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艦船電纜作為艦船電網的重要組成部分，決定了整個艦船電力網絡的可靠性、穩定性。艦船工作環境的濕度、溫度以及各種物理、化學因素遠比陸地復雜，關于艦船電纜發生絕緣老化的研究表明，絕大部分的艦船電網故障都來源于電纜故障，而絕緣老化等缺陷導致的故障占電纜故障的絕大多數。因此，對電纜實現有效的在線監測可以實現故障預警，減少艦船電網因絕緣故障造成的損失。海軍工程大學電氣工程學院的研究人員吳沛航、吳旭升、高嵬，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，主要介紹了直流分量法、交流疊加法、直流疊加法、雙頻信號注入法、單頻信號注入法、S注入法、介質損耗因數法以及局部放電法等針對艦船電纜設計的在線監測方法的工作原理，重點分析信號注入法對絕緣進行監測的方法。對每種方法的特點和適用范圍進行總結，對艦船電纜絕緣在線監測技術目前存在的問題進行分析，并給出總結和展望。他們指出，為了使艦船電纜在線監測技術具有更好的發展，進一步的改進不僅僅局限于檢測精度、速度這種單項指標，研究同時兼具各種優點的方法是未來實現更精準故障定位、更快速測量效率、更及時地響應速度以及更全面地覆蓋監測范圍的保障。因此，同時采用多種方法，應用前后級的方式對絕緣進行聯合監測，是未來的一大發展趨勢，這是實現穩定且可靠的艦船綜合電力系統不可或缺的重要技術，也是該領域今后主要的發展方向。1分量分析法在電氣設備接入電網之后，隨著電壓施加在絕緣外殼或者其他部位，可以檢測出一些微小的分量。這些分量可以是直流成分也可以是交流成分，這需要視所施加在絕緣上的電壓類型來決定。但因為其大多比較微小，因此監測起來的難度可能較大，一般要配合高精度的濾波器使用。1.1直流分量法潮濕的艦船工作環境使得電纜水樹枝成為電纜絕緣故障最主要也是最根本的原因之一。水樹枝一旦形成，電纜就會因為這些樹枝化缺陷而產生泄露電流，電纜的線芯相當于陽極，而接地線所連的地相當于負極，這樣就構成了線芯到地的直流回路。這些樹枝化的缺陷具有整流作用，因此會在泄露電流中形成一定的直流分量，這種直流分量能夠反映出電纜絕緣的狀況。直流分量法原理如圖1所示，利用在電纜接地線上架設檢測裝置，通過檢測回路中流過的泄露電流中的直流分量，來判斷絕緣目前的優劣程度。圖1直流分量法原理因為泄露電流除直流分量外，還有很多其他分量，所以需要通過濾波裝置來濾除工頻信號、干擾信號以及其他不需要的分量，來準確提取直流分量。由于原始信號的強度較小，不利于觀察和處理，因此還需要通過信號放大器對信號進行放大。為了方便數據的記錄和處理，還需由A-D變換器進行模數轉換。分量電流對應絕緣情況的判別依據可參照表1。表1分量電流對應絕緣情況直流分量法的特點為裝置只需和接地線相連，裝置安裝簡便，操作安全風險較低，測量方法較簡單；所測信號量級小，方便進行分析計算，是一種普遍且實用的方法。適用范圍：①在電磁等雜散干擾信號較弱的環境中進行監測；②對絕緣初步老化的監測精度較高，隨著絕緣老化的愈加嚴重，水樹枝整流效應造成的噪聲會導致精度迅速降低；③對電網整體的絕緣情況進行監測，不具有故障定位的功能。雖然該方法的原理簡單，但由于被測電流信號量級非常小，所以很容易受到其他雜散信號的影響，對于濾波器的精度要求相對較高。目前，國內外對于這種直流分量的研究仍然較少，需要進一步積累數據來細化判定依據，以明確所測得的絕緣阻抗和電纜壽命的相關性。1.2交流疊加法交流疊加法和直流疊加法在某種程度上是類似的，這是因為其測量的也是一種特殊分量。但是由于這種分量產生的條件較為苛刻，不像直流分量那么簡單，因此將其列為單獨一類。這種方法通過在電纜屏蔽層上施加一個2倍工頻+1Hz的交流電壓，來獲得1Hz特征電流信號，用這種特征信號來判斷電纜的老化程度。通過研究發現，當把頻率高達100Hz的交流信號施加到電纜屏蔽層時，會產生一種特征電流信號，這種特征電流信號的幅值會隨著施加頻率的升高而發生一定的變化。