电缆线路在线监控技术简介

交联聚乙烯（XLPE）电缆自问世至今已有四十多年的历史，由于它性能优良、工艺简单、安装方便，因而在国内外得到了广泛的应用。

对于XLPE电缆线路，一般在投运初期（1～5年），电缆线路的故障率较低，且多因电缆本体及附件或敷设、安装的质量问题而引发故障；运行中期（5～25年），电缆线路的故障率稳定在最低的水平。但此时的故障因素繁多，包括电缆本体绝缘老化、附件安装界面处的沿面放电、长期电应力作用以及外力等；运行末期（25年之后），受电缆本体绝缘的树枝老化、电-热老化及附件老化等因素的影响，电力电缆线路的故障率大幅攀升。这些电缆线路故障无疑是引发电网事故，造成重大经济损失的重要原因。因此，适时准确掌握电缆线路的运行状态，对合理处置故障隐患，保障电网稳定运行具有十分重要的意义。

电缆运行的可靠性应从两方面加以提高。一是发展与提高电缆的制造技术；另一方面是研究适宜的诊断技术，根据诊断结果对电缆线路进行合理的维护、检修或更换。诊断有离线和在线之分，采用在线监测技术可有效地保证电缆线路运行的可靠性，具有较高的经济意义。

电缆线路在线监测有以下几种方法。

1.直流分量法

劣化的电缆在交流电压作用下，由于老化区正负半周的放电不对称（放电的极性效应），在电缆绝缘层中有剩余电荷，此电荷通过电缆绝缘层经金属屏蔽而接地，形成直流电流分量。此方法是在线从电缆金属屏蔽层的接地线中检测出此直流分量的大小。直流分量法测量电路如图2-4-1所示。由中性点接地的电压互感器、高压配电线、被测电缆、诊断装置以及大地构成闭合电路。

图2-4-1　直流分量法测量原理

直流泄漏电流（流过电缆绝缘层总泄漏电流中的直流分量）的大小和绝缘层中水树枝的成长状态相关，因此，可以此判断水树枝或绝缘劣化的程度。这个直流泄漏电流比一般离线时，在直流高压下测得的泄漏电流小得多，是纳安（n A）数量级的。通常认为直流分量小于1n A时绝缘为良好，大于100n A时为绝缘不良，介于二者之间时要加强监测。

直流分量法存在的问题是，当电缆护层的绝缘电阻下降时，由于护层与地之间存在化学作用电势Es的作用，使测量装置中流过由Es引起的杂散电流，会影响测量和诊断的精度和可靠性。

2.直流叠加法

直流电压叠加法的机理是当对运行中绝缘逐渐劣化的电缆绝缘施加低直流电压（几伏至几十伏）时，将产生与劣化程度相应的直流电流。根据叠加的直流电压和测得的直流电流，用在线方法算出电缆绝缘电阻，判断绝缘劣化的状态。通过电压互感器（TV）的一次中性点将直流电压E加到高压母线上，从被测电缆屏蔽层的接地线测量直流电流，从而求出绝缘电阻。其测量线路如图2-4-2所示。

图2-4-2　直流叠加法测量原理

用直流叠加法测得的电缆绝缘电阻大于1000MΩ时绝缘良好，小于10MΩ时绝缘不良。

直流叠加法的优点在于可通过正反向叠加直流电压来消除Es引起的杂散电流的影响。此外，用该方法测得的绝缘电阻和用常规法测得的绝缘电阻值相对应。但是，当地中杂散电流变化大或电缆头表面泄漏电阻较低时，测量误差大。

3.损耗因数tanδ法

给电力电缆施加交流电压时产生的电流，分为电容电流分量和损耗电流分量。水树劣化的电缆绝缘电阻下降，损耗电流增加。但因分离电容电流分量和损耗电流分量困难，故多用损耗电流与电容电流之比的tanδ判断。然而tanδ是电压施加了一个周期的平均值，因而所得信息有一定局限性。

