中煤平朔集團有限公司動力中心 張宇 李永寬

1 引言

電纜供電具有占地少、適合各種環(huán)境以及可靠性較高的優(yōu)勢，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，供電設(shè)備使用電纜輸電已經(jīng)非常廣泛。但在電纜實際應(yīng)用的過程中，由于環(huán)境原因、機械原因、質(zhì)量原因以及負載原因等，使電纜發(fā)生各種問題最終導(dǎo)致接地故障。所以通過對電纜老化、損傷的檢測能夠防止電纜出現(xiàn)接地故障，從而確保供電網(wǎng)絡(luò)可靠運行。

2 諧波電纜檢測的原理

諧波主要是指檢測電流里具有基波頻率的電量，在電纜流過帶有基波頻率電流的時候，會在電纜產(chǎn)生磁化的電流。電纜正常狀態(tài)時，電纜會約束此電流，而如果電纜存在問題的時候，電纜介質(zhì)磁偶極將產(chǎn)生改變，電纜存在的異常會通過高次諧波表現(xiàn)出來，電纜介質(zhì)磁束的變化會導(dǎo)致渦電流的產(chǎn)生，電纜渦流示意圖如圖1所示。

圖1 電纜渦流示意圖

當交流電流經(jīng)過電纜時，在電纜中會產(chǎn)生磁束φa,φb,φc......φn，因為磁束發(fā)生變化，電纜會形成渦電流Ia1,Ib1,Ic1......In1以及Ia2,Ib2,Ic2......In2等[1]。如果此時電纜正常（介質(zhì)均勻），電纜磁束平衡渦電流會達到抵消的狀態(tài)，但是如果電纜存在缺陷，例如老化、介質(zhì)存在水分等情況時，電纜的磁束將發(fā)生變化，電纜存在損傷的磁束示意圖如圖2所示。

圖2 電纜存在損傷的磁束示意圖

由圖2可知，B、C 磁束和正常A 磁束不一樣，它能夠使電纜產(chǎn)生渦流，從而反映出電纜的實際狀況。機械作用導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生震動出現(xiàn)渦流，這也是電流諧波主要產(chǎn)生的原因。

當電纜受到機械作用發(fā)生沖擊脈沖的時候，電纜磁場會在沖擊作用下產(chǎn)生微小的運動，從而使其產(chǎn)生A、B渦電流。

機械原因產(chǎn)生渦流示意圖如圖3所示。

圖3 機械原因產(chǎn)生渦流示意圖

如果電纜發(fā)生老化，會造成磁束發(fā)生變化出現(xiàn)高次諧波情況。老化情況包括機械老化、環(huán)境老化、電壓老化以及熱老化等。

通過對電纜老化和電纜產(chǎn)生高次諧波之間的連帶關(guān)系分析，能夠獲得缺陷電纜工作過程中電流和磁場分布的情況。所以，利用電纜諧波的分析能夠判斷出電纜存在的具體缺陷情況與位置[2]。

3 諧波電纜檢測的方法

3.1 仿真檢測

利用仿真對電纜進行檢測要面臨以下問題。

一是搭建電纜仿真模型。二是確定電場變化和電纜問題之間的關(guān)系。三是磁場變化和電纜問題之間的關(guān)系。

利用FEM 有限元法進行電纜磁場與電場的仿真，利用波導(dǎo)方程作為仿真的理論基礎(chǔ)，進而實現(xiàn)TEM波可視三維仿真模擬，達到能夠定量、定向分析電纜電介質(zhì)、電量變化參數(shù)，從而達到分析電纜磁場、電場變化的目的。

