席傲然　莫岳平

摘? 要：密集的高架式電纜不僅危險程度高、維修風險大，還影響著土地利用率和市容美觀。為了推動城市化的進程、保證人們的生活質量以及人身安全，地下高壓電纜的普及是必然趨勢。但電纜下地也給電纜故障檢測帶來困難，如何快速有效的解決電纜故障檢測問題成了研究的重點。文章在分析了高壓電纜絕緣接頭絕緣故障原因的基礎上，總結了現有電纜絕緣故障檢測方法，分析了不同方法的利弊和適用場所，著重介紹了現有電纜接頭絕緣故障檢測產品的特點及其應用情況。為有效解決電纜、特別是電纜接頭絕緣故障檢測問題提供參考。

關鍵詞：高壓電纜;電纜接頭絕緣故障;在線檢測方法

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）31-0028-04

Abstract： The dense overhead cable is not only dangerous， but also affects the land utilization rate and the appearance of the city. In order to promote the process of urbanization， ensure people's quality of life and personal safety， the popularity of underground high voltage cable is an inevitable trend. However， it is difficult to detect cable faults under ground. So how to solve cable fault detection quickly and effectively has become the focus of research. In this paper，based on the analysis of the insulation fault reasons of the high-voltage cable insulation joints， the existing cable insulation fault detection methods are summarized， the advantages and disadvantages of different methods and their application places are analyzed， and the characteristics and application of the existing cable insulation fault detection products are emphatically introduced. It provides a reference for effectively solving the problem of cable， especially cable joint insulation fault detection.

Keywords： high voltage cable; cable joint insulation fault; on-line detection method

引言

隨著科學技術的大力發(fā)展，人們的生活水平逐年提高，越來越多的新型用電設備隨之而來。在滿足人們對更高生活質量的要求的同時，也大幅度增加了用電需求，從而對電網的要求也越來越高。這種現象不僅對供電增加了壓力，也大大提高了電纜的故障頻率，威脅著供電的安全和穩(wěn)定，這在一些特殊場合帶來的風險往往是致命的，并且伴隨著巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。如今高壓電纜已經在地下電網、發(fā)電廠、變電站等場所占據了主流地位，電纜故障已成為重大電網事故的主要源頭。其中最容易受到損傷的就是電纜接頭，由于電纜接頭需要現場制作，因此更容易形成缺陷而引起絕緣故障的發(fā)生。據統(tǒng)計，電纜接頭故障占電纜故障的85%左右。有效的檢測方法很少，維修也成了一大難題。因此，如何高效低風險解決電纜接頭絕緣檢測問題成了人們所關注的重點。本文在分析了高壓電纜絕緣接頭故障原因的基礎上，總結了現有電纜絕緣故障檢測方法，分析了不同方法的利弊和適用場所，著重介紹了現有電纜接頭絕緣故障檢測產品的特點及其應用情況，為有效解決電纜、特別是電纜接頭絕緣故障檢測問題提供參考。

1 導致電纜接頭絕緣故障的主要因素

1.1 絕緣層老化

電纜接頭在使用了一定的時間后，其絕緣層總會受到一定因素的影響變得效果大不如初。這些因素是多種多樣的，如溫度和環(huán)境的變化、絕緣受潮、化學反應的腐蝕、汽車壓過路面等導致的外力破壞、長期過負荷運行等等因素都會破壞電纜接頭原有的絕緣層，也就是絕緣層的老化。

1.2 電纜接頭制作中出現的問題

電纜接頭制造的高精密性要求制造商的產品完全依照標準生產，小部分的工廠難免為了利益因素或者趕工導致電纜本身的絕緣不勻稱，體表存在小型瑕疵，絕緣層中混入雜質等等;電纜接頭附件密封不嚴實，由于外部環(huán)境較差，使得接頭暴露在空氣中，讓水分滲入造成電纜接頭受潮;沒有預留足夠的管長使得電纜接頭絕緣內縮，造成接頭以及絕緣管的交界處有縫隙，在通電使用后，這個縫隙會不斷釋放出微小的電流，直到中間電纜接頭被擊穿。

