電力電纜絕緣在線監(jiān)測方法分析

引言

隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增長,人們對電力的需求日漸提高,供電質(zhì)量也成為電力部門重要的考核指標。電力電纜作為電網(wǎng)運行不可或缺的組成部分,其舉足輕重的地位不言而喻。

由于大多數(shù)電纜鋪設(shè)在地下,不僅不容易查找故障點位置,如果不能及時排除還會造成停電的風險。電纜絕緣在線監(jiān)測可以實時監(jiān)控電纜的運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)故障隱患,進行絕緣老化趨勢分析,并預測電纜壽命,對電纜的可靠運行有深遠的影響。因此,電力電纜絕緣在線監(jiān)測勢在必行。

電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)需根據(jù)電纜的分布情況布置監(jiān)測點,監(jiān)測點數(shù)量相對較多,與之匹配的監(jiān)控終端和系統(tǒng)通信節(jié)點都要相應增加,這從設(shè)備成本上就限制了該技術(shù)的發(fā)展。更有一些監(jiān)測點需要在鋪設(shè)電纜的同時布置,增加了老舊線路的改造困難。由于現(xiàn)場強電磁場的干擾,系統(tǒng)對通信設(shè)備的抗干擾能力、精度、響應時間都有著較高的要求:同時,要實現(xiàn)多點實時監(jiān)測,這就對通信技術(shù)的高速傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

1電力電纜絕緣在線監(jiān)測方法的原理分析

在國外,日本早在#0世紀80年代初就對電纜在線監(jiān)測領(lǐng)域進行了探索,并開發(fā)了多種監(jiān)測技術(shù),如直流分量法和介電損耗法,為在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。西方國家也相繼開展了大量電纜在線監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究,并制定了行業(yè)標準,也取得了豐碩的成果。

在在線監(jiān)測方面,我國的相關(guān)研究比較滯后。研究單位主要是高校和電力方面的科研院所,清華大學、上海交大、武漢高電壓研究所等機構(gòu)在這方面的研究上都取得了長足進展。

1.1直流法

當電纜中有樹枝化缺陷時,電纜結(jié)構(gòu)可以等效成一對尖板電極,電纜芯體相當于高電極,電纜屏蔽護套和接地線相當于低電極,在兩者之間構(gòu)成回路,形成整流效應,且產(chǎn)生的泄漏電流含有微量的直流分量。因此,這個泄漏電流直流分量可以反映出電纜樹枝的存在,并且可通過直流分量的大小來判斷絕緣的劣化程度。

直流法可以進一步劃分為直流分量法和直流疊加法兩種在線監(jiān)測方法。

1.1.1直流分量法

該方法原理是測量電纜接地線中泄漏電流的直流分量,將測量裝置和電纜接地線相連,如圖1所示。在工頻電壓下,同時存在較大的工頻電流和微量的直流泄漏電流成分,所以需要通過濾波器濾去工頻及干擾信號,只留下直流分量,再通過放大器進行放大,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,由計算機處理分析。

優(yōu)點:無需額外的電源,測量裝置輕量化:測量時只連接電纜接地線,不接觸電纜線芯帶電部分,保障了工作人員的人身安全。

缺點:該方法存在很大的局限性。這是因為電纜屏蔽層與大地之間會形成分布性電容,產(chǎn)生大量的雜散電流,并且受電纜端部污穢程度的影響,加之被測電流的量級十分微小(納安級）,容易對測量信號形成干擾,導致測量精度不高。

1.1.2直流疊加法

此方法是將在低電壓直流電源裝置(通常取50V）與接地電壓互感器中性點串聯(lián),利用并聯(lián)電容和電感線圈濾去交流分量,之后采用靈敏系數(shù)高的設(shè)備來測量電纜中的直流分量,計算電纜的絕緣電阻并判斷絕緣的劣化程度,如圖2所示。

勢疊加在電纜絕緣中,對產(chǎn)生的直流電流的差值進行數(shù)據(jù)分析處理[#]。因此能夠有效消除單向雜散干擾電流對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響,本方法抗干擾能力較強:在高壓系統(tǒng)中,電纜直流分量太小,不易被檢測到,所以該方法只適用于監(jiān)測中低壓電纜絕緣系統(tǒng)。

