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《电缆的绝缘诊断技术》

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电缆的绝缘诊断技术
1.1 引言
为了确保电力设备安全运行，电力设备在运行前和运行中要进行交接试验、预防性试验和在线监测。通过这些试验和监测，及早的发现绝缘缺陷，从而进行相应的维护与检修，以保证设备的正常、安全的运行，减少事故发生。
预防性试验可以分为两大类：破坏性试验和非破坏性试验。
破坏性试验又称绝缘耐压试验，是指在高于设备工作电压下进行的试验。它主要有交流耐压和直流耐压两种试验，旨在揭露危险性大的集中性绝缘缺陷，保证绝缘有一定的裕度。需要指出的是，耐压试验可能会对试品产生某些损坏，从而影响绝缘寿命。
非破坏性试验又称为绝缘特性试验，是指在较低电压下用其它不会损伤绝缘的方法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部有无缺陷。
据日本方面的统计数据，在1985～1989年之间事故波及的设备中有47.8%与电线、电缆有关，几乎占了一半，国内的情况也是如此。此外，据日本的经验，凡敷设10年以上的电缆，绝缘不良的占10%。因此，定期对电缆进行绝缘预防性试验显得尤为重要。
据《电力设备预防性试验规程》，针对电缆的预防性试验主要有：绝缘电阻测量、直流泄漏电流测量、介质损耗角正切值测量、直流耐压试验等。
此外，根据测量、试验时电缆是否出于带电运行状态可分为停止运行诊断法和在线诊断
法两种。
2.1 电缆绝缘停止运行诊断法
2.1.1 绝缘电阻的测量
测量绝缘电阻的仪表被称为兆欧表，传统的有靠手摇动产生电压的摇表，随着数字技术的发展，出现了各种性能优良数字兆欧表。
对于采用多层绝缘的电力电缆而言，是测量线芯导体与屏蔽层之间的绝缘电阻，接线方式如图2.1所示，测量电压在1000V 以上。对于一般低压配电网各种电线而言，可以采取测量两相间或相线对地线之间的绝缘电阻的方法，测量电压为500V或者1000V。

图2.1 电缆绝缘电阻测量接线图
绝缘电阻的判定标准根据电缆种类、电压等级、应用场合等条件不同而不同，同时也因测试电压等级不同而不同。一般规定民用低压供电线路绝缘强度标准必须达到在500V电压下，绝缘电阻值不低于0.5M；对于空调回路，必须不低于1.0M。高压10kV配电线路，要求每个绝缘子绝缘电阻不应小于300M。
实践证明，通过测量绝缘电阻判断绝缘状况是简单有效的方法之一。
2.1.2 直流漏电流的测量
所谓直流漏电流的测试就是针对电流-时间曲线的测定，基于微控制器的数字兆欧表可以很好的完成这项测量，接线可以采用图2.1所示方式。需要测量的指标有吸收比K、极化指数PI、最终漏电流等。
直流漏电流曲线反映了绝缘的受潮、老化和脏污等状况，对于判断绝缘劣化程度很有参考价值。
2.1.3 介质损耗角正切值的测量
对于电力电缆，如XLPE电缆等有时要求测量介质损耗正切值。的增大一定程度上反映了绝缘老化状况，如水树枝的发生数量和程度、屏蔽层铜带被腐蚀程度等状况的加剧。
的停电测量方法研究研究得很多了，关键问题是如何从噪音中将很小的无功电流分量准确地提取出来。主要的测量方法是通过在电缆导体和屏蔽层之间施加一个理想交流电源，测量电压电流相位差来推算，或者采用西林电桥进行测量。因为有功电流分量一般很小，电流电压相位差接近90 度。对于一个电阻R和一个电容C并联的简化模型，有：，，所以，
（2.1）
根据电容性无功电流与电源频率ω成正比的关系，可以通过降低测试电源频率ω的方法减小无功电流比例，从而放大。
2.1.4 电位衰减法
给电缆施加电压后，断开电源，由于电缆绝缘体的绝缘电阻作用，导体与屏蔽层之间的电位差将衰减。和电缆加电压时的电流响应一样，电位衰减的快慢和绝缘老化状况有关，其中，和水树枝的状况关系尤为密切。水树枝多、贯穿程度大的电缆样品电位衰减快，反之，则电位衰减较缓慢，如图2.2所示。

图2.2 电位衰减法判断绝缘好坏
电位衰减法优点在于测量装置简便，外部噪声小。
2．1.5 逆吸收电流法
该方法为在对电缆施加直流电压后，检测导体对屏蔽层短路时的电流。这种电流响应由于吸收现象影响了电流的衰减，所以被称为逆吸收电流。逆吸收电流的衰减情况和吸收电流一样，也反映了绝缘介质局部缺陷、发生水树枝等老化现象的程度。因为是短路放电电流，所以和充电电流方向相反，如图2.3所示。

