高压电缆绝缘介质损耗角检测方法研究

国网上海市电力公司青浦供电公司 张树欣 方 祺 谢 伟

随着高压电缆铺设长度不断增加，高压电缆的安全稳定运行对供电网络的安全性也越来越重要。介质损耗一般是指在绝缘材料电介质中，由介质电导与介质极化的滞后效应所引发的电导损耗和极化损耗。介质损耗角是高压电缆介质损耗检测的重要指标。介质损耗角一般是指流过绝缘材料的电流与绝缘材料上所施加的电压之间相位差的余角。

目前高压电缆介质损耗角的检测主要是离线测试法，一般是指有计划的对设备进行停电试验、定期获取电缆运行状态从而评估运行计划的方法。四川电力科学研究院通过串联谐振装置构成异频高压电缆介质损耗测量装置，可实现35kV 及以下电力电缆的介质损耗角的离线测量。离线测试法操作繁琐且需要对电缆进行断电，不能真实的反映电缆运行情况下的介质损耗角值。

英国格拉斯哥卡里多尼亚大学提出基于泄露电流分离的相对介损耗角测量方法，通过矢量差将护层环流进行抵消从而分离泄露电流，通过相对介损参数对电缆绝缘情况进行评估，从而避免了电压信号获取的问题；重庆大学采用阻抗可调的补偿装置产生补偿电流，由于补偿电流与电缆泄露电流的容性分量相同，相位相反，因此可实现泄露电流的电阻和电容分量分离，从而计算介质损耗角[1]。

这些方法都是从某一个方面对高压电缆介质损耗角进行了检测，但是真正将高压电缆介质损耗角检测方法理论应用于实际、并做出了相应产品的则相对较少。目前高压电缆介质损耗角检测精度低，测试结果受到泄露电流分离困难、电压信号难以获取、传感器角差、电压电流信号的同步、环境温度湿度及信号处理方法不当的影响，尚未形成系统的检测技术[2]。

1 高压电缆绝缘介质损耗角检测分析

介质损耗是作为绝缘材料的电介质在较高电压电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失。介质损耗按其性质可分为漏导损耗、极化损耗和局部放电损耗三种基本的形式。介质损耗会使绝缘温度上升，促使绝缘材料老化，温升严重时会导致绝缘的热击穿而失去绝缘性能。可见介质损耗的大小是衡量绝缘性能的一个重要指标。对高压电缆绝缘介质损耗角进行分析，可利用高压电缆的等值向量图进行分析（图1）。

图1 高压电缆绝缘等值相量图

在图1中，介质损耗因数定义为叠加于电缆主绝缘上的系统电压与流过主绝缘的泄漏电流的夹角θ的余角δ 的正切值|tgδ|，tgδ 是反映绝缘介质损耗的特征参量，是评价设备绝缘性能的重要指标。只取决于绝缘的介质特性，而与绝缘材料的尺寸无关。测量绝缘整体的介质损耗角正切值可较好地判断高压电缆整体的受潮和劣化变质等缺陷以及发展性的局部缺陷。在绝缘性能良好的情况下，高压电缆绝缘的体积电阻可认为无穷大，即是R ≥1/(ωC），电缆绝缘可看作一组电容的串联。

1.1 影响绝缘介质损耗角检测的影响因素

影响tgδ 在线检测精度的因素有很多，主要可分为测量系统外部的影响因素和测量系统本身精度和固有误差两个方面。

1.1.1 外部影响因素

高压电缆运行现场的各种电磁干扰：在运行现场复杂的电磁环境中，充斥着诸如线路的电晕信号、相邻设备的电场干扰和局部放电信号、电力系统内部的高频保护和载波信号等多种干扰信号。按其波形特征可分为：连续的周期性的干扰信号，主要有电力系统的高频保护和载波通信信号，系统外的无线通信信号和电网电压的高次谐波分量；非周期性的脉冲干扰信号，主要有线路直接注入的电晕信号，其他设备的局部放电信号、硅整流信号。周期性干扰信号是在线检测中影响精度的主要因素之一。

频率的波动：电力系统相关规程规定，系统频率一般可在50Hz±0.2Hz 范围内波动。频率的波动将直接导致数据采样过程中同步采样被破坏，并引起如谐波分析法、正弦波参数法等tgδ 计算算法中的误差。

环境因素的影响：环境温度对在线监测的介损测量结果有较大的影响，主要体现在温度、湿度等对高压电缆tgδ 的影响。对于一个绝缘良好的设备，实测表明在线检测其tgδ 的结果仍会呈周期性的变化，其原因主要在于电流传感器的变送特性随温度变化而变化。因而对于设备的tgδ 的检测值的分析和判断要与环境条件相结合，不能孤立的由 的数值判断其绝缘的状况。

1.1.2 介质损耗角检测系统本身精度和固有误差的影响

电流传感器和电磁式电压互感器(PT)的固有角差：作为信号采集装置的首要环节，能否获取真实稳定的原始信号是在线检测系统研究中十分关键的一步。电流传感器一般具有一定的角差，而电磁式PT 在提取电压信号时，以0.5级PT 为例，允许的角差变化范围为士20’，因此角差成为影响tgδ 在线检测的主要误差之一。其中电流传感器的角差应主要考虑角差的温度稳定性，而PT 的角差变化主要由二次侧负载的变化引起。具体应对方法是在尽可能提高传感器角差稳定度的基础上测定角差平均值，利用软件进行补偿。

检测系统本身电子电路产生的噪声干扰：检测系统A/D 采样转换、放大、滤波等环节的硬件电子电路在工作状态下会产生符合正态分布统计规律的随机噪声信号并被叠加在有用信号中。对于噪声的影响将运用离散小波变换的方法进行消噪处理。

