关键词：充油电缆；绝缘；在线监测；光纤光栅

Abstract: The reliability of power cables depends to a large extent on their insulation properties. The online monitoring technology of oil-filled cables can judge the reliability of the cables at any time, so that potential failures can be found in time, and early warning can be provided if necessary. This paper systematically researches on-line monitoring technologies for high-pressure oil-filled cables. The key points and difficulties of the technologies are discussed in detail while introducing the technologies. At the same time, according to the technical requirements of online monitoring, various products from software to hardware have been developed, and a more mature online monitoring system for high-voltage cables has been designed and constructed.

Keywords: Oil-filled cable; Insulation; Online monitoring; Fiber grating

中图分类号：TM622   文献标志码：A      学科代码：46040  DOI:

1  引言

电力电缆的可靠性在很大程度上取决于其绝缘性能。长期以来，一直按照DL/T596-2006《电气设备预防性试验规程》的规定，定期对电气设备进行预防性试验，以保证设备在电力系统中安全可靠的运行，最大限度防止安全事故的发生。预防性试验可分为非破坏性试验和破坏性试验两大类：非破坏性试验也称为绝缘特性试验，是指在较低的电压下或是用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，以此间接判断绝缘状况。对于电缆而言包括绝缘电阻测量、泄漏电流测量等，这类试验不会损伤设备的绝缘性能，只是判断其绝缘状态，从而可以及时发现绝缘的劣化情况。破坏性试验也称为绝缘耐压试验，指的是在现场模拟运行中可能出现的各种电压，对绝缘施加与之等价的或更为严峻的电压，考验绝缘的耐受能力"。通常耐压试验可分为交流耐压试验、直流耐压试验^[1]。传统预防性试验方法有很多不足之处：

（1）需停电进行试验，而不少重要电力设备轻易不能停止运行；

（2）停电后设备状态(如作用电压、温度等)与运行中不符，影响判断准确度；

（3）由于是周期性定期检查，而不是连续的随时监测，绝缘仍可能在试验间隔期内

发生故障；

（4）由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划也需进行试验和维修，造成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成损坏，即造成所谓过度维修。

基于以上原因，充油电缆的在线监测技术越发的引起人们的重视。充油电缆状态的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的速度有快有慢，但大多具有一定发展期，在这期间，会有各种前期征兆，其表现为电气、物理、化学等特性有少量渐进的变化，对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小和变化趋势，可对电缆的可靠性随时做出判断，从而能及时发现潜伏的故障，必要时可提供预警。

2  充油电缆在线监测系统

本文对高压充油电缆各项在线监测技术进行了系统的研究，在介绍各项技术的同时详细讨论了技术的关键点及难点。

2.1  线路电缆屏蔽层绝缘的带电在线监测

电缆的屏蔽层其在安装和运行过程中，会受到机械力、动物、热等因素的作用，导致其破坏，失去对电缆主绝缘的保护，在这种情况下会加速电力电缆主绝缘的击穿。电缆屏蔽的绝缘电阻作为衡量电缆运行状态好坏的电气参数之一。线路电缆屏蔽层绝缘的带电在线监测采用PLC控制绝缘测量装置，自动测量电缆屏蔽层绝缘，通过上下位机配合发布指令，切换测量回路，实现线路电缆层绝缘的定时自动测量采集。

2.2  电缆GIS接头温度测量

任何电缆事故的发生、发展都有一个时间过程,而且常伴随有局部温度升高。许多物理特性的变化都直接反映在温度的变化上。

电缆温度在线监测按照测温点的分布情况可分为两大类：点散式在线温度监测和分布式光纤温度测量法，点散式在线温度监测系统只对电缆终端！中间接头等故障多发处进行温度监测，采用热电偶、热电阻、红外线式温度计或者光纤光栅等进行温度采集，采用CAN总线或光纤进行数据传输。

分布式光纤温度测量系统利用光在光纤中的拉曼(Raman)散射效应来检测电缆沿轴向的温度分布，紧贴充油电缆表面铺设光纤，将光纤作为温度采集和数据传输的通道，当激光脉冲通过光纤时，会产生散射，包括瑞利散射和拉曼散射，后者与光纤温度有较密切的关系，可通过测量和分析瑞利散射的背向散射（或者返回光纤入射端的散射光）去确定拉曼散射点的温度。通过测量入射的激光脉冲被散射并返回到入射端的时间来确定散射点的位置。

