电力电缆的在线监测

第六章电力电缆在线监测电力电缆的结构目前，在我国交流输电网络中的电缆大多采用图1-1所示的结构。从内到外主要分为线芯、绝缘层和护层.1）线芯电力电缆线芯的作用主要是传送电流，线芯的损耗主要由导体截面积和电导系数来决定。为了减少电力电缆线芯中的损耗和电压降，电缆线芯一般由具有高电导系数的金属材料铜或铝制成。电力电缆必须保证一定的柔韧性和可弯曲度，因此，较大截面的电缆线芯要由多根较小直径的导线绞合而成。实际上，根据线芯的外形可分为圆形线芯、中空圆形线芯、扇形线芯、椭圆形线芯四类。由于圆形线芯的电气特性比较均匀，在35KV及以上电压等级的电力电缆中主要采用圆形线芯，其它形式的线芯在低压线路中也有一定的运用。2)绝缘层作为电力电缆的绝缘层材料，必须具有以下几个特性：(1)较高的击穿场强（脉冲、工频等）；(2)较低的介质损耗系数；(3)相当高的绝缘电阻；(4)优良的耐树枝放电、局部放电能力；(5)一定的机械强度和柔韧性；(6)电气及物理性能的长期稳定性等。目前在高压电缆的生产工艺上，一般采用三层共挤的生产方式（内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层）。3)护层为使电缆适应各种使用环境的要求，在电缆绝缘层外施加了覆盖层，统称为护层。电缆的护层是构成电缆的三大组成部分之一，它的主要作用是保护电缆绝缘层在敷设和运行过程中，免受机械损伤和各种环境因素的影响，如水、日光、生物、火灾等的破坏，以保持电缆长时间的电气稳定性。因此，电缆护层的运行状况直接关系到电缆的使用寿命。电缆护层所用材料繁多，主要可分为两大类。一类是由金属材料，如铝、铅、钢铜等，主要用以制造密封护套、铠装或屏蔽。由于金属材料具有不透水性，因此可以防止水分和其它有害物质进入电缆的绝缘层。另一类是非金属材料，主要有橡皮、塑料、涂料以及各种纤维制品。由于电缆金属材料的腐蚀属于电化学腐蚀范畴，因此，为了防止对金属护层的腐蚀，常采用非金属材料作为金属护层的外部保护。电力电缆的电气参数电力电缆的主要电气参数有线芯的有效电阻、电感、绝缘电阻以及电容四个参数,这些统称为电缆的一次参数。电力电缆的波阻抗、衰减常数、相位移常数则成为电缆的二次参数，二次参数可以从一次参数计算而得。电缆的电气参数决定电缆的传输性能，如电缆线路的电压调整率就主要是由电缆线芯的电阻和电感来决定的（对于长电缆线路，绝缘电阻和电容也影响到电压调整率）。故障率统计长期积累的电力电缆试验研究结果证实：电力电缆护层、电力电缆附件是电缆线路中绝缘结构相对薄弱、容易发生运行故障的部分。其次，电力电缆在制造、敷设施工、运行维护过程中，不可避免地会出现产品质量、过负荷运行以及外力破环等问题，也是导致电缆线路中电缆本体发生运行故障的直接原因。然而这一试验研究结果需要经实际运行情况的验证，这里以故障率做为统计量。统计结果表明：10KV~220KV电力电缆的平均运行故障率由1999年的11.5次/（百km.年），逐年下降至2003年度的5.6次/（百km.年。与经济发达国家相比，我国电力电缆运行故障率高出许多。造成电缆线路故障率较高的原因主要在以下三个方面：1）二十世纪七十年代至八十年代投入运行的XLPE绝缘电力电缆产品均采用1+2挤出的生产设备和湿法蒸汽交联工艺，有近40,000km质量不稳定的电力电缆产品投入输配电网运行，且基本进入高故障率时期。2）由于电力电缆线路一次性投资较大，其直接成本是架空线路的4倍，如果计及拆迁、土建等间接费用，其投资成本约是架空线路的10多倍。电缆线路也就成为输配电网络的瓶颈，特别是用电高峰季节，大约有72%的电缆线路长期处于过负荷运行状态且不能够及时进行维护。同时，由于受到经济条件限制，部分区域或企业将过去投运的6KV油纸绝缘电力电缆升压至10KV电压系统中运行，造成电缆线路运行事故明显增加。3）在我国城市规划工作中，自来水、煤气、通讯、市政、路桥、房地产、电力以及环卫、绿化等基础建设工程缺乏系统管理，造成电力电缆线路外力破坏故障大幅上升。