應用光纖傳感技術的高壓電纜護層絕緣監測系統

丁薇霞

（上海電纜研究所，上海200093）

應用光纖傳感技術的高壓電纜護層絕緣監測系統

丁薇霞

（上海電纜研究所，上海200093）

高壓電纜護層絕緣監測系統利用光纖光柵傳感技術，運用光纖光柵電流傳感器實時監測運行電纜的接地電流、運行電流。通過對測試必要性及測試原理的分析，詳細介紹了測試系統的結構、性能及優勢。經工程應用表明，該系統能滿足實際應用的需要。

護層絕緣；監測系統；光纖光柵；電流傳感器

0 引 言

35 kV以上電壓等級的高壓干式電纜，大多數采用單芯結構。單芯電纜的線芯與金屬護套的關系，可看作一個空心變壓器。當單芯電纜線芯通過交流電流時就會有磁力線交鏈金屬護套，使兩端出現感應電壓。感應電壓的大小與電纜線路的長度及流過導體的電流成正比，電纜很長時，護套上的感應電壓疊加起來可達到危及人身安全的程度，因此高壓電纜需采用合適的接地措施，使感應電壓處于安全電壓范圍內［1］。

通常短線路單芯電纜的金屬護層采用一端直接接地和另一端經間隙或保護電阻接地的方式；長線路單芯電纜金屬護層則采用三相分段交叉互聯兩端接地的方式。不論采用哪種接地方式，良好的護層絕緣都是必要的。當護層絕緣發生損傷時：

（1）金屬護套上會形成很高的感應電壓，電壓過高時甚至可能擊穿護套絕緣，并在擊穿點持續放電，造成電纜外護套溫度升高甚至著火燃燒。

（2）護套絕緣的損傷將使金屬護套多點接地，從而產生護套循環電流，增加護套損耗，影響電纜載流能力，嚴重時甚至會使電纜發熱而燒毀。

（3）護層絕緣的損傷導致水分易侵入，主絕緣水樹老化的概率增加，對電纜壽命產生嚴重影響。且主絕緣在金屬護層被腐蝕處電場集中，易產生局部放電和引發電樹枝，對電纜運行安全造成威脅［2］。

因此高壓電纜護層絕緣監測是電力電纜最重要的監測內容之一。

1 現有護層絕緣檢測方法

傳統的檢測手段主要是通過停電測量護層絕緣電阻或帶電用鉗形電流表測量護層接地電流（人工巡檢）。近年來，為了提高輸電線路的可靠性指標，高壓電纜停電檢修的機會越來越少。由于地下電纜所處環境復雜，采用傳統的人工巡檢測量護層接地電流越來越困難，需要花費大量的人力物力［3］。

現在已有應用電流互感器（CT）的電流自動采集設備，應用無線傳輸的通信技術組合而成的智能化護層絕緣監測系統。其缺陷在于：護層接地電流測試點環境復雜、潮濕，存在較強電磁干擾，嚴重影響電流采集設備的測試準確性、壽命及無線傳輸數據的可靠性及持續性。也有廠商采用有線傳輸的方式，但有線傳輸相對于光纜傳輸模式，在傳輸距離、傳輸質量上都會存在較大差距。

2 應用光纖傳感技術的高壓電纜護層絕緣監測系統技術方案

2.1 測試原理

圖1為高壓電纜護層絕緣監測示意圖。

圖1 高壓電纜護層絕緣監測示意圖

高壓電纜護層絕緣監測系統利用光纖光柵傳感技術，運用光纖光柵電流傳感器實時監測運行電纜的接地電流、運行電流。通過對電纜接地線、電纜本身的連續監測，提供實時護層電流與導體電流監測數據，顯示護層電流與導體電流比例及歷史曲線；通過反映護層接地良好程度、線芯負荷大小變化等情況，實現對電纜本體和電纜通道運行情況的實時監控，預測電纜的運行狀況及故障趨勢，及時為電纜故障的定位和檢修提供指導，避免發生重大事故。

2.2 系統結構

系統由測試現場、信號傳輸和監控中心組成。系統結構見圖2。

圖2 系統結構圖

（1）測試現場。測試現場包括被測電纜的現場環境及光纖光柵電流傳感器。

（2）信號傳輸。將采集信號通過多芯光纜傳入監控中心。

（3）監控中心。光柵解調儀：實現被測電流量的解調。局域網：通過組網方式實現控制目標的集中管理。控制中心：通過數學模型的建立實現控制目標智能化管理。

2.3 光纖光柵電流傳感器

光纖光柵溫度自補償電流傳感器采用光纖光柵作為測量電流的敏感元件。采用高性能導磁體材料感應被測電纜中被測電流的大小，產生的電磁力使光纖光柵傳感器的波長發生變化，通過解調光纖光柵的波長變化測量電流。傳感器內帶溫度自補償裝置，避免了溫度變化對測試結果的影響。

