摘要：隨著電力電纜在電網(wǎng)中的大規(guī)模應用，電纜的絕緣狀態(tài)成為電網(wǎng)安全可靠運行的關鍵因素。因此，對電纜的絕緣狀態(tài)進行在線監(jiān)測尤為重要。電力電纜由于制作、安裝及超長年限服役等原因，易出現(xiàn)絕緣故障及異常發(fā)熱等現(xiàn)象。根據(jù)不同的故障原因、故障特征、故障檢測方法，總結了電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測方法的研究現(xiàn)狀，指出各類方法的優(yōu)勢與不足，提出進一步整合電纜絕緣監(jiān)測方法，建立一套完善的電力電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過仿真、工程實際獲取大數(shù)據(jù)等途徑建立數(shù)據(jù)庫，形成電纜絕緣故障判斷模型與標準，用于現(xiàn)場對電力電纜絕緣狀態(tài)開展在線監(jiān)測，實現(xiàn)故障的精確診斷與定位。

關鍵詞：電力電纜;絕緣狀態(tài);在線監(jiān)測

中圖分類號：TM76文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0215-05

Summary of Research on On-line Monitoring of High Voltage Cable Insulation State

Wang Zhi

（Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company， Guangzhou 510663， China）

Abstract： With the large-scale application of power cables in power grid， the insulation state of cables has become the key factor for the safeand reliable operation of power grid. Therefore， on-line monitoring of cable insulation status is particularly important. Due to the production，installation and long service life of power cables， insulation faults and abnormal heating are easy to occur. According to different fault causes，fault characteristics and fault detection methods， the research status of cable insulation status monitoring methods was summarized， theadvantages and disadvantages of various methods were pointed out. It was proposed to further integrate the cable insulation monitoring method，establish a perfect on-line monitoring system for power cable insulation status， establish a database through simulation and engineeringpractice to obtain big data， and form a cable insulation fault judgment model and standard， which can be used for on-line monitoring of powercable insulation status on site to realize accurate fault diagnosis and location.

Key words： power cables; insulation state; online monitoring

0 引言

隨著城市化進程的大力推進，城市用電需求也日益增長，而對于輸電線路的美觀、環(huán)保、成本節(jié)約等方面也提出了更高的要求。因此，電力電纜在輸變電系統(tǒng)中的作用越來越重要，應用越來越廣泛。利用電力電纜實現(xiàn)輸電線路入地，雖然在節(jié)約空間、建造成本、美化城市面貌等方面有很大優(yōu)勢，但缺點也不可忽視[1-2]。雖然多年來對于電纜材料的研究已經(jīng)相對成熟，但由于電纜在制作及安裝過程中，難免由于不當操作或外力破壞等因素，導致電纜存在絕緣缺陷，同時，電纜在長期帶電運行中，隨著熱效應積累，或是水浸造成水樹老化，都將導致電纜絕緣老化、腐蝕，該問題在已經(jīng)服役多年的電力電纜上尤為突出[3-5]。當絕緣老化等問題導致發(fā)生絕緣擊穿、短路故障等問題時，由于電力電纜埋于地下，不利于運維人員排查故障點、處理事故、撲滅電氣火災，進而造成事故范圍擴大，加重損失[6-8]。因此，如何保障電力電纜安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)電力電纜輸電價值最大化，已經(jīng)成為近年來的迫切需求，而實現(xiàn)電力電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測，作為保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行的最有效方式之一，可以提前掌握電力電纜絕緣狀態(tài)，預防絕緣問題導致的電纜輸電事故，也成為近年來的研究熱點[9-11]。

目前，對于電力電纜絕緣狀態(tài)的檢測與監(jiān)測方法都已有較多的研究，應用于現(xiàn)場的在線監(jiān)測方法比較匱乏且單一，將電力電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測方法進行整合，形成一套較為完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)，在現(xiàn)場實際應用中具有實際意義[12-14]。

