頭，能夠進(jìn)行80cm內(nèi)有效測(cè)距，具有便于攜帶，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。[8]

3.2 一種適合帶有交叉互聯(lián)線的XLPE電纜絕緣接頭局放檢測(cè)傳感器

該裝置使用了兩個(gè)VHF鉗形傳感器分別裝于XLPE電纜接頭兩側(cè)，并配合一個(gè)放置在交叉互聯(lián)箱上的UHF傳感器，若這兩種傳感器都能夠同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，便能夠判斷該信號(hào)是由電纜接頭內(nèi)部發(fā)出的。采集到信號(hào)的傳感器經(jīng)由同軸電纜同時(shí)輸送到數(shù)字示波器中，并通過(guò)計(jì)算機(jī)反映出來(lái)（結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示）。此方法能夠判斷出電纜故障是否是由電纜接頭內(nèi)部產(chǎn)生的，適用于已經(jīng)投運(yùn)的XLPE電纜接頭絕緣的在線監(jiān)測(cè)。[9]

4 基于超聲波的電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)搜集多方資料進(jìn)行比對(duì)，并進(jìn)行了不斷地改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)，揚(yáng)州大學(xué)課題組研究了適合在線監(jiān)測(cè)電纜接頭局部放電的超聲波檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置硬件部分可分為現(xiàn)場(chǎng)傳感器和主機(jī)兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝在電纜接頭部位，主機(jī)則放在監(jiān)控室內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)擬通過(guò)光纜傳送到主機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器主要包括超聲波探頭、阻抗匹配電路、前置放大電路、濾波電路、后級(jí)放大電路;主機(jī)主要包括DSP，上位機(jī)，以及基于DSP的外圍電路。軟件部分包括，濾波算法、信號(hào)采集算法、數(shù)據(jù)傳輸算法以及上位機(jī)軟件。

依據(jù)超聲波檢測(cè)原理的電纜接頭絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖如圖4所示。

在電纜接頭發(fā)生故障后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)超聲波信號(hào)，并通過(guò)超聲波接收探頭與調(diào)理電路進(jìn)行接收處理。但由于信號(hào)與探頭之間存在間隔，而且超聲波信號(hào)在傳播的過(guò)程中會(huì)因受到障礙物的阻隔而衰減，再加上本身信號(hào)微弱，使得有用的超聲波信號(hào)難以采集，因此一個(gè)用于放大超聲波信號(hào)的調(diào)理電路是非常必要的。[10]因此我們運(yùn)用了一個(gè)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，利用超聲波探頭使超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行放大，濾波后傳給DSP外圍程控電路進(jìn)行程控放大，并進(jìn)行A/D采樣數(shù)字化，最終傳輸給上位機(jī)顯示，從而能夠清楚判斷電纜接頭是否故障。

基于上述理論，揚(yáng)州大學(xué)課題組設(shè)計(jì)并制作了基于超聲波檢測(cè)的電纜接頭絕緣狀態(tài)在線檢測(cè)裝置，并對(duì)調(diào)理電路、電源電路以及采樣程序、上位機(jī)顯示模塊界面都進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改進(jìn)。該裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)效果良好，并具有較好的可靠性。后期如能產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品將具有良好的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前而言，電力電纜不僅僅是應(yīng)用于地下的輸電供電，在各行各業(yè)的運(yùn)用也越發(fā)廣泛，如艦船電纜、飛機(jī)電纜等等，因此電纜絕緣故障的研究并不僅限于此。既然電纜絕緣故障無(wú)法避免，為了減少損失，電纜絕緣狀態(tài)檢測(cè)也應(yīng)成為日后研究的熱點(diǎn)。本文綜合闡述了高壓電纜絕緣狀態(tài)的檢測(cè)方法，由于電纜接頭的特殊性，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)有電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測(cè)產(chǎn)品及其應(yīng)用情況，為用戶有效解決電纜接頭絕緣故障檢測(cè)問(wèn)題提供參考，對(duì)電纜接頭絕緣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正超.電力電纜局部放電監(jiān)測(cè)與絕緣故障診斷[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]李煜.小議電力電纜在線檢測(cè)的幾種方法[J].高電壓技術(shù)，2004（S1）：77-78.

[3]金德輝.基于直流分量法的XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].大連理工大學(xué)，2012：5-9.

[4]鄭曙光，劉觀起.XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)方法綜述[J].科學(xué)與財(cái)富，2015（7）：1-1.

[5]魏力強(qiáng)，王東林，齊錦濤，等.電力電纜局部放電試驗(yàn)及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)分析[J].河北電力技術(shù)，2018，37（06）：54-57.

[6]邢濤.基于電磁耦合法的電纜故障在線檢測(cè)技術(shù)的研究[D].大連理工大學(xué)，2012.

[7]汪金剛.高壓設(shè)備放電紫外檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué)，2008.

[8]劉斌，井濤，高松巍.基于超聲波的溝槽電纜局部放電檢測(cè)技術(shù)[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2018.

[9]韋斌，李穎.XLPE電纜絕緣接頭局放在線檢測(cè)方法探討[J].高電壓技術(shù)，2005（10）：33-35.

[10]井濤.電纜局部放電在線檢測(cè)方法研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2017.