當施加交流電壓的頻率達到101.4Hz時，這種特征電流信號會達到最大值，此時最適合進行采集和分析。需要注意的是，在沒有出現老化問題的電纜上施加交流電壓，是無法得到這種特征電流信號的。交流疊加法測量原理如圖2所示。圖2交流疊加法原理由圖2可以觀察到，該方法與直流分量法有類似之處，因為二者本質上都是通過對電纜施加電壓，檢測產生的信號，所以濾波器、放大器和互感器等部件構成的檢測裝置是必不可少的。與直流分量法最根本的不同在于，由于交流疊加法所利用的外加電壓是和電纜本身所帶電壓相互獨立的，因此需要在監測裝置與地之間再加上一個交流疊加電源。特點：特征信號明確，使得濾波器在設置截止頻率的時候針對性很強，且不易收到雜散信號干擾；信號分離濾波簡單，只需要確保1Hz的信號被檢測到；裝置安裝過程方便，且測量精度較高，疊加5V的交流電壓便可采集到較為明顯的特征電流信號。適用范圍：①在干擾信號普遍存在的環境中實現穩定測量；②絕緣已老化的電纜進行監測，未老化電纜中無法檢測到該信號；③不具有故障定位選線的功能，只能對電網整體的絕緣情況進行監測。交流疊加法對于疊加電源的要求較高，要求輸出的信號標準度較苛刻。由于缺乏實際應用經驗，缺乏足夠的現場數據作為研究基礎。目前，只對10～100nA的1Hz信號有相對完善的判別方法，但是由于細化判據仍不完善，關于特征信號與絕緣老化程度的判別關系仍然缺乏確切的理論依據，因此仍有待后續研究。2信號注入法第1.1節介紹的分量分析法主要是依賴電纜絕緣的構成材質，通過利用電纜水樹枝老化之后施加直流或者交流電壓而產生的特征分量判斷電纜的老化程度，從而確定是否需要及時更換。而信號注入法則與絕緣采用的材質無關，它通過基本的電路原理，將各種特定信號電壓注入到電纜的線芯中，來采集這些特定信號所對應的響應。在對響應信號進行特殊的處理后，得到對應的電纜老化程度或者使用年限相關信息。2.1直流疊加法直流疊加法是最簡單的信號注入法，它的原理簡單易懂，即通過在電網中疊加低壓的直流電源裝置向電網供直流電。通過采集電纜中的這種直流電源產生的直流分量來計算絕緣電阻以及判斷電纜絕緣的老化情況。疊加直流電壓的主要方法是通過將50V的直流電與電壓互感器的中性點串聯起來，從而利用電壓互感器來對三相電纜的各相施加直流電壓。直流疊加法測量原理如圖3所示。該方法測量時向電網以及艦地間注入直流信號，在提取相應信號時，需要利用信號采集裝置，這個裝置一端與電纜的外表面相連，一端接地，因此流過的信號就是流過電纜絕緣層的各種電流。這些電流中存在工作頻率信號以及雜散信號，所以需要通過濾波裝置將工作頻率以及其他雜散信號濾除。最后得到的直流電流就可以用來計算判斷電纜絕緣老化狀況所需的絕緣電阻。特點：需要采集的響應信號明確，因為只需要直流信號，所以濾波器在設置截止頻率的時候可以很準確地將所需信號提取出來；該方法通過將正向和反向的直流電壓疊加在電纜絕緣層上，對產生的直流電流的差值進行數據分析處理，來消除單向雜散電流對于測量數據的影響；裝置安裝簡便，易于操作，所需信號處理過程較少，測量響應快。圖3直流疊加法原理適用范圍：①該方法只能用在中性點非有效接地電網中；②可以用來判斷整個電網的絕緣狀況，但不能實現故障的精準定位；③一般將其作為故障定位裝置的啟動模塊使用。需要注意的是，該方法注入的直流信號可能會在電纜中產生零序電壓，這些零序電壓流過繼電器之后可能會導致各種保護裝置的誤動作，因此在設計繼電保護系統時要考慮到這種影響。2.2雙頻信號注入法雙頻信號注入法是信號注入法中準確性比較高的方法之一，與直流疊加法不同，它所注入的信號也屬于交流信號，但卻是兩個不同頻率的交流信號f1與f2。絕緣在線監測裝置分別向電網與艦地注入兩個頻率不同的正弦波信號后，兩個信號分別產生了對應的響應。圖4單、雙頻信號注入法原理雙頻信號注入法不僅能夠測量出對地絕緣電阻的大小，還可以實現對故障線路的實時定位，是一種比較全面的監測方法，且已經有實際的應用案例，因為其工作原理與絕緣材質沒有緊密聯系，所以應用范圍將更加廣泛，不僅限于電纜層面，未來還有可能將這種系統應用在對電機或其他設備的絕緣在線監測中。