电力电缆的在线检测技术综述

李在友

(神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000)

1 引言

过去，我国广泛使用的预防性试验是采用定期停电的试验方法，属离线试验。随着供电可靠性的要求越来越高，这种停电试验越来越不适应电力生产和供应的实际要求。因此研究交联聚乙烯电缆在线检测，可及时对电缆进行合理的维护、检修及更换，对保证电缆可靠运行具有重要的意义［1］。如何找到一种切实可行的在线检测方法成为急需研究的问题

2 结构及各部分作用

在制造技术方面，70年代末，XLPE制造方面又有了更大发展，出现了新型的半导电屏蔽材料及超净绝缘材料，使绝缘体中的杂质含量进一步减少，在工艺上又引进了多层共挤法，减少了层间界面，使XLPE绝缘电缆局放电量大为下降，为XLPE电缆的更大规模发展奠定了基础。在半导电屏蔽方面，最初在XLPE绝缘电缆上使用的是涂石墨层布带绕包在绝缘上，这种方法由于界面问题，使得电缆局部放电很大，电缆一旦进水，水分直接和绝缘接触，易引发水树和电树。以后半导电屏蔽使用三层同时挤出工艺，材料采用XLPE，且在材料中加入防水树剂和防电子发射剂，使得电缆性能更加优越。

XLPE绝缘电缆结构［2］由内向外一般分为7层:导体、内层半导体层、绝缘层、外层半导体层、护套、保护层和石墨涂层，如图1所示。

图1 单芯交联聚乙烯电缆结构图

交联聚乙烯电缆和油浸纸统包电缆在结构上的区别除了相间主绝缘是交联聚乙烯材料以及线芯形状是圆形之外，还有两层半导体屏蔽层。第一层半导体层可以克服导体电晕以及电离放电，使芯线与绝缘层有很好的绝缘;第二层半导体胶同时挤包了一层0.1mm的薄铜带，它们组成了良好的相间屏蔽层，保护电缆使之几乎不能发生相间故障。

3 电缆的在线检测方法

目前预防性试验中规定的电缆试验项目不多，根据需要又开发出多种判定或鉴别电缆性能的试验方法，但对于交联聚乙烯电缆普遍认为不合适进行高压直流试验，所以针对交联聚乙烯电缆发展了多种在线检测方法［2］。

3.1 直流分量法［3］

1987年，K.Sona和H.Oonishi等人对运行后的电缆进行了比较详尽的试验研究，结果表明直流分量是XLPE电缆绝缘含有水树的标志，据此提出了通过在线检测直流电流来判断运行中交联聚乙烯电缆老化的方法，即直流分量法，如图2所示。

图2 直流分量法原理图

直流成分法测量运行中交联聚乙烯电力电缆绝缘中的“水树状”［4］劣化状态，直流叠加法测量运行中电缆直流绝缘电阻。前者以在线检测水树枝在工频交流电场下因“整流效应”所产生的微弱直流电流作为绝缘老化的判据;后者是采用对运行中的电缆绝缘叠加一个小直流电势，然后在电缆屏蔽层接地回路中测出所产生的直流电流的方法来获知电缆的直流绝缘电阻。

研究表明［5］，水树枝发展愈长，直流分量也就愈大，而且电缆的直流分量与直流漏电电流及交流击穿电压往往具有较好的相关性，水树枝的发展，泄漏电流的增大会导致电流击穿电压的下降。

此方法在现场测量时经常碰到的问题是当电缆屏蔽接地化学电动势较大而护套绝缘电阻较小时，会在检测回路形成较大干扰电流，使得检测电流被干扰电流淹没。解决的方法如下:

(1)可以采用改接线的方法。用电容阻断接地化学电动势通过护套绝缘的通路，但改接线可能难以被电力部门的操作规程所允许，故在应用中要受到一定限制。

(2)采用补偿电势法来消除干扰电流。此方法需要良好的补偿电势源微调性能和微电流检测仪测量精度，在应用于现场检测时，有很好的可取性。

3.2 直流叠加法［6］

直流叠加法是在接地的电压互感器的中性点处加上低压直流电压(通常为50V)，此直流电压与电缆绝缘上原有的交流相电压叠加，从而测量通过电缆绝缘层的微弱直流电流或其绝缘电阻，其测量原理见图3。

图3 直流叠加法检测原理

由于直流叠加法是在交流电压上叠加50V直流电压，这样在带电的情况下测得的绝缘电阻与停电后再加直流高压时的检测结果相近。但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好，分散性相当大。