缺點:電纜絕緣電阻與絕緣剩余壽命之間沒有直接聯(lián)系,并且具有很大的分散性,無法準確評估電纜絕緣的剩余壽命:不適用于高壓電纜線路監(jiān)測。

1.2交流疊加法

該方法是將101Hz的交流電壓疊加在xLPE電纜的運行電壓上,此時會產(chǎn)生1Hz的特征電流信息,通過測量系統(tǒng)的分析進而可評估電纜的絕緣老化程度,如圖3所示。當疊加101.4Hz的交流電壓時,絕緣老化的電纜將產(chǎn)生顯著的特性電流,并且特性電流達到最大值,但是在沒有老化問題的電纜中不會檢測到該電流。

優(yōu)點:安裝檢測過程簡便快捷,不易受外界信號的干擾,檢測結(jié)果精準度高。

缺點:該方法用于現(xiàn)場電纜絕緣監(jiān)測的案例較少,缺少現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及絕緣劣化的評估標準。

1.3介質(zhì)損耗因數(shù)法

使用電壓互感器測量電纜兩端的電壓,電流互感器測量通過絕緣層的泄漏電流,通過數(shù)字化測定器的處理,可以獲得電流與電壓信號的相位差6,即介質(zhì)損耗角。將6做正切計算,得到電纜絕緣的損耗因數(shù)tan6,如圖4所示。該方法能夠反映出電纜絕緣的老化程度,6值與電纜樹枝老化程度成正相關(guān),6值越小代表電纜絕緣狀態(tài)越良好。

優(yōu)點:tanδ反映的是電纜本身的介電損耗特性,與工況無關(guān),因此該方法可以應用于所有電壓等級的電纜,適用性強:可以有效避免工頻信號和外界雜散信號的干擾,測量結(jié)果更接近實際值,準確性高。

缺點:該方法只能體現(xiàn)電纜絕緣的整體老化程度,不能得出局部的相關(guān)數(shù)據(jù),因此其檢測結(jié)果不夠精準,適用范圍有限。

1.4局部放電法

電纜發(fā)生局部放電時,我們可以利用放電點處產(chǎn)生的物理現(xiàn)象來評估電纜的絕緣狀況。如監(jiān)測電磁波和電脈沖及其反射信號的差分法、電磁耦合法、方向耦合法、超高頻電容法和超高頻電感法,監(jiān)測聲信號的超聲波法,監(jiān)測熱信號的溫度傳感器法,監(jiān)測化學信號的化學監(jiān)測法等。

該方法通過不同類型的傳感器收集不同的特征局部放電信號,經(jīng)過去噪處理,提取局部放電信號特征數(shù)據(jù),然后通過比對局部放電特征數(shù)據(jù)庫,判斷絕緣故障類型,并通過局部放電量的變化分析絕緣老化的趨勢,進而判斷電纜壽命,其流程如圖5所示。

優(yōu)點:采用傳感器獲取局放信號,不需改變電網(wǎng)的原有接線方式,檢測設(shè)備安裝簡便:可以采用多種監(jiān)測方法和多種類型的局部放電傳感器聯(lián)合檢測,以減少誤差,提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準確率。

缺點:強電磁場干擾源很多:采集的信號量微弱:缺少現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及絕緣劣化的評估標準。

1.5低頻疊加法

該方法是在運行電纜的絕緣上疊加低頻電源,測量裝置串聯(lián)在電纜接地線上,以檢測此時的低頻電流[4]。電纜可以等效成電容的并聯(lián)電路,低頻電源和工頻電壓兩者產(chǎn)生的容性電流差值很大,阻性電流相同,所以便于區(qū)分。根據(jù)阻性電流計算絕緣電阻值,進而判斷電力電纜絕緣狀況。

優(yōu)點:診斷結(jié)果可靠性高:電源容量小。

缺點:電纜端部的工作狀態(tài)會影響監(jiān)測結(jié)果,可能做出誤判。

1.6諧波分量法

該方法的原理是當xLPE電纜存在樹枝缺陷時,在運行電壓下,損耗電流中會產(chǎn)生諧波分量,可用來判斷電纜絕緣劣化情況。長期的研究數(shù)據(jù)顯示,損耗電流的畸變會隨著電纜劣化程度的增加而嚴重,諧波分量也會逐漸變大,諧波分量包含電纜樹枝缺陷絕緣水平的數(shù)據(jù)。

優(yōu)點:檢測靈敏度只跟缺陷電纜長度有關(guān),完好部分不會對監(jiān)測結(jié)果造成影響,不易受外界信號的干擾。

缺點:電網(wǎng)中的諧波分量是制約該技術(shù)應用于在線監(jiān)測的關(guān)鍵因素。

1.7接地電流法

隨著xLPE電纜絕緣水平的降低,損耗因數(shù)tan6會上升,電容也會隨之產(chǎn)生改變,電容和通過接地線的電流都有上升的趨向,這個變化非常明顯。研究數(shù)據(jù)表明,接地線電流的增幅與擊穿電壓存在密切的聯(lián)系。具體操作方法就是將電流傳感器安裝在電纜的接地線上,接地電流隨絕緣狀況而變化,因此接地電流法是所有監(jiān)測方法中最基本、最直觀的方法。

