引言

随着我国经济实力的不断增长,人们对电力的需求日渐提高,供电质量也成为电力部门重要的考核指标。电力电缆作为电网运行不可或缺的组成部分,其举足轻重的地位不言而喻。

由于大多数电缆铺设在地下,不仅不容易查找故障点位置,如果不能及时排除还会造成停电的风险。电缆绝缘在线监测可以实时监控电缆的运行状态,及时发现故障隐患,进行绝缘老化趋势分析,并预测电缆寿命,对电缆的可靠运行有深远的影响。因此,电力电缆绝缘在线监测势在必行。

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、响应时间都有着较高的要求: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。

1电力电缆绝缘在线监测方法的原理分析

在国外,日本早在#0世纪80年代初就对电缆在线监测领域进行了探索,并开发了多种监测技术,如直流分量法和介电损耗法,为在线监测技术的发展打下了基础。西方国家也相继开展了大量电缆在线监测技术的相关研究,并制定了行业标准,也取得了丰硕的成果。

在在线监测方面,我国的相关研究比较滞后。研究单位主要是高校和电力方面的科研院所,清华大学、上海交大、武汉高电压研究所等机构在这方面的研究上都取得了长足进展。

1.1直流法

当电缆中有树枝化缺陷时,电缆结构可以等效成一对尖板电极,电缆芯体相当于高电极,电缆屏蔽护套和接地线相当于低电极,在两者之间构成回路,形成整流效应,且产生的泄漏电流含有微量的直流分量。因此,这个泄漏电流直流分量可以反映出电缆树枝的存在,并且可通过直流分量的大小来判断绝缘的劣化程度。

直流法可以进一步划分为直流分量法和直流叠加法两种在线监测方法。

1.1.1直流分量法

该方法原理是测量电缆接地线中泄漏电流的直流分量,将测量装置和电缆接地线相连,如图1所示。在工频电压下,同时存在较大的工频电流和微量的直流泄漏电流成分,所以需要通过滤波器滤去工频及干扰信号,只留下直流分量,再通过放大器进行放大,经模数转换后,由计算机处理分析。

优点:无需额外的电源,测量装置轻量化:测量时只连接电缆接地线,不接触电缆线芯带电部分,保障了工作人员的人身安全。

缺点:该方法存在很大的局限性。这是因为电缆屏蔽层与大地之间会形成分布性电容,产生大量的杂散电流,并且受电缆端部污秽程度的影响,加之被测电流的量级十分微小(纳安级）,容易对测量信号形成干扰,导致测量精度不高。

1.1.2直流叠加法

此方法是将在低电压直流电源装置(通常取50V）与接地电压互感器中性点串联,利用并联电容和电感线圈滤去交流分量,之后采用灵敏系数高的设备来测量电缆中的直流分量,计算电缆的绝缘电阻并判断绝缘的劣化程度,如图2所示。

势叠加在电缆绝缘中,对产生的直流电流的差值进行数据分析处理[#]。因此能够有效消除单向杂散干扰电流对监测数据的影响,本方法抗干扰能力较强:在高压系统中,电缆直流分量太小,不易被检测到,所以该方法只适用于监测中低压电缆绝缘系统。

缺点:电缆绝缘电阻与绝缘剩余寿命之间没有直接联系,并且具有很大的分散性,无法准确评估电缆绝缘的剩余寿命:不适用于高压电缆线路监测。

1.2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,如图3所示。当叠加101.4Hz的交流电压时,绝缘老化的电缆将产生显著的特性电流,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。

1.3介质损耗因数法

使用电压互感器测量电缆两端的电压,电流互感器测量通过绝缘层的泄漏电流,通过数字化测定器的处理,可以获得电流与电压信号的相位差6,即介质损耗角。将6做正切计算,得到电缆绝缘的损耗因数tan6,如图4所示。该方法能够反映出电缆绝缘的老化程度,6值与电缆树枝老化程度成正相关,6值越小代表电缆绝缘状态越良好。

优点:tanδ反映的是电缆本身的介电损耗特性,与工况无关,因此该方法可以应用于所有电压等级的电缆,适用性强:可以有效避免工频信号和外界杂散信号的干扰,测量结果更接近实际值,准确性高。

缺点:该方法只能体现电缆绝缘的整体老化程度,不能得出局部的相关数据,因此其检测结果不够精准,适用范围有限。

1.4局部放电法

电缆发生局部放电时,我们可以利用放电点处产生的物理现象来评估电缆的绝缘状况。如监测电磁波和电脉冲及其反射信号的差分法、电磁耦合法、方向耦合法、超高频电容法和超高频电感法,监测声信号的超声波法,监测热信号的温度传感器法,监测化学信号的化学监测法等。

该方法通过不同类型的传感器收集不同的特征局部放电信号,经过去噪处理,提取局部放电信号特征数据,然后通过比对局部放电特征数据库,判断绝缘故障类型,并通过局部放电量的变化分析绝缘老化的趋势,进而判断电缆寿命,其流程如图5所示。

