XLPE高压电缆绝缘监测与试验研究

华中科技大学硕士学位论文XLPE高压电缆绝缘监测与试验研究姓名：汪培月申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：陈俊武2011-05-27华中科技大学硕士学位论文I摘要近年来电力建设的飞速发展电力电缆的应用日益广泛，XLPE电缆以其优越的电气性能和耐热性能在电缆输电线路研究中受到重视。随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。自二十世纪八十年代以来，人们陆续研究出了多种在线监测方法来监测电缆的绝缘老化状况，但这些方法都存在一定的局限性不利于推广应用。在综合分析各种在线监测方法的基础上，本文旨在提出一种新的绝缘在线监测方法，该方法主要优点易于与各种干扰信号分离，便于监测且精度较高。本文首先通过分析电缆故障发生的原因，排除电缆终端头、接头不良等早期故障以及外力破坏等事故，从而获得水树老化是造成XLPE电缆击穿的主要原因。从微观的角度分析了水树的形成原理及其特征，理论研究水树形成的因素。根据XLPE电缆的特性提出了利用低频信号检测电缆绝缘状况。本文通过理论和试验分析得出了利用低频信号监测电缆的水树老化状况反应更加灵敏；人工培养一批不同老化程度的试验电缆，分析实验数据得出该结论的可行性。同时，本文还提出了低频信号的两种主要来源：叠加法产生的低频信号和电力系统固有的低频信号，前一种信号来源在其理论推导和仿真分析的基础上，说明了该方法可以产生所需的低频信号，并且频率为一确定值，有利于排除干扰；后一种信号来源由于信号的不确定性，需要进一步研究。关键词：XLPE电缆；在线监测；水树枝；低频信号监测；交流叠加法华中科技大学硕士学位论文IIAbstractWiththedevelopmentofelectricalpowerconstruction,XLPEcablewaswidelyusedwithitssuperiorelectricperformanceandheatresistance.Butastheincreasingofcableandtheextensionofrunningtime,thecable'sfaultsbecomemoreandmorefrequently.Sincethe1980s,avarietyofonlinemonitoringmethodshavebeendevelopedtomonitorinsulationagingofthecables.However,toacertainextent,thesemethodshavetheirlimitations.Thus,theyarenotconducivetothelarge-scalepopularization.Onthebasisofacomprehensiveanalysisofvariousonlinemonitoringmethods,thispaperaimstoproposeanewonlinemonitoringmethodforinsulation,thecharacteristicsignalsofwhichcanbeeasilyseparatedfromthoseundesiredsignals.Moreover,thismonitoringmethodshowshighaccuracy.ThispaperanalyseXLPEcableinsulationfailure,water-treedegradationisconsideredthemaincauseofXLPEcablebreakdownafterincipientfailuressuchasbadterminalsandjointsandsomemechanicaldamagesareruledout.Thispaperanalysesthegrowthprocessofwatertreefrompointofviewofmicrocosmic,summarizedthecharacteristicsofwatertree,summedupthefaetortoformwatertree.AccordingtothecharacteristicsofXLPEcable,itproposedtouselowfrequencysignaltodetectecableinsulationsituation.Thispaperobtainedtheadvantagesofusinglow-frequencysignalstodetectwatertreethatbemoresensitivereflectwatertreeagingconditionbytheoreticalandexperimentalanalysing.Thispaperhasartificiallyculturedafewdifferentagingwatertreecablesandthenverifiedtheaboveconclusionbyanalysingthetestresults.Meanwhilethispaperhasproposedtwomainsourcesoflow-frequencysignals:thelow-frequencysignalsgeneratedbyACSuperpositionMethodandtheinherentlowfrequencysignalsofthepowersystem.Thoