XLPE电缆绝缘在线检测技术方法综述

XLPE电缆绝缘在线检测技术方法综述

摘要：电力电缆在电力系统电力供应中的应用越来越广泛，供电质量的可靠性也越来越为供电企业和电力用户所关心，电力电缆的可靠性是保证供电可靠性的重要环节之一。如何实现电力电缆的在线监测和状态检修，一种重要的前提就是对电力电缆进行实时的状态检测。本文基于交联聚乙烯电缆（XLPE电力电缆）绝缘在线检测技术的地位和意义，梳理了国内外XLPE电力电缆在线检测技术的研究现状，，并探讨了XLPE电力电缆绝缘在线检测技术的发展方向，阐述了电力电缆绝缘故障在线监测系统的国内外技术现状和发展趋势，在此分析的基础上认识到电缆绝缘在线监测是迫切需要的。 关键词：XLPE电力电缆；电缆绝缘；在线检测

1 电缆绝缘在线检测的意义

电力电缆是电力系统的重要组成部分，随着企业生产的发展，对电力需求的不断增加，电力电缆的使用量也在逐年增长，现代化企业的生产要求电力电缆的运行必须是长期、连续和安全稳定[1]。因此如何保证电力电缆安全稳定运行是电力系统中长期研究的一个多因素、非常复杂的课题。长期以来，为了防止事故的发生，对电力系统运行中的设备，一直坚持定期进行预防性试验的制度。这对保证设备在电力系统中安全可靠地运行、防止事故的发生起了很好的作用[2]。

但是随着电力生产的发展，传统的常规性预防试验，已经满足不了安全生产的需要。这是因为常规预防性试验需要停电测试，而且两次试验间隔时间过长，所以不易及时发现设备的绝缘缺陷，而且停电还要造成一定的损失。因此对电力系统中设备的绝缘进行实时监测显得极为重要了。随着电力系统的不断发展，电力电缆的应用越来越多，很多单位无法根据规程按时完成预防性试验任务，所以电力电缆设备绝缘的在线监测势在必行。

在线监测就是在工作电压下对电力电缆绝缘状况进行实时监测，把计算机引入测量系统，对测量过程实现自动化，对数据处理实现智能化[3]。与此同时，随着现代化技术的飞跃发展，特别是电子、计算机和各种传感器技术的新成就，都为开展电力设备绝缘的带电检测和在线监测技术提供了有利条件[4]。对电力电缆进行带电检测，可以缩短检测周期，提高及时发现绝缘缺陷的概率，从而降低绝缘事故，这一点在电力电缆设备投入运行的初期和老化期是尤其重要的[5]。对电缆设备进行在线监测，进而实现对绝缘的在线诊断，从而使电力系统从预防性维修阶段过渡到预知性阶段。电力电缆经常是用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力引入(或引出)线，当线路在过江、过近海、过铁路处，也常常用电力电缆。电力电缆与架空线路相比，优点是受气候的影响小，安全可靠，隐蔽耐用，而且有利于城市的美化有利于厂矿布局。随着城市建设的发展，电力电缆在城网供电中所占的比例越来越大，在一些城市的市区已逐步取代架空输电线路。随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。

电力电缆的可靠性在很大程度上取决于其绝缘性能。定期对电气设备进行预防性试验，以保证设备在电力系统中安全可靠的运行，最大限度防止安全事故的发生。预防性试验可分为非破坏性试验和破坏性试验两大类。非破坏性试验也称为绝缘特性试验，是指在较低的电压下或是用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，以此间接判断绝缘状况。对于电缆而言包括绝缘电阻测量、直流

泄漏电流测量，介质损耗角正切值测量。这类试验不会损伤设备的绝缘性能，只是判断其绝缘状态，从而可以及时发现绝缘的劣化情况。

随着电力系统高压、超高压输电技术的不断完善和世界范围内城市化进程的加速，XLPE电力电缆已经越来越多的被供电部门、工厂配电系统及城市电网所采用[7]。在欧美、日本等发达国家，作配电使用的电力电缆有近40年的历史，在运行过程中充分体现了性能优良、工艺简单、安装方便的优点。近十年来，我国城市电网也大量采用XLPE电力电缆。欧美和日本的研究表明[8，9]：XLPE电力电缆绝缘中的树枝状放电是造成绝缘击穿事故的主要原因。由于现在运行的XLPE电力电缆多采用水蒸气湿法交联工艺，在制造过程中有微水残留在绝缘中，加之敷设环境恶劣，在运行中如受到机械损伤，水分将侵入绝缘，有可能引发水树枝老化由于制造工艺的局限性，绝缘层内杂质、气孔、内外屏蔽层的凸起等缺陷处电场强度较高，有可能引发电树枝老化。在一定条件下，两种老化同时存在，当水分侵入电树枝时，电树枝有可能转化为水树枝。由于树枝状老化造成的电缆绝缘击穿事故与日俱增，电缆绝缘中的树枝状老化状况正日益受到重视。