優(yōu)點:安裝檢測過程簡便快捷。

缺點:要求傳感器的靈敏度和精度都比較高。

1.8其他方法

場致發(fā)光法:電樹枝產(chǎn)生前,電場激發(fā)的電子會在電纜場強集中的位置撞擊熒光物質(zhì),從而產(chǎn)生的高效冷光,我們稱之為場致發(fā)光。xLPE電纜在不同的起始電壓下,場致發(fā)光的波長、色度、強度等光學參數(shù)特征具有相關(guān)性,可以反映出電纜絕緣狀況。

氧化特征法:該方法是測量電纜及其接頭絕緣層和半導電層等在過熱條件下隨時間的耗氧量變化率,同時對其電、力方面的特征數(shù)據(jù)進行分析,根據(jù)材料氧化反應特征數(shù)據(jù)的變化趨勢來評估電纜老損程度,并且制定出了耗氧量和電纜狀態(tài)關(guān)系的評估標準。

通過以上研究發(fā)現(xiàn),絕緣在線監(jiān)測技術(shù)和手段有很多種,每種方法都有各自的優(yōu)缺點,如表1所示。

但在實際應用中,實施成本關(guān)乎到經(jīng)濟性和可行性,是必須考慮的因素。下面以一個10kV變電站為單位,對以上幾種電纜絕緣在線監(jiān)測方法的實施成本進行分析。

假設(shè)一個10kV變電站有24條10kV出線,其中20條為電纜線路。1套電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、通信設(shè)備、監(jiān)測儀器、傳感器和輔材,所有監(jiān)測技術(shù)均只有1套系統(tǒng)軟件和1條通信設(shè)備,而其他元件、裝置的具體數(shù)量及費用如表2所示。

從表2可以看出,采用無源監(jiān)測的直流分量法、局部放電法、諧波分量法和接地電流法實施成本遠低于有源監(jiān)測法,接地電流法投資最少,直流疊加法投資最高。如果監(jiān)測電纜線路數(shù)量較多,采用直流分量法和局部放電法經(jīng)濟性更高。

2問題及發(fā)展方向

絕緣在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于電力電纜領(lǐng)域,但在實際運行中我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題需要改進:

(1）提高設(shè)備測量精度。由于被測信號的量級十分微小,監(jiān)測設(shè)備的精度會對測量結(jié)果的準確度造成影響。

(2）抑制干擾。干擾信號影響著測量結(jié)果的準確率,硬件濾波和先進的軟件去噪算法是信號抗干擾的重要手段,也是我們的主要研究方向。

（3）聯(lián)合監(jiān)測。單一監(jiān)測方法都具有局限性,實現(xiàn)多種方法聯(lián)合監(jiān)測可有效提高測量結(jié)果準確性和可靠性。

(4）建立評估標準。現(xiàn)階段,我國在電纜絕緣在線監(jiān)測領(lǐng)域缺乏足夠的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本及運行經(jīng)驗,有待建立關(guān)于絕緣在線監(jiān)測的統(tǒng)一標準。

(5）電纜結(jié)構(gòu)的改進。可以在現(xiàn)有電纜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,在電纜內(nèi)部增加能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測功能的模塊,并預留接口。當需要進行監(jiān)測時,只需將監(jiān)測裝置與預留接口相連,以簡化操作,而且這種設(shè)計特別適用于地下敷設(shè)的長距離電纜。

3結(jié)論

（1）實際運用的經(jīng)驗以及研究數(shù)據(jù)告訴我們,通過電纜絕緣在線監(jiān)測,能夠有效地對電纜的可靠性進行定量分析,及時發(fā)現(xiàn)故障隱患,進行絕緣老化趨勢分析,并預測電纜壽命。因此,電力電纜絕緣在線監(jiān)測勢在必行,而其替代電纜預防性測試將成為運行管理的必然結(jié)果。

（2）上文所述的方法已被應用于電力電纜絕緣在線監(jiān)測領(lǐng)域,如何克服各種監(jiān)測方法單一使用的局限性,提高測量結(jié)果準確性,積累運行經(jīng)驗并建立相關(guān)行業(yè)標準,是今后我們研究的主要方向。