3.3 交流叠加法［7］

该方法是在电缆屏蔽层上叠加一个交流电压(频率=工频频率*2+1Hz)测检出1Hz的特征电流信号，从而判断电缆的老化程度，交流叠加法检测原理见图4所示。

图4 交流叠加法检测原理

试验表明，在给老化电缆屏蔽层上叠加不同频率的交流电压时，当电压频率100Hz时，会产生一个比较大的特征电流。进一步的研究表明，该特征电流只在老化的电缆上产生，对于新电缆并不产生特征电流，并且当叠加电压的频率为101.4Hz时，特征电流达到最大值。这样所得出的关系式为:检测电流频率=叠加电压频率－工频频率*2。与直流叠加法相比，交流叠加法所需电源的幅值较小，通常叠加5V的交流电压就可得到明显的特征电流，这使得交流叠加法能更容易地检测出电缆老化信号;另外，交流叠加法所测得的特征电流的线性化程度要比直流叠加法好得多，因而，交流叠加法不失为在线检测电缆的一个新方法。

3.4 局部放电法［8］

国外关于XLPE电力电缆局部放电在线检测方法报道很多，如电磁法、超声波法及脉冲相位分析法等。本文仅从信号采集方面评述利用电缆中间绝缘连接盒的差分法和预制中间连接头电磁耦合法进行现场局部放电信号的在线检测方法。

(1)差分法在线检测局部放电

该方法在中间绝缘接头连接盒外护套表面上，以金属护套绝缘分段处为界的接头左右两部分分别固定两个金属铂电极，外接一高阻抗，通过选用适当的阻抗，利用差分法来检测电缆的局部放电信号，如图5所示。若左边有局部放电产生，则右边电缆电容充当耦合电容的作用。同样，若局部放电发生在接头右边，则左边电容充当耦合电容的作用。该法不必加入专门的高压源和耦合电容，也无需改变电缆的连接，且能很好地抑制外界噪声干扰，适应于运行现场在线检测电缆的局部放电。

图5 差分法检测原理

在中间接头绝缘连接盒处以差分法在线检测高压电缆局部放电的方法安全简便，在较低频率时能较好地排除干扰。在不超过几兆赫兹的频率范围内，该方法的灵敏度可达1pC。

(2)电磁耦合法在线检测局部放电

该方法可应用于10kV及以上电压等级的XLPE电力电缆局部放电的在线检测，其原理是在电缆中间接头处安装一穿心式高频电磁耦合传感器，将电缆本体或接头的局部放电信号采集并传输到局放信号分析仪，从而实现电缆的局部放电在线检测。该方法要求在制作中间接头时做一小小的改造，即将中间接头金属屏蔽连接用的铜带直接穿过高频电磁耦合传感器，然后再与接头两端金属屏蔽层电气连接。由于在高压电缆和测量回路间没有直接的电气联系，从而能很好地抑制噪声。该局放传感器的带宽设计为12～40MHz，这对于在线检测电缆本体或接头处产生的小于10pC的局部放电是足够灵敏的。

在现有类型的10kV及以上电压等级电缆中间接头位置加装电磁耦合传感器用于电缆及附件局部放电在线检测的方法，由于并没有改变中间接头的绝缘结构，因此它安装简便、不影响电缆附件现场安装的质量。传感器使用VHF(甚高频)的频段，能够在运行现场检测或检测附件低于数皮库的局部放电量。

4 结束语

以上电缆，除了无防水层构造却用于被水浸泡场所的情况需注意水树生成延长会影响绝缘性能外，具有金属套完好无损的电缆尚无必要实施水树老化检测。高压电缆附件因绝缘老化导致击穿在国内外不乏其例，附件的老化检出显然至为重要。电缆绝缘检测新技术的开发在国外有所进展，宜继续关注并加强我国在这方面的研究。对运行撤换下的电缆取样测试，可获得有益于老化检测的数据。

［1］ Ying Qiliang，Wei Dong，Gao Xiaoqing，et al.Development of high voltage XLPE power cable system in China［J］.Proceedings of the 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，2000，1:247 －253.

［4］ 江秀臣，曾奕.一种新型交联聚乙烯电缆在线检测装置的研究［J］.电力电缆，2004(4):33 －37.

［5］ Oonishi H，Urano F，Mochizuki T，et al.Development of New Diagnostic Method for Hot－ Line XLPE Cables with Water Trees［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1987，2(1):1 －7.

［6］ 陆志雄，郁诺.交联聚乙烯电缆绝缘在线检测技术［J］.电工技术杂志，2004，4:42 －46.

［7］ Feng Lin，Chen D Y.Reduction of power supply EMI emission by switching frequency modulation［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1994，9(1):132 －137.

［8］ 成永红.电力设备绝缘检测与诊断［M］.北京:中国电力出版社，2001.