电力隧道高压电缆状态监控关键技术分析

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司合肥分公司 邓姗姗

1 高压电缆技术与种类分析

目前，高压电缆广泛地应用在世界各地的现代化城市输电系统中，电力隧道中使用了大量的高压电缆。电缆的发展经历为充油电缆、钢管电缆、交联聚乙烯电缆（XLPE 电缆）和高温超导电缆。随着电力负荷等级的增加和使用中安全环保的标准要求，有关技术呈持续发展状态，高压电缆技术愈发成熟。目前主流电缆技术比较丰富，例如电缆绝缘新材料技术、超高压电缆技术、外护套无卤化技术、终端无油化技术、特高压直流电缆技术等，极大地满足了电力建设的发展需求。

现在电力系统中输电高压电缆主要以交联聚乙烯电缆（XLPE电缆）和高温超导电缆（HTS电缆）为主，相较充油电缆，XLPE 电缆无须部署供油设备，且其自身就具有良好的防火性能和机械电气性能，整体安装与后续维修也相对简单，具备良好经济适用性。

1.1 交联聚乙烯电缆（XLPE电缆）

根据输电电压等级，交联聚乙烯电缆可分为四类，分别为单芯XLPE 电缆、三芯XLPE 电缆、直流XLPE电缆和超高压XLPE电缆。

单芯XLPE 电缆主要适用于大于等于110kV 的电压等级，根据现在电力系统输电领域中的应用，单芯XLPE 电缆使用的造价成本较高，三芯XLPE电缆是利用三个单芯大节距绞合方法制成，充分利用空间，具有价格低廉和铺设简单等优点，广泛应用于小于等于35kV的中低压电缆中。

随着直流输电的发展，直流XLPE 电缆也随着研究开始应用在直流输电领域。其中，直流XLPE电缆长度与输出电流之间的关系为零，即无须考虑输电电流对电缆长度的限制影响，而且在配电网系统中不需要配置电抗性补偿装置，而且输电的传输功率容易控制，在输电过程中不会像交流输电有较大的介质和导体损耗，具有载流量大等优点，在未来的电力输电领域有着较好的市场应用前景。

1.2 高温超导电缆（HTS电缆）

高温超导电缆是利用特殊制造工艺和高温超导材料制造而成，在工程应用中的可行性已经通过了多方验证，已经在一些国家进行了试运行和相关的试验。XLPE电缆传输电能时随着额定电压的增加，传输容量和传输效率都会有明显的提升，其损耗主要由绝热管漏热损耗、导体交流损耗、绝缘介质损耗组成，若是运行环境为液氮温度，该电缆需要计算制冷机在室温下移去电缆损耗的消耗功率损耗。

基于卡诺循环，理论上制冷机的所需功率为：

式中，Pr为制冷剂功率；Pe为电缆损耗；T0为制冷机所处环境温度。

在实际运行中，效率远低于理想的情况下，大型制冷机估计效率一般是η= 5，可以得到式（2）：

根据式（2）可知液氮制冷机消耗的功率和高温超导电缆损耗之间的关系，前者是后者的14.5 倍。从理论上来看，后者的总损耗应接近或稍大于常导电缆，因而若是在较近的传输容量区间内，根据不同的传输容量范围，传输损耗和传输容量的比值也存在差异。

HTS电缆损耗与传输容量比要求见表1。

表1 HTS电缆损耗与传输容量比要求

2 高压电缆与电力隧道监测技术

状态监测是利用现在的技术手段或设备对装置的工作状态、运行参数进行试验或持续性监控，根据得到的监测数据对未来的状态进行预测分析，从而对运行状态提前进行判断。

2.1 高压电缆状态监测技术分析

在电缆本体的状态监测中主要对温度以及其他指标持续监测，采用的方式为红外成像和在线监测相结合的方法模式，根据电缆负荷和负载率，对得到的温度数值进行分析和判断。

将分布式光纤测温系统安装在电缆表面，能够有效对电缆本体的温度进行监测，根据测试得到的数据进行处理，可以利用温度曲线、地理热谱图等对测得的电缆表面的温度进行表示，如果系统测试得到的电缆表面的温度较高，大于设定的工作极限值，系统就会发出报警，需要对异常点进行处理。高压电缆负荷和负载率是电缆工作中的重要参数指标，电缆在输电线路上的负载率大于50%就需要对电缆的负荷进行控制。

局部放电监测时，在110kV、220kV 的输电高压电缆都会利用局部放电设备进行监测，并将监测数据传输到监控中心，及时发现电缆中的隐患。常用的局部放电监测有高频局部放电、超高频局部放电监测、振荡波局部放电监测、地电波局部放电监测、超声波局部放电监测、光信号局部放电监测和电容耦合局部放电监测。常用的局部放电监测如图1所示。

图1 局部放电监测

2.2 电力隧道空间环境监测

电力隧道作为城市地下工程，由于处于地面之下，需要对通风性、封闭性进行综合考虑，若是无法及时交换内外界的空气与热量，那么随着工程的推进，将导致内部温度、湿度不断上升，最终使空间处于湿热状态。电力隧道工程廊内湿负荷的来源总结为四方面。

