高壓電纜絕緣介質損耗角檢測方法研究

國網上海市電力公司青浦供電公司 張樹欣 方 祺 謝 偉

隨著高壓電纜鋪設長度不斷增加，高壓電纜的安全穩定運行對供電網絡的安全性也越來越重要。介質損耗一般是指在絕緣材料電介質中，由介質電導與介質極化的滯后效應所引發的電導損耗和極化損耗。介質損耗角是高壓電纜介質損耗檢測的重要指標。介質損耗角一般是指流過絕緣材料的電流與絕緣材料上所施加的電壓之間相位差的余角。

目前高壓電纜介質損耗角的檢測主要是離線測試法，一般是指有計劃的對設備進行停電試驗、定期獲取電纜運行狀態從而評估運行計劃的方法。四川電力科學研究院通過串聯諧振裝置構成異頻高壓電纜介質損耗測量裝置，可實現35kV 及以下電力電纜的介質損耗角的離線測量。離線測試法操作繁瑣且需要對電纜進行斷電，不能真實的反映電纜運行情況下的介質損耗角值。

英國格拉斯哥卡里多尼亞大學提出基于泄露電流分離的相對介損耗角測量方法，通過矢量差將護層環流進行抵消從而分離泄露電流，通過相對介損參數對電纜絕緣情況進行評估，從而避免了電壓信號獲取的問題；重慶大學采用阻抗可調的補償裝置產生補償電流，由于補償電流與電纜泄露電流的容性分量相同，相位相反，因此可實現泄露電流的電阻和電容分量分離，從而計算介質損耗角[1]。

這些方法都是從某一個方面對高壓電纜介質損耗角進行了檢測，但是真正將高壓電纜介質損耗角檢測方法理論應用于實際、并做出了相應產品的則相對較少。目前高壓電纜介質損耗角檢測精度低，測試結果受到泄露電流分離困難、電壓信號難以獲取、傳感器角差、電壓電流信號的同步、環境溫度濕度及信號處理方法不當的影響，尚未形成系統的檢測技術[2]。

1 高壓電纜絕緣介質損耗角檢測分析

介質損耗是作為絕緣材料的電介質在較高電壓電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起的能量損耗，也叫介質損失。介質損耗按其性質可分為漏導損耗、極化損耗和局部放電損耗三種基本的形式。介質損耗會使絕緣溫度上升，促使絕緣材料老化，溫升嚴重時會導致絕緣的熱擊穿而失去絕緣性能。可見介質損耗的大小是衡量絕緣性能的一個重要指標。對高壓電纜絕緣介質損耗角進行分析，可利用高壓電纜的等值向量圖進行分析（圖1）。

圖1 高壓電纜絕緣等值相量圖

在圖1中，介質損耗因數定義為疊加于電纜主絕緣上的系統電壓與流過主絕緣的泄漏電流的夾角θ的余角δ 的正切值|tgδ|，tgδ 是反映絕緣介質損耗的特征參量，是評價設備絕緣性能的重要指標。只取決于絕緣的介質特性，而與絕緣材料的尺寸無關。測量絕緣整體的介質損耗角正切值可較好地判斷高壓電纜整體的受潮和劣化變質等缺陷以及發展性的局部缺陷。在絕緣性能良好的情況下，高壓電纜絕緣的體積電阻可認為無窮大，即是R ≥1/(ωC），電纜絕緣可看作一組電容的串聯。

1.1 影響絕緣介質損耗角檢測的影響因素

影響tgδ 在線檢測精度的因素有很多，主要可分為測量系統外部的影響因素和測量系統本身精度和固有誤差兩個方面。

1.1.1 外部影響因素

高壓電纜運行現場的各種電磁干擾：在運行現場復雜的電磁環境中，充斥著諸如線路的電暈信號、相鄰設備的電場干擾和局部放電信號、電力系統內部的高頻保護和載波信號等多種干擾信號。按其波形特征可分為：連續的周期性的干擾信號，主要有電力系統的高頻保護和載波通信信號，系統外的無線通信信號和電網電壓的高次諧波分量；非周期性的脈沖干擾信號，主要有線路直接注入的電暈信號，其他設備的局部放電信號、硅整流信號。周期性干擾信號是在線檢測中影響精度的主要因素之一。