1.3 發(fā)熱

高壓電纜長期處于通電狀態(tài)，會使電纜發(fā)熱。若絕緣層氣隙不勻可能會造成局部受熱，導致電纜受損。而鋪設在一些特殊環(huán)境或者鋪設密集地方的電纜也會存在著一系列如電纜散熱不好或長期過負荷運行而導致電纜接頭絕緣層的壽命大大衰減。

2 電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測方法

2.1 預防性試驗

過去，我國普遍使用的是預防性試驗的方法。有些地區(qū)的預防性試驗是按計劃將電纜經固定周期停運，然后進行絕緣、運行方面的檢測。這種檢測方法從本質上來說是一種離線檢測，需要斷電才能夠進行，存在著相當大的弊端。如進行一次檢修所需的周期長，過程繁瑣難以一次完成等等，難以滿足供電配電的需求。并且使用離線檢測的方法常常伴隨著操作不夠靈活、方便直觀。在測量現場測量時，電磁干擾較大，使得到的結果不準確或是有些材質的高壓電纜對此方法不適用。

因此如何做到在線絕緣狀態(tài)檢測成為當今研究的熱點，也成為電纜絕緣檢測技術的必然趨勢。[1]

2.2 電纜絕緣狀態(tài)在線檢測技術

電纜在線絕緣狀態(tài)檢測技術即是在不斷電的情況下依舊能夠對電力設備進行絕緣狀態(tài)檢測。在檢測過程中能夠實時更新檢測數據，并快速將檢測結果傳送到計算機中，使得測量過程智能化。這樣做既可以防止離線檢測帶來的停電困擾，又可以及時避免電纜絕緣損壞帶來的重大事故，提高了供電配電效率。并且，測試過程簡便靈活，大大減少了人力物力的耗費。

在歷經多種材質的電纜更替后，交聯(lián)聚乙烯電纜（Cross-linked polyethylene insulated cable，簡稱XLPE）憑借其絕緣性能好、易于生產和安裝、受周邊環(huán)境影響較小、壽命長等優(yōu)勢，在國內外得到了廣泛的應用。近些年，針對XLPE電纜絕緣狀態(tài)在線檢測技術，國內外學者已開展了一些研究，并取得了一系列的成果。

2.2.1 直流疊加法

直流疊加法在各種在線監(jiān)測方法中運用較為廣泛，它的原理是在電壓互感器中性點接地處加上一個約為50V的直流電壓，使得交流高壓上疊加有低直流電壓，進而測得當前電纜的絕緣電阻，以此判定電纜的老化程度。日本已經給出了這種方法測絕緣電阻的判斷標準，如表1所示：

直流疊加法測得的電纜絕緣電阻與停電后加直流高壓時測得的絕緣電阻數值很相近，得到的數據較為準確，能夠很好地測得水樹枝泄露的電流分量大小，并且快速有效的進行電纜絕緣電阻的在線監(jiān)測。[2]

2.2.2 直流分量法

研究表明電纜樹枝化的絕緣缺陷能夠產生整流效應，這種效應指的是在反復流過交流電壓時水樹枝會在正半周期注入少量的正電荷而在交流負半周期注入大量的負電荷，造成放電不對稱。這樣一來正電荷被完全中和而剩余大量負電荷，就會聚集在電纜的絕緣層上。在一定時間后這些負電荷就會向樹枝尾端運動，從而產生微弱的直流電流泄露。而直流分量法就是通過檢測這些泄露的直流電流來進行電纜絕緣在線監(jiān)測（圖1）。[3]