目前，分布式光纤温度测量系统可以测量的最大电缆长度为15km，测温范围为-30℃—120℃，精度可达±0.5℃，电缆长度分辨率可达1.0m，同时可连续记录“电缆长度—温度”和“时间—温度”等详细信息^[2]。

光纤技术用于电力电缆线路在线状态监测，利用光纤光栅温度传感器粘贴于被测物表面进行温度监测。光纤光栅温度传感器通过其内部敏感元件—光纤光栅所反射的光信号中心波长的移动量来监测温度值，测量不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响，采用耐高压材料封装光纤光栅传感器，安全可靠。分布式光纤电缆温度监测系统，沿每条电缆敷设探测光缆，连续测量电缆温度。

通过安装充油电缆GIS接头光纤测温传感器及相应自动化设备，采用光纤光栅传感技术，实现充油电缆GIS接头温度的在线监测及温度异常告警，提前发现电缆接头过热等不良状况，消除GIS接头热故障隐患^[3]。

2.3  充油电缆油温油压测量

高压充油电缆以绝缘油作为主绝缘，因此油压、油温的变化是判断电缆线路是否正常运行的重要数据。增设油温油压传感器以及报警装置，用以排除人为因素造成的错误，提高油压、油温测量精度以及系统稳定性。通过对油压、油温的实时监测，及时了解电缆的绝缘水平和运行状况，预防和避免不必要的故障发生，系统从实用性、可靠性、实时性、开放性、可扩展性和灵活性几方面考虑设计实施。油压、油温在线监测系统实现实时监测、故障告警、数据记录等功能，满足对电缆油压、油温数据的远程监测和集中管理的需求。

2.4  接地电流在线监测

接地线电流在线监测是根据高压电缆伴随水树枝老化后会出现电容量以及tanδ增加的倾向，在金属屏蔽层接地线端进行电流测量的方法。当电缆金属屏蔽层单端接地，接地线电流包括容性电流和阻性电流，其中主要为流经电缆主绝缘的容性电流。当电缆主绝缘逐渐劣化，容性电流和阻性电流都会逐渐增大，因此所测的接地线电流也会逐渐增大。加速老化试验研究表明，电缆老化前后的接地线电流Ig会发生变化。因此，通过监测流过电缆接地线电流的变化情况，可以反映电缆的老化情况。

接地线电流幅值的大小与电缆电压等级和长度有关，一般可达到安培级，比较容易测量。因此可以在线监测电缆接地线电流的历史发展趋势，如果出现接地线电流显著增大，在排除其他运行故障的可能性后，可以认为是电缆主绝缘的劣化所致。

3  在线监测技术研究的关键点和难点

3.1  电缆屏蔽层绝缘的带电在线监测

从图1可以看出，在电缆绝缘屏蔽测量的过程中，需将电缆屏蔽层的接地端打开，从而实现对绝缘电阻的测量。在屏蔽层打开的过程中，电缆的等值电路如图1.2.3-2所示:

图1  电缆等值电路图

Fig. 1 Equivalent circuit diagram

图1中，C1为电缆导体和屏蔽层之间的等值电容；C2为电缆屏蔽层和大地之间的等值电容。此时C2C1的值，故在带电的状态下，屏蔽层上会感应出很高的电压，从而造成测试设备的损坏。因此传统摇表法测绝缘需在停电状态下进行，而停电测量的缺陷我们在前文中已经详细描述过。如何消除感应电压对测量回路的伤害，在电缆带电运行状态下，实现在线监测电缆屏蔽层对地绝缘阻值成为了一个对安全生产运行有着重要意义的课题。

图2  电缆绝缘电阻测量原理图

Fig. 2 Schematic diagram of cable insulation resistance measurement

图2中为电缆绝缘电阻测量原理图。V1为交流电压，S为装置测试回路输出的直流电压。C1和C2为电缆的等值电容和绝缘层对地的等值电容，R1为绝缘层的被测绝缘电阻。C3为增加的并联电容，增大绝缘层对地的等值电容，使感应电压降低。L为串联电感，目的阻止交流电压进入直流电源^[4]。二极管的目的防止反向电流流入装置电源。

