电力电缆绝缘状态在线监测研究进展

高泽贤

摘  要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电力工程建设越来越多。电力电缆由于制作、安装及超长年限服役等原因，易出现绝缘故障及异常发热等现象。根据不同的故障原因、故障特征、故障检测方法，本文就电力电缆绝缘状态的在线监测技术进行研究，以供参考。

关键词：电力电缆;绝缘状态;在线监测

引言

现阶段，电力电缆在城市建设中占比越来越高，供电部门为使电力电缆稳定运行，在电缆上安装了大量在线监测传感器，用于监测线路运行状态。然而，受到在线监测装置运行环境限制，通常需要采用220V交流或低压直流進行供电，但是电力电缆在敷设过程中极少专门敷设监测设备供电电源。多数情况下，只能采用电池作为主要供电电源，并配合防水、防电场干扰等防范措施，确保在线监测装置长期运行。随着馈线电缆敷设里程迅速攀升，加之前期投运电缆运行时间增加，运行电缆绝缘故障导致的停电事故呈现出逐年增加的趋势，目前已成为影响铁路馈线正常运行的一大突出问题。

1直流耐压试验

对于中压交联聚乙烯绝缘电力电缆的绝缘耐压试验，GB50150 —2016《交接和验收试验标准》和DL/T596—2005《电力设备预防性试验规程》均规定应进行直流耐压试验和按泄漏电流测评。但交联聚乙烯电力电缆绝缘介质的体积电阻率达到1017·m以上，直流电场的作用会导致绝缘层内部产生空间电荷聚集，交联聚乙烯绝缘介质内部气隙、杂质等局部缺陷处会发生电场畸变，局部电场强度可能上升至30kV/mm左右，远远超过交联聚乙烯绝缘介质的击穿场强，从而导致绝缘材料内部发生局部放电，形成不可逆的树枝状早期劣化，甚至发生击穿故障。此外，在直流耐压试验过程中，会有电子不断注入到交联聚乙烯电缆介质聚合物的内部，在半导电层内部微小空隙等处产生空间电荷积累，在电缆重新投运后，电荷积聚产生的电场与加载的交流电压相互迭加，发生绝缘击穿。目前根据GB50150—2016《交接和验收试验标准》的17.0.2条规定，直流耐压试验及泄漏电流测量仅限用于额定电压U0/U为18/30kV及以下橡塑绝缘电力电缆，单相27.5kV（U0）交联聚乙烯绝缘电缆不在其规定的范围内，直流耐压试验及泄漏电流测量已不再被允许。

2现场测试数据总结

从现场测试数据可知，当电缆屏蔽层、铠装层接地方式按照规定一端直接接地，另一端经护层保护器接地（或悬空，悬空不影响接地电流测试数据）时，在电缆绝缘良好情况下，接地电流波动范围小，不随负荷电流大小改变而改变，接地电流大小与电缆长度基本呈正比关系，电缆越长，接地电流越大。如果接地电流大小随着负荷改变而改变，那么在电缆铠装层没有破损接地情况下，一种可能是铠装层屏蔽层两端都直接接地，另一种可能是电缆绝缘不好。电缆绝缘不好的接地电流波动范围特别大，远远超过两端直接接地的环流。

3局部放电源定位

对于电力电缆局部放电的监测，方法多样且各有优劣。在监测到局放信号后，还应对局放源进行精确定位，才能更有效地开展电力电缆的故障处理工作。目前，应用较多的局放源定位方法，是时域反射法（TDR），该方法通过计算同一脉冲在初次到达和反射到达电缆一端的时间差，并结合局部放电脉冲信号在电缆中的传播速度等参数，对局部放电源进行定位。但由于局放信号在电缆传播过程中受到衰减、频散、反射等因素的影响，且随着电缆系统连接日趋复杂，局放信号的传输路径受到影响，使得TDR法在实际电缆网中局放定位效果并不理想，一般只适用于短距离电缆局放定位。