加之从业人员素质参差不起，电力电缆线路敷设安装质量和运行维护得不到保证。电力电缆故障成因分析电缆故障分类电缆故障分为：开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型相间或相对地绝缘电阻高，但工作电压不能传输到终端或带载能力差电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量的一类故障相对于低阻故障而言对电缆绝缘在线监测的注意力主要集中在主绝缘上，开发了一些电缆主绝缘在线监测仪。日本从二十世纪八十年代起就开始对XLPE电缆主绝缘老化的诊断问题开始研究，提出了直流分量法、叠加电压法和电介质损耗法等多种诊断技术，并在80年代后期研制出多种可供实验室和工业现场直接使用的设备，如住友电气工业株式会社的在线运行电缆监测仪。在国内，上海电缆研究所研制的CDZ型XLPE电缆诊断仪等。这些技术在实际应用中发挥了较好的效果。电缆绝缘的劣化和诊断内容交联聚乙烯塑料电缆应用广泛，替代了油纸绝缘一、绝缘劣化原因1、热劣化温度过高，材料氧化分解，导致电缆绝缘电阻和耐压性能下降可通过检测其直流高压下的泄漏电流和测量交流电压下的介质损耗角正切2、电气劣化电晕放电发展树枝状放电监测电缆局部放电3、水树枝劣化有机材料的长期吸水形成水树枝劣化研究表明介质损耗的大小随水树技老化的程度而增加，在0.1~50Hz之间的损耗因数与水树技老化程度有很好的相关性检测介质损耗角正切或直流泄漏电流4、化学性劣化化学部门，有溶解，龟裂等现象测量介质损耗角正切和直流泄漏电流二、电缆在线监测参数介质损耗角正切局部放电直流泄漏电流电缆绝缘的在线监测一、直流法导电芯发生水树时，从导电芯到外皮有一个负电流流过，即水树枝整流作用（在交流电压下）该电流（纳安级）与水树枝长度之间有一定相关性，以此可以判断水树或绝缘的劣化通常认为直流电流小于1nA时绝缘良好，大于100nA时为绝缘不良，介于二者之间要加强监测当外皮发生水树时，外皮有一个正电流流过。1、直流成分法电缆中有水树时，类似于尖-板电极具有整流作用。运行电压作用下，在由电源线、电缆导电芯，XLPE绝缘、电缆接地线、GPT(接地保护用电压互感器)、电源线构成的回路中会有微弱的直流成份电流流过。将纳安级微电流测量装置M串接入电缆的接地线中如图所示，即可测出此电流。微电流测量装置应并接有低通滤波器及接地保护装置，以衰减交流成份、检出直流成份，并保证试验人员及装置的安全。通常认为直流成份电流小于lnA时绝缘良好，大于100nA时绝缘不良，介于两者间时要加强监测。对于6.6KV和10KV两种电缆，日本标准：对额定电压为6.6KV的电力电缆，若直流泄漏电流小于0.5nA是好电缆；介于0.5nA~30nA之间，则电缆有危险，要加强监测，随时准备更换；大于30nA是坏电缆。对额定电压为10KV的电力电缆，则直流泄漏电流小于1nA是好电缆，介于1nA和100nA之间，则电缆有危险，要加强监测，随时准备更换；大于100nA是坏电缆。ES为护层对地化学作用电势接地保护用电压互感器当电缆护层的绝缘电阻下降时，会出现化学作用电势ES0.5V，从而引起杂散电流如图1所示，电缆护层的绝缘电阻下降时，由于护层与地之间化学作用电势Es的作用，除了直流成份电流外，测量装置M中还将流过杂散电流，影响测量准确度。根据试验结果,Es最大不超过0.5V，因此当护层绝缘电阻小于200～500MΩ时，杂散电流将影响诊断的可靠性。杂散电流会影响三相电缆零相电流波形的零线，可由此波形推算出杂散电流，并由测得电流扣除此杂散电流而得到准确的直流成份电流值。2直流叠加法这种方法是借助电抗器将直流电压在线叠加于电缆绝缘,即直流电源经电抗器连接于三相导线,并由并联电容来免除交流高压对直流电源的影响，通过测量流过绝缘的直流电流来进行诊断。为了防止直流电压影响GPT二次线圈开口三角的输出电压，所加直流电压不能很高，约10～50V。