2.2.3 局部放電法

當電纜局部區(qū)域的電場強度達到電介質擊穿場強時就會產生局部放電現象，從檢測原理方面可歸納為電氣測試法和非電氣測試法兩大類。電氣測試法具有高靈敏度、高精確性的優(yōu)點，但容易受到外界干擾;非電氣測試法不易受到電磁信號的干擾但是靈敏度較低，各有所長。國內外研究較多的電纜局部放電檢測方法有差分法、電磁耦合法、溫度檢測法、超聲波檢測法等。[4]

（1）差分法

差分法（如圖2所示）是將兩塊金屬箔分別貼在中間接頭金屬屏蔽絕緣外側，用絕緣墊圈隔開，中間連接5Ω的檢測阻抗構成回路。當電纜的一側出現放電現象，便能檢測到局部放電信號，并且由于產生的噪聲信號在阻抗兩端不能產生壓降，因此可以很好的抑制噪聲。但這種方法因為安裝檢測較為繁瑣，難以在現場應用，具有局限性。[5]

（2）電磁耦合法

電磁耦合法目前是檢測電纜局部放電的最有效方法，它由局部放電信號垂直穿過電磁耦合圈，通過電磁轉換來使得回路感應局部放電信號。通過在電纜接頭處安裝局部放電傳感器，來捕捉電纜接頭產生的局部放電信號從而進行采樣分析和數模轉換來獲得數據。這種方法由于占用空間小、抗干擾性強，這幾年在電力電纜絕緣檢測中得到了廣泛的應用。但安裝內置局部放電傳感器只能在施工的過程中添加，改變了接頭的電場分布，也具有一定局限性。[6]

（3）超聲波檢測法

電纜接頭絕緣故障時會在局部放電位置產生超聲波，超聲波檢測電纜局部放電是通過檢測輻射信號進行的，通過超聲傳感器來檢測局部放電的輻射信號，可以捕捉到很微小的小火花放電，然后通過信號處理能夠精確地定位故障位置。并且通過向電纜發(fā)送一定信號頻率的超聲波，通過檢測其回傳反射波的強弱更是可以知曉故障的原因所在。目前，超聲波檢測方法已經被應用于很多領域，研究表明，檢測20-300kHz的聲信號用以表征電纜局放特征最為合適。[7]

與上述幾種電纜接頭的絕緣檢測方法對比，超聲波檢測法具有較大的優(yōu)越性：

（1）超聲波檢測法是一種非入侵式檢測方法，不會對正在運行的電纜和設備造成影響，也無需進行斷電檢測，避免了周期離線檢測所帶來的不便。

（2）超聲波具有很強的定向性和很快的傳播速度，能夠對故障部位進行精準定位，同時也大大縮短了檢測時間，大大提高了檢測效率。

（3）超聲波檢測使用成本低，檢測效果精確，原理簡單易懂，并且與其他檢測方法比它還具有受現場電磁干擾小的優(yōu)點，可以大大減少測量誤差。

（4）超聲波檢測法是一種新興的檢測方法，并且隨著傳感技術的提高，測量的精度也會大大提高，具有非常良好的市場前景。

3 電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測現有產品及應用

基于超聲波檢測法的種種優(yōu)點，現如今，國內外針對電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測已經做了很多研究，設計發(fā)明出了一系列產品來解決電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測問題，并將這些產品應用于實際。

3.1 超聲波檢測儀

基于超聲波局部放電檢測技術，使用STM32微處理器來制作出一種能夠測試出80cm范圍內的局部放電超聲波信號的超聲波檢測儀。這種測試方法的基本設計思路是將超聲波產生的微弱信號經由放大電路進行放大，并通過濾波手段抑制現場產生的低頻高頻干擾，從而使得通帶內的幅頻特性更加平穩(wěn)，最后經由A/D轉換傳到上位機顯示，從而制作出一種STM32內核的超聲波電纜局部檢測裝置。該裝置采用了中心頻率為27kHz的接收探頭，能夠進行80cm內有效測距，具有便于攜帶，靈敏度高等優(yōu)點。[8]

