高壓電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

馬新雷，張 媛

（國(guó)網(wǎng)西安供電公司亮麗電纜工程分公司，陜西 西安 710000）

1 電力電纜事故的危害

根據(jù)國(guó)家電力系統(tǒng)有關(guān)部門(mén)的安全事故分析，全國(guó)多次發(fā)生的隧道、溝道火災(zāi)事故，90%是由電纜過(guò)溫導(dǎo)致著火或放炮等引起的，進(jìn)而出現(xiàn)大面積停電、停水、停氣現(xiàn)象，造成企事業(yè)單位被迫停產(chǎn)，且在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)。比如：上海寶鋼99年隧道電纜著火引發(fā)的火災(zāi)，損失了數(shù)億元；西安市蓮湖路溝道電纜的突發(fā)性爆炸；2002年10月，廣東韶關(guān)發(fā)電廠多年的老電纜爆發(fā)了一次火災(zāi)事故，損失慘重；2004年7月，湖南湘譚市雙扶煤礦井下發(fā)生電纜著火事故，造成6人死亡，3人下落不明；2004年11月，河北省沙河鐵礦因電纜著火引起了爆炸，造成68人遇難；2005年，湘鋼電纜對(duì)接頭事故造成停電、停水、停氣；2006年吉林局220 kV電纜本體事故；2007年國(guó)華電廠電纜事故造成停機(jī)。

2 電力電纜在線監(jiān)測(cè)的現(xiàn)實(shí)內(nèi)涵

電力電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍廣且功能多元，目前深受各行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。究其原因，主要包括以下幾個(gè)方面。原有停電預(yù)防性試驗(yàn)不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和要求；電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，并得到了推廣應(yīng)用；在線監(jiān)測(cè)技術(shù)將降低電纜維護(hù)成本，提高利用率；可系統(tǒng)地反饋設(shè)備的質(zhì)量信息，提高產(chǎn)品的可靠性；能夠?yàn)殡娏﹄娎|的實(shí)際狀態(tài)和故障維修提供可靠的技術(shù)和理論依據(jù)。

雖然電力電纜在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)實(shí)內(nèi)涵豐富且應(yīng)用范圍極廣，但是業(yè)界關(guān)注的核心只有一個(gè)，即跟蹤監(jiān)測(cè)運(yùn)行電力電纜的絕緣性，爭(zhēng)取在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理，避免造成更大事故和損失[1]。

3 電力電纜在線監(jiān)測(cè)的方法

3.1 直流疊加法

通過(guò)給運(yùn)行中的電纜施加較低的直流電壓10～50 V（護(hù)套5 V），在電纜金屬屏蔽層接地處檢測(cè)電纜的泄漏電流，從而判斷電纜的絕緣狀況。直流疊加法原理，如圖1所示。

圖1 直流疊加法原理

針對(duì)主絕緣：當(dāng)Rg＞1 000 MΩ時(shí)，絕緣性能良好；當(dāng)100 MΩ＜Rg＜1 000 MΩ時(shí)，絕緣出現(xiàn)輕度問(wèn)題，仍可繼續(xù)使用；當(dāng)10 MΩ＜Rg＜100 MΩ，絕緣出現(xiàn)中度問(wèn)題，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注，也可繼續(xù)使用；當(dāng)Rg＜10 MΩ，絕緣出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，應(yīng)停電檢修或更換電纜。

針對(duì)護(hù)套：Rg＞1 000 MΩ，性能良好；Rg＜1 000 MΩ，性能不良。

3.2 直流分量法

實(shí)際上，交聯(lián)聚乙烯電纜中存在樹(shù)枝化絕緣缺陷，這種缺陷能夠在交流正負(fù)半周中表現(xiàn)出不同于正常電荷注入和中和特性的樹(shù)枝化特性，其中還包括水樹(shù)枝化特性和電樹(shù)枝化特性。直流分量法原理，如圖2所示。在長(zhǎng)時(shí)間交流工作電壓反復(fù)作用下，樹(shù)枝化的前端會(huì)積聚大量負(fù)電荷，導(dǎo)致負(fù)電荷逐漸向弱電方飄逸，進(jìn)而產(chǎn)生新的整流效應(yīng)[2]。換言之，整流效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致電纜接地線交流電流中的微弱直流成分顯現(xiàn)，可通過(guò)檢測(cè)這種直流成份對(duì)電纜的絕緣劣化程度進(jìn)行診斷。根據(jù)國(guó)外檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)資料，測(cè)得的電流大于100 nA為不良，10～100 nA為需注意（嚴(yán)重）；1～10 nA為需注意（輕度）；小于1 nA為良好。

圖2 直流分量法原理

3.3 低頻疊加法

低頻疊加法是在電纜上施加低頻電壓（7.5 Hz，20 V），從接地端檢測(cè)低頻電流并分離出和電壓同相的有功電流分量，然后求得絕緣電阻，據(jù)此判斷電纜老化程度。低頻疊加法原理，如圖3所示。

圖3 低頻疊加法原理

3.4 低頻分量法

水樹(shù)枝除了會(huì)產(chǎn)生直流成分外，在電纜的泄漏電流中也含有低頻成分。根據(jù)頻譜分析，頻率在10 Hz以下特別是在3 Hz以下，幅度較大，如圖4所示。故障可在電纜接地線中監(jiān)測(cè)低頻成分進(jìn)行診斷，但是該低頻電流是納安級(jí)的，因此檢測(cè)難度較大。

圖4 低頻成分電流的頻譜分析

3.5 交流疊加法

交流疊加法是將頻率的2倍（100 Hz）50 V電壓疊加于電纜屏蔽層，以得到針對(duì)100 Hz劣化信息的方法。交流疊加法原理，如圖5所示。在水樹(shù)枝老化的電纜上，101.4 Hz時(shí)測(cè)出的電流幅值最大。當(dāng)疊加電流大于10 nA時(shí)，判定為不良，如圖6所示。

