《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Ic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tan?。tan?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。
tan?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tan?，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：
IR?UU，IC??U?C，所以，
1R?Ctan??IR1 （2.1） ?IC?RC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tan?。 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tan?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