电缆绝缘在线监测与诊断

赖俊华

摘要：随着东莞地区经济的发展，电力电缆的应用越来越广泛，电力电缆目前主要应用于污秽区域、城市繁华人口聚集区域、工矿企业、无行线走廊的区域，具有安全、可靠、占地面积少、美化城市环境等优点。本文介绍了引发电缆故障的主要原因和电缆故障的类型，阐述了目前常用的几种在线监测技术及故障诊断方法，针对故障引发原因，提出了电缆故障的预防措施降低电缆故障的发生率。

关键词：电力电缆；绝缘；在线监测；故障诊断

由于电缆多埋于地下，一旦发生故障时，将不易查找，不仅花费大量的人力、物力，并可能造成不可估量的停电损失。如何准确、快速的找到电缆故障点成了供电部门关注的问题，而影响电缆安全可靠运行的关键因素是电缆绝缘的好坏。过去，使用的预防性试验主要是定期停电进行试验、维护和检修、这种固定“计划检修”模式不能及时发现电缆的早期缺陷。为防止突发事故发生，对电缆运行状态进行实时的在线监测显得较为迫切。采用状态监测与故障诊断技术后，可以使设备从“到期必修”过渡到“该修则修”。

1．电缆绝缘损伤的原因

目前电缆故障的第一大原因是外力破坏占到61%，电缆本身及其附近质量问题占22%，敷设时损伤占10%，其它占7%。故障原因具体可以分为以下几类。

1.1机械损伤

机械损伤占电缆故障原因的绝大部分，主要由在敷设过程中拉力较大，或者电缆沟内进行其它市政、管道等工程的施工造成电缆损伤，电缆机械损伤，除少数断裂等严重损坏外，绝大部分都是轻微损伤，没有造成故障，但经过几个月甚至几年的发展，形成故障。

1.2绝缘受潮

由于电缆敷设环境大多较为恶劣，污秽潮湿的环境逐渐侵蚀着电缆的绝缘，可能造成故障，如果电缆质量较差，护套出现裂缝，或接头盒、终端盒结构不密封引起进水等都会加大电缆绝缘受潮的概率。

1.3绝缘老化变质

电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离，或过负荷时，造成局部过热、碳化绝缘层，使绝缘下降。当绝缘介质电离时，气隙中会产生硝酸、臭氧等化学生成物，腐蚀绝缘层；电缆过负荷是电缆过热很重要的因素。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧道等通风较差处的电缆、装在干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆部分等都会因本身过热而使绝缘层加速损坏。

1.4电缆绝缘物遗失

油浸纸绝缘敷设时由于敷设地形难免出现高低起伏，在重力的作用下，地形高处的绝缘油会向低处流动从而使高处电缆绝缘下降，引发故障。

1.5过电压击穿

由于电缆本身局部缺陷，在内部过电压的情况下会使电缆层绝缘击穿，产生故障。

2．电力电缆故障的类型

电缆故障的类型，按试验结果和故障性质可分为以下3类：

2.1电缆单相接地或多相接地故障或电缆两相或三相短路故障，一般由外力损坏、电缆本体绝缘老化等原因造成；

2.2断线故障。电缆导体一相或多相断线；断线故障一般由短路电流、外力损坏造成。

2.3闪络故障。当试验电压升到某一值时，电缆泄漏电流突然升高，但电缆绝缘阻值较大，表明电缆存在故障，在较高电压时产生瞬时击穿的故障称为闪络性故障。闪络故障一般由于接头质量问题、电缆本体制造质量等原因造成。

3.电缆绝缘击穿的过程

电缆绝缘损坏是形成故障的主要原因，其由绝缘损伤至逐渐发展至绝缘击穿引发故障的过程如下图1所示

由图1可知，无论是何种原因引发的绝缘击穿，都会发展到电树枝老化这一步，可知电树枝老化是绝缘击穿的直接原因，而局部放电、水树枝老化、电树枝老化三大因素是电缆本身绝缘性能下降的主要原因。