由于电缆绝缘处于交流高压的作用之下，尽管所加直流电压不高，仍能真实反映绝缘的实际状况。水树长度增加时，直流叠加电流迅速增加，其交流击穿场强也迅速下降。用直流叠加法测得的电缆绝缘电阻大于1000MΩ时绝缘良好，小于10MΩ时绝缘不良，这分别相应于电流为10nA、1000nA左右，可用上述微电流测量装置测量。杂散电流的影响可通过正、反向叠加直流电压消除。水树长度增加时，直流叠加电流迅速增加注意所加直流电压不要过高，一般为10伏～50伏可以通过正反向叠加直流电压消除杂散电流的影响2、直流叠加法为直流分量为外干扰噪声引起的为叠加直流电压产生dcdcIIIIIII2121叠加开关检测开关日本已有电缆自动在线监测装置（AOLCM）产品，该类装置的特点是由计算机自动地打印。显示、存贮每天的监测数据，监测一条线路约需8分钟，判据（日本住友公司，取E1为50V）项目测量结果判断结论RB无判断标准，根据发生的情况凭经验判断R1/MΩ6KV1000良继续使用10KV50006KV300~1000轻度不良监视使用10KV1000~50006KV30~300中度不良计划使用10KV100~10006KV30严重不良立即跟换10KV100Rs/MΩ1良继续使用1不良定位修理RT/MΩ100良继续使用100不良定位修理或更换二、电桥法用电桥测量电缆绝缘电阻42411)(URUER电缆护层与地之间化学作用电势Es的影响，可调节E0来消除，即反复调节R4及E0，使V0指示为零，此时Es对电桥平衡没有影响。连接于三相高压导线其它设备的对地绝缘电阻与R3并联，由于R3之值并不参与计算，因此其它设备的绝缘电阻不影响测量结果。也要防止所加直流电压对GPT的有害影响。工频法将加于电缆的电压（通过电压互感器）及流过绝缘的工频电流（通过电流互感器信号取出，再通过数字化测量装置测出电缆绝缘的tgδ。当tgδ大于一定值时，绝缘可判为不良。注意电压、电流互感器角差对测量结果的影响。应用灵敏度为0.01%的测量装置可很好地监测绝缘，由此得到的tgδ反映的是绝缘缺陷的平均程度。三、低频法1、低频成分法由于水树的存在，除了直流成份外，在电缆的充电电流中也含有低频成份。根据频谱分析，其频率在10Hz，特别是3Hz以下的低频电流可诊断绝缘。由于低频电流也是纳安级的，对测量装置要求较高。2、低频叠加法为避免直流微电流测量上的困难，可将7.5Hz、20V的低频电压在线叠加于电缆在电缆接地线中串接入测量装置，以得到相应的绝缘电阻值。一般情况下当绝缘电阻小于1000MΩ时，性能不好；当绝缘电阻小于400MΩ时，电缆应立即更换。复合判断法由于绝缘状态与其特性参数间的统计分散性，仅用一种方法来诊断绝缘，会有漏判或错判的可能。采用几种方法，互相配合进行复合诊断可提高诊断的正确性。采用包含直流叠加法及tgδ法的复合诊断，对不良电缆的诊断的准确率很高。根据测量装置研制的难易程度、现场测量中的干扰情况等，我国目前宜采用包含直流叠加法和tgδ法的复合判断法来对XLPE电缆进行在线诊断。总结：电桥法通过调节电压和电阻可削弱电缆护层与地之间化学作用产生的电动势ES的影响。考虑直流电压对GPT的有害影响，它仅适于10kV的电缆。tanδ介损法反映电缆绝缘的整体缺陷水平，是目前对电容性设备绝缘水平的主要评判标准，但部分水树生长而没击穿时，引起绝缘电阻减少，很难使tanδ变化，大大降低了检测精度。因介损法是电缆本身的属性，也可作为高压电缆的监测手法之一。直流成份法利用在外界电场作用下电缆因整流效应而产生的直流分量，很难排除电动势ES的影响，故仅作为电缆绝缘在线检测的综合判据之一。。差频监测法是在工频交流电下叠加低频电压，观察其对老化电缆的响应程度。研究发现含水树枝XLPE电缆同时施加两个频率相近或相似呈倍数关系的正弦电压时，检测回路中会产生超低频水树劣化特征电流信号，据此可在线诊断电缆绝缘的水树枝老化状态，叠加约101Hz的信号最佳，但需考虑信号加载的位置和可靠性因素.XLPE电力电缆护层缺陷的影响及其检测技术XLPE电力