在利用FEM有限元實現(xiàn)對電纜磁場與電場的仿真時，在仿真模型中加進故障樹分析理論，同時在仿真分析過程中，要改變樹的生長過程，將一個微孔變成相互鏈接的微孔，通過觀察水樹的生長判斷電場與磁場的變化。隨著水樹不斷地生長，電纜芯處的磁場強度也隨之加強。磁場的強度大小和相應(yīng)的位置不變，當出現(xiàn)微孔的時候，隨著微孔不斷生長以及水通道的產(chǎn)生，電纜絕緣的磁場強度會出現(xiàn)顯著波動。

隨著樹的不斷生長，最大密度電流會出現(xiàn)在樹的末梢，可是因為微孔初始末端的電流增加，致使磁場最大強度也出現(xiàn)在微孔初始末端。利用仿真模型的分析，能夠獲得水樹故障對電纜絕緣磁場分布產(chǎn)生的影響，還有造成分子密度電流的變化規(guī)律。因為電纜電流不斷變化，致使電纜磁通也隨之變化，最終使電纜磁場的強度也發(fā)生變化，磁場發(fā)生變化和電流發(fā)生變化具有一定關(guān)聯(lián)性，它們的變化會導(dǎo)致電纜線芯出現(xiàn)高次諧波。通過仿真模型的研究得出，當電纜發(fā)生老化的情況時，電纜會出現(xiàn)磁場變化以及電流變化，其老化的程度能夠利用高次諧波的變化參數(shù)反映出來[3]。

3.2 試驗檢測研究

當前國內(nèi)外研究機構(gòu)對電纜產(chǎn)生諧波和電纜出現(xiàn)老化故障之間存在的聯(lián)系進行了大量的試驗與分析，通過試驗研究分析獲得電纜出現(xiàn)的老化和出現(xiàn)諧波的關(guān)系，經(jīng)過研究逐步完善試驗方法。電纜試驗檢測研究主要是利用正常的電纜與老化的電纜對比試驗的方法，研究電纜產(chǎn)生諧波和電纜老化存在的關(guān)系。

對電纜電流損耗的測定能夠間接對電纜電流損耗諧波進行測試，具體測試原理是將正弦電壓加在電容以及XLPE 試驗電纜上，這兩路的電流接入電橋，這時調(diào)節(jié)電橋使其平衡，由于電纜容性的電流被補償，這時只存在損耗的電流，而示波器將損耗的電流數(shù)據(jù)采集，并將這一信號實施轉(zhuǎn)換，進而獲得諧波電流分量的信息，依據(jù)諧波分量以及相位對電纜老化的狀況進行判斷。

電橋判斷法是通過高壓流比電橋?qū)嵤┑?，Ix與IS是流過電容與樣品電流，經(jīng)過電橋電容Cd與電阻R將電流分成Is1與Is2。當電橋處在平衡狀態(tài)時，利用調(diào)整電容Cd與N2的變比達到Is1與IX2兩者抵消，具體如公式（1）所示：

式（1）中：Ix為流過電容電流；IS為流過電纜樣品電流；N為變比。

通過調(diào)整電橋中的Cd使電流Is2變?yōu)榱?，這時變壓器檢測裝置會檢測出和Is2相對應(yīng)的電流輸出，因為材料tanδ的數(shù)量級別是10.3～10.4，所以，Is2電流和損耗的電流相等。由于放大器與變壓器的特性關(guān)系，會使放大器信號輸出產(chǎn)生失真現(xiàn)象，所以需要利用反卷積的技術(shù)將實際損耗的波形與電流反映出來[4]。

通過研究試驗過程發(fā)現(xiàn)，電纜存在老化情況，其電流損耗具有很大畸變性，諧波的分量和電纜擊穿的強度、水樹的長度存在緊密的聯(lián)系，和介質(zhì)電損耗的測量方法相比，采用諧波的測量方法能夠?qū)Σ煌A段水樹的測量起到非常好的效果。