1 電纜絕緣在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀

1.1 局部放電在線監(jiān)測方法

電纜在制作、安裝過程中，由于工藝問題導致電纜中存在氣泡、劃痕、毛刺等缺陷，是引發(fā)電纜局部放電的原因之一。局部放電是電纜絕緣故障的早期征兆，局部放電進一步發(fā)展將導致電樹的形成與發(fā)展，甚至導致絕緣擊穿，如圖1所示[15]。近年來，對電纜局部放電的在線監(jiān)測已成為監(jiān)測電纜絕緣狀態(tài)的主流方法，并已應用于大多數(shù)實際工程中。

局部放電產(chǎn)生的信號可分為電信號與非電信號。電信號主要包括電磁波、脈沖電流等信號;非電信號主要包括熱、光、聲等信號。在工程實際中，主要通過在電纜上接入各種傳感器，以實現(xiàn)對上述各種信號的采集，不同的局部放電監(jiān)測方法所采集的信號也不同。目前較為主流的方法包括超高頻法、脈沖電流法、超聲波檢測法、光測法等，各方法特點總結如表1所示。

超高頻法（ UHF ）是一種基于檢測局部放電所產(chǎn)生的超高頻電磁波信號的方法。超高頻傳感器可采集電纜由于局部放電而輻射出的超高頻電磁波，避開由于電暈放電（小于150 MHz ）等因素產(chǎn)生的強電磁干擾問題，受周圍環(huán)境影響較小。但是，超高頻信號在傳播過程中存在衰減嚴重等問題，故對于傳感器的布置方法要求較高。已有研究提出，在電纜屏蔽層斷開處輻射出來的超高頻信號最強，采用將傳感器內(nèi)置于電纜中的方法可以保證傳感器接收放電信號的靈敏度，但此方法中內(nèi)置傳感器會引起區(qū)域內(nèi)電場分布發(fā)生變化。

超聲波檢測法（ AE ）是通過對電纜局部放電時，由于放電區(qū)域內(nèi)分子之間產(chǎn)生劇烈撞擊，進而產(chǎn)生的聲波信號進行檢測，將超聲波信號轉變?yōu)殡娦盘?，診斷電力電纜局部放電現(xiàn)象。超聲波信號不受電磁信號的干擾，但在電纜中傳播時衰減嚴重，靈敏度較低，對內(nèi)部缺陷不敏感。傳統(tǒng)的超聲波檢測法主要通過壓電傳感器將聲信號轉變?yōu)殡娦盘?，近年來，國?nèi)外開始研究將光纖作為傳感器檢測超聲波信號，并提出了基于光干涉原理的多種理論方法[16]。光纖傳感器與壓電傳感器相比，具有更高的靈敏度，但仍然難以克服雜波干擾以及傳感器與聲源距離遠時靈敏度低等問題。通過將光纖內(nèi)置于電纜中，或將光纖纏繞在硅橡膠棒上作為傳感器等方法，可以進一步提高靈敏度，但難以適用于已服役的電纜與日益復雜的電纜網(wǎng)架中。

脈沖電流法（HFCT）是目前電纜局部放電在線監(jiān)測應用最廣的方法之一。當電纜發(fā)生局部放電時，會產(chǎn)生高頻脈沖電流，因此，應用高頻電流傳感器即可檢測接地引下線或其他地電位連接線上的高頻脈沖電流信號，從而進行局部放電信號檢測。但是，脈沖電流法存在干擾信號多、檢測難度大等問題，識別、排除干擾是脈沖電流法的主要難點。對于脈沖電流法而言，脈沖型干擾信號干擾強度大、識別排除難度大。在電力電纜實際運行環(huán)境中，脈沖型干擾信號多來源于線路電暈放電、懸浮電位放電、接地不良以及開關、晶閘管開斷時的脈沖干擾。此外，對于外屏蔽層沒有接地線的完全屏蔽的電纜，高頻電流互感器卡裝在電纜外難以檢測到局部放電信號。

光測法是以局部放電產(chǎn)生的光輻射作為判斷依據(jù)，通過局部放電光脈沖本身或光電轉換后電信號的形式，對局部放電進行檢測與定位。光測法可通過普通光纖或熒光光纖進行檢測。普通光纖由于其監(jiān)測探頭必須對準光源，即局部放電點，難以應用于工程實際中，往往只應用于實驗室研究。熒光光纖對微弱光線較為敏感，性能優(yōu)于普通光纖，可以在工程實際中應用。光測法作為一種非電量檢測方法，其主要優(yōu)勢在于不受電氣干擾，缺點是光纖必須內(nèi)置于電纜內(nèi)部，無法應用于已服役的電力電纜，且內(nèi)置光纖需考慮對電場分布的影響。