图2.3 电缆充电和放电电流示意图
2.1.6 残余电荷法
残余电荷法是先对电缆施加直流电压一段时间（一般为10分钟），接着线芯接地（5分钟）后再在线芯和屏蔽层之间施加交流电压，这时测量流过的过渡直流电流Id(t)对时间t在 1分钟内的积分值Q，Q即为残留电荷。绝缘判定的依据为试验和实践总结出来的交流击穿电压和残余电荷的关系。一般残余电荷越少表示绝缘性能越优良。
残余电荷法对于局部老化的检测精度较高，且不受串联阻抗的影响。
3.1 电缆绝缘在线诊断法
传统常规的停止运行状态下的绝缘试验间隔时间长，因此不易及时发现设备绝缘缺陷，而且试验时还会因停电造成一定的经济损失。随着检测技术、计算机技术的不断发展和对电力设备安全重视程度的提高，在线绝缘诊断技术越来越受到人们的关注。在线检测与停止运行检测相比主要具有如几个优越性：
1.在系统工作时完成测量，无须停电，提高了供电效率。
2.由于是在实际运行电压下进行测量，比停止运行时的测量更能真实地反映运行状态下电力设备的绝缘状况。
3.在线绝缘监测装置可以随时对系统绝缘状况进行测量，能更加及时的发现绝缘缺陷和故障，避免了传统预防性试验的盲目性。
4.有利于建立电力设备绝缘状况数据库，并基于历史测量记录的数据库综合分析绝缘劣化趋势，对剩余绝缘寿命进行预测，及早对潜在故障进行预报警。
5.在线监测有助于实现集中监测和微机自动化监测，有利于实现绝缘监测的信息化和绝缘诊断的智能化。
6.由于不是在测试高压下进行的试验，不会损伤电力设备的绝缘性能。
7.无需每次测量时都设置临时接线，减轻了测试人员的劳动强度，提高了测试效率，降低了测试成本。
由此可见，绝缘在线监测对于电网的安全、经济、高效运行有着重要意义。但是，要实现在线监测，需要解决如下几个关键问题：
1.在电网运行的状况下有大量的噪声和谐波存在，在线监测面临着从这些纷繁复杂的噪声和谐波中将微弱的特征信号提取并精确还原出来的技术难题。
2.因为在线测试电源信号不同于电网的工频交流电信号，因此选择什么样的测试信号发生器，以降低测试信号对电网负载正常运行的影响也是在线测量面临的问题之一。
3.在线监测除了要精确的从噪声中拾取有效特征信号外，还要考虑到如何有效地将测试源叠加到电网上，并且尽量降低其接地线路在电网故障（例如短路）时对电网的影响。
电缆绝缘的在线诊断方法是多样的，并且不断的在推陈出新，其中主要方法有直流叠加法、直流分量法、在线法、低频叠加法、交流叠加法等方法，它们各有特色，下文将逐一介绍。
3.1.1 直流叠加法
该方法是从停电测试方法中直流漏电流的测试发展而来的，最早于1977年开始应用。测量电路如图3.1所示。从变电所接地变压器（GPT）的中性点处接入50V直流测试电源，检测电缆的屏蔽层对地的微弱电流，并换算成相应的绝缘电阻。直流叠加法对于因电缆中水树枝引起绝缘电阻的下降比较敏感，是一种原理直截且比较容易实施的方法。

图3.1 直流叠加法测量回路
值得注意的是，当测量对象是敷设在地面以下的电缆时，电缆屏蔽层金属与土壤之间因水分和矿物盐分等物质的作用存在化学电动势，这个直流的电动势会对测量结果产生影响。为了消除这种影响，可以采取先后叠加正、负电压测量的方法。
对于低压配电网（如IT型电网）而言，也可以采用直流叠加法测量各相电缆对地的漏电流，接线方式如图3.2所示。

图3.2 IT电网直流叠加法测量回路
直流叠加法的不足之处主要有两点。其一，直流电压迭加法因散杂电流的变化或端部表面泄露电阻变低而产生较大的测量误差。其二，直流电压是经中性点接地的电压互感器叠加于电缆的，若互感器中长期流过直流电源会发生磁饱和现象而产生零序电压，可能使变电所内继电器误动作，因此在有些变电站是不允许应用的。此外，直流叠加法只适用于中性点不接地的电网形式，不适用于中性点直接接地的电网。
3.1.2 直流分量法
试验表明当给有水树枝的电缆施加交流电压后，由于水树枝的整流作用而在电缆导体和屏蔽层之间产生一个直流电流，该直流电流的大小反映了电缆内水树枝的生长状况。直流分量法就是通过测量这一直流电流分量来判断绝缘性能劣化程度的。
所谓水树枝的整流作用即当电缆导体对地电压为负时，因为水树枝的存在，从导体向屏蔽层泄漏的电荷较多；而当导体对地电压为正时，泄漏电荷较少。这样形成的电流差表现为导体和屏蔽层之间存在一个微弱的直流电流。测量回路简图如图3.3所示：

