常见的电力电缆状态在线监测方法综述

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(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

常见的电力电缆状态在线监测方法综述

李文泉，兰生

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

电力电缆的在线监测项目包括绝缘电阻、介质损耗、局部放电、接地电流和温度等参数。对国内外现有电力电缆绝缘及温度在线监测方法进行介绍，分析其优缺点，对其发展趋势进行了预测。

电力电缆；状态；在线监测

1 引言

电力电缆由于占地面积小、供电安全可靠、对周围环境电磁干扰小等优点而获得了越来越广泛的应用，至今已有百余年的历史。电力电缆在使用过程中，由于电磁、热、机械、化学等多方面的作用会逐渐老化，进而产生破坏性的故障。早期电缆以本体故障为主，近期以过载性故障居多，当前电缆终端和中间接头故障成为电缆故障的主要原因。对电缆状态进行监测，是预防电缆故障发生的重要手段。传统的电力电缆预防性试验需停电检测、试验电压低、试验周期长，属于离线检测[1,2]，已经越来越不能适应电力不间断生产和供应的要求。研究电力电缆状态在线监测技术，实时显示电缆运行状态，保证供电安全可靠已成为各国电力系统的发展趋势。国外从20世纪六七十年代开始就已经开始研究电缆绝缘监测与故障诊断技术[3-5]，我国在这方面起步较晚，但近几年发展较快。

本文对国内外现有电力电缆状态在线监测技术进行归纳和总结，分析其技术特点，并对未来电力电缆状态监测技术进行展望。

2 电力电缆绝缘在线监测

研究表明，电力电缆的树枝状放电是造成绝缘劣化和击穿的主要原因，针对水树枝产生的直流电流分量、低频电流分量、电容电流分量等特征信号，产生了诸如直流法、低频法、接地线电流法等多种在线监测方法。针对电缆局部放电产生的声、热等效应，又产生了多种局部放电在线监测方法。

2.1直流法

当电力电缆在导电线芯侧或外皮侧存在水树枝缺陷时，水树枝突起可视为尖电极，电缆外皮可视为板电极，在外施交流电压正、负半周时，树枝放电表现出不同的电荷注入与中和特性，而电缆外皮将始终有一部分负电荷或正电荷注入，即从导电芯线到外皮始终有一直流电流流过，此现象即为水树枝的“整流效应”。在正常工作电压作用下，此直流电流将以电源线、电缆导电线芯、电缆接地线、大地、接地保护用电压互感器、电源线为回路流通。因此，在电缆绝缘层中产生的微量直流泄漏电流(仅为纳安级别)是电缆绝缘内部存在水树枝缺陷的一个信号。研究表明，直流泄漏电流的大小和水树枝长度具有一定的相关性，以此可以判断电缆绝缘的劣化程度。通过监测直流泄漏电流来判断电缆绝缘状态的方法称为直流法，直流法又分为直流成分法和直流叠加法两种。

2.1.1 直流分量法

H.Oonishi,F.Urano,T.Mochizuki等人通过大量研究，发现直流电流分量是水树枝存在的标志，并提出了直流分量法[6]，其测量原理是：在电缆终端金属屏蔽层末端接入一接地开关SW，在电缆另一端接入直流分量测量设备M.D.，当要测量直流分量时，开关SW断开，如图1所示。

图1 直流分量法原理接线图

此法存在的主要问题是，在现场进行测量时，微量的干扰电流都将导致较大的误差。研究表明，干扰主要来自电缆屏蔽层与大地之间的杂散电流。因杂散电流和水树枝引起的电流均会通过微电流测量装置，以致造成测量误差。由图2所示等值电路可知，当屏蔽层与大地之间的绝缘电阻太低时，杂散电流引起的误差将大大增加[7]。目前对此问题的解决方案有：将杂散电流旁路掉，在杂散电流回路中串接电容进行阻断，用FFT法将杂散电流从水树枝电流中分离出来，用统计分析方法进行处理等等。

图2 考虑杂散电流的等值电路

目前将直流分量法测得的电流分成三档[8]：(1)电流大于100nA，表明电缆绝缘不良，(2)电流在1～100nA之间，表明电缆绝缘有问题需要注意，(3)电流小于1nA，表明电缆绝缘良好。

2.1.2 直流叠加法

直流叠加法的原理是[9]:对处于运行状态中的电缆，在其交流高压工作电压上叠加一低数值直流电压(通常为50V)，使该直流电压与施加在电缆绝缘上的交流电压叠加，测量流过电缆绝缘的纳安级别的直流泄漏电流，由电压电流比就可得到电缆的绝缘电阻。接线方式是在接地的电压互感器中性线上串接低压直流电源，对中性点固定接地的三相系统，也可在三相电源线上接入电抗器，再在电抗器中性点上串接低压直流电源[7]，原理接线图如图3所示。