1.2 局部放電源定位

對于電力電纜局部放電的監(jiān)測，方法多樣且各有優(yōu)劣。在監(jiān)測到局放信號后，還應對局放源進行精確定位，才能更有效地開展電力電纜的故障處理工作。目前，應用較多的局放源定位方法，是時域反射法（ TDR ），該方法通過計算同一脈沖在初次到達和反射到達電纜一端的時間差，并結合局部放電脈沖信號在電纜中的傳播速度等參數(shù)，對局部放電源進行定位[17]，如圖2所示。但由于局放信號在電纜傳播過程中受到衰減、頻散、反射等因素的影響，且隨著電纜系統(tǒng)連接日趨復雜，局放信號的傳輸路徑受到影響，使得 TDR 法在實際電纜網(wǎng)中局放定位效果并不理想，一般只適用于短距離電纜局放定位。

有學者在分析局放脈沖信號在電纜中的衰減特性后，提出了一種基于頻率特性及信號脈沖寬度的電纜局部放電在線定位方法[18]。該方法基于模型搭建與仿真分析，通過改變電纜模型長度，得出經(jīng)不同傳輸距離傳輸后的脈沖信號波形，建立局放脈寬、幅值與距離變化的擬合曲線與函數(shù)關系，通過計算推導出局放源位置，最后通過仿真試驗驗證該方法在長距離電纜故障時局放定位較為精確，誤差可控制在0.5%以內(nèi)。但該方法并未考慮復雜電纜系統(tǒng)對局放信號傳輸路徑的影響，且試驗表明該方法在近距離的范圍內(nèi)的定位誤差明顯偏高。

近年來，互相關算法由于抗噪能力強，計算簡單以及受人為因素影響小等優(yōu)點，被廣泛用于局部放電源定位的研究中。傳統(tǒng)的互相關算法是利用廣義互相關函數(shù)求解局放信號的時延，結合電纜的相速度確定局放源的位置，但是時延估計的精度會受到采樣率的影響，導致定位誤差偏大。已有學者提出基于距離的互相關算法在電力電纜局部放電定位中的應用[19]，該方法用傳播距離作為自變量，取代了時延信號，避免采樣率的影響，該方法的精度也在實驗中得到了驗證，在運行電纜的在線監(jiān)測定位的應用中，如何識別并排除實際環(huán)境下的干擾信號，仍需要進一步研究。

1.3 護層絕緣在線監(jiān)測

電纜由于制作、安裝工藝以及運行溫度、運行環(huán)境等因素的影響，易出現(xiàn)護層絕緣故障的情況。當電纜護層絕緣出現(xiàn)故障時，在護層上會形成很高的感應電壓，以及可能出現(xiàn)多點接地的情況，進而在護層與地之間產(chǎn)生較大的環(huán)流。由于護層電流而產(chǎn)生的異常發(fā)熱，會加劇電纜護層絕緣的老化，形成惡性循環(huán)。根據(jù)長期現(xiàn)場運行經(jīng)驗總結發(fā)現(xiàn)，電纜事故往往都有護層電流增大的現(xiàn)象。因此，對電纜護層電流進行在線監(jiān)測，是把控電纜絕緣狀態(tài)的重要手段。

傳統(tǒng)的護層絕緣檢測多采用停電檢測或在帶電狀態(tài)下使用鉗表測量護層電流，前者受限于供電可靠性指標，后者則受限于人力物力成本，并且存在人身安全隱患。此外，隨著城市建設快速發(fā)展，地下電纜越來越密集，且電纜所處環(huán)境越來越復雜，這對上述檢測方法帶來了更大的困難。近年來，隨著傳感器技術的進步，對于護層絕緣的檢測多采用基于電流傳感器的自動檢測系統(tǒng)。