2.2.1 外界空气带湿

由于气温的变化，电力隧道内部和外部极易出现温度差，较为常见的情况是外部大于内部，在该情况下，当外界空气进入地下建筑时，内部温度下降，相对湿度升高，若是周围温度在露点温度以下时，将会出现结雾现象，并逐渐凝结成水。在通风性能相对较低的情况下，通风性不足，无法将内部潮湿气体带走，而外界空气带来的水分多数留下，此时的廊内湿负荷将进一步加重。因此，外界空气带湿量W1计算式为：

式中，W1为电力隧道外界空气带湿量；Q为进入隧道内的新风量；ρ为隧道内的空气密度；dw和dn分别为隧道外部和内部的空气含湿量。

2.2.2 主体结构散湿

在此类工程中，隧道主体结构将无法避免地出现衬砌裂缝、施工缝等，一般情况下不会对主体结构造成影响，但是在缺乏引水、防漏水等施工工作时，发生地下水渗漏等情况的概率上升，而这会导致湿空气渗透至内部，不利于内部湿度的控制。因此，在施工技术的支持下不考虑漏水可能，那么围绕这一因素带来的散湿量W2的计算式为：

式中，A1为隧道内表面积；w1为内表面积单位散湿量。

2.2.3 自由水面散湿

所谓自由水面散湿，主要是由地面积水、集水坑等方面带来的，这一散湿行为具有极强的持续化特点，因而对于廊内空气湿负荷控制至关重要。有关于这一散湿量W3的计算式为：

式中，A2为隧道中自由水面蒸发总面积；α为不同水温下的蒸发系数；p1为自由水面温度下的饱和水蒸气分压力蒸发总表面积；p2为空气温度下的饱和水蒸气分压力蒸发总表面积；B0为标准大气压；B为当地实际大气压。

2.2.4 人员活动散湿p2

检修人员作为电力隧道相关工作的实施主体，在其开展相关工作时，也或多或少地向空气中散湿，比如呼吸、排汗、饮水等。针对这方面带来的散湿量W4计算，需要考虑检修人员具体工作状态，廊内空气流动速度以及实际温度要素，具体计算为：

式中，n为电力隧道中的某一时间段的内部人数；w2为每人每小时的散湿量。

3 高压电缆故障分析

造成电缆绝缘性能降低的原因主要有五个。

3.1 基于外力破坏的故障

人为失误、坚硬物品划蹭是施工期间电缆机械出现轻度损害的主要因素，若是不能及时处理，将逐渐演化为故障点。具体体现为道路开挖等外力破坏、安装敷设不牢固等外力作用、绝缘处施工不当等出现质量损伤等，外力故障的影响因素较为丰富。

3.2 基于配套附件质量问题的故障

配套附件作为电力隧道工程建设的重要基础，在其生成制作过程中也存在缺陷问题，比如在工艺水平的限制下导致绝缘层缺陷等，具体体现为绝缘层出现缺口、发皱，出现缝隙等；再如密封不严导致电缆接头制作质量不符合预期等；或是型号不适合、零件有毛病等电缆附件方面的缺陷问题；最后是生产的原始材料本身就存在缺陷，生产制作前没有规范检验，导致其流入生产区间。

3.3 基于过高运行负荷的故障

当工作负荷过高时，将会导致电缆温度过高。在该情况下，绝缘保护材料受温度影响出现破损现象，严重情况下将引发燃烧，进而导致严重故障；在过电压工作环境下，可能出现绝缘击穿等现象；当电缆处于长时间工作状态后，绝缘可能出现树枝化放电现象，从而造成电缆故障；相关材料的品质条件没有在研发阶段满足现实需求，导致电缆过负荷运行。

3.4 基于绝缘受潮或化学腐蚀的故障

当运作环境较为潮湿时，或是电缆接头生产不达标等，在湿润气体的持续接触下将产生水分子，以慢性的状态影响其绝缘性能；若是电缆外露，与土地直接接触，可能会导致其外层或是金属层受到腐蚀，在长时间的作用下，保护层功能作用逐渐消失，最终对电缆绝缘品质造成损害，引发相关故障问题。

3.5 基于隧道环境和温度的故障

在外部严峻运作环境或是过高的温度下，电缆整体温度过高，将出现绝缘击穿、燃烧等情况，甚至带来火灾。

4 高压电缆故障诊断方法

为了能够及时地发现电缆故障，常用方法有电桥法、脉冲发射法、驻波法、故障点烧穿法和闪络法。

在传统的故障诊断方法上，在定性诊断的基础上，还需要精确地确定故障点的位置，经过发展故障诊断精确定位的方法主要有冲击放电声测法、音频法及声磁传播时间测量法。

在自动化技术高速发展和现代微电子技术日益成熟的背景下电缆故障诊断方法也在不断的发展，特别是小波变换、神经网络算法以及专家系统等智能算法的应用，智能算法的应用增强了故障诊断对监测的非平稳信号的利用，有效提高了电力隧道运作的安全水平。