在串联电路上，电容上的电压和电容成反比，为了降低感应电压，必须增加等值电容，所以在测量回路中，通过并联电容能够起到很好的降低感应电压的效果。在串联电路上，电容上的电压和电容成反比，为了降低感应电压，必须通过并联等值电容C3的方式，增加绝缘层对地的等值电容。为了避免高压对监测电路的损坏，在回路中串入电感L和二极管V，串联电感主要用于对交流电压的吸收，防止交流电压串入到直流电源，造成直流电源的损坏。此外，由于电感之路并联在护套的等值电容C3和C2，并联之路的两侧，故其感抗不能太小，否则会引起谐振，造成分压比不准。由于C3远大于C2的电容值，故其容抗可按C3进行计算。串联二极管既可以进一步的阻止交流电压进入直流绝缘电阻测试仪ST5520，正向导通时又不会影响直流测量。

3.2  光纤光栅传感技术

光纤布喇格光栅(FBG)的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布喇格中心波长的调制来获取传感信息，这是一种波长调制型光纤传感器。布喇格光栅传感器的传感原理是：根据光纤耦合模理论，宽带光入射光纤，将产生模式耦合，当满足布喇格条件时，光栅将起到一个反射镜的作用，反射回一个窄带光波（其余的光波从光栅的另一端透射出去）如图3所示，该窄带光波的中心波长即为光栅布喇格波长，即：

图3  FBG反射特性示意图

Fig. 3 Schematic diagram of FBG reflection characteristics

3.2  泄漏电流传感器技术                                                                                                                                            

为准确测量当电缆主绝缘逐渐劣化，容性电流和阻性电流的变化，适应不同工况下量程变化幅度较大，满足在线监测系统对输出信号的要求。针对以上要求开发研制了SZHWCT电流传感器。主要用于50～60Hz导线交流电流的测试，采用真有效值采样原理，对交流电流进行高精度的隔离测量并转换为4mA～20mA标准直流信号输出；传感器具有高精度、高隔离、低功耗、低漂移、温度范围宽、性能稳定、抗干扰能力强的特点。工作原理框图如图4所示。

图4  互感器工作原理图

Fig. 4 Transformer working principle diagram

利用的高精度电流互感器，采用穿心方式，即一次一匝，二次根据输入的电流要求选用1000匝、2000匝等，互感器具备精度高，绝綠电阻大，冲击电压高，工作温度、频率宽的特点；

    采用精密全波整流电路（如下图），利用双电运算放大器，克服二极管整流管上消耗电压降的缺点，为提高输入阻抗高，整流输出后再加一级比例积分电路。

图5  整流电路原理图

Fig. 5 Rectifier circuit schematic diagram

4-20mA输出是一种前级电压信号输入，后级电流信号输出的有源隔离模块，模块内部嵌入了一个高效微功率电源，可以在向内部信号处理电路供电的同时向外围电路输出一路隔离电源。由于内部采用电磁隔离技术，相比光耦隔离具有更好的温漂特性和线性度。

4  充油电缆在线监测系统建设方案设计

4.1  充油电缆在线监测系统应用架构

充油电缆在线监测系统结构如图6所示，光纤光栅传感器感应电缆接头温度，信号通过光纤传输至光纤光栅解调仪进行解析。解析计算后的数据通过测温交换机，传送至测温工控机进行最后的数据处理。泄漏电流的测量由于要兼顾电缆的两端，出线侧及GIS侧。这就涉及到模拟信号长距离传输的问题。为解决信号长距离传输损耗，影响测量精度的问题。在出线侧布置远程IO箱，利用远程IO箱中的PLC采集出线侧的泄漏电流信号以及油温油压信号，再利用Profibus传输至手动测试盘中的PLC，手动测试盘的PLC则负责采集GIS侧的泄漏电流信号，统一上送至电缆在线监测系统中。电缆屏蔽层的对地绝缘电阻测量由绝缘电阻测试仪完成，采集得到的电阻值以模拟量的方式传输给手动测试盘PLC，PLC计算后上送给在线监测系统。系统II区包含两台工控机，一台数据服务器。其中手动测试盘工控机与数据服务器互为主备，当其中一台死机或通讯中断时，自动切换为另一台服务器为主，同时数据库主备也将无中断切换。保障系统可稳定运行，数据存储不受到影响。系统三区有一台web服务器，web服务器负责向Mis网发布web系统，同时将测量数据传给数据平台从而实现远程监测、集中管理。系统II、III区之间由正向隔离装置隔离开。