在工程實際中，當高壓電纜線路長度大于1.0 km時，通常采用三相交叉互聯(lián)電纜。三相交叉互聯(lián)電纜是指，將每段電纜平均分成3的倍數(shù)個小段，在每相鄰兩小段電纜中間安裝絕緣接頭，并在接頭處實現(xiàn)三相電纜的交叉換位。其作用在于限制護層感應電壓，降低護層電流，減少能量損耗。但是，電纜的交叉互聯(lián)，卻對電纜護層絕緣的監(jiān)測帶來一定的困難與干擾。首先，由于實際工程中難以達到每小段電纜的長度和參數(shù)保持一致的理想狀態(tài)，且隨著城市電網(wǎng)發(fā)展及電纜線路改造，每小段電纜的長度和參數(shù)進一步改變，這些都造成電纜護層上產(chǎn)生感應電壓，從而產(chǎn)生感應電流，而這個感應電流將對絕緣判斷產(chǎn)生干擾。其次，電纜經(jīng)過交叉互聯(lián)后，在終端頭測得的電流是流過三相電流絕緣的電流疊加，這給電纜護層絕緣判據(jù)的提取帶來了困難。三相電纜交叉互聯(lián)示意圖如圖3所示[20]。

近年來，許多研究人員都對電纜護層電流的提取與監(jiān)測做了大量的研究，提出了相應的數(shù)學模型并進行了理論計算。有研究人員提出一種雙 CT法[21]，根據(jù)基爾霍夫電流定律推導出了雙 CT法表達式，該方法通過在每相電纜首末兩端各安裝一個電流互感器，分別測量電纜首末兩端的電流，再用首端電流瞬時值減去末端電流瞬時值，得到電纜絕緣的泄漏電流值，并給出了選取基準電壓的數(shù)學推導，構成基于雙CT法三相電纜絕緣 tanδ的在線監(jiān)測系統(tǒng)。有研究人員通過等效電路圖對選定故障類型狀態(tài)下電纜護層電流理論值進行仿真分析，提出了電纜發(fā)生故障時護層電流的計算方法，并制定出一套電纜故障診斷與定位標準，適用于交叉互聯(lián)箱進水、電纜接頭環(huán)氧預制件擊穿、電纜接頭松動開路等故障情況。

隨著城市化建設推進，地下電纜網(wǎng)絡敷設結構日趨復雜化，鄰近的電纜線路感應電壓會對電纜護層電流的提取與計算帶來更大的干擾，如何更加準確地提取與計算電纜護層電流，建立更加全面的故障類型與護層電流的對應關系，將更加完善的計算方法應用于在線監(jiān)測系統(tǒng)中，還需要進一步研究。

1.4 電纜溫度在線監(jiān)測

長期的運行經(jīng)驗已經(jīng)表明，電纜絕緣故障往往伴隨著電纜溫度異常上升的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，監(jiān)測電纜溫度也是監(jiān)測電纜絕緣狀態(tài)的重要手段之一。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方法主要依靠運維人員手持紅外測溫儀對運行電纜進行紅外測溫，此方法不僅耗費人力，效率較低，且由于人工測溫往往僅為定期開展的工作，因而無法及時發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣故障。

近年來隨著在線監(jiān)測技術的發(fā)展，各種電纜溫度的在線監(jiān)測方法也被相繼提出，如紅外成像在線測溫、陣列式測溫模塊溫度監(jiān)測、分布式光纖測溫等。

針對電纜終端，工程實際往往采用紅外成像法對電纜溫度進行在線監(jiān)測。針對紅外成像背景和前景圖像中非目標區(qū)域的干擾，有研究人員提出了基于 Canny 算法、k-means聚類算法以及模板匹配方法實現(xiàn)紅外成像背景濾除和目標對象提取[22]，該方法能夠適用復雜背景的情形，且形成了較為完善的異常發(fā)熱診斷流程。紅外成像的方法有賴于前端監(jiān)控設備的布置，往往不適用與地下復雜的電纜網(wǎng)絡系統(tǒng)。