数据采集卡A/D 转换的量化误差：被采样的模拟信号进入数据采集卡，由A/D 芯片完成对模拟信号的离散、量化为数字信号。A/D 的数字化过程是由一定位长的二进制数码来表示一定的电压值，在信号输入的Umin～Umax 范围内，连续的输入电压信号只能由有限个二进制数码来表示，从而存在量化误差。对于一个正弦信号，量化误差体现为相角误差和幅值误差。

软件运算时的有限字长效应：在通用计算机上编程实现各种算法对数据进行处理时，进行计算的计算机有一定的字长限制，由于对计算结果的近似表示带来的误差，在算法中如果误差不能处于可控制范围内将直接导致计算结果的错误。由于电缆绝缘状态良好时的tgδ 值一般较小，在20℃、系统频率50Hz 情况下大约为0.05%。任何一种干扰因素如果不加以抑制，都将严重影响测量结果的精度。

1.2 绝缘介质损耗角常用的检测方法

目前电力设备的运行与维护方式的发展趋势是：依靠以在线检测为主要技术手段的电力设备的状态检修取代电力设备的定期停电维修，这已经成为大家的共识。针对高压电缆绝缘的tgδ 检测技术，其基本原理可见图2。

图2 常用介质损耗角检测技术

对于检测系统后期的信号处理与分析环节，基于计算机技术的数字测量成为主流的方法。现在高压电缆介质损耗角检测方法可分为绝对法和相对测量法。高压电缆介质损耗角绝对测量法一般是指以电缆电压互感器二次侧电压信号为参考信号，测量电缆上的电压信号与流过电缆泄露电流的相位差，从而得到介损值。目前高压电缆介质损耗绝对测量法可分为传统的介质损耗角测量方法及应用微机实现的介质损耗角数字测量方法。

传统测量方法：包括电桥法、瓦特表法和谐振法。其中瓦特表法测量精度太低，因此己被淘汰。谐振法仅适用于低压高频状态下的介质损耗角检测。因此电桥法是适用于高压电缆介质损耗角检测的方法。电桥法作为所采用的电缆介质损耗角试验方法，被大量运用于介质损耗角离线测试中。其原理是利用电桥平衡原理，调节测试回路中电阻和电容的数值，从而利用桥臂阻抗关系得到介质损耗角因素为所调电容值。

数字测量方法：其原理是基于传感器从试品上取到的信号电压和电流，经前置处理装置数字化后送至数据处理单元，从而算出电压电流之间的相位差，进而得到介质损耗角。数字测量法采用计算机技术，简化了电路结构。介质损耗角的数字测量法可分为硬件法和软件法。硬件法基于电压过零比较器，易受硬件本身影响，抗干扰能力差。近年来介质损耗角检测软件法发展迅速，包括傅里叶变化法、过零点比较法、正弦参数法、自由矢量法、谐波分析法及异频电源法等。但由于软件法需将电压电流信号假设为标准的正弦波，因此仅适用于高压电缆介质损耗角离线检测，而不适用于带电检测在线监测。

2 高压电缆绝缘介质损耗角检测方法设计

2.1 检测硬件和软件设计

高压电缆按其绝缘性质属于容性设备，对高压电缆介质损耗角进行检测将建立在容性设备介质损耗角检测的基本原理的基础上，体现出高压电缆介质损耗角检测的特性。具体来说，体现在硬件系统接线上的差异、对传感器系统的要求(单匝穿芯式)、对测量精度的要求等。尤其对于高压电缆在绝缘良好的状态下，其介损值要比一般容性设备小一个数量级(20℃，50Hz 时为0.5%左右)，为能比较准确地测量绝缘良好状态下的高压电缆的介质损耗角，须提高系统的测量精度，这也直接导致本文重点将围绕测量过程中的抗干扰技术展开，并将在硬件和软件中各有体现。

根据容性设备介损在线检测的基本原理，本文所采用的硬件系统的接线示意图如图3。可看出在硬件方面的抗干扰措施主要体现在：选用单匝穿芯式并具有较高温度稳定性的电流传感器系统进行电流信号变送，选用高精度的电容式电压互感器进行电压信号的变送；简化硬件系统的功能环节，尽可能的以软件方式替代硬件功能环节，以其减少干扰信号的引入；对于己有的硬件系统采用完善的屏蔽和接地措施达到抗干扰的目的。

图3 设计的介质损耗角检测硬件接线示意图

软件系统按功能环节的组成如图4。软件抗千扰措施的具体体现在于针对可能出现的干扰源，采取：针对系统谐波和可能出现的高频周期性干扰，采用FIR 数字滤波器滤除；针对硬件系统产生的噪声，根据噪声和有用信号在小波变换不同尺度上的不同特征，利用小波变换滤除；针对系统频率产生的波动对同步采样的影响，采用改进的高阶拟合算法，以波动的系统频率作为变量，对电压和电流信号进行拟合，求得信号的特征参数，从而求得介损因数。该方法同时可进一步消除谐波的影响。

图4 软件系统按功能环节的组成

2.2 检测方法设计

高压电缆介质损耗带电检测是通过在三相电缆接地箱安装电流传感器，在与电缆相接不远处的盘柜上安装电压传感器获得电压电流信号，从而将电压电流信号传入测量单元。在检测的过程中需要使用到多种传感器，介质损耗检测通常采用的传感器为磁耦合传感器，测量精度受激励电流、二次负荷、线圈匝数、磁路长度、铁芯截面以及铁芯材料影响。为提升传感器测量精度，可采用新型传感器解决传感器角差所带来的介质损耗测量误差。