优点:采用传感器获取局放信号,不需改变电网的原有接线方式,检测设备安装简便:可以采用多种监测方法和多种类型的局部放电传感器联合检测,以减少误差,提高监测数据准确率。

缺点:强电磁场干扰源很多:采集的信号量微弱:缺少现场测量数据以及绝缘劣化的评估标准。

1.5低频叠加法

该方法是在运行电缆的绝缘上叠加低频电源,测量装置串联在电缆接地线上,以检测此时的低频电流[4]。电缆可以等效成电容的并联电路,低频电源和工频电压两者产生的容性电流差值很大,阻性电流相同,所以便于区分。根据阻性电流计算绝缘电阻值,进而判断电力电缆绝缘状况。

优点:诊断结果可靠性高:电源容量小。

缺点:电缆端部的工作状态会影响监测结果,可能做出误判。

1.6谐波分量法

该方法的原理是当xLPE电缆存在树枝缺陷时,在运行电压下,损耗电流中会产生谐波分量,可用来判断电缆绝缘劣化情况。长期的研究数据显示,损耗电流的畸变会随着电缆劣化程度的增加而严重,谐波分量也会逐渐变大,谐波分量包含电缆树枝缺陷绝缘水平的数据。

优点:检测灵敏度只跟缺陷电缆长度有关,完好部分不会对监测结果造成影响,不易受外界信号的干扰。

缺点:电网中的谐波分量是制约该技术应用于在线监测的关键因素。

1.7接地电流法

随着xLPE电缆绝缘水平的降低,损耗因数tan6会上升,电容也会随之产生改变,电容和通过接地线的电流都有上升的趋向,这个变化非常明显。研究数据表明,接地线电流的增幅与击穿电压存在密切的联系。具体操作方法就是将电流传感器安装在电缆的接地线上,接地电流随绝缘状况而变化,因此接地电流法是所有监测方法中最基本、最直观的方法。

优点:安装检测过程简便快捷。

缺点:要求传感器的灵敏度和精度都比较高。

1.8其他方法

场致发光法:电树枝产生前,电场激发的电子会在电缆场强集中的位置撞击荧光物质,从而产生的高效冷光,我们称之为场致发光。xLPE电缆在不同的起始电压下,场致发光的波长、色度、强度等光学参数特征具有相关性,可以反映出电缆绝缘状况。

氧化特征法:该方法是测量电缆及其接头绝缘层和半导电层等在过热条件下随时间的耗氧量变化率,同时对其电、力方面的特征数据进行分析,根据材料氧化反应特征数据的变化趋势来评估电缆老损程度,并且制定出了耗氧量和电缆状态关系的评估标准。

通过以上研究发现,绝缘在线监测技术和手段有很多种,每种方法都有各自的优缺点,如表1所示。

但在实际应用中,实施成本关乎到经济性和可行性,是必须考虑的因素。下面以一个10kV变电站为单位,对以上几种电缆绝缘在线监测方法的实施成本进行分析。

假设一个10kV变电站有24条10kV出线,其中20条为电缆线路。1套电缆绝缘在线监测系统包括系统软件、通信设备、监测仪器、传感器和辅材,所有监测技术均只有1套系统软件和1条通信设备,而其他元件、装置的具体数量及费用如表2所示。

从表2可以看出,采用无源监测的直流分量法、局部放电法、谐波分量法和接地电流法实施成本远低于有源监测法,接地电流法投资最少,直流叠加法投资最高。如果监测电缆线路数量较多,采用直流分量法和局部放电法经济性更高。

2问题及发展方向

绝缘在线监测技术已经广泛应用于电力电缆领域,但在实际运行中我们也发现了一些问题需要改进:

(1）提高设备测量精度。由于被测信号的量级十分微小,监测设备的精度会对测量结果的准确度造成影响。

(2）抑制干扰。干扰信号影响着测量结果的准确率,硬件滤波和先进的软件去噪算法是信号抗干扰的重要手段,也是我们的主要研究方向。

（3）联合监测。单一监测方法都具有局限性,实现多种方法联合监测可有效提高测量结果准确性和可靠性。

(4）建立评估标准。现阶段,我国在电缆绝缘在线监测领域缺乏足够的现场监测数据样本及运行经验,有待建立关于绝缘在线监测的统一标准。

(5）电缆结构的改进。可以在现有电缆结构基础上,在电缆内部增加能够实现在线监测功能的模块,并预留接口。当需要进行监测时,只需将监测装置与预留接口相连,以简化操作,而且这种设计特别适用于地下敷设的长距离电缆。

3结论

（1）实际运用的经验以及研究数据告诉我们,通过电缆绝缘在线监测,能够有效地对电缆的可靠性进行定量分析,及时发现故障隐患,进行绝缘老化趋势分析,并预测电缆寿命。因此,电力电缆绝缘在线监测势在必行,而其替代电缆预防性测试将成为运行管理的必然结果。

（2）上文所述的方法已被应用于电力电缆绝缘在线监测领域,如何克服各种监测方法单一使用的局限性,提高测量结果准确性,积累运行经验并建立相关行业标准,是今后我们研究的主要方向。