图3.3 直流分量法测量回路
测量前先断开电缆屏蔽层接地，再进行测量。
直流分量法具有不需要专门电源装置、不接触电缆高压部分即能进行测量等优点。同时由于直流分量电流极小(一般为nA级)，因此容易受到杂散电流的干扰。且在电缆端部表面泄露电阻因脏污或雨水而下降时，造成测量误差很大，所以必须要确保电缆端部清洁，且要在天气晴好时测量，因此这种方法的使用受到很大的限制。
3.1.3 在线法
在线测量时电缆在额定电压幅值、频率下工作，测得的比停电时检测更加真实。在线测量的方法主要有电压电流相位差法、过零附近比较法等。
这些方法的实现既可以采用时域分析法也可以采用频域分析法。以电压电流相位差法为例，时域分析法在硬件上利用过零比较器捕获电压和电流过零点的时刻，然后计算两者时间之差，推算出两者相位差。这种方法的不足之处在于受到比较器零点漂移和电网谐波干扰的影响比较大。频域分析法则是以一定频率将采样得到的电压、电流信号数字化，然后利用数字信号处理的方法，如傅立叶分解，将各自基波分量的相位提取出来，并由此计算出两者相位差。频域分析法抗干扰性能比较好，但是对测量装置的采样和运算功能要求比较高。
反映的是普遍性的缺陷，而个别较集中的缺陷，不会引起值的显著变化。因此法对电缆全长老化监测有效，对局部老化则很难监测。此外，电缆的相对于其它电容性设备或者变压器的而言较小，容易受到干扰而无法准确测出。
3.1.4 低频叠加法
低频叠加法是在电缆导体上施加一个低频电压（7.5Hz，20V），从接地端检出的低频电流中分离出与电压同相位的有功电流分量，从而求得绝缘电阻。试验证明这种方法对未贯穿的水树枝造成的绝缘性能下降也是可以检测到的。
该方法之所以要采用7.5Hz的低频交流电，其原因和测量时降低测试电压频率一样，即电源频率ω减小，电容性电流分量也随之减小，而电阻性电流大小没有变化，从而使得从总电流中分离有功电流分量更加容易，测量结果的相对误差也会较小。同时，采用20V的电压幅值也是在保证有足够的电流响应值的基础上尽量不对电网和负载造成太大影响。
低频叠加法原理如图3.4所示：

图3.4 低频叠加法原理图
1：基准信号；2：检测信号
低频交流迭加法对于检测因水树枝引起的绝缘老化是一种较好的方法，所检测到的交流损失电流在原理上随着劣化的发展而变大的。但在使用中应认真确认电缆端部的工作状态，例如为调整端部电场分布而装有应力环时，即使电缆绝缘良好，交流损失电流也较大，那么仅根据在线监测的信号，就可能做出“绝缘不良”的误判断。
3.1.5 交流叠加法
该方法是将频率为工频的2倍+1Hz的50V交流电压叠加到电缆的屏蔽层，以得到1Hz的劣化特征电流信息，从而判断电缆绝缘老化状况。测量原理如图3.5所示，检测时先断开K。

图3.5 交流叠加法原理图
试验表明，在给老化电缆屏蔽层上叠加不同频率的交流电压时，当电压频率为100 Hz时，会产生一个比较大的特征电流。进一步的研究表明，该特征电流只在有水树枝老化的电缆上产生，对于新电缆并不产生特征电流，并且当叠加电压的频率为101.4Hz时，特征电流达到最大值。
交流叠加法的优点在于因迭加电压检测的是已知劣化信号，即1Hz信号，故检测精度高，抗干扰能力强。此外，这种检测方法不接触到电缆高压部分，因而测量简便，并且可以做成便携式检测设备。
出上述提及的方法以外，电缆绝缘在线检测方法还有很多，如针对水树枝老化的接地电流法，从交流叠加法发展而来的脉动检测法，针对高频老化电流成分的损耗电流法等等，此外，还有多种针对局部放电的在线检测技术，同时，新的检测方法还在不断研究当中。总之，在线绝缘检测以其不可取代的优越性能将越来越受到人们的重视，应用也将越来越普及。
4 结束语
在阅读和分析电缆绝缘诊断技术文献资料后，对现有电缆绝缘检测技术进行了归纳和比较。本文认为就离线式（停电状态）绝缘电阻的检测来说，数字兆欧表的各项优越性能是摇表的理想替代品。
同时，通过写本篇论文，使我对自己的专业研究方向有了更清晰的认识。