电力电缆接头绝缘状态检测技术研究现状与趋势

席傲然　莫岳平

摘  要：密集的高架式电缆不仅危险程度高、维修风险大，还影响着土地利用率和市容美观。为了推动城市化的进程、保证人们的生活质量以及人身安全，地下高压电缆的普及是必然趋势。但电缆下地也给电缆故障检测带来困难，如何快速有效的解决电缆故障检测问题成了研究的重点。文章在分析了高压电缆绝缘接头绝缘故障原因的基础上，总结了现有电缆绝缘故障检测方法，分析了不同方法的利弊和适用场所，着重介绍了现有电缆接头绝缘故障检测产品的特点及其应用情况。为有效解决电缆、特别是电缆接头绝缘故障检测问题提供参考。

关键词：高压电缆;电缆接头绝缘故障;在线检测方法

中图分类号：TM247 文献标志码：A        文章编号：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

隨着科学技术的大力发展，人们的生活水平逐年提高，越来越多的新型用电设备随之而来。在满足人们对更高生活质量的要求的同时，也大幅度增加了用电需求，从而对电网的要求也越来越高。这种现象不仅对供电增加了压力，也大大提高了电缆的故障频率，威胁着供电的安全和稳定，这在一些特殊场合带来的风险往往是致命的，并且伴随着巨大的经济损失和严重的社会影响。如今高压电缆已经在地下电网、发电厂、变电站等场所占据了主流地位，电缆故障已成为重大电网事故的主要源头。其中最容易受到损伤的就是电缆接头，由于电缆接头需要现场制作，因此更容易形成缺陷而引起绝缘故障的发生。据统计，电缆接头故障占电缆故障的85%左右。有效的检测方法很少，维修也成了一大难题。因此，如何高效低风险解决电缆接头绝缘检测问题成了人们所关注的重点。本文在分析了高压电缆绝缘接头故障原因的基础上，总结了现有电缆绝缘故障检测方法，分析了不同方法的利弊和适用场所，着重介绍了现有电缆接头绝缘故障检测产品的特点及其应用情况，为有效解决电缆、特别是电缆接头绝缘故障检测问题提供参考。

1 导致电缆接头绝缘故障的主要因素

1.1 绝缘层老化

电缆接头在使用了一定的时间后，其绝缘层总会受到一定因素的影响变得效果大不如初。这些因素是多种多样的，如温度和环境的变化、绝缘受潮、化学反应的腐蚀、汽车压过路面等导致的外力破坏、长期过负荷运行等等因素都会破坏电缆接头原有的绝缘层，也就是绝缘层的老化。

1.2 电缆接头制作中出现的问题

电缆接头制造的高精密性要求制造商的产品完全依照标准生产，小部分的工厂难免为了利益因素或者赶工导致电缆本身的绝缘不匀称，体表存在小型瑕疵，绝缘层中混入杂质等等;电缆接头附件密封不严实，由于外部环境较差，使得接头暴露在空气中，让水分渗入造成电缆接头受潮;没有预留足够的管长使得电缆接头绝缘内缩，造成接头以及绝缘管的交界处有缝隙，在通电使用后，这个缝隙会不断释放出微小的电流，直到中间电缆接头被击穿。

1.3 发热

高压电缆长期处于通电状态，会使电缆发热。若绝缘层气隙不匀可能会造成局部受热，导致电缆受损。而铺设在一些特殊环境或者铺设密集地方的电缆也会存在着一系列如电缆散热不好或长期过负荷运行而导致电缆接头绝缘层的寿命大大衰减。

2 电缆接头绝缘状态检测方法

2.1 预防性试验

过去，我国普遍使用的是预防性试验的方法。有些地区的预防性试验是按计划将电缆经固定周期停运，然后进行绝缘、运行方面的检测。这种检测方法从本质上来说是一种离线检测，需要断电才能够进行，存在着相当大的弊端。如进行一次检修所需的周期长，过程繁琐难以一次完成等等，难以满足供电配电的需求。并且使用离线检测的方法常常伴随着操作不够灵活、方便直观。在测量现场测量时，电磁干扰较大，使得到的结果不准确或是有些材质的高压电缆对此方法不适用。

因此如何做到在线绝缘状态检测成为当今研究的热点，也成为电缆绝缘检测技术的必然趋势。[1]

2.2 电缆绝缘状态在线检测技术

电缆在线绝缘状态检测技术即是在不断电的情况下依旧能够对电力设备进行绝缘状态检测。在检测过程中能够实时更新检测数据，并快速将检测结果传送到计算机中，使得测量过程智能化。这样做既可以防止离线检测带来的停电困扰，又可以及时避免电缆绝缘损坏带来的重大事故，提高了供电配电效率。并且，测试过程简便灵活，大大减少了人力物力的耗费。