目前，电力电缆的检测方法主要有直流分量法、直流电压叠加法、电桥法、交流叠加法、低频叠加法、损耗电流测量法、局部放电等方法[10-12] 。

2 XLPE电缆绝缘在线检测方法综述

2.1 直流成分法

由于交联聚乙烯(XLPE)电缆树枝化的绝缘缺陷，他们在交流正、负半周表现出不同的电荷注入和中和特性，导致在长时间交流工作电压的反复作用下，水树枝的前端积聚了大量的负电荷，树枝前端所积聚的负电荷逐渐向对方漂移，这

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种现象称为整流效应。由于“整流效应”的作用，流过电缆接地线的交流电流便含有微弱的直流成分，检测出这种直流成分即可进行劣化诊断[14]。直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差[15]

。研究表明，这些干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及真实的由水树枝引起的电流，均通过直流分量测量装置，以至造成很大误差。可考虑采取旁路杂散电流或在杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法。

XLPE绝缘电缆因其可靠的电气和机械性能已得到广泛应用，特别是110/220 kV高压等级电缆的生产和应用也逐渐加大[16，17]。结合我国大力开展的无损性状态检修工作，简单、可靠的高压XLPE电缆绝缘在线监测对连续运作的电力系统势在必行。文献[18]在分析110/220 kV XLPE电缆绝缘在线监测的适用方法的基础上，提出了一种以监测低频响应信号和直流成分的复合在线监测法。考虑设备保护和排除干扰等因素，指明了该监测系统的各部分具体实现途径。

文献[19]提出的交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘老化自动检测系统采用直流成分法、直流叠加法和补偿电势法三种方法，可对运行中的XLPE电缆主绝缘状况和护套破损情况进行可靠、有效的现场在线监测，并实现对XLPE电缆绝缘老化状况的快速评估。介绍了该系统所采用的抗干扰技术及系统构成。文献[20]指出直流法在线检测中的最大干扰来自电缆护套绝缘电阻Rs和屏蔽接地化学电势Es对检测数据的影响已见诸多报道。本文通过实验进一步证实，理论上对直流叠加法不构成影响的Es在一定限度之上亦会造成被测信号真值被干扰电流所“淹没”。文章通过理论分析和模拟试验发现，采用适当的测试方法和数据处理可以

在很大程度上削弱或消除Rs和Es对测量的影响，拓宽检测范围并提高在线检测数据的可靠性。文献[21]结合模拟实验对直流法XLPE电缆绝缘在线诊断中可能出现的几个影响因素及其产生原因进行了实验分析研究，并提出了几种解决方案。

直流法在线测量是公认的可对XLPE电缆绝缘进行监视的较好方法，它的唯一缺憾是必须对电缆的接地线进行操作，这也是它推广所面临的与目前的电缆运行规程相矛盾之处[22]。这种矛盾正如在引言中所说，有可能不会维持太久。但从研究的角度和目前应用考虑，有必要不断开发出不用对电缆接地线进行操作的新测量方法和在线绝缘诊断技术，比如交流叠加法[23]、谐波电流法[24]等，以便解决目前对XLPE电缆绝缘进行评估的需要。同时，也有利于开发出集多种在线绝缘诊断功能于一体的智能专家系统，可以在任何条件下随时对运行中的XLPE电缆绝缘老化状态进行预警。 2.2 分布式光纤温度测量法

分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测的技术[25]。光纤传感器作为一种测量新技术，利用光波导原理，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点，近年来逐渐扩大应用范围和应用领域[26]。在光电子技术、计算机技术和微电子技术的发展带动下，分布式光纤传感技术迅速发展，从理论研究走向产品化，解决了很多使用传统传感器难以解决的问题，也是传感领域研究的一个热点。分布式光纤温度传感器的光纤即是传输介质，又是传感介质，可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高，误差小，与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比，以其独特的技术优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输和日常生活等各个领域。

作为一种新的测量技术，分布式温度传感系统解决了对温度场的分布式测量问题，特别是在具有强的电磁干扰等应用场合，具有明显的优点。本文的特点是理论性与实践性并重，理论研究着重于光纤传感技术所涉及的基本问题与共性问题以及测量的微弱信号的有效处理;系统设计实现则主要针对分布式光纤传感系统在长距离皮带传输线的实际温度检测和火灾报警中的要求和技术难点展开;理论与实践相结合所研制出的分布式光纤传感系统针对工业现场对分布式测量的要求，采用先进的光电子技术、数字处理技术、计算机软硬件技术和数据库技术等实现了虚拟仪器设计，适应用户对分布式温度测量的要求。 2.3 接地线电流法

