舰船电缆作为舰船电网的重要组成部分，决定了整个舰船电力网络的可靠性、稳定性。舰船工作环境的湿度、温度以及各种物理、化学因素远比陆地复杂，关于舰船电缆发生绝缘老化的研究表明，绝大部分的舰船电网故障都来源于电缆故障，而绝缘老化等缺陷导致的故障占电缆故障的绝大多数。因此，对电缆实现有效的在线监测可以实现故障预警，减少舰船电网因绝缘故障造成的损失。
海军工程大学电气工程学院的研究人员吴沛航、吴旭升、高嵬，在年《电工技术学报》增刊2上撰文，主要介绍了直流分量法、交流叠加法、直流叠加法、双频信号注入法、单频信号注入法、S注入法、介质损耗因数法以及局部放电法等针对舰船电缆设计的在线监测方法的工作原理，重点分析信号注入法对绝缘进行监测的方法。对每种方法的特点和适用范围进行总结，对舰船电缆绝缘在线监测技术目前存在的问题进行分析，并给出总结和展望。
他们指出，为了使舰船电缆在线监测技术具有更好的发展，进一步的改进不仅仅局限于检测精度、速度这种单项指标，研究同时兼具各种优点的方法是未来实现更精准故障定位、更快速测量效率、更及时地响应速度以及更全面地覆盖监测范围的保障。因此，同时采用多种方法，应用前后级的方式对绝缘进行联合监测，是未来的一大发展趋势，这是实现稳定且可靠的舰船综合电力系统不可或缺的重要技术，也是该领域今后主要的发展方向。
1分量分析法
在电气设备接入电网之后，随着电压施加在绝缘外壳或者其他部位，可以检测出一些微小的分量。这些分量可以是直流成分也可以是交流成分，这需要视所施加在绝缘上的电压类型来决定。但因为其大多比较微小，因此监测起来的难度可能较大，一般要配合高精度的滤波器使用。
1.1直流分量法
潮湿的舰船工作环境使得电缆水树枝成为电缆绝缘故障最主要也是最根本的原因之一。水树枝一旦形成，电缆就会因为这些树枝化缺陷而产生泄露电流，电缆的线芯相当于阳极，而接地线所连的地相当于负极，这样就构成了线芯到地的直流回路。这些树枝化的缺陷具有整流作用，因此会在泄露电流中形成一定的直流分量，这种直流分量能够反映出电缆绝缘的状况。
直流分量法原理如图1所示，利用在电缆接地线上架设检测装置，通过检测回路中流过的泄露电流中的直流分量，来判断绝缘目前的优劣程度。
图1直流分量法原理因为泄露电流除直流分量外，还有很多其他分量，所以需要通过滤波装置来滤除工频信号、干扰信号以及其他不需要的分量，来准确提取直流分量。由于原始信号的强度较小，不利于观察和处理，因此还需要通过信号放大器对信号进行放大。为了方便数据的记录和处理，还需由A-D变换器进行模数转换。分量电流对应绝缘情况的判别依据可参照表1。
表1分量电流对应绝缘情况直流分量法的特点为装置只需和接地线相连，装置安装简便，操作安全风险较低，测量方法较简单；所测信号量级小，方便进行分析计算，是一种普遍且实用的方法。
适用范围：①在电磁等杂散干扰信号较弱的环境中进行监测；②对绝缘初步老化的监测精度较高，随着绝缘老化的愈加严重，水树枝整流效应造成的噪声会导致精度迅速降低；③对电网整体的绝缘情况进行监测，不具有故障定位的功能。
虽然该方法的原理简单，但由于被测电流信号量级非常小，所以很容易受到其他杂散信号的影响，对于滤波器的精度要求相对较高。目前，国内外对于这种直流分量的研究仍然较少，需要进一步积累数据来细化判定依据，以明确所测得的绝缘阻抗和电缆寿命的相关性。
1.2交流叠加法
交流叠加法和直流叠加法在某种程度上是类似的，这是因为其测量的也是一种特殊分量。但是由于这种分量产生的条件较为苛刻，不像直流分量那么简单，因此将其列为单独一类。这种方法通过在电缆屏蔽层上施加一个2倍工频+1Hz的交流电压，来获得1Hz特征电流信号，用这种特征信号来判断电缆的老化程度。
通过研究发现，当把频率高达Hz的交流信号施加到电缆屏蔽层时，会产生一种特征电流信号，这种特征电流信号的幅值会随着施加频率的升高而发生一定的变化。当施加交流电压的频率达到.4Hz时，这种特征电流信号会达到最大值，此时最适合进行采集和分析。需要注意的是，在没有出现老化问题的电缆上施加交流电压，是无法得到这种特征电流信号的。交流叠加法测量原理如图2所示。