4温水交联温度与交联时间

硅烷交联绝缘经挤塑机挤出成型后，材料只是热塑性材料，必须在水的参与下，经水解缩合变成体型网状结构，成为交联聚乙烯。这一过程是把盛装有绝缘线芯的电缆盘放入90℃以上的温水中一定时间，水分子充分渗入聚乙烯分子之间，硅烷支链的聚乙烯分子发生水解缩合反应，生成交联聚乙烯，这一过程即通常所说的温水交联。因为线芯绝缘厚度不同，水分渗入绝缘内部的时间也不同，所需交联时间也不同，绝缘厚度越大，交联时间越长。也有采用常压蒸汽代替温水，把装有绝缘线芯的电缆盘放入蒸汽房（类似于蒸汽浴的桑拿房）中一定时间，使绝缘充分交联。采用蒸汽法比温水法的交联时间要长1～3h。一般而言，1kV温水交联电缆的交联条件为（90±5）℃的水中加热4～6h。而对于10kV温水交联电缆，由于绝缘较厚，水分渗入绝缘内部的时间较长，同时由于绝缘外屏蔽材料的耐热性较差，在（90±5）℃的水中加热可导致外屏蔽粘连的问题，因此一般将水温控制在（75±5）℃之间，因此交联反应所需的时间进一步增长，交联速度较慢，效率较低。需要指出的是，硅烷交联聚乙烯料即使水煮交联工艺不充分，在室温下也将慢慢地进行交联，这是因为材料中含有催化剂、微量的水分引起的，因此其交联程度是在随时间变化的。随着绝缘材料技术的进步，还出现了免水煮硅烷交联聚乙烯料，是在普通二步法硅烷交联聚乙烯电缆料的基础上进一步改性而来的，可在常温常压下自然交联。它在挤出工艺不变的基础上，免去了电缆成型后水煮这一工序，特别适用于没有低压蒸气源和温水池的情况。

5与时域反射法相结合的振荡波电压法

振荡波电压法的实验原理合理利用了测试对象的电容属性，通过对试样预施加直流电压，然后与谐振电感构成串联谐振电路实现直流到交流振荡波的转换，该电路结构使得振荡波法具备了直流电压法灵巧和交流电压法等效性的特点，因此振荡波电压法能够适应更大容量的电力设备和更长距离的电力电缆（或同回路的多根电缆同时检测，有效提高检测效率），同时也能更有效地激发电缆缺陷处的局部放电。此外，振荡波还具备阻尼衰减的特性，在测试过程中对电缆注入的能量不足以激发缺陷进一步的发展，属于非破坏性试验。因此，国内各研究机构和各制造业大力发展振荡波技术。振荡波局部放电测试技术在配网电缆预防性试验中得到了广泛应用，并能有效检测出部分重要缺陷，为城市供电系统运行可靠性提供保障。同时在铁路电缆领域，采用振荡波方法对电缆绝缘状态进行检测也有大量的应用。振荡波电压法与近年来广泛应用的时域反射法相结合，形成了用于长电缆缺陷定位的振荡波测试系统，振荡波电压能够有效施加在长电缆上，为长电缆中缺陷的探测和定位奠定有效基础。例如，目前川藏铁路电缆面临最迫切的问题是在高寒高海拔环境下频繁冲击负荷与外界极低温度协同作用对电缆绝缘特性的影响，在这种环境下，电缆附件复合界面局放发展将更加剧烈。针对电气化铁路，通过振荡波电压法与时域反射法相结合实现电缆绝缘状态的检测具有广泛的应用前景。

结语

综上所述，本文就现有的电缆绝缘状态现场检测评估方法的特点和原理进行阐述，提出将目前工程领域广泛采用的振荡波电压法与时域反射法相结合的方法，可以实现电缆绝缘状态的有效检测，该方法已多次应用于铁路馈线电缆绝缘状态检测，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]曹晓珑，刘英，钟力生，等.从2010国际大电网会议看电力电缆技术的发展现状和趋势[J].高电压技术，2010，36（12）：3078-3083.

[2]邓世聪，胡冉，叶文忠.基于内置导体温度测量的配网电缆状态评价技术[J].高电压技术，2020，46（12）：4430-4434.

[3]马楠，李晋贤，周海，等.基于超低频介损的XLPE电缆绝缘受潮检测判据研究[J].电力工程技术，2020，39（5）：10-15.