XLPE 电缆主绝缘在运行过程中将流过一定量的电容电流，在 XLPE 电缆主绝缘老化过程中其电容电流量将呈增加趋势，从而导致接地线电流增大[27]。加速老化试验证明这种变化是比较明显的，同时交流击穿电压与接地线电流增量 ΔIg有较好的相关性[28]。故可排除掉与绝缘老化信息关联微弱的干扰信号，通过在线监测单相电力电缆的接地电容或三相电力电缆的接地不平衡电流，即可实时监测XLPE电缆的运行状态，防止XLPE电缆绝缘事故的发生。这种利用在线监测系统实时检测接地线电流中蕴含XLPE电缆绝缘老化信息的参量，并以此来综合评估 XLPE电缆绝缘老化程度的方法，称之为接地线电流法[29]。

接地线电流法是一种比较容易实现的方法。在线检测通过接地线的电容电

流，只要在接地线上套以电流互感器即可实现[30]。接地线电流法是目前用来进行电缆绝缘趋势管理的一种非常简单有效的方法。采用接地线电流法可以很安全地挂接在现场进行长期的数据采集与在线测量，因为检测装置与接地线无实质连接。在电力电缆的运行中将会有一电流流过电缆的主绝缘，此电流的主要成分为流过电缆主绝缘的电容电流，还有很小部分的阻性分量。由于电缆铜屏蔽采用单点接地的方式，在接地线上不会有感应电流流过，只是在电缆接架空线的一端有感应电压的存在[31]。因此，在电缆外屏蔽接地点处测量得到的电流就是流经电缆主绝缘的电流。将流经接地线的电流视为电容电流，那么只要在接地线上安装电流传感器及电流检测单元，即可实现对接地线的电容电流的增量的在线检测。

文献[32]从简介接地线电流法的原理入手，对电力电缆绝缘监测系统进行了硬件方面的初步设计。文献[33]提出了基于接地线电流法的110kV交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘在线监测的方案，以此设计出一套电力电缆绝缘在线监测系统，它包括传感器、基于AT89C55单片机和MAX199A/D转换器的数据采集和串口通信单元、以及后台微机监控系统。该方案成本较低，简便易行，系统运行稳定，安全可靠。文献[34]基于接地线电流法，文章提出并设计了一套多线路电缆绝缘在线监测系统。它由中心服务器和多个分布式终端节点组成，采用GPRS无线通信方式进行数据传输。系统具有成本低、安装方便、可扩展性强及简单有效等特点。 2.4 在线tan?法

对电缆绝缘层tan?占值的在线检测方法，与电容型试品在线检测tan?占方法很相似。对多路电缆进行tan?占巡回检测时，通常由电压互感器处获取电源电压的相位来进行比较。通常认为，发现集中性的缺陷采用直流分量法较好，因为tan?占值往往反映的是普遍性的缺陷，个别的较集中的缺陷不会引起整根长电缆所测到的tan?占值的显著变化。由于电缆绝缘中水树枝的增长会引起tan?占值的增大，但分散性较大。同样在线测出的tan?占值的上升可反映绝缘受潮、劣化等缺陷。交流击穿电压会下降，其间关系同样具有分散性。

在线tan?的电压分压器从测试电缆的高压部分引来一个电压信号， 电流互感器提供一个电流信号，这两个信号由tan?表内的自动平衡回路进行处理，从而测定电缆绝缘的损耗因数。在线检测tan?法对电缆绝缘老化的判断， 当电缆全长老化时效果好。对于电缆局部老化， 判断不够灵敏。把tan?法与直流成分法合并的复合判断法， 对电缆绝缘老化的判断很有效。据日本关西电力配电部的研究， 复合法对绝缘不良电缆的判断， 其准确度高达100%。 2.5 电缆局部放电检测

局部放电法是较有效的电缆诊断工具，能够在较宽的频带范围内获取电缆内由于绝缘劣化而产生的放电特征信息，配合一定的数字信号处理方法，可获得较

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高的检测灵敏度。对于电力电缆的局部放电检测，IEEE、CIGRE等权威机构均制定了测试导则与规范[36，37]，有助于实现电力电缆局放检测的标准化和规范化，提高检测数据的准确性[38]。

文献[39]指出局部放电检测是评价XLPE电力电缆绝缘状况的重要方法之一，近年来国内外研究了多种电气检测方法，文中介绍其中一些非传统的检测方法。从对不同电气设备局部放电检测的更广泛的领域来看，局部放电的宽频带和超高频检测方法也不断出现，对局部放电进行超宽频带和超高频带检测有下面3