应用光纤传感技术的高压电缆护层绝缘监测系统

丁薇霞

（上海电缆研究所，上海200093）

应用光纤传感技术的高压电缆护层绝缘监测系统

丁薇霞

（上海电缆研究所，上海200093）

高压电缆护层绝缘监测系统利用光纤光栅传感技术，运用光纤光栅电流传感器实时监测运行电缆的接地电流、运行电流。通过对测试必要性及测试原理的分析，详细介绍了测试系统的结构、性能及优势。经工程应用表明，该系统能满足实际应用的需要。

护层绝缘；监测系统；光纤光栅；电流传感器

0 引 言

35 kV以上电压等级的高压干式电缆，大多数采用单芯结构。单芯电缆的线芯与金属护套的关系，可看作一个空心变压器。当单芯电缆线芯通过交流电流时就会有磁力线交链金属护套，使两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度及流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，因此高压电缆需采用合适的接地措施，使感应电压处于安全电压范围内［1］。

通常短线路单芯电缆的金属护层采用一端直接接地和另一端经间隙或保护电阻接地的方式；长线路单芯电缆金属护层则采用三相分段交叉互联两端接地的方式。不论采用哪种接地方式，良好的护层绝缘都是必要的。当护层绝缘发生损伤时：

（1）金属护套上会形成很高的感应电压，电压过高时甚至可能击穿护套绝缘，并在击穿点持续放电，造成电缆外护套温度升高甚至着火燃烧。

（2）护套绝缘的损伤将使金属护套多点接地，从而产生护套循环电流，增加护套损耗，影响电缆载流能力，严重时甚至会使电缆发热而烧毁。

（3）护层绝缘的损伤导致水分易侵入，主绝缘水树老化的概率增加，对电缆寿命产生严重影响。且主绝缘在金属护层被腐蚀处电场集中，易产生局部放电和引发电树枝，对电缆运行安全造成威胁［2］。

因此高压电缆护层绝缘监测是电力电缆最重要的监测内容之一。

1 现有护层绝缘检测方法

传统的检测手段主要是通过停电测量护层绝缘电阻或带电用钳形电流表测量护层接地电流（人工巡检）。近年来，为了提高输电线路的可靠性指标，高压电缆停电检修的机会越来越少。由于地下电缆所处环境复杂，采用传统的人工巡检测量护层接地电流越来越困难，需要花费大量的人力物力［3］。

现在已有应用电流互感器（CT）的电流自动采集设备，应用无线传输的通信技术组合而成的智能化护层绝缘监测系统。其缺陷在于：护层接地电流测试点环境复杂、潮湿，存在较强电磁干扰，严重影响电流采集设备的测试准确性、寿命及无线传输数据的可靠性及持续性。也有厂商采用有线传输的方式，但有线传输相对于光缆传输模式，在传输距离、传输质量上都会存在较大差距。

2 应用光纤传感技术的高压电缆护层绝缘监测系统技术方案

2.1 测试原理

图1为高压电缆护层绝缘监测示意图。

图1 高压电缆护层绝缘监测示意图

高压电缆护层绝缘监测系统利用光纤光栅传感技术，运用光纤光栅电流传感器实时监测运行电缆的接地电流、运行电流。通过对电缆接地线、电缆本身的连续监测，提供实时护层电流与导体电流监测数据，显示护层电流与导体电流比例及历史曲线；通过反映护层接地良好程度、线芯负荷大小变化等情况，实现对电缆本体和电缆通道运行情况的实时监控，预测电缆的运行状况及故障趋势，及时为电缆故障的定位和检修提供指导，避免发生重大事故。

2.2 系统结构

系统由测试现场、信号传输和监控中心组成。系统结构见图2。

图2 系统结构图

（1）测试现场。测试现场包括被测电缆的现场环境及光纤光栅电流传感器。

（2）信号传输。将采集信号通过多芯光缆传入监控中心。

（3）监控中心。光栅解调仪：实现被测电流量的解调。局域网：通过组网方式实现控制目标的集中管理。控制中心：通过数学模型的建立实现控制目标智能化管理。

2.3 光纤光栅电流传感器

光纤光栅温度自补偿电流传感器采用光纤光栅作为测量电流的敏感元件。采用高性能导磁体材料感应被测电缆中被测电流的大小，产生的电磁力使光纤光栅传感器的波长发生变化，通过解调光纤光栅的波长变化测量电流。传感器内带温度自补偿装置，避免了温度变化对测试结果的影响。