適用范圍：①該方法抗干擾能力較強，因此可用在電磁噪聲信號較強的環境中；②適用于需要獲得較精確絕緣參數的場合；③適用于對絕緣的老化問題或故障進行精準定位的計算，需要實現故障選線的場合；④適用于對不允許停電的一級負荷供電網絡的監測。由于需要注入兩種頻率的信號，可能需要在注入裝置中加設變頻調節器，這在一定程度上提升了裝置的復雜程度，犧牲了一部分可靠性；并且在采集信號時需要同時對兩種信號進行濾波處理，對濾波裝置的要求也比較高；計算量較大，可能會導致系統在接收監測信號后處理時間過長，無法實現及時預判。2.3單頻信號注入法單頻信號注入法是雙頻信號注入法的簡化形式，其基本原理與雙頻法類似，都是利用基本的電壓電流方程，通過解方程來獲得對應的絕緣電阻值以及對地分布電容大小。為了增加測量精度，同時消除對地電容的影響，傳統的雙頻注入法需要同時向電網注入兩種頻率的低頻信號，這導致對頻率注入裝置以及濾波裝置的精度要求過高，同時使得整個裝置的復雜程度不利于在艦船的工作環境中使用。因此，隨著研究的深入，逐漸發現可以在只注入單一頻率的條件下實現雙頻法的功能，這對于“頻率注入法”更廣泛的應用具有突破性進展。單頻信號注入法通過簡化算法以及注入信號源，將兩個低頻信號通過復雜解方程得到的結果變成了單個低頻信號，且不需要解方程來得出；簡化了信號輸入裝置的體積和復雜程度，降低了成本；因為不再需要進行變頻控制，硬件系統的可靠性更強；由于不涉及復雜算法，因此編程簡單、易于實現，且接收到信號后的處理速度快、系統響應更迅速，能夠更及時地對故障進行預警。適用范圍：①相比于雙頻信號注入法精度要求相對較低的監測部位；②電磁噪聲等干擾信號較弱的環境；③需要實現故障預判、預警等要求較高響應速度的工況；④需要對絕緣的老化問題或故障進行定位計算來實現故障選線的場合。該方法所測絕緣電阻的測量誤差大小受電壓和電流測量幅值誤差影響較大，與電壓幅值誤差呈正相關，與電流幅值誤差呈負相關；隨著絕緣電阻的增大，測量誤差會逐漸升高，這是因為近似算法所忽略的2項隨著R的升高，占的比重越來越大，因此忽略該項之后的精度會隨之下降。2.4S注入法S注入法在中壓系統中的應用較為廣泛，主要用來檢測與排查艦船電網單相接地故障。它突破了傳統的通過零序電流法進行單相接地故障判定時，使用零序電流中基波或者諧波的大小以及相位作為判據的局限性。S注入法測量原理如圖5所示，利用的檢測量是一種通過特殊裝置注入電網的特殊電流信號。當單相接地故障發生時，系統通過檢測每一相的電壓變化來判斷發生單相接地故障的對應相。之后利用互感器等裝置向故障相注入特殊電流信號，使得該信號最終通過變壓器感應到一次側。圖5S注入法原理S注入法突破了傳統檢測方法中通過采集幅值和相位的計算思路，將信號的注入端從一次側變為二次側；發生單相接地故障后再注入信號，而不是隨時都在注入，這在一定程度上節約了電力，并且保證了裝置的壽命，延長使用周期；特殊電流信號采集簡單，頻率明確，不易受到工頻和雜散頻率的干擾，精度較高；不涉及復雜的計算流程，只要在對應相檢測到信號，就能確定該相發生故障，原理簡單，裝置安裝便捷。適用范圍：①可用于不需要進行故障提前預警的工作區域；②只能有效檢測出單相對地絕緣故障這一種情況，不能用于判斷其他絕緣故障類型；③允許負荷暫時停止供電的區域，一般用于三級負荷或備用負荷電網線纜的監測。S注入法屬于故障選線中比較常用的一種方法，但并不能實現對電網整體絕緣狀態的監測，只能在故障發生后才能檢測出來，不能將絕緣電阻實現數值化，因此它無法通過實時監測線路絕緣電阻的變化來實現故障預警功能。3綜合性方法除以上介紹的專為在線監測而設計的方法之外，還有一些監測方法具有較強的綜合性能，既能用于在線監測，也能用于離線檢測；既可以根據其固有原理選擇不同儀器進行測量，也能將其與以上一些在線監測專用的方法進行一定程度的結合，來提升監測效率，測量手段具有豐富多樣性；不僅被運用于電纜絕緣在線監測，還被廣泛地應用在其他很多電力設備的絕緣監測領域，具有很強的適配性。