電力電纜絕緣在線監(jiān)測方法分析

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長,人們對(duì)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(biāo)。電力電纜作為電網(wǎng)運(yùn)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(diǎn)位置,如果不能及時(shí)排除還會(huì)造成停電的風(fēng)險(xiǎn)。電纜絕緣在線監(jiān)測可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患,進(jìn)行絕緣老化趨勢分析,并預(yù)測電纜壽命,對(duì)電纜的可靠運(yùn)行有深遠(yuǎn)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(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較多,與之匹配的監(jiān)控終端和系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)都要相應(yīng)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(diǎn)需要在鋪設(shè)電纜的同時(shí)布置,增加了老舊線路的改造困難。由于現(xiàn)場強(qiáng)電磁場的干擾,系統(tǒng)對(duì)通信設(shè)備的抗干擾能力、精度、響應(yīng)時(shí)間都有著較高的要求:同時(shí),要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測,這就對(duì)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(jì)80年代初就對(duì)電纜在線監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)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(biāo)準(zhǔn),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(xué)、上海交大、武漢高電壓研究所等機(jī)構(gòu)在這方面的研究上都取得了長足進(jìn)展。

1.1直流法

當(dāng)電纜中有樹枝化缺陷時(shí),電纜結(jié)構(gòu)可以等效成一對(duì)尖板電極,電纜芯體相當(dāng)于高電極,電纜屏蔽護(hù)套和接地線相當(dāng)于低電極,在兩者之間構(gòu)成回路,形成整流效應(yīng),且產(chǎn)生的泄漏電流含有微量的直流分量。因此,這個(gè)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(jìn)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(shí)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(hào),只留下直流分量,再通過放大器進(jìn)行放大,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,由計(jì)算機(jī)處理分析。

優(yōu)點(diǎn):無需額外的電源,測量裝置輕量化:測量時(shí)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(diǎn):該方法存在很大的局限性。這是因?yàn)殡娎|屏蔽層與大地之間會(huì)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(jí)十分微小(納安級(jí)）,容易對(duì)測量信號(hào)形成干擾,導(dǎo)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(diǎn)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(jì)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(duì)產(chǎn)生的直流電流的差值進(jìn)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(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響,本方法抗干擾能力較強(qiáng):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(diǎn):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(zhǔn)確評(píng)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(yùn)行電壓上,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生1Hz的特征電流信息,通過測量系統(tǒng)的分析進(jìn)而可評(píng)估電纜的絕緣老化程度,如圖3所示。當(dāng)疊加101.4Hz的交流電壓時(shí),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(dá)到最大值,但是在沒有老化問題的電纜中不會(huì)檢測到該電流。

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

缺點(diǎn):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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

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(hào)的相位差6,即介質(zhì)損耗角。將6做正切計(jì)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(diǎn):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(yīng)用于所有電壓等級(jí)的電纜,適用性強(qiáng):可以有效避免工頻信號(hào)和外界雜散信號(hào)的干擾,測量結(jié)果更接近實(shí)際值,準(zhǔn)確性高。

缺點(diǎn):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(zhǔn),適用范圍有限。

1.4局部放電法

電纜發(fā)生局部放電時(shí),我們可以利用放電點(diǎn)處產(chǎn)生的物理現(xiàn)象來評(píng)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(hào)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(hào)的超聲波法,監(jiān)測熱信號(hào)的溫度傳感器法,監(jiān)測化學(xué)信號(hào)的化學(xué)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(hào),經(jīng)過去噪處理,提取局部放電信號(hào)特征數(shù)據(jù),然后通過比對(duì)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(jìn)而判斷電纜壽命,其流程如圖5所示。

優(yōu)點(diǎn):采用傳感器獲取局放信號(hào),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(zhǔn)確率。

缺點(diǎn):強(qiáng)電磁場干擾源很多:采集的信號(hào)量微弱:缺少現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及絕緣劣化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1.5低頻疊加法

該方法是在運(yùn)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(shí)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(jì)算絕緣電阻值,進(jìn)而判斷電力電纜絕緣狀況。

優(yōu)點(diǎn):診斷結(jié)果可靠性高:電源容量小。

缺點(diǎn):電纜端部的工作狀態(tài)會(huì)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(dāng)xLPE電纜存在樹枝缺陷時(shí),在運(yùn)行電壓下,損耗電流中會(huì)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(huì)隨著電纜劣化程度的增加而嚴(yán)重,諧波分量也會(huì)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(diǎn):檢測靈敏度只跟缺陷電纜長度有關(guān),完好部分不會(huì)對(duì)監(jiān)測結(jié)果造成影響,不易受外界信號(hào)的干擾。

缺點(diǎn):電網(wǎng)中的諧波分量是制約該技術(shù)應(yīng)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(huì)上升,電容也會(huì)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(gè)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(diǎn):安裝檢測過程簡便快捷。

缺點(diǎn):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(huì)在電纜場強(qiáng)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(qiáng)度等光學(xué)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(dǎo)電層等在過熱條件下隨時(shí)間的耗氧量變化率,同時(shí)對(duì)其電、力方面的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)材料氧化反應(yīng)特征數(shù)據(jù)的變化趨勢來評(píng)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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

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(diǎn),如表1所示。

但在實(shí)際應(yīng)用中,實(shí)施成本關(guān)乎到經(jīng)濟(jì)性和可行性,是必須考慮的因素。下面以一個(gè)10kV變電站為單位,對(duì)以上幾種電纜絕緣在線監(jiān)測方法的實(shí)施成本進(jìn)行分析。

假設(shè)一個(gè)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(fèi)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(shí)施成本遠(yuǎn)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(jì)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(yīng)用于電力電纜領(lǐng)域,但在實(shí)際運(yùn)行中我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題需要改進(jìn):

(1）提高設(shè)備測量精度。由于被測信號(hào)的量級(jí)十分微小,監(jiān)測設(shè)備的精度會(huì)對(duì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確度造成影響。

(2）抑制干擾。干擾信號(hào)影響著測量結(jié)果的準(zhǔn)確率,硬件濾波和先進(jìn)的軟件去噪算法是信號(hào)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(shí)現(xiàn)多種方法聯(lián)合監(jiān)測可有效提高測量結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性。

(4）建立評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)?，F(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(yùn)行經(jīng)驗(yàn),有待建立關(guān)于絕緣在線監(jiān)測的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

(5）電纜結(jié)構(gòu)的改進(jìn)?？梢栽诂F(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(yù)留接口。當(dāng)需要進(jìn)行監(jiān)測時(shí),只需將監(jiān)測裝置與預(yù)留接口相連,以簡化操作,而且這種設(shè)計(jì)特別適用于地下敷設(shè)的長距離電纜。

3結(jié)論

（1）實(shí)際運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)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(duì)電纜的可靠性進(jìn)行定量分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患,進(jìn)行絕緣老化趨勢分析,并預(yù)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(yù)防性測試將成為運(yùn)行管理的必然結(jié)果。

（2）上文所述的方法已被應(yīng)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(zhǔn)確性,積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并建立相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),是今后我們研究的主要方向。