图3 直流叠加法原理接线图

试验证明：直流叠加法测量的绝缘电阻与在电缆停电情况下施加直流高压时测得的绝缘电阻相近。但是，绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命相关性不佳，分散性较大。直流叠加法判断电缆绝缘状态的绝缘判据如表1所示[8]。

表1 直流叠加法测得绝缘电阻的判断标准

该法存在的问题是：(1)对于中性点直接接地的系统，由于接地电阻小，直流电压难于加载上去，接地电压互感器开口三角也无法加载直流电压，因此直流叠加法仅适用于10kV等中压电缆而不适用于110kV、220kV等高压电缆。(2)线路对地电晕放电对监测影响大，严重时导致特征信号被湮没。(3)因水树枝“整流效应”产生的直流电流在工频电压下的非线性变化对监测结果有不容忽略的影响。

2.2交流叠加法[10]

交流叠加法的监测原理是在运行中的电缆的屏蔽层上施加一个频率值为2倍工频频率加1Hz的交流电压，检测1Hz的特征电流信号，从而判断电缆绝缘的老化状况，原理接线图如图4所示。研究表明，当叠加在电缆上的频率达到100Hz时，老化电缆将出现特征电流信号，新电缆无此信号，当频率达到101.4Hz时，特征电流达到最大值。通常只需要叠加5V的交流电压便能得到特征电流信号，因此交流叠加法比直流叠加法更容易得到电缆绝缘水树枝老化特征信号。

图4 交流叠加法原理接线图

2.3电桥法

电桥法测量原理接线图如图5所示[11]，通过调节R4使电桥平衡，此时U0=0，则电缆绝缘电阻R1=(E1-U4)R2/U4。对于电缆护层与地之间的化学电势Es可通过反复调节E0和R4使U0=0，此时Es对电桥平衡不会产生影响。对于三相高压母线的绝缘电阻，由于它与R3并联，而R3不参与计算，因此不会影响测量结果。

图5 电桥法原理接线图

该法存在的问题是：(1)为防止E1对母线电压互感器GPT产生影响，E1一般应小于50V。(2)该测量回路因存在直流电源，不适用于中性点直接接地的110kV、220kV等电压等级电缆的监测，仅适用于10kV及以下系统。

2.4低频法

低频法分为低频成分法与低频叠加法两种。

2.4.1 低频成分法[12]

电缆绝缘中水树枝放电时，除了产生直流电流成分外，在电缆的充电电流中还含有低频成分。通过频谱分析可知，低频成分的频率在10Hz以下，其中3Hz以下的幅度较大。因此，可以通过在电缆接地线中接入监测装置，由测得的低频电流进行分析，从而判断电缆绝缘状态。由于低频电流是纳安级别的，故对监测装置的精度要求很高。

2.4.2 低频叠加法[13]

直流微电流测量较为困难，为此，可以将低频电压在线叠加在电缆上，在电缆接地线中串接监测装置，以检出低频电流，从而求得电缆绝缘电阻。该法的难点在于需要专门设计一个20V、7.5Hz的低频电源，电源容量要求不大，但精度要求较高。

2.5介损法

介损法的原理是：从母线上电压互感器或高压电阻取得电缆的电压信号，从电缆接地线上用电流传感器取得流过电缆绝缘的工频电流信号，将两个信号送入介损数字化测量装置，通过傅里叶分析方法或其他算法得出电缆绝缘的介损值，原理接线图如图6所示。

图6 介损法原理接线图

介损变化反应的是电缆绝缘中水树枝的生长情况，两者具有正相关性，但是由于水树枝分散性大，个别水树枝的变化不会引起介损的明显变化，因此介损反映的是电缆绝缘缺陷的平均程度[14]。

2.6接地线电流法

电缆在运行过程中，随着绝缘层中水树枝的发展，介损增加，击穿电压下降，电容增量增大[7]，通过监测电缆接地线中电容电流增量，用于评估电缆绝缘老化状况的方法称为接地线电流法，其原理接线图如图7所示[15]。

图7 接地线电流法原理接线图

该法的优点在于简便易行，在接线方式上，只须将电缆的一端接地线断开，在另一端的接地线上套接电流传感器即可。对单相电缆检测效果良好，缺点在于对三相电缆检测效果不佳，因为三相绝缘一般不会同时下降，进而导致三相接地不平衡电流对绝缘故障不灵敏。

2.7局部放电法

电缆局部放电常常伴随着多种现象，如声、光、热、电脉冲、电磁波等，对其局部放电的监测即是对这些表征局部放电特征的物理量进行监测。根据监测对象的不同，可以分成非电气量监测法和电气量监测法。非电气量监测法主要有超声波法等，电气量监测法主要有差分法、超高频电容耦合法、电磁耦合法、方向耦合法等。

2.7.1 超声波法[16、17]