在历经多种材质的电缆更替后，交联聚乙烯电缆（Cross-linked polyethylene insulated cable，简称XLPE）凭借其绝缘性能好、易于生产和安装、受周边环境影响较小、寿命长等优势，在国内外得到了广泛的应用。近些年，针对XLPE电缆绝缘状态在线检测技术，国内外学者已开展了一些研究，并取得了一系列的成果。

2.2.1 直流叠加法

直流叠加法在各种在线监测方法中运用较为广泛，它的原理是在电压互感器中性点接地处加上一个约为50V的直流电压，使得交流高压上叠加有低直流电压，进而测得当前电缆的绝缘电阻，以此判定电缆的老化程度。日本已经给出了这种方法测绝缘电阻的判斷标准，如表1所示：

直流叠加法测得的电缆绝缘电阻与停电后加直流高压时测得的绝缘电阻数值很相近，得到的数据较为准确，能够很好地测得水树枝泄露的电流分量大小，并且快速有效的进行电缆绝缘电阻的在线监测。[2]

2.2.2 直流分量法

研究表明电缆树枝化的绝缘缺陷能够产生整流效应，这种效应指的是在反复流过交流电压时水树枝会在正半周期注入少量的正电荷而在交流负半周期注入大量的负电荷，造成放电不对称。这样一来正电荷被完全中和而剩余大量负电荷，就会聚集在电缆的绝缘层上。在一定时间后这些负电荷就会向树枝尾端运动，从而产生微弱的直流电流泄露。而直流分量法就是通过检测这些泄露的直流电流来进行电缆绝缘在线监测（图1）。[3]

2.2.3 局部放电法

当电缆局部区域的电场强度达到电介质击穿场强时就会产生局部放电现象，从检测原理方面可归纳为电气测试法和非电气测试法两大类。电气测试法具有高灵敏度、高精确性的优点，但容易受到外界干扰;非电气测试法不易受到电磁信号的干扰但是灵敏度较低，各有所长。国内外研究较多的电缆局部放电检测方法有差分法、电磁耦合法、温度检测法、超声波检测法等。[4]

（1）差分法

差分法（如图2所示）是将两块金属箔分别贴在中间接头金属屏蔽绝缘外侧，用绝缘垫圈隔开，中间连接5Ω的检测阻抗构成回路。当电缆的一侧出现放电现象，便能检测到局部放电信号，并且由于产生的噪声信号在阻抗两端不能产生压降，因此可以很好的抑制噪声。但这种方法因为安装检测较为繁琐，难以在现场应用，具有局限性。[5]

（2）电磁耦合法

电磁耦合法目前是检测电缆局部放电的最有效方法，它由局部放电信号垂直穿过电磁耦合圈，通过电磁转换来使得回路感应局部放电信号。通过在电缆接头处安装局部放电传感器，来捕捉电缆接头产生的局部放电信号从而进行采样分析和数模转换来获得数据。这种方法由于占用空间小、抗干扰性强，这几年在电力电缆绝缘检测中得到了广泛的应用。但安装内置局部放电传感器只能在施工的过程中添加，改变了接头的电场分布，也具有一定局限性。[6]

（3）超声波检测法

电缆接头绝缘故障时会在局部放电位置产生超声波，超声波检测电缆局部放电是通过检测辐射信号进行的，通过超声传感器来检测局部放电的辐射信号，可以捕捉到很微小的小火花放电，然后通过信号处理能够精确地定位故障位置。并且通过向电缆发送一定信号频率的超声波，通过检测其回传反射波的强弱更是可以知晓故障的原因所在。目前，超声波检测方法已经被应用于很多领域，研究表明，检测20-300kHz的声信号用以表征电缆局放特征最为合适。[7]

与上述几种电缆接头的绝缘检测方法对比，超声波检测法具有较大的优越性：

（1）超声波检测法是一种非入侵式检测方法，不会对正在运行的电缆和设备造成影响，也无需进行断电检测，避免了周期离线检测所带来的不便。

（2）超声波具有很强的定向性和很快的传播速度，能够对故障部位进行精准定位，同时也大大缩短了检测时间，大大提高了检测效率。

（3）超声波检测使用成本低，检测效果精确，原理简单易懂，并且与其他检测方法比它还具有受现场电磁干扰小的优点，可以大大减少测量误差。

（4）超声波检测法是一种新兴的检测方法，并且随着传感技术的提高，测量的精度也会大大提高，具有非常良好的市场前景。

3 电缆接头绝缘状态检测现有产品及应用

基于超声波检测法的种种优点，现如今，国内外针对电缆接头绝缘状态检测已经做了很多研究，设计发明出了一系列产品来解决电缆接头绝缘状态检测问题，并将这些产品应用于实际。