4．电缆绝缘在线诊断方法

电缆绝缘在线监测诊断，主要是通过反映故障的特征信号来进行诊断的，目前常用的诊断方法主要有以下几种。

4.1直流叠加法

直流叠加法，基本原理是在电缆的三相添加运行母线电压，然后在电磁式电压互感器的中性点接地处加一个低压直流电压源，电缆同时施加有工频交流和直流电压，通过滤波器，滤除测试回路中的交流分量，只检测由直流电压源流过电缆绝缘层所产生的微弱直流电流，从而得到电缆的绝缘电阻来监测电缆的绝缘状况.直流叠加法的不足之处主要有三点,其一，由于杂散电流较大，漏电阻变低而产生较大的测量误差。其二，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；最后，直流叠加法只适用于中性点不接地的电网。

4.2直流分量法

水树枝是形成电缆故障的重要原因之一，而直流分量法利用的则是水树枝的“整流效应”，即在外加交流正负半周电压的反复作用下，电缆绝缘层中会聚集负电荷，然后逐渐从导体层向屏蔽层漂移，产生一个直流分量，该直流分量的大小能够反映水树枝的情况，从而来诊断电缆的绝缘情况。

这种检测方法的优点是只需要利用外皮接地线，不需接触带电部分，不需外加电源，安全而经济，但由于直流分量较小跟直流叠加法一样，容易受到杂散电流的影响，当电缆接头泄露电阻降低一样会扩大误差。

4.3低频叠加法

“低频叠加法”是将7．5Hz、20V的低频电压叠加在电缆导体上，没有直流微电流测量上的问题，测量误差较小，测量装置在电缆接地线中串接，以得到相应的绝缘电阻值。使用本法目前一般使用专用的7．5Hz低频电源，测量回路如图2所示，在施加电源后，测量三相总电流。判断标准是由交流击穿电压与交流绝缘电阻的关系来决定。

低频叠加法的优点主要是：因为是低频低电压，所以电源容量小；贯通水树和非贯穿水树的绝缘劣化都能检测出来，所以应用于电缆绝缘诊断的可靠性高。缺点是在使用时必须注意电缆端部的工作状态，比如通过装应力环来调整端部电场分布时，即使电缆绝缘良好，只根据监测的交流损失电流信号，会做出“绝缘不良”的误判断。

4.4接地线电流法

上面提到目前常用的几种特征电气量的诊断方法，都有一定的局限性。最近几年，出现了一种新的诊断方法，称为接地线电流法，他利用的原理是，电缆老化的过程中，故障处得绝缘电阻逐渐减少，电容逐渐增大的特征，从而造成接地线电流也发生变化，因此将接地线电流作为电缆故障诊断的特征信号是可行的，该方法的实现是在接地线中装设测量电流的装置即可，简便安全，且受外界干扰小。

5．电缆故障预防措施

采取相应的预防措施可以有效的降低电缆的故障，提高系统运行的稳定性，主要措施有：

5.1严格设计规范和设计顺序，加强设计审核。对新设备、新材料、新工艺技术应先安排少量试运行，当运行经验成熟后在逐步推广使用。对于施工中的人员过失问题应加强施工前期管理。

5.2因设备老化的运行故障占年事故总数一定比例，为减少此类事故的发生，提高设备的安全可靠性，运行部门必须每年根据电缆线路设备运行状况制定相应的更新改造计划，把超期使用的设备替换掉，提高电缆线路的健康运行水平。

5.3防止电缆长期过负荷运行或带缺陷运行。

6．小结

（1）电缆故障的主要原因是电缆绝缘损伤，而电缆绝缘受损的主要原因是外力损坏和绝缘老化变质。

（2）水树枝老化和局部放电是形成电缆绝缘击穿重要原因，而电树枝老化则是电缆绝缘击穿的直接原因。

（3）电缆绝缘故障诊断当前常用的方法是直流叠加法、低频叠加法和直流分量法等，综合各种方法的优缺点，文章提出了电缆故障时电容量增加，电阻量下降形成特征信号的接地线电流法。

（4）规范设备设计程序和验收，定期更换老化设备可以明显降低电缆故障率。

参考文献：

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[2]王立，李华春等.电力电缆在线监测技术研究现状[C].全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集.2008.

[3]舒琳.电力电缆故障检测相关问题探讨[J]长三角，2010.