圖5 交流疊加法原理

圖6 交流疊加法電流與頻率關(guān)系

3.6 電橋法

用電橋測(cè)量絕緣電阻，原理如圖7所示。調(diào)節(jié)R4使電橋平衡，這時(shí)U0=0，則R1=（E1-U4）R2/U4。設(shè)E1=20 V，U4=1 mV，R2=50 MΩ，R1最大可測(cè)到100 000 MΩ（0.2 nA的分辨率）。E0是用來(lái)消除電纜防護(hù)層和地之間的反應(yīng)。E1一般小于50 V。

圖7 電橋法原理圖

3.7 接地線電流法

接地電流法是根據(jù)XLPE電纜伴隨水樹(shù)枝老化出現(xiàn)電容量和tanδ增加的傾向，在接地線端檢測(cè)其接地電流。接地電流的大小和電纜的長(zhǎng)短有關(guān)，但是當(dāng)電流較大時(shí)，要用鉗形電流計(jì)進(jìn)行測(cè)量。這種方法對(duì)趨勢(shì)化管理較為理想。

3.8 局部放電法

局部放電法主要通過(guò)絕緣介質(zhì)的局部重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象進(jìn)行放電，一般發(fā)生在電纜局部缺陷位置，但是它的放電量較小，在放電初期基本不會(huì)影響到電力電纜本身，也不會(huì)削弱其絕緣能力。如果長(zhǎng)期發(fā)生放電現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣部分受損，縮短電纜壽命。具體來(lái)講，電脈沖是局部放電伴隨而來(lái)的放電現(xiàn)象之一，發(fā)出的電磁波同時(shí)放射光、熱、聲和噪音等自然現(xiàn)象。此時(shí)，要采用局部放電量法配合電磁波法、脈沖電流檢測(cè)法、超聲波發(fā)以及振動(dòng)加速度法展開(kāi)深入分析。目前，應(yīng)用最多的是電纜中間絕緣連接盒的差分法和預(yù)制中間連接接頭電磁耦合法[3]。樹(shù)枝初期局部放電量約0.1 pC，0.5 mm樹(shù)枝放電量超過(guò)100 pC。

3.9 tanδ法

電纜在線測(cè)量介質(zhì)損耗角正切值（tanδ）的方法和容性設(shè)備的tanδ測(cè)量方法基本相同，是基于電壓互感器計(jì)量端提取電壓信號(hào)，并利用專用的高精度電流傳感器獲取電流傳感器電纜接地線工頻電流信號(hào)內(nèi)容，然后通過(guò)處理計(jì)算出tanδ。但是，必須注意電纜的結(jié)構(gòu)。目前，對(duì)用tanδ以有效測(cè)量電纜絕緣老化缺陷問(wèn)題這一技術(shù)還存在諸多爭(zhēng)議。有的研究者認(rèn)為它可以反映電纜絕緣缺陷的平均程度，有的研究者認(rèn)為它反映的是電纜絕緣普遍性缺陷，有的研究者認(rèn)為它只能反映電纜的吸水程度，有的人認(rèn)為它可以反映絕緣受潮、劣化等缺陷。它的判斷標(biāo)準(zhǔn)：小于0.2%為絕緣良好；0.2%～5%為有水樹(shù)枝形成；大于5%為水樹(shù)枝明顯增多。

3.10 在線測(cè)溫法

電力電纜的溫度通常和電纜的載流能力、局部絕緣受損、導(dǎo)體接觸電阻以及電纜的敷設(shè)環(huán)境等有關(guān)。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電纜每一點(diǎn)的溫度和變化情況，可對(duì)電纜的負(fù)荷量進(jìn)行控制，可對(duì)電纜某一點(diǎn)的絕緣受損或?qū)w接觸不良而導(dǎo)致溫度上升的變化情況進(jìn)行精確定位，可對(duì)電纜周邊環(huán)境特別是靠近電纜的熱力管道和其他熱源對(duì)電纜影響進(jìn)行監(jiān)控。電纜溫度監(jiān)測(cè)的方法是從纜式感溫到纜式測(cè)溫/點(diǎn)式測(cè)溫到分布式光纖測(cè)溫。目前，比較理想的方法是采用分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，判斷標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)電纜本身的出廠參數(shù)而定。

3.11 在線故障法

如果電力電纜中的某一點(diǎn)出現(xiàn)絕緣受損，就會(huì)表現(xiàn)出間歇性瞬間閃絡(luò)放電，如常見(jiàn)的過(guò)電壓、過(guò)熱等。目前，國(guó)內(nèi)采用的是中心點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)本身存在巨大缺陷。例如，電纜出現(xiàn)嚴(yán)重故障后還能運(yùn)行數(shù)十分鐘或數(shù)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電力電纜系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障后果。電纜故障在線測(cè)量采用行波原理，通過(guò)電纜接地線實(shí)時(shí)在線測(cè)量故障的出現(xiàn)，并及時(shí)檢測(cè)出故障點(diǎn)的具體位置，同時(shí)通過(guò)圖、文、聲、光進(jìn)行故障上報(bào)。

4 結(jié) 論

針對(duì)講述的11種電力電纜在線監(jiān)測(cè)方法，目前多數(shù)只是試驗(yàn)室方法，真正能應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)并有效推廣有在線溫度、在線故障、接地電流、介質(zhì)損耗和局部放電等。雖然這幾種方法都有缺點(diǎn)，但是不會(huì)影響正常使用，因?yàn)樵诰€測(cè)量數(shù)據(jù)完全可以說(shuō)明電纜的缺陷程度。