頻率的波動：電力系統相關規程規定，系統頻率一般可在50Hz±0.2Hz 范圍內波動。頻率的波動將直接導致數據采樣過程中同步采樣被破壞，并引起如諧波分析法、正弦波參數法等tgδ 計算算法中的誤差。

環境因素的影響：環境溫度對在線監測的介損測量結果有較大的影響，主要體現在溫度、濕度等對高壓電纜tgδ 的影響。對于一個絕緣良好的設備，實測表明在線檢測其tgδ 的結果仍會呈周期性的變化，其原因主要在于電流傳感器的變送特性隨溫度變化而變化。因而對于設備的tgδ 的檢測值的分析和判斷要與環境條件相結合，不能孤立的由 的數值判斷其絕緣的狀況。

1.1.2 介質損耗角檢測系統本身精度和固有誤差的影響

電流傳感器和電磁式電壓互感器(PT)的固有角差：作為信號采集裝置的首要環節，能否獲取真實穩定的原始信號是在線檢測系統研究中十分關鍵的一步。電流傳感器一般具有一定的角差，而電磁式PT 在提取電壓信號時，以0.5級PT 為例，允許的角差變化范圍為士20’，因此角差成為影響tgδ 在線檢測的主要誤差之一。其中電流傳感器的角差應主要考慮角差的溫度穩定性，而PT 的角差變化主要由二次側負載的變化引起。具體應對方法是在盡可能提高傳感器角差穩定度的基礎上測定角差平均值，利用軟件進行補償。

檢測系統本身電子電路產生的噪聲干擾：檢測系統A/D 采樣轉換、放大、濾波等環節的硬件電子電路在工作狀態下會產生符合正態分布統計規律的隨機噪聲信號并被疊加在有用信號中。對于噪聲的影響將運用離散小波變換的方法進行消噪處理。

數據采集卡A/D 轉換的量化誤差：被采樣的模擬信號進入數據采集卡，由A/D 芯片完成對模擬信號的離散、量化為數字信號。A/D 的數字化過程是由一定位長的二進制數碼來表示一定的電壓值，在信號輸入的Umin～Umax 范圍內，連續的輸入電壓信號只能由有限個二進制數碼來表示，從而存在量化誤差。對于一個正弦信號，量化誤差體現為相角誤差和幅值誤差。

軟件運算時的有限字長效應：在通用計算機上編程實現各種算法對數據進行處理時，進行計算的計算機有一定的字長限制，由于對計算結果的近似表示帶來的誤差，在算法中如果誤差不能處于可控制范圍內將直接導致計算結果的錯誤。由于電纜絕緣狀態良好時的tgδ 值一般較小，在20℃、系統頻率50Hz 情況下大約為0.05%。任何一種干擾因素如果不加以抑制，都將嚴重影響測量結果的精度。

1.2 絕緣介質損耗角常用的檢測方法

目前電力設備的運行與維護方式的發展趨勢是：依靠以在線檢測為主要技術手段的電力設備的狀態檢修取代電力設備的定期停電維修，這已經成為大家的共識。針對高壓電纜絕緣的tgδ 檢測技術，其基本原理可見圖2。

圖2 常用介質損耗角檢測技術

對于檢測系統后期的信號處理與分析環節，基于計算機技術的數字測量成為主流的方法。現在高壓電纜介質損耗角檢測方法可分為絕對法和相對測量法。高壓電纜介質損耗角絕對測量法一般是指以電纜電壓互感器二次側電壓信號為參考信號，測量電纜上的電壓信號與流過電纜泄露電流的相位差，從而得到介損值。目前高壓電纜介質損耗絕對測量法可分為傳統的介質損耗角測量方法及應用微機實現的介質損耗角數字測量方法。