图2交流叠加法原理由图2可以观察到，该方法与直流分量法有类似之处，因为二者本质上都是通过对电缆施加电压，检测产生的信号，所以滤波器、放大器和互感器等部件构成的检测装置是必不可少的。与直流分量法最根本的不同在于，由于交流叠加法所利用的外加电压是和电缆本身所带电压相互独立的，因此需要在监测装置与地之间再加上一个交流叠加电源。
特点：特征信号明确，使得滤波器在设置截止频率的时候针对性很强，且不易收到杂散信号干扰；信号分离滤波简单，只需要确保1Hz的信号被检测到；装置安装过程方便，且测量精度较高，叠加5V的交流电压便可采集到较为明显的特征电流信号。
适用范围：①在干扰信号普遍存在的环境中实现稳定测量；②绝缘已老化的电缆进行监测，未老化电缆中无法检测到该信号；③不具有故障定位选线的功能，只能对电网整体的绝缘情况进行监测。
交流叠加法对于叠加电源的要求较高，要求输出的信号标准度较苛刻。由于缺乏实际应用经验，缺乏足够的现场数据作为研究基础。目前，只对10～nA的1Hz信号有相对完善的判别方法，但是由于细化判据仍不完善，关于特征信号与绝缘老化程度的判别关系仍然缺乏确切的理论依据，因此仍有待后续研究。
2信号注入法
第1.1节介绍的分量分析法主要是依赖电缆绝缘的构成材质，通过利用电缆水树枝老化之后施加直流或者交流电压而产生的特征分量判断电缆的老化程度，从而确定是否需要及时更换。而信号注入法则与绝缘采用的材质无关，它通过基本的电路原理，将各种特定信号电压注入到电缆的线芯中，来采集这些特定信号所对应的响应。在对响应信号进行特殊的处理后，得到对应的电缆老化程度或者使用年限相关信息。
2.1直流叠加法
直流叠加法是最简单的信号注入法，它的原理简单易懂，即通过在电网中叠加低压的直流电源装置向电网供直流电。通过采集电缆中的这种直流电源产生的直流分量来计算绝缘电阻以及判断电缆绝缘的老化情况。叠加直流电压的主要方法是通过将50V的直流电与电压互感器的中性点串联起来，从而利用电压互感器来对三相电缆的各相施加直流电压。
直流叠加法测量原理如图3所示。该方法测量时向电网以及舰地间注入直流信号，在提取相应信号时，需要利用信号采集装置，这个装置一端与电缆的外表面相连，一端接地，因此流过的信号就是流过电缆绝缘层的各种电流。这些电流中存在工作频率信号以及杂散信号，所以需要通过滤波装置将工作频率以及其他杂散信号滤除。最后得到的直流电流就可以用来计算判断电缆绝缘老化状况所需的绝缘电阻。
特点：需要采集的响应信号明确，因为只需要直流信号，所以滤波器在设置截止频率的时候可以很准确地将所需信号提取出来；该方法通过将正向和反向的直流电压叠加在电缆绝缘层上，对产生的直流电流的差值进行数据分析处理，来消除单向杂散电流对于测量数据的影响；装置安装简便，易于操作，所需信号处理过程较少，测量响应快。
图3直流叠加法原理适用范围：①该方法只能用在中性点非有效接地电网中；②可以用来判断整个电网的绝缘状况，但不能实现故障的精准定位；③一般将其作为故障定位装置的启动模块使用。
需要注意的是，该方法注入的直流信号可能会在电缆中产生零序电压，这些零序电压流过继电器之后可能会导致各种保护装置的误动作，因此在设计继电保护系统时要考虑到这种影响。
2.2双频信号注入法
双频信号注入法是信号注入法中准确性比较高的方法之一，与直流叠加法不同，它所注入的信号也属于交流信号，但却是两个不同频率的交流信号f1与f2。绝缘在线监测装置分别向电网与舰地注入两个频率不同的正弦波信号后，两个信号分别产生了对应的响应。
图4单、双频信号注入法原理双频信号注入法不仅能够测量出对地绝缘电阻的大小，还可以实现对故障线路的实时定位，是一种比较全面的监测方法，且已经有实际的应用案例，因为其工作原理与绝缘材质没有紧密联系，所以应用范围将更加广泛，不仅限于电缆层面，未来还有可能将这种系统应用在对电机或其他设备的绝缘在线监测中。
