摘要：传统的电缆定期巡检试验无法满足电力生产的需求且会对电缆绝缘造成损害，因此电力电缆的在线监测技术将成为电缆绝缘监测的发展趋势。现对介质损耗因数、局部放电等在线监测技术进行分析，总结了各种监测方法的优缺点。
关键词：电力电缆；绝缘；在线监测
随着我国经济的飞速发展，人们对于电力的需求逐日增加。电力电缆作为电能输送的重要工具，且适合城市发展的需求，越来越广泛地被使用。
电缆通常埋于地下或电缆沟等处，现场维修不便；且随着使用年限的增加，故障发生率越来越高。传统地针对电缆故障的检测方法是离线检测（预防性试验），需要定期停电对所有的电缆进行试验。 电缆的预防性试验没有选择性，且容易造成供电中断，不符合电力生产和供应的实际需求；另一方面，耐压试验属于破坏性试验，反复的试验容易加剧电缆的绝缘老化，对电缆绝缘造成新的损伤，使电缆后续投入到运行中存在很大的安全隐患。因此，电力电缆绝缘在线监测势在必行。
在电缆的绝缘在线监测方面，我国的研究较日本等国家滞后。针对电缆绝缘的在线监测主要是通过检测运行中的电压、电流量来计算电缆的绝缘性能参数：泄漏电流、绝缘电阻、介质损耗因数等和局部放电测量。
1 泄漏电流的测量
（1）直流成分法
电缆中的水树枝缺陷具有整流作用，会在绝缘泄漏电流中产生直流分量[1]。通过测量装置直接测量电缆护层接地线泄漏电流中的直流分量，然后通过滤波器滤去工频及干扰信号，再通过放大器放大，经模数转换后，得到可由计算机处理的信号，由此判断绝缘的劣化程度。直流成分法的被测电流十分微小,通常在纳安级,且容易受到杂散电流的影响，因此较难在现场实际中应用。
（2）接地线电流法
对于金属护层单端接地运行的电缆，由于金属护层没有形成通路，在护层中不存在感应环流，接地线中的电流就是流过绝缘的泄漏电流。通过监测接地线中泄漏电流的变化，可以监测电缆绝缘的老化情况，这就是接地线电流法[2]。接地线电流法的缺点是对于金属护层采用交叉互联方式的电缆，其三相金属护层串联，无法得到每一相的泄漏电流；且金属护层中存在感应电流，对泄漏电流的提取存在干扰。
2 绝缘电阻的测量
（1）直流叠加法
直流叠加法的原理是通过将低压直流电压源（通常为50V）通过电压互感器中性点接入系统，然后采用灵敏系数高的设备测量泄漏电流中的直流分量，从而得到电缆绝缘的绝缘电阻，判断绝缘的劣化程度。直流叠加法的缺点是在高压系统中，直流分量太小，不易检测，仅适用于中低压系统。
3 介质损耗因数测量
介质损耗因数是用来描述介质材料不完善性及电气设备绝缘性能的重要参数之一，介质损耗因数越大，绝缘的性能越差。目前，测量绝缘介质损耗因数的方法主要包括工频法，低频法（小于50Hz）和高频法（大于50HZ）。
（1）工频法
工频法是通过测量电缆电压和流过电缆绝缘的泄露电流计算电缆绝缘的介质损耗因数。该种方法测量简单，无需额外装置；但工频下的稳态绝缘监测信号本身比较微弱，容易受到电磁干扰，且工频下的绝缘介质损耗因数较小，不能精确测量。
（2）低频法（小于50Hz）
相较于工频介质损耗因数测量，低频介质损耗因数是对低频信号的响应，比较容易与现场的干扰和杂散电流分离，可以有效地提高检测系统的灵敏度。通过在电缆上叠加一个频率为101Hz的交流电压源，然后在接地线电流中检测1Hz的电流分量来计算低频介质损耗因数，达到检的目的。但通过叠加低频电源的方法仅适用于电缆中性点不接地系统，对于中性点直接接地的高压系统不适用。
（3）高频法（大于50Hz）
高频法是利用电力系统中的电机启动、电容投切等电力系统扰动引起的高频振荡信号（20kHz以下）检测电缆的绝缘介质损耗因数[3-4]。因为暂态高频扰动下的绝缘泄漏电流大，更容易检测，且随频率变化的绝缘导纳频谱序列较单一频率测量法包含更为丰富的绝缘状态信息，使测量结果更准确。但系统中振荡信号的频率和幅值很难做到定量研究，且高频下的介质损耗因数很小，很难测量。
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4 局部放电测量
当电缆绝缘老化、受潮或存在缺陷时，会发生局部放电现象，这些放电现象会引起电缆电压、电流的暂态变化，通过检测这种局部放电特征信号，可以判别电缆局部缺陷的存在和劣化程度。