3.3 諧波測量

利用試驗、仿真方法能夠找出電力損耗諧波的分量，通過分量能夠證明電纜損壞的程度。對于諧波檢測電纜技術(shù)國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)進行了大量的研究，從而使諧波檢測技術(shù)得到大范圍的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，諧波檢測電纜技術(shù)主要有兩種，分別是測量電纜損耗的電流和測量電纜感應(yīng)的電流。

3.3.1 測量電纜損耗電流

在電纜中諧波電流分量對于利用測量電流損耗對電纜進行診斷的方法具有制約的作用，研究人員根據(jù)測試電流損耗諧波的原理研究出車載電纜檢測系統(tǒng)，車載電纜檢測系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)最長能夠測試200m 長的電纜，能夠?qū)嵤┝踊瘻y試負載1μF的電纜，當前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到電纜的實際測試中。

圖4 車載電纜檢測系統(tǒng)

當在安裝氣體隔離開關(guān)的電纜使用上述檢測設(shè)備的時候，其檢測的信號容易受到互感器以及避雷器影響。所以在上述電纜測試時，需要將互感器、避雷器移除后再實施測量，這會導(dǎo)致測試的時間延長、費用增加，因此研究機構(gòu)設(shè)計出相應(yīng)的檢測電路，避免互感器與避雷器對測試信號的影響。

這一電路主要是利用電流型互感器，減少電壓型互感器與避雷器影響電流損耗的測量，這種方式的應(yīng)用取得了很好的效果。由于上述系統(tǒng)在測試過程中必須由人工進行電橋調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致工作時間較長、效率低。因此，研究機構(gòu)又研究出一種自動測試電流損耗分量的諧波測量裝置，該裝置利用線圈對電流補償調(diào)節(jié)，進而達到電流的平衡。

電纜測試時，流經(jīng)電纜電流會在比較器線圈Nx上產(chǎn)生感應(yīng)電磁，Nd檢測線圈此時會檢測到信號U2（t），隨后系統(tǒng)會利用U1（t）與U2（t）獲得電流補償信號，再經(jīng)過電壓對電源進行控制、對Nc線圈進行控制，使其產(chǎn)生磁勢達到流比器耦合，通過多次的耦合最終達到電橋的平衡，也就是流比器輸出為0。在電橋平衡情況下獲得電纜損耗的因數(shù)和電纜電流損耗諧波的分量，最終達到對電纜老化產(chǎn)生接地的分析[5]。

3.3.2 測試電纜感應(yīng)電流

測試電纜感應(yīng)電流設(shè)備能夠現(xiàn)場對電纜進行測試，該設(shè)備能夠利用傳感器進行電纜諧波電流采集，隨后對其進行分析、處理，最后將分析處理結(jié)果和數(shù)據(jù)庫進行對比生成電纜診斷的報告，通過診斷報告能夠預(yù)測出電纜壽命，同時利用連續(xù)診斷的結(jié)果可以了解電纜今后變化的趨勢[6]。

上述兩種諧波電纜檢測的方法都能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場電纜檢測，電纜檢測車能夠應(yīng)用在66kV 電纜的檢測。上述測量電纜損耗電流系統(tǒng)能夠?qū)χ袎旱碾娎|進行檢測，而電纜感應(yīng)電流測試系統(tǒng)能夠?qū)?0kV以上的電纜進行檢測，其效果非常顯著。

4 結(jié)語

本文針對電纜損傷、老化導(dǎo)致電纜接地故障的判斷方法進行研究，諧波電纜診斷具有一定的優(yōu)勢，對諧波電纜診斷的原理進行詳細的介紹。結(jié)合國內(nèi)外對諧波電纜診斷、試驗以及檢測設(shè)備對諧波電纜診斷的優(yōu)缺點、發(fā)展進行細致地分析。雖然目前國內(nèi)外針對諧波電纜檢測的研究較多，但是仍然存在不足，今后還需要進行不斷的完善，從而使諧波電纜檢測技術(shù)能夠大范圍地推廣，進而確保供電網(wǎng)絡(luò)的可靠運行。