适用范围：①该方法抗干扰能力较强，因此可用在电磁噪声信号较强的环境中；②适用于需要获得较精确绝缘参数的场合；③适用于对绝缘的老化问题或故障进行精准定位的计算，需要实现故障选线的场合；④适用于对不允许停电的一级负荷供电网络的监测。
由于需要注入两种频率的信号，可能需要在注入装置中加设变频调节器，这在一定程度上提升了装置的复杂程度，牺牲了一部分可靠性；并且在采集信号时需要同时对两种信号进行滤波处理，对滤波装置的要求也较高；计算量较大，可能会导致系统在接收监测信号后处理时间过长，无法实现及时预判。
2.3单频信号注入法
单频信号注入法是双频信号注入法的简化形式，其基本原理与双频法类似，都是利用基本的电压电流方程，通过解方程来获得对应的绝缘电阻值以及对地分布电容大小。为了增加测量精度，同时消除对地电容的影响，传统的双频注入法需要同时向电网注入两种频率的低频信号，这导致对频率注入装置以及滤波装置的精度要求过高，同时使得整个装置的复杂程度不利于在舰船的工作环境中使用。
因此，随着研究的深入，逐渐发现可以在只注入单一频率的条件下实现双频法的功能，这对于“频率注入法”更广泛的应用具有突破性进展。
单频信号注入法通过简化算法以及注入信号源，将两个低频信号通过复杂解方程得到的结果变成了单个低频信号，且不需要解方程来得出；简化了信号输入装置的体积和复杂程度，降低了成本；因为不再需要进行变频控制，硬件系统的可靠性更强；由于不涉及复杂算法，因此编程简单、易于实现，且接收到信号后的处理速度快、系统响应更迅速，能够更及时地对故障进行预警。
适用范围：①相比于双频信号注入法精度要求相对较低的监测部位；②电磁噪声等干扰信号较弱的环境；③需要实现故障预判、预警等要求较高响应速度的工况；④需要对绝缘的老化问题或故障进行定位计算来实现故障选线的场合。
该方法所测绝缘电阻的测量误差大小受电压和电流测量幅值误差影响较大，与电压幅值误差呈正相关，与电流幅值误差呈负相关；随着绝缘电阻的增大，测量误差会逐渐升高，这是因为近似算法所忽略的2项随着R的升高，占的比重越来越大，因此忽略该项之后的精度会随之下降。
2.4S注入法
S注入法在中压系统中的应用较为广泛，主要用来检测与排查舰船电网单相接地故障。它突破了传统的通过零序电流法进行单相接地故障判定时，使用零序电流中基波或者谐波的大小以及相位作为判据的局限性。S注入法测量原理如图5所示，利用的检测量是一种通过特殊装置注入电网的特殊电流信号。
当单相接地故障发生时，系统通过检测每一相的电压变化来判断发生单相接地故障的对应相。之后利用互感器等装置向故障相注入特殊电流信号，使得该信号最终通过变压器感应到一次侧。
图5S注入法原理S注入法突破了传统检测方法中通过采集幅值和相位的计算思路，将信号的注入端从一次侧变为二次侧；发生单相接地故障后再注入信号，而不是随时都在注入，这在一定程度上节约了电力，并且保证了装置的寿命，延长使用周期；特殊电流信号采集简单，频率明确，不易受到工频和杂散频率的干扰，精度较高；不涉及复杂的计算流程，只要在对应相检测到信号，就能确定该相发生故障，原理简单，装置安装便捷。
适用范围：①可用于不需要进行故障提前预警的工作区域；②只能有效检测出单相对地绝缘故障这一种情况，不能用于判断其他绝缘故障类型；③允许负荷暂时停止供电的区域，一般用于三级负荷或备用负荷电网线缆的监测。
S注入法属于故障选线中比较常用的一种方法，但并不能实现对电网整体绝缘状态的监测，只能在故障发生后才能检测出来，不能将绝缘电阻实现数值化，因此它无法通过实时监测线路绝缘电阻的变化来实现故障预警功能。
3综合性方法
除以上介绍的专为在线监测而设计的方法之外，还有一些监测方法具有较强的综合性能，既能用于在线监测，也能用于离线检测；既可以根据其固有原理选择不同仪器进行测量，也能将其与以上一些在线监测专用的方法进行一定程度的结合，来提升监测效率，测量手段具有丰富多样性；不仅被运用于电缆绝缘在线监测，还被广泛地应用在其他很多电力设备的绝缘监测领域，具有很强的适配性。