IEC、IEEE、及CIGRE等国际电力权威组织和国内外专家一直推荐局部放电试验作为电力电缆绝缘状况评价的有效方法。局部放电按照是否检测电量信号可分为非电量监测法和电量监测法。其中非电量监测法主要有光纤测温法、超声波法，但非电量监测法灵敏度不高且很难对放电性质、放电强度进行判断[5]，因此在现场应用中主要采用以下电量监测法对电缆的局部放电情况进行监测。
（1）差分法
差分法的基本结构是将两块金属箔贴在电缆中间接头两侧的金属护层上，金属箔与金属护层之间就构成一个等效电容，然后在两块金属箔之间串联一个检测阻抗。当电缆接头一侧存在局部放电时，另一侧电缆绝缘的等效电容起耦合作用，检测阻抗便耦合到局部放电脉冲信号。该方法简单安全，不需要加入专门的高压电源和耦合电容；但高频信号在电缆传播时衰减严重，仅适用于有中间接头的电缆。
（2）电容耦合法
电容耦合法是将金属箔内置在电缆外半导电层上作为耦合传感器，传感器的安装并没有影响到电缆主绝缘，信号从耦合器上输出。该检测法有较好的灵敏度，但传感器需要内置，操作复杂。
（3）电感耦合法
电感耦合法是将线圈作为传感器缠绕在电缆的护套外层，其只适用于螺旋状外护层结构的电缆。当金属护层中存在局部放电脉冲时，其轴向电流分量会产生轴向的磁场，在外面缠绕的线圈中产生感应电压信号。
（4）电磁耦合法
电磁耦合法是使用高频带宽罗格夫斯基线圈型电流传感器，以电磁耦合原理，来检测局部放电脉冲电流信号，通常其测量位置在电缆金属护层接地线。罗格夫斯基线圈结构简单，安装方便，在高压电缆和测量回路之间没有直接的电气连接，所以可以很好的抑制噪声；但该方法容易受到外界电磁干扰，很难排除某些类似局部放电脉冲的干扰。
（5）方向耦合法
方向耦合传感器安装在电缆外半导电层和金属护层之间。两个方向耦合传感器被安装在电缆接头的两侧，每个传感器只能检测到其一侧来的局部放电脉冲信号，这样通过测量接头的信号反应，就可以判断脉冲信号的传播方向。方向耦合器的检测灵敏度较高，检测频带宽；但是结构较复杂，安装不便，主要用于电缆接头的局部放电检测。
（6）超高频（UHF）法
当电缆绝缘或附件发生局部放电时，会随时间变化在周围空间产生超高频电磁波，利用UHF传感器可以接收局部放电电磁波信号。但是，高频电磁脉冲沿着电缆传播时衰减严重，传播距离很短，所以超高频法只适用于电缆附件的局部放电检测。
5 结束语
电缆的局部放电信号微弱、波形复杂多变难以区分，且易受现场干扰，目前在工程中难以在现场实现在线监测；通过监测电缆绝缘的泄漏电流、绝缘电阻、介质损耗因数等性能参数的方法都存在各自的缺陷，使用效果都局限于一定的范围，没有一种通用的在线监测方法。今后，电缆绝缘在线监测技术的发展除了研究新的在线监测技术外，还要注重对现有在线监测技术的综合运用，通过测量电缆绝缘的多种绝缘参数或采用不同的检测技术多次测量，对提高电缆绝缘在线监测技术有重要意义。
参考文献
[1]Faremo H, Lldstad E. Rehabilitation of water tree aged XLPE cable insulation[C].Conference record of the 1994 IEEE international symposium on 5-8 june 1994:188-192.
[2]罗华煜，关根志，易小羽．基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测[J]．高电压技术，2005，31(11)：63-65.
[3]LuLu Li, Jing Yong. On-Line Cable Condition Monitoring UsingNatural Power Disturbances[J]. IEEE Transactions on Power delivery,2019.
[4]李露露, 雍静, 曾礼强, 等. 基于系统电力扰动的交叉互联电缆绝缘整体老化在线监测[J]. 电工技术学报, 2018, 33(14):3396-3405.
[5]郭俊, 吴广宁, 张血琴, 等. 局部放电检测技术的现状和发展[J]. 电工技术学报, 2005, 20(2):29-35.
论文作者:陈涛
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
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