3.2 一種適合帶有交叉互聯(lián)線的XLPE電纜絕緣接頭局放檢測傳感器

該裝置使用了兩個VHF鉗形傳感器分別裝于XLPE電纜接頭兩側，并配合一個放置在交叉互聯(lián)箱上的UHF傳感器，若這兩種傳感器都能夠同時檢測到信號時，便能夠判斷該信號是由電纜接頭內部發(fā)出的。采集到信號的傳感器經由同軸電纜同時輸送到數字示波器中，并通過計算機反映出來（結構示意圖如圖3所示）。此方法能夠判斷出電纜故障是否是由電纜接頭內部產生的，適用于已經投運的XLPE電纜接頭絕緣的在線監(jiān)測。[9]

4 基于超聲波的電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測裝置設計

通過搜集多方資料進行比對，并進行了不斷地改進和實驗，揚州大學課題組研究了適合在線監(jiān)測電纜接頭局部放電的超聲波檢測裝置。該檢測裝置硬件部分可分為現場傳感器和主機兩部分?，F場傳感器安裝在電纜接頭部位，主機則放在監(jiān)控室內，現場傳感器的信號擬通過光纜傳送到主機?，F場傳感器主要包括超聲波探頭、阻抗匹配電路、前置放大電路、濾波電路、后級放大電路;主機主要包括DSP，上位機，以及基于DSP的外圍電路。軟件部分包括，濾波算法、信號采集算法、數據傳輸算法以及上位機軟件。

依據超聲波檢測原理的電纜接頭絕緣狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖如圖4所示。

在電纜接頭發(fā)生故障后，通過現場傳感器檢測超聲波信號，并通過超聲波接收探頭與調理電路進行接收處理。但由于信號與探頭之間存在間隔，而且超聲波信號在傳播的過程中會因受到障礙物的阻隔而衰減，再加上本身信號微弱，使得有用的超聲波信號難以采集，因此一個用于放大超聲波信號的調理電路是非常必要的。[10]因此我們運用了一個調理電路對信號進行放大處理，利用超聲波探頭使超聲波信號轉化為電信號進行放大，濾波后傳給DSP外圍程控電路進行程控放大，并進行A/D采樣數字化，最終傳輸給上位機顯示，從而能夠清楚判斷電纜接頭是否故障。

基于上述理論，揚州大學課題組設計并制作了基于超聲波檢測的電纜接頭絕緣狀態(tài)在線檢測裝置，并對調理電路、電源電路以及采樣程序、上位機顯示模塊界面都進行了設計與改進。該裝置經實驗室實驗驗證，檢測效果良好，并具有較好的可靠性。后期如能產業(yè)化，產品將具有良好的發(fā)展前景和經濟價值。

5 結束語

目前而言，電力電纜不僅僅是應用于地下的輸電供電，在各行各業(yè)的運用也越發(fā)廣泛，如艦船電纜、飛機電纜等等，因此電纜絕緣故障的研究并不僅限于此。既然電纜絕緣故障無法避免，為了減少損失，電纜絕緣狀態(tài)檢測也應成為日后研究的熱點。本文綜合闡述了高壓電纜絕緣狀態(tài)的檢測方法，由于電纜接頭的特殊性，重點介紹了現有電纜接頭絕緣狀態(tài)檢測產品及其應用情況，為用戶有效解決電纜接頭絕緣故障檢測問題提供參考，對電纜接頭絕緣檢測技術的發(fā)展具有一定的促進作用。

參考文獻：

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[8]劉斌，井濤，高松巍.基于超聲波的溝槽電纜局部放電檢測技術[D].沈陽工業(yè)大學，2018.

[9]韋斌，李穎.XLPE電纜絕緣接頭局放在線檢測方法探討[J].高電壓技術，2005（10）：33-35.

[10]井濤.電纜局部放電在線檢測方法研究[D].沈陽工業(yè)大學，2017.