3.1介質損耗因數法用于電纜絕緣監測的傳統介質損耗因數法主要包括工頻介質損耗法和超頻介質損耗法。前者根據電橋平衡原理，用西林電橋法進行測量；后者則通過超低頻電纜介質損耗儀進行測試。兩種方法在離線檢測領域應用廣泛，但無法實現在線監測。用于在線監測的介質損耗因數法利用了電壓互感器和電流互感器分別采集電纜線芯的電壓值與流向地的漏電流信號，通過計算分析處理獲得兩者之間的相位差。介質損耗因數法原理如圖6所示。圖6介質損耗因數法原理介質損耗法的原理與電纜所用材質無關，也與電壓等級無關，因此裝置的適配性較強；無論是采集工頻信號還是外加注入信號，都使得濾波裝置目的性強，可以避免雜散信號的干擾，測量精度較高。適用范圍：①可用于監測電纜的整體老化參數；②不能用于反映局部老化程度；③可用于在線監測絕緣狀態實現故障預警；④可以用于體現絕緣的多種劣化特性。這種用于在線監測的介質損耗因數法不僅能測量絕緣電阻的變化，還能夠體現電纜因受潮、受熱導致的劣化缺陷特性，適合運用在艦船的極端環境中。由于發生集中性缺陷時，經常不會改變整體介質損耗因數，所以一般只能反映出電纜的整體老化程度，而不能準確反映局部老化程度。3.2局部放電法局部放電法因其簡單的原理被廣泛應用在絕緣測試領域中。局部放電是在電場作用下發生在絕緣內部的一種現象，電纜在電、熱和環境等應力的長期作用下，局部可能會產生集中性缺陷，形成水樹枝或局部弱區擊穿。隨著電場的作用，絕緣層間會隨之產生局部放電信號。當這種缺陷達到一定程度時，就會形成電樹枝，從而對絕緣造成毀滅性的破壞。局部放電信號可以用來反映電纜絕緣的受損情況，所以可以通過監測局部放電信號的大小來掌握電纜主絕緣的完好程度，從而在老化達到事故臨界點之前對電纜進行更換。近些年，提出了通過羅氏線圈感性傳感器，利用脈沖電流檢測法的檢測原理對電纜局部放電現象實現在線監測的方法。局部放電法原理如圖7所示，電纜發生局部放電現象時，通過羅氏線圈在檢測回路感應出高頻脈沖信號，通過將流過檢測電阻RC上的電壓差分放大即可完成對局部放電信號的檢測。圖7局部放電法原理除此之外還提出了直流分量法測量泄漏電流結合局部放電現象共同判定絕緣狀態的方法，測量局部放電現象導致的絕緣層介質損耗因數增量的方法，及利用放電現象產生的溫度、聲、光等非電的參數變化來實現定性分析絕緣老化特性的在線監測方法等。由此可見，局部放電法也是一種手段多樣，且容易和其他監測方法結合使用的綜合性方法。特點：局部放電法原理簡單，測量方法多，屬于測量絕緣老化中效率較高的方法之一；因為可以檢測出局部缺陷，更精準地實現隱患定位。適用范圍：①可用于監測電纜絕緣的局部老化參數，具有故障定位功能；②可用于反映電纜絕緣的樹枝化缺陷程度；③可用于識別電纜發生缺陷的故障類型，體現除絕緣電阻外的多種絕緣劣化特性。在實際工作條件下，局部放電信號的幅度較小，采集時容易受到噪聲、電磁等信號的干擾，而且濾波時容易產生畸變，因此對檢測所用的傳感器精度要求極高；獲取的局部放電信號大小與電纜實際剩余使用壽命的相關性有待進一步研究。艦船電纜在線監測方法特點匯總見表2，本文主要選擇了以上具有工程性實際應用的八種方法進行介紹，并對各種方法的特點及適用范圍進行總結。表2在線監測方法特點匯總可以看到，每種方法都有其獨有的特征，例如，直流分量法、直流疊加法及交流疊加法側重對電網的整體絕緣程度進行評估，但不能實現故障定位選線；而S注入法側重故障定位的準確性，雖然響應速度快，但只能用于檢測已發生故障；雙頻信號注入法則更適用于提供故障的預警功能，且抗干擾能力較強；單頻信號注入法在兼顧預警功能的同時還能保證故障發生時響應的快速、及時性；介質損耗因數法和局部放電法可以利用多種手段，結合其他方法共同反映多種絕緣故障類型。本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“艦船電纜絕緣在線監測技術綜述”，作者為吳沛航、吳旭升等。

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