3.1介质损耗因数法
用于电缆绝缘监测的传统介质损耗因数法主要包括工频介质损耗法和超频介质损耗法。前者根据电桥平衡原理，用西林电桥法进行测量；后者则通过超低频电缆介质损耗仪进行测试。两种方法在离线检测领域应用广泛，但无法实现在线监测。
用于在线监测的介质损耗因数法利用了电压互感器和电流互感器分别采集电缆线芯的电压值与流向地的漏电流信号，通过计算分析处理获得两者之间的相位差。介质损耗因数法原理如图6所示。
图6介质损耗因数法原理介质损耗法的原理与电缆所用材质无关，也与电压等级无关，因此装置的适配性较强；无论是采集工频信号还是外加注入信号，都使得滤波装置目的性强，可以避免杂散信号的干扰，测量精度较高。
适用范围：①可用于监测电缆的整体老化参数；②不能用于反映局部老化程度；③可用于在线监测绝缘状态实现故障预警；④可以用于体现绝缘的多种劣化特性。
这种用于在线监测的介质损耗因数法不仅能测量绝缘电阻的变化，还能够体现电缆因受潮、受热导致的劣化缺陷特性，适合运用在舰船的极端环境中。由于发生集中性缺陷时，经常不会改变整体介质损耗因数，所以一般只能反映出电缆的整体老化程度，而不能准确反映局部老化程度。
3.2局部放电法
局部放电法因其简单的原理被广泛应用在绝缘测试领域中。局部放电是在电场作用下发生在绝缘内部的一种现象，电缆在电、热和环境等应力的长期作用下，局部可能会产生集中性缺陷，形成水树枝或局部弱区击穿。随着电场的作用，绝缘层间会随之产生局部放电信号。当这种缺陷达到一定程度时，就会形成电树枝，从而对绝缘造成毁灭性的破坏。
局部放电信号可以用来反映电缆绝缘的受损情况，所以可以通过监测局部放电信号的大小来掌握电缆主绝缘的完好程度，从而在老化达到事故临界点之前对电缆进行更换。近些年，提出了通过罗氏线圈感性传感器，利用脉冲电流检测法的检测原理对电缆局部放电现象实现在线监测的方法。局部放电法原理如图7所示，电缆发生局部放电现象时，通过罗氏线圈在检测回路感应出高频脉冲信号，通过将流过检测电阻RC上的电压差分放大即可完成对局部放电信号的检测。
图7局部放电法原理除此之外还提出了直流分量法测量泄漏电流结合局部放电现象共同判定绝缘状态的方法，测量局部放电现象导致的绝缘层介质损耗因数增量的方法，及利用放电现象产生的温度、声、光等非电的参数变化来实现定性分析绝缘老化特性的在线监测方法等。由此可见，局部放电法也是一种手段多样，且容易和其他监测方法结合使用的综合性方法。
特点：局部放电法原理简单，测量方法多，属于测量绝缘老化中效率较高的方法之一；因为可以检测出局部缺陷，更精准地实现隐患定位。
适用范围：①可用于监测电缆绝缘的局部老化参数，具有故障定位功能；②可用于反映电缆绝缘的树枝化缺陷程度；③可用于识别电缆发生缺陷的故障类型，体现除绝缘电阻外的多种绝缘劣化特性。
在实际工作条件下，局部放电信号的幅度较小，采集时容易受到噪声、电磁等信号的干扰，而且滤波时容易产生畸变，因此对检测所用的传感器精度要求极高；获取的局部放电信号大小与电缆实际剩余使用寿命的相关性有待进一步研究。
舰船电缆在线监测方法特点汇总见表2，本文主要选择了以上具有工程性实际应用的八种方法进行介绍，并对各种方法的特点及适用范围进行总结。
表2在线监测方法特点汇总可以看到，每种方法都有其独有的特征，例如，直流分量法、直流叠加法及交流叠加法侧重对电网的整体绝缘程度进行评估，但不能实现故障定位选线；而S注入法侧重故障定位的准确性，虽然响应速度快，但只能用于检测已发生故障；双频信号注入法则更适用于提供故障的预警功能，且抗干扰能力较强；单频信号注入法在兼顾预警功能的同时还能保证故障发生时响应的快速、及时性；介质损耗因数法和局部放电法可以利用多种手段，结合其他方法共同反映多种绝缘故障类型。
本文编自年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“舰船电缆绝缘在线监测技术综述”，作者为吴沛航、吴旭升等。