光纖光柵電流傳感器作為光學傳感器，具有無需電源、絕緣、響應速度快等特性。傳感器內無任何電子元器件，具有耐水防潮性強、可靠性高、壽命長等優點，可長期工作于潮濕環境中；并可實現信號遠距離傳輸及解調。

圖3為光纖光柵電流傳感器實物圖。安裝時可帶電操作，將電流傳感器卡入被測電纜即可。

圖3 光纖光柵電流傳感器

2.4 光纖光柵解調儀

光纖光柵電流傳感器將電流信號轉化為光信號，通過通信光纜將信號傳入控制中心。光纖光柵解調儀實現光信號的解調，獲取實時電流信號。解調系統實現信號采樣、解調電流，通過全球定位系統（GPS）授時實現時鐘同步；可同時用于電網質量分析。

2.5 監控中心

監控中心平臺是系統的“大腦”，也是系統的核心所在。獲取傳感數據只是實現電纜護層絕緣在線監測的必要條件。對數據的合理分析與使用，全方位開展電纜狀態在線監測工作，依據電纜、設備狀態統籌安排生產、調度、檢修任務，實現電纜安全風險過程管控。同時，通過對不同電纜、不同狀況的歷史數據對比分析，既可實現當前的護層絕緣在線診斷分析，又能將來在一定數據量和理論分析指導基礎上建立專家分析及預警系統。

2.6 系統性能

高壓電纜護層絕緣監測系統采用聲光、短信等報警方式，實現對高壓電纜護層絕緣的自動監測，同時可準確報告接地線的偷盜。

電流測試精度0.25%F.S；檢測距離＞20 km；檢測、定位和報警時間＜1 min。

3 應用光纖傳感技術的高壓電纜護層絕緣監測系統的應用

應用光纖傳感技術的高壓電纜護層絕緣監測系統目前已在某電業局現場應用。圖4為運行電流、接地電流監測現場實際安裝效果圖。圖5為48 h內A相運行電流、接地電流實測結果圖。

圖4 電流監測現場實際安裝效果圖

圖5 48 h內A相運行電流、接地電流實測結果圖

4 結束語

光纖傳感技術是現代通信技術的產物，是隨著光纖及通信技術的發展而逐步發展起來的一門嶄新學科，是以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。

應用光纖傳感技術的高壓電纜護層絕緣監測系統測試現場無需電源，具有很強的抗電磁干擾能力；傳感系統可嵌入性強，便于與計算機和光纖系統相連，易于實現系統的遙測和控制。系統實時監測高壓電纜運行電流、接地電流，通過對數據的分析，實現對電纜護層絕緣狀態的在線監測，確保電纜線路安全運行。與電流互感器監測系統相比，具有可靠性更高、壽命更長、監測范圍更廣的優勢，更有利于智能電網信息化、數字化的發展趨勢。經工程應用表明，該系統能滿足實際應用的需要。

［1］ 徐文剛.高壓單芯電纜護層絕緣接地保護簡述［J］.水電站機電技術，2005，28（1）：45-46.

［2］ 任廣振，張 禮，賓齊輝.XLPE電力電纜金屬護層絕緣環流在線監測系統的研究［C］//2011年全國電力電纜安裝與運行經驗交流會論文集.2011.159-163.

［3］ 嚴有祥.高壓電纜護層絕緣監測系統的研制與應用［J］.供用電，2009，26（4）：74-76.

The Insulation M onitoring System of the HV Cable Sheath w ith Fiber Grating Sensing Technology

DINGWei-xia
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The insulation monitoring system of the HV cable sheath，which takes advantage of fiber grating sensing technology，uses fiber grating current sensor to real-time monitor grounding current and load current of the running cable.The article introduces the structure，function and advantage of themonitoring system in detail by analyzing the necessity and theory of themonitoring.It's proved by engineering application that the system can meet the needs of practical application.

sheath insulation；monitoring system；fiber grating；current sensor

TN818

A

1672-6901（2014）05-0022-03

2014-05-22

丁薇霞（1971-），女，高級工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.