电缆局部放电时产生的声信号具有较宽的频带，可在电缆外部利用超声波传感器检测到，超声波传感器通常采用压电晶体作为传感元件。由于电缆绝缘材料吸收声波随其频率增加而增加，因此声波高频部分衰减厉害，一般采用20～300kHz的声波信号用于检测电缆局放信号。超声波法具有非侵入式和受电磁噪声影响小等优点,然而，由于声波在传播过程中严重衰减，导致检测灵敏度偏低，因此在实际中没有被广泛采用。在现场，该方法主要用于电缆接头及其附近的局放检测。安装方法上，可采用固定安装在线监测或使用移动传感器便携式检测。

2.7.2 差分法

东京电力公司和日立电缆公司共同开发了差分法用于检测电缆局部放电信号[18]，原理如图8所示。在现场中，由于较长的电缆中多采用绝缘连接盒对分段电缆进行连接，制作时，两段导线芯线相互连接，而金属护套间插入一绝缘筒，使得导电芯线与金属护套间的等值电容分成左右两部分C1和C2，然后在绝缘连接盒的两侧各贴上一片金属箔电极，金属护套与箔电极形成等效电容C3和C4，C3和C4间接入检测阻抗Zd。当局部放电发生在C2侧时，C1起到耦合电容的作用，将Zd接至局部放电测量仪即可检测到局放信号。

使用该法时须注意，由于局放脉冲频率高，应提高监测设备的采样频率，以避免外界电磁干扰，在高频段内捕捉局放特征信号。

2.7.3 超高频电容耦合法

超高频电容耦合法又称为电容耦合法、电容传感器法，是由英国南安普敦大学、英国电网公司和西安交通大学共同研制的XPLE电缆局部放电在线监测方法，原理如图9所示[19]。将电缆护层切开一个宽100mm的环形口子，把40mm宽的锡箔带缠绕于外露的外半导电屏蔽层上作为耦合传感器。图9(b)中，R1为电缆特性阻抗，C为电容耦合器与电缆芯线间的分布电容，也即电容耦合器的等效电容，R2测量单元输入阻抗，Rs为电容耦合器与金属屏蔽层间的表面电阻，Cs为电容耦合器与金属屏蔽间的分布电容。发生局放时，在耦合电容器上便可以检测到信号[20]。通过调整剥去护套的长度、锡箔带长度、锡箔带与护套间距离，可以得到传感器最优信噪比。

图8 差分法原理图

图9 超高频电容耦合法原理图

该方法有较好的灵敏度，但在现场测试时，无法识别多种噪声混杂情况下的局放信号，因此其推广受到了限制[21]。

2.7.4电磁耦合法[22、23]

电磁耦合法最先应用在发电机和变压器的绝缘监测上，最近几年才用于电缆局放信号的检测。其原理是利用基于罗戈夫斯基线圈原理的电感耦合传感器，将它安装在电缆中间接头金属屏蔽连接用的铜带上(内置式，安装复杂)或者穿过电缆终端头的电缆屏蔽层接地线上(外置式，安装方便)，通过检测电缆局放时产生的脉冲电流信号来检测局放。罗氏线圈结构如图10所示，由于它具有频带宽、小巧灵活、操作安全、抗干扰性强等优点，现被广泛地研究和应用。

利用电磁耦合法检测局放信号，因将测量回路与高压电缆进行电气隔离，因此能够很好的抑制噪声。同时，因局放信号与外界干扰信号的幅频特性不同，采集的信号经前置变压器处理后，能够利用频谱分析法进行判断和识别。

图10 罗氏线圈结构示意图

2.7.5 方向耦合法[24-26]

利用方向耦合传感器进行局放检测的方法称为方向耦合法，具体原理是：将方向耦合传感器安装于电缆的外屏蔽层与金属护套之间，如图11所示，在电缆接头两侧各安装一个。方向耦合传感器根据传输线定向耦合原理，即传感器只能感应其中一侧传输来的脉冲信号，两端口信号幅值比越高则表明传感器方向性越好。当A、C检测到信号时说明局放发生在电缆左侧，当B、D检测到信号时说明局放发生在电缆右侧，当B、C检测到信号时说明局放发生在B、C部位之间。

该法主要应用于电缆附件的局放检测，可有效地区分局放脉冲的方向，便于进一步识别是局放信号还是噪声信号。

图11 方向耦合传感器安装示意图

3 电力电缆温度在线监测[27-32]

根据监测对象的不同，可以分成电缆本体温度和电缆接头温度在线监测两个类别。

3.1电缆本体温度在线监测

3.1.1 点式温度监测法

点式温度监测法的原理是将若干个温度传感器分散布置于电缆本体上，然后将测得的温度模拟量上传至主机进行处理、显示等。点式温度传感技术应用较为广泛，早期主要采用热电阻、热电偶和热继电器等传感器，现在多采用数字式温度传感器，结合微处理器和工控计算机进行电缆温度在线监测。