光纤光栅电流传感器作为光学传感器，具有无需电源、绝缘、响应速度快等特性。传感器内无任何电子元器件，具有耐水防潮性强、可靠性高、寿命长等优点，可长期工作于潮湿环境中；并可实现信号远距离传输及解调。

图3为光纤光栅电流传感器实物图。安装时可带电操作，将电流传感器卡入被测电缆即可。

图3 光纤光栅电流传感器

2.4 光纤光栅解调仪

光纤光栅电流传感器将电流信号转化为光信号，通过通信光缆将信号传入控制中心。光纤光栅解调仪实现光信号的解调，获取实时电流信号。解调系统实现信号采样、解调电流，通过全球定位系统（GPS）授时实现时钟同步；可同时用于电网质量分析。

2.5 监控中心

监控中心平台是系统的“大脑”，也是系统的核心所在。获取传感数据只是实现电缆护层绝缘在线监测的必要条件。对数据的合理分析与使用，全方位开展电缆状态在线监测工作，依据电缆、设备状态统筹安排生产、调度、检修任务，实现电缆安全风险过程管控。同时，通过对不同电缆、不同状况的历史数据对比分析，既可实现当前的护层绝缘在线诊断分析，又能将来在一定数据量和理论分析指导基础上建立专家分析及预警系统。

2.6 系统性能

高压电缆护层绝缘监测系统采用声光、短信等报警方式，实现对高压电缆护层绝缘的自动监测，同时可准确报告接地线的偷盗。

电流测试精度0.25%F.S；检测距离＞20 km；检测、定位和报警时间＜1 min。

3 应用光纤传感技术的高压电缆护层绝缘监测系统的应用

应用光纤传感技术的高压电缆护层绝缘监测系统目前已在某电业局现场应用。图4为运行电流、接地电流监测现场实际安装效果图。图5为48 h内A相运行电流、接地电流实测结果图。

图4 电流监测现场实际安装效果图

图5 48 h内A相运行电流、接地电流实测结果图

4 结束语

光纤传感技术是现代通信技术的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新学科，是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。

应用光纤传感技术的高压电缆护层绝缘监测系统测试现场无需电源，具有很强的抗电磁干扰能力；传感系统可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。系统实时监测高压电缆运行电流、接地电流，通过对数据的分析，实现对电缆护层绝缘状态的在线监测，确保电缆线路安全运行。与电流互感器监测系统相比，具有可靠性更高、寿命更长、监测范围更广的优势，更有利于智能电网信息化、数字化的发展趋势。经工程应用表明，该系统能满足实际应用的需要。

［1］ 徐文刚.高压单芯电缆护层绝缘接地保护简述［J］.水电站机电技术，2005，28（1）：45-46.

［2］ 任广振，张 礼，宾齐辉.XLPE电力电缆金属护层绝缘环流在线监测系统的研究［C］//2011年全国电力电缆安装与运行经验交流会论文集.2011.159-163.

［3］ 严有祥.高压电缆护层绝缘监测系统的研制与应用［J］.供用电，2009，26（4）：74-76.

The Insulation M onitoring System of the HV Cable Sheath w ith Fiber Grating Sensing Technology

DINGWei-xia
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The insulation monitoring system of the HV cable sheath，which takes advantage of fiber grating sensing technology，uses fiber grating current sensor to real-time monitor grounding current and load current of the running cable.The article introduces the structure，function and advantage of themonitoring system in detail by analyzing the necessity and theory of themonitoring.It's proved by engineering application that the system can meet the needs of practical application.

sheath insulation；monitoring system；fiber grating；current sensor

TN818

A

1672-6901（2014）05-0022-03

2014-05-22

丁薇霞（1971-），女，高级工程师.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.