陣列式測溫模塊溫度監(jiān)測是通過布置測溫探頭接收電纜接頭等部位表面所輻射的紅外線，經(jīng)光學系統(tǒng)把接收的紅外能匯聚到陣列式紅外熱電偶上，通過光電轉換，將接收到的紅外信號轉變成電信號，再由通訊網(wǎng)絡將溫度點陣數(shù)據(jù)上傳至后臺。陣列式測溫模塊可以實現(xiàn)對同一部位的多點測溫，實現(xiàn)對目標部位表面溫度分布的熱成像和測溫讀數(shù)。但是，陣列式測溫只能實現(xiàn)對特定部位的溫度監(jiān)測，如電纜接頭，無法反映整條電纜的溫度狀態(tài)，并且由于應用的測溫探頭、熱電偶等元器件數(shù)量較多，實際中運維難度也比較大，因此在實際應用中存在較大的局限性。

分布式光纖測溫（DTS）系統(tǒng)主要由主機和光纖組成，主機發(fā)射出的光脈沖在光纖中的傳導過程中會產(chǎn)生后向的散射光，后向散射光傳輸回主機，主機選取其中的喇曼散射光進行溫度解調(diào)計算，計算出各點的溫度值，準確、靈敏地定位異常熱點的位置以及記錄溫度的變化趨勢，分布式光纖測溫系統(tǒng)如圖4所示[23]。分布式光纖測溫可以分為光纖外置式與光纖內(nèi)置式兩種模式。

外置式光纖測溫是將光纖敷設在電纜表面，通過光纖測溫傳感器測量電纜外部或者電纜墊層表面溫度，然后采用理論計算的方式推算電纜線芯溫度值。外置式光纖敷設較簡單，不需要改變電纜內(nèi)部結構，因此可用于對已經(jīng)服役的電纜進行在線監(jiān)測改造，但由于測量結果為推導計算得出，所以受電纜實際敷設狀態(tài)及運行環(huán)境的干擾較明顯，計算結果容易出現(xiàn)偏差。內(nèi)置式光纖測溫將光纖敷設在電纜內(nèi)部線芯處，以達到直接監(jiān)測電纜導體溫度的目的。內(nèi)置式光纖測溫不需推導計算，結果較精確，但由于內(nèi)置于電纜內(nèi)部，需考慮對電場分布的影響，對于已經(jīng)投入運行而未內(nèi)置光纖的電纜，無法用此技術進行在線溫度監(jiān)測。

2 結論與展望

近年來，對于電力電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測的研究已取得一定的成果，但仍然存在一些不足。電纜局部放電監(jiān)測主要依靠各類傳感器實現(xiàn)，傳感器對局放信號采集的抗干擾性還需進一步提高。局放源的各種定位方法的有效性與精確度大都在實驗室通過單一電纜模型得以驗證，但是如何在復雜的電力電纜網(wǎng)絡中識別并排除干擾信號，使得相應的方法在實際運行電纜網(wǎng)絡的在線監(jiān)測中得以應用，仍然需要進一步的研究與試驗。

護層電流監(jiān)測與溫度監(jiān)測，也是電力電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測的重要手段。護層電流主要通過電流傳感器來監(jiān)測，傳感器的抗干擾性仍需進一步提高。隨著城市化建設推進，地下電纜網(wǎng)絡敷設結構日趨復雜化，鄰近的電纜線路感應電壓會對電纜護層電流的提取與計算帶來更大的干擾，如何更加準確地提取與計算電纜護層電流，建立更加全面的故障類型與護層電流的對應關系，將更加完善的計算方法應用于在線監(jiān)測系統(tǒng)中，還需要進一步的研究。

DTS 可以長距離、準確、實時地監(jiān)測整條電纜的溫度，但其監(jiān)測結果受周圍環(huán)境溫度、濕度的影響，需要在后續(xù)的研究及應用中解決。

在后續(xù)的研究中，如何改善各種監(jiān)測手段的精確度及抗干擾能力仍然是重點研究方向。除此以外，選取最優(yōu)的監(jiān)測方法相結合，整合形成一套完善的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，在工程應用中具有重要的實際意義。在線監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)研究與應用中，應該繼續(xù)通過仿真或工程實際應用等途徑獲取大數(shù)據(jù)，建立并完善電纜絕緣故障診斷模型與標準。

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作者簡介：王治（1993-），男，碩士，助理工程師，研究領域為高電壓變電運行，已發(fā)表論文2篇。

（編輯：王智圣）