3.1 超声波检测仪

基于超声波局部放电检测技术，使用STM32微处理器来制作出一种能够测试出80cm范围内的局部放电超声波信号的超声波检测仪。这种测试方法的基本设计思路是将超声波产生的微弱信号经由放大电路进行放大，并通过滤波手段抑制现场产生的低频高频干扰，从而使得通带内的幅频特性更加平稳，最后经由A/D转换传到上位机显示，从而制作出一种STM32内核的超声波电缆局部检测装置。该装置采用了中心频率为27kHz的接收探头，能够进行80cm内有效测距，具有便于携带，灵敏度高等优点。[8]

3.2 一种适合带有交叉互联线的XLPE电缆绝缘接头局放检测传感器

该装置使用了两个VHF钳形传感器分别装于XLPE电缆接头两侧，并配合一个放置在交叉互联箱上的UHF传感器，若这两种传感器都能够同时检测到信号时，便能够判断该信号是由电缆接头内部发出的。采集到信号的传感器经由同轴电缆同时输送到数字示波器中，并通过计算机反映出来（结构示意图如图3所示）。此方法能够判断出电缆故障是否是由电缆接头内部产生的，适用于已经投运的XLPE电缆接头绝缘的在线监测。[9]

4 基于超声波的电缆接头绝缘状态检测装置设计

通过搜集多方资料进行比对，并进行了不断地改进和实验，扬州大学课题组研究了适合在线监测电缆接头局部放电的超声波检测装置。该检测装置硬件部分可分为现场传感器和主机两部分。现场传感器安装在电缆接头部位，主机则放在监控室内，现场传感器的信号拟通过光缆传送到主机。现场传感器主要包括超声波探头、阻抗匹配电路、前置放大电路、滤波电路、后级放大电路;主机主要包括DSP，上位机，以及基于DSP的外围电路。软件部分包括，滤波算法、信号采集算法、数据传输算法以及上位机软件。

依据超声波检测原理的电缆接头绝缘状态监测系统图如图4所示。

在电缆接头发生故障后，通过现场传感器检测超声波信号，并通过超声波接收探头与调理电路进行接收处理。但由于信号与探头之间存在间隔，而且超声波信号在传播的过程中会因受到障碍物的阻隔而衰减，再加上本身信号微弱，使得有用的超声波信号难以采集，因此一个用于放大超声波信号的调理电路是非常必要的。[10]因此我们运用了一个调理电路对信号进行放大处理，利用超声波探头使超声波信号转化为电信号进行放大，滤波后传给DSP外围程控电路进行程控放大，并进行A/D采样数字化，最终传输给上位机显示，从而能够清楚判断电缆接头是否故障。

基于上述理论，扬州大学课题组设计并制作了基于超声波检测的电缆接头绝缘状态在线检测装置，并对调理电路、电源电路以及采样程序、上位机显示模块界面都进行了设计与改进。该装置经实验室实验验证，检测效果良好，并具有较好的可靠性。后期如能产业化，产品将具有良好的发展前景和经济价值。

5 结束语

目前而言，电力电缆不仅仅是应用于地下的输电供电，在各行各业的运用也越发广泛，如舰船电缆、飞机电缆等等，因此电缆绝缘故障的研究并不仅限于此。既然电缆绝缘故障无法避免，为了减少损失，电缆绝缘状态检测也应成为日后研究的热点。本文综合阐述了高压电缆绝缘状态的检测方法，由于电缆接头的特殊性，重点介绍了现有电缆接头绝缘状态检测产品及其应用情况，为用户有效解决电缆接头绝缘故障检測问题提供参考，对电缆接头绝缘检测技术的发展具有一定的促进作用。

参考文献：

[1]张正超.电力电缆局部放电监测与绝缘故障诊断[D].湖北工业大学，2013.

[2]李煜.小议电力电缆在线检测的几种方法[J].高电压技术，2004（S1）：77-78.

[3]金德辉.基于直流分量法的XLPE电缆在线监测系统[D].大连理工大学，2012：5-9.

[4]郑曙光，刘观起.XLPE电缆在线监测方法综述[J].科学与财富，2015（7）：1-1.

[5]魏力强，王东林，齐锦涛，等.电力电缆局部放电试验及在线监测技术分析[J].河北电力技术，2018，37（06）：54-57.

[6]邢涛.基于电磁耦合法的电缆故障在线检测技术的研究[D].大连理工大学，2012.

[7]汪金刚.高压设备放电紫外检测技术及其应用研究[D].重庆大学，2008.

[8]刘斌，井涛，高松巍.基于超声波的沟槽电缆局部放电检测技术[D].沈阳工业大学，2018.

[9]韦斌，李颖.XLPE电缆绝缘接头局放在线检测方法探讨[J].高电压技术，2005（10）：33-35.

[10]井涛.电缆局部放电在线检测方法研究[D].沈阳工业大学，2017.