傳統測量方法：包括電橋法、瓦特表法和諧振法。其中瓦特表法測量精度太低，因此己被淘汰。諧振法僅適用于低壓高頻狀態下的介質損耗角檢測。因此電橋法是適用于高壓電纜介質損耗角檢測的方法。電橋法作為所采用的電纜介質損耗角試驗方法，被大量運用于介質損耗角離線測試中。其原理是利用電橋平衡原理，調節測試回路中電阻和電容的數值，從而利用橋臂阻抗關系得到介質損耗角因素為所調電容值。

數字測量方法：其原理是基于傳感器從試品上取到的信號電壓和電流，經前置處理裝置數字化后送至數據處理單元，從而算出電壓電流之間的相位差，進而得到介質損耗角。數字測量法采用計算機技術，簡化了電路結構。介質損耗角的數字測量法可分為硬件法和軟件法。硬件法基于電壓過零比較器，易受硬件本身影響，抗干擾能力差。近年來介質損耗角檢測軟件法發展迅速，包括傅里葉變化法、過零點比較法、正弦參數法、自由矢量法、諧波分析法及異頻電源法等。但由于軟件法需將電壓電流信號假設為標準的正弦波，因此僅適用于高壓電纜介質損耗角離線檢測，而不適用于帶電檢測在線監測。

2 高壓電纜絕緣介質損耗角檢測方法設計

2.1 檢測硬件和軟件設計

高壓電纜按其絕緣性質屬于容性設備，對高壓電纜介質損耗角進行檢測將建立在容性設備介質損耗角檢測的基本原理的基礎上，體現出高壓電纜介質損耗角檢測的特性。具體來說，體現在硬件系統接線上的差異、對傳感器系統的要求(單匝穿芯式)、對測量精度的要求等。尤其對于高壓電纜在絕緣良好的狀態下，其介損值要比一般容性設備小一個數量級(20℃，50Hz 時為0.5%左右)，為能比較準確地測量絕緣良好狀態下的高壓電纜的介質損耗角，須提高系統的測量精度，這也直接導致本文重點將圍繞測量過程中的抗干擾技術展開，并將在硬件和軟件中各有體現。

根據容性設備介損在線檢測的基本原理，本文所采用的硬件系統的接線示意圖如圖3。可看出在硬件方面的抗干擾措施主要體現在：選用單匝穿芯式并具有較高溫度穩定性的電流傳感器系統進行電流信號變送，選用高精度的電容式電壓互感器進行電壓信號的變送；簡化硬件系統的功能環節，盡可能的以軟件方式替代硬件功能環節，以其減少干擾信號的引入；對于己有的硬件系統采用完善的屏蔽和接地措施達到抗干擾的目的。

圖3 設計的介質損耗角檢測硬件接線示意圖

軟件系統按功能環節的組成如圖4。軟件抗千擾措施的具體體現在于針對可能出現的干擾源，采取：針對系統諧波和可能出現的高頻周期性干擾，采用FIR 數字濾波器濾除；針對硬件系統產生的噪聲，根據噪聲和有用信號在小波變換不同尺度上的不同特征，利用小波變換濾除；針對系統頻率產生的波動對同步采樣的影響，采用改進的高階擬合算法，以波動的系統頻率作為變量，對電壓和電流信號進行擬合，求得信號的特征參數，從而求得介損因數。該方法同時可進一步消除諧波的影響。

圖4 軟件系統按功能環節的組成

2.2 檢測方法設計

高壓電纜介質損耗帶電檢測是通過在三相電纜接地箱安裝電流傳感器，在與電纜相接不遠處的盤柜上安裝電壓傳感器獲得電壓電流信號，從而將電壓電流信號傳入測量單元。在檢測的過程中需要使用到多種傳感器，介質損耗檢測通常采用的傳感器為磁耦合傳感器，測量精度受激勵電流、二次負荷、線圈匝數、磁路長度、鐵芯截面以及鐵芯材料影響。為提升傳感器測量精度，可采用新型傳感器解決傳感器角差所帶來的介質損耗測量誤差。