基于直流疊加法的XLPE電纜絕緣檢測仿真研究

張藝馳 譚東明 王崇政 王月第

摘要：隨著交聯聚乙烯（XLPE）電纜的廣泛應用，電纜故障率也隨之增加，電纜絕緣檢測顯得尤為重要。在眾多檢測方法中，直流疊加法檢測精度較高，能真實反映電纜絕緣情況。研究XLPE電纜直流疊加法的絕緣檢測原理，通過Multisim13對其進行仿真分析，驗證該方法的有效性。

關鍵詞：XLPE電纜；絕緣檢測；直流疊加法；仿真

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）05-0033-03

隨著智能電網的提出和電氣設備自動化程度的不斷提高，對電網供電的穩定性和連續性提出了更高要求。電力電纜因安全可靠、隱蔽耐用、有利于城市美化而在電網中廣泛應用，其中交聯聚乙烯（XLPE）電纜應用較為廣泛。XLPE電纜具有良好的導電性能和熱性能，絕緣強度較高，介電損耗系數小，抗酸堿、耐鹽霧、防腐蝕性能好，纜芯可在較高溫度下工作，且體積小，安裝維護方便，不僅適用于中低壓，還可用于高壓和超高壓系統。

電纜投入運行后，在電、熱、機械、化學等因素的作用下發生老化。我國早期應用于10 kV及以下電壓級別的XLPE電纜絕緣多采用水蒸汽濕法交聯工藝生產，運行已逾20 a，有的甚至已超過30 a，導致水樹枝老化造成的電纜擊穿重大停電事故呈加速上升趨勢。在此情況下，研究電纜絕緣老化檢測方法顯得尤為重要。

1 直流疊加法的原理

隨著人們對水樹枝現象認識和發生機理的進一步了解，XLPE電纜絕緣狀態的絕緣在線檢測方法不斷得到發展。目前，交聯聚乙烯電力電纜絕緣的在線檢測方法主要有直流疊加法、直流成分法、介質損耗正切法、低頻法和局部放電法等。其中，直流疊加法在在實際中的應用較為廣泛。實踐證明，該方法的檢測精度高，能真實反映絕緣實際情況。直流疊加法的原理如圖1所示。

在接地電壓互感器的中性點處加低壓直流電源（通常為50 V），使該直流電壓與施加在電纜絕緣上的交流電壓疊加，測量通過電纜絕緣層的微弱納安級直流電流或絕緣電阻，據此判定電纜絕緣老化程度。直流疊加法是在交流高壓上疊加低值直流電壓，因此在帶電情況下測得的絕緣電阻與停電后加直流高壓的測試結果相近。為消除單向雜散干擾電流對微弱直流電流的影響，以及電纜屏蔽接地化學電動勢和電纜護套帶來的影響，對測量方法進行改進，根據正、負抵消原理分別疊加正、反兩個方向的直流電動勢，對其在絕緣中產生的直流電流差值進行數據處理。當施加正向直流電壓E時，通過電壓互感器及電纜線芯，并從屏蔽層流出的電流由3部分構成，用代數式表示為：

2 直流疊加法仿真研究

當水樹枝形成于XLPE絕緣層時，電纜絕緣層能夠等效成電阻與電容并聯的形式， XLPE絕緣層的簡化模型如圖2所示。

在測量時通常斷開接地線，在外皮和大地間接一個采樣電阻。該電阻阻值必須小于外皮和地間的電阻，對測量產生的影響小。某些國產電纜外皮與地之間的電阻僅為幾MΩ，取其1.0%的采樣電阻，阻值取1 000 KΩ左右。XLPE電纜屬于大容性設備，流過電纜屏蔽層的是安級容性電流，要檢測的是納安級電流信號，因此需要采用性能優良的無源低通濾波電路，然后利用Multisim13對電路進行仿真研究。仿真電路連接如圖3所示。

在Multisim13中利用current probe和Oscilloscope對泄漏電流進行檢測，仿真得到的時域特性見圖4。

仿真中使用current probe中的Ratio of voltage to current為1，單位之比為V/mA，因此根據所得的時域特性數據大致確定泄漏電流為24.90～25.08 nA，通過measurement probe檢測的泄漏電流為25 nA。

3 試驗分析

目前，直流疊加法主要應用于電網中性點不接地或經由消弧線圈接地的10～35 kV線路上，中性點直接接地的電網則無法應用。直流疊加法測出的絕緣電阻判據見表1。

根據R=E/I泄露可得電纜的絕緣層電阻為2 000 MΩ，根據表2可判斷該電纜的絕緣電阻狀況良好，能夠繼續使用。模擬實際情況，根據水樹枝發生機理，電纜使用時間越長，水樹枝發展越大，其絕緣電阻的阻值大幅下降。因此，應更換仿真電路拓撲圖中的阻值大小，用measurement probe泄漏電流大小進一步判斷電纜絕緣情況。

4 結論

用直流疊加法檢測電纜絕緣比較準確，比對電纜水樹枝泄露電流大小可判斷電纜準確的老化程度。通過對直流疊加法電路仿真，驗證該方法具有有效性。直流疊加法有很好的應用前景，結合當前的通信器件建立在線監測系統，能夠快速有效的實現電纜絕緣實時監測。

參考文獻

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Abstract： Withwide applications of XLPE power cable， cable fault rate is increasing accordingly， the insulation monitoring becomes important. Among many monitoring methods， DC superposition method has more high detection precision andtruly reflects the insulation condition of cable. This paper studied the principle of XLPE cable insulation monitoring. By simulation test in Multisim13 and analyzing simulation data，it is proved DC superposition method is feasible.

Key words： XLPE cable； insulation monitoring； DC superposition method； simulation