在线tanδ法。检测出线路运行电压与流过绝缘的电流（从电缆接地线中测出）相位差，以tanδ的大小来判定电缆绝缘的好坏。tanδ＞1%时，认为绝缘不良。

水树枝是含有大量亚微观裂纹或管状通道的集合体。施加高电场后，空隙内的水在麦克斯韦应力作用下沿电场方向拉伸，进一步扩展水树枝，因而电流剧增。因此，贯通水树的直流泄漏电流呈现非线性的电流—电压特性，并含有高次谐波分量。

tanδ测量得到的信息反应的是绝缘缺陷的平均程度。目前对用tanδ来衡量电缆绝缘老化还存在着不同看法，有的研究者认为，tanδ仅能反映电缆的吸水程度。

4.局部放电法(www.xing528.com)

局部放电历来是在线监测电力设备绝缘的一个方法，但由于现场电晕等放电干扰，在线监测局部放电比较困难。局部放电在线监测方法有电磁波法、超声波法、脉冲相位分析法等。测量点有只测量接头（包括中间接头）处局部放电（接头是现场制作，质量更不易保证）或整条电缆的局部放电。对测量信号的分析主要有频谱分析、小波分析、脉冲相位分析、分形分析、指纹分析等方法。

XLPE电缆对局部放电非常敏感，故对监测系统的灵敏度要求极高，电缆局部放电监测的主要困难是现场严重的干扰。

5.交流叠加法

对生成水树而劣化的电缆绝缘，在电缆金属屏蔽层上叠加（2倍工频+1）Hz的交流电压，检测由劣化而引起的1 Hz劣化信号。图2-4-3给出了交流叠加法测量示意图。

图2-4-3　交流叠加法测量原理

6.电桥法

通过TV中性点将直流电压E1施加于高压母线，靠TV中性点和被测电缆金属屏蔽间形成的电桥电路，完成电缆绝缘电阻的在线测量并判断电缆的劣化程度。

电桥法测量电路如图2-4-4所示，TV中性点和电缆金属屏蔽都经电容器使交流接地，而直流则是电桥电路。被测电缆的绝缘电阻成为一个桥臂。

图2-4-4　电桥法测量电路

电桥法的特点主要是：因是通过电桥根据已知电阻之比求取被测绝缘电阻，故能测量高电阻；护层绝缘电阻值低到数千欧姆时，也能测量电缆的绝缘电阻。但是电桥法在测量上仍存在一些问题，如：杂散电流变化时，电桥可能得不到平衡；被测点远离TV时，组成电桥电路花时间；和直流叠加法一样，也产生TV磁路饱和引起零序电压，这成为变电所继电器误动作的一个原因。

7.低频叠加法

低频叠加法是将低频电压叠加于高压回路与地之间，从电缆屏蔽的接地线处测出低频电流，其中有功电流分量可换算为绝缘电阻值，一般认为，绝缘电阻小于1000MΩ时，电缆性能不好，小于400MΩ时，电缆应立即更换。

8.差频法

含水树枝的电缆在两个频率相近或频率近似呈倍数关系的正弦电压共同作用下产生的一种超低频差频响应电流，可用于XLPE电缆绝缘水树枝老化状态的在线检测。因为差频响应是较为规则的超低频正弦电流，易与干扰分离，故适于较强静电干扰或较大杂散电流干扰下的现场测量。

近20年来，为了保障XLPE电力电缆的安全运行，电力电缆绝缘在线监测技术得到了长足的发展。目前针对XLPE电缆绝缘的主要在线监测方法研制热点有：直流成分法、直流叠加法、泄露电流法、在线损耗因数tanδ法、局部放电法等。典型的如德国、英国学者进行的电缆及接头局部放电在线监测技术研究，日本学者进行的电缆直流分量与直流叠加及损耗因数tanδ的在线监测技术。前者对于绝缘水树枝劣化状态，特别是对于个别危险长度水树枝比较敏感，后两者对电缆整体老化、受潮等反应显著，两者结合可以取得较好的绝缘诊断结果。

目前，国内利用现代电力电子技术、计算机技术和通信技术自主研发的HDCS高压电缆综合在线监控系统，处于国内技术的领先水平，具有完全的自主知识产权，拥有多项技术专利及著作权，拥有大量成功案例。

系统总框架如图2-4-5所示，可分为高压电缆隧道综合在线监控系统和无线型高压电缆在线监测系统两类产品，下面分别介绍。

图2-4-5　高压电缆运行状态在线监测系统