该方法的优点是成本较低、实用性强，缺点是不能反应电缆整体温度状态、不能精确显示电缆导电芯线温度。

3.1.2 线式温度监测法

线式温度监测法是将若干线式感温电缆按一定方式布置于电缆表面，当电缆温度超过一定值时，对应部位的感温电缆被短路，发出报警信号，通过信号总线将信号传至监控计算机，从而实现电缆全线的温度超限信号报警。感温电缆可平行或者按正弦波式固定绑扎于电缆表面。

该方法的优点是成本较低、适用复杂环境、监测范围广，缺点是安装复杂、不能测量导线芯线温度、无法具体定位过温点、无法实现温度实时显示。

3.1.3 红外式温度监测法

红外式温度监测法的原理是利用红外热成像仪对电缆表面温度进行非接触式测量，该法需要人为现场进行测量，难于实现实时在线监测。此外红外传感器容易受到环境影响，不适合在多灰尘、高湿度、强电磁环境下使用，因此使用红外测温技术对电缆温度进行在线监测较为少见。

3.1.4 光纤式温度监测法

光纤式温度监测法是最近新发展起来的一种温度监测方式，该法利用光纤式温度传感器作为测温元件。光纤传感器的基本工作原理是通过光源产生的激光脉冲在光纤中传输时产生的拉曼散射效应来实现对温度的测量。激光脉冲与光纤分子相互作用时产生散射，散射有多种类型，其中的拉曼散射由于光纤分子的热振动，产生斯托克斯光和反斯托克斯光。斯托克斯光信号与温度无关，反斯托克斯光信号的强度与温度有关。根据光波导中任意一点的反斯托克斯光和斯托克斯光信号强度的比例，可以得到该点的温度值。光纤传感器还能够利用入射光和后向散射光之间的时间差和光纤内光的传播速度，经过计算后得到不同散射点距离入射端的距离。传统的测温法仅能监测电缆的重要部位的温度，而分布式光纤测温技术仅需要一根或几根光纤就能够实现对几公里长度的电缆全线的温度进行实时监测。

3.2电缆接头温度在线监测

根据温度传感器与主控计算机之间信息传输的方式，将温度在线监测系统分成有线传输方式与无线传输方式。

3.2.1 有线温度监测法

有线温度监测法即使用有线方式传输数据的温度在线监测方法。有线传输方式是指在温度传感器与主控计算机之间采用单片机和数据总线方式实现数据连接、传输、控制和管理的模式。其典型实例是点式温度监测法。

该方法的缺陷是仅适合于发电厂和变电站等小范围内的待测电缆位置较为集中的场合使用、安装工作量大、出现故障较难维护等。

3.2.2 无线温度监测法

无线温度监测法即使用无线方式传输数据的温度在线监测方法。无线传输方式是指使用无线温度传感器和无线数据采集单元与监控主机进行数据传输、处理和显示的模式。

无线温度监测法相比有线温度监测法具有多种优势，例如：监测范围广、安装方便、工作量小、适应性强、较为经济等。

4 结论与展望

(1)电力电缆状态在线监测技术经过几十年的发展，监测方法逐渐成熟，针对电缆绝缘状态主要参数的检测手段逐渐多样化。

(2)电缆在线监测绝缘老化统一判据难于制定，目前许多监测方法是在实验室模拟电缆老化状态，提取和分析特征信号，而这与电缆实际运行状态有一定区别。因此电缆现场运行数据较为缺乏，在今后的研究中应尽量在现场条件下对监测方法进行验证，收集数据，总结规律。

(3)反应电缆绝缘劣化的特征信号往往比较微弱，而电缆运行时所处的环境又往往存着多种干扰，如何进行准确、可靠地提取特征信号是研究的一个重点和难点。

(4)单一的监测方法往往无法完整、准确地反映电缆的状态，此外，电缆的接线方式不同也会导致监测方法的差异。因此，根据电缆实际运行方式，采用多种不同的监测方法，综合各种特征信号数据，如局放与温度，建立专家诊断系统，才能够更加准确、有效地反映电缆状态。

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ReviewofCommonOn-lineMonitoringMethodsforPowerCableConditions

LIWen-quan，LANSheng

(College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)

On-line monitoring items of power cables include insulation resistance,dielectric loss,partial discharge,grounding current and temperature and so on.The passage introduces existing on-line monitoring methods of power cable insulation and temperature at home and abroad,analyses the advantages and disadvantages of these methods,predicts the development trend of them.

power cable,condition,on-line monitoring

1004-289X(2013)06-0001-07

TM247

B

2013-03-08

李文泉(1985-)，男，硕士研究生，主要从事电缆绝缘在线监测技术的研究工作。