图6  充油电缆在线监测系统结构

Fig. 6 Structure of oil - filled cable on-line monitoring system

4.2  充油电缆的防护层绝缘测量系统

充油电缆在线监测系统的子系统防护层绝缘测量系统。系统结构图如图7所示。

图7  充油电缆防护层绝缘测量系统结构图

Fig. 7 Structure of insulation measuring system for protective layer of oil-filled cable

通过上位机系统，控制PLC。自动切换测试回路，利用PLC远程控制绝缘电阻测试仪分别对12条线路的防护层绝缘进行测量。上位机系统可实现定时测量功能，可选择策略包含：每月两次测量，每月一次测量，每季度测一次，每年测两次以及不自动测量五种情况。系统根据不同职能部门人员，设定不同使用权限，操作测量，改变测量策略均需输入权限密码，否则只能查看历史数据。系统测量策略选择界面如图8所示。

图8  充油电缆的防护层绝缘测量系统测量策略选择界面

Fig. 8 Selection interface of measurement strategy for insulation measurement system

因为测量屏蔽层对地电阻，需要短暂断开屏蔽层接地。而在平时运行工况下，都要保障电缆屏蔽层的接地。因此测量逻辑要保证严谨，在PLC程序中加入了多个监测逻辑，如非测量状态下监测断闸电压是否大于3V，测量完所有开关量信号置位等方式保障测量完成后的合闸有效。

除自动测量外还可手动操作测量。出于生产安全考虑，手动测量需用专用钥匙进行操作。没有钥匙将无法操作分合闸及选线，无法对线路进行测量。钥匙由特定部门人员保管，使用时须严格依照章程。手动测量时需严格按照手动测试流程进行。流程如图9所示。

图9  手动测试流程图

Fig. 9 Manual test flow chart

如图8所示，实现手动测量需要线路选择和分合闸开关两把钥匙方能完成操作。在一般运行状态下测量选择开关都处于“自动”。当要进行手动测量时严格按以下步骤操作：

（1）将测量选择开关由自动切换为手动；

（2）针对要测量的线路，插入钥匙，将线路选择开关投入；

（3）分合闸选择插入钥匙，断开要测量的回路刀闸；

（4）观察电压表显示值，当电压示值小于30V时，将测量开关切换为启动；

（5）测量60S后（必备，否则测量无效），测量开关切换为停止；

（6）将所选线路合闸，拔出钥匙；

（7）将所选线路退出拔出钥匙；

（8）将测量开关切换为“切除”状态；

（9）测量选择切换为“自动”。

5  结束语

高压充油电缆作为电力系统输电的重要设备，其安全运行对于电力系统至关重要。当其发生故障时，不仅会产生巨大的直接和间接经济损失，而且，大面积的停电也会造成严重社会影响。实时监测充油电缆的运行状况，保障充油电缆的安全运行，不仅仅是确保电缆的安全，更是确保整个电力联网系统的安全稳定运行。通过对充油电缆在线监测系统研究与建设，实现充油电缆防护层绝缘电阻、泄漏电流及油压油温、电缆光纤测温数据实时监测，状态分析及异常告警，可以实时掌握充油电缆的健康状况，为设备状态检修提供技术支持，并提高电缆安全运行可靠性。研究成果推广应用后可以从检修费用降低，维护费用降低，管理成本降低等多个方面提高电站的运行效率和效益。

参考文献：

[1] 韩伯锋.电力电缆试验及检测技术[M].中国电力出版社，2007，9

HAN Bofeng，Power cable test and detection technology[M]，China Electric Power Press，2007,9

[2] 罗俊华，周作春.电力电缆线路运行温度在线检测技术应用研究[J]. 高电压技术，2007.1（169-172）

    LUO Junhua，ZHOU Zuochun，Research on Application of Online Detection Technology for Power Cable Line Operating Temperature

[3] 王力，李华春. 110kV电缆分布式光纤测温系统运行情况分析[J].电力设备，2007,6（36-41）

WANG Li，LI Huachun，Operation Analysis of 110kV Cable Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System[J].Power system，2007,6（36-41）

[4] 陈巧勇，文习山，吴桂芳，等.交联聚乙烯电缆绝缘在线检测直流叠加法的研究[J]. 绝缘材料，2092，35（6）：43-45.

CHEN Qiaoyong ,WEN Xishan，WU Guifang，etc. Research on DC superposition method of cross-linked polyethylene power cable[J] .Insulating Materials，2002，35（6）：43-45.

作者简介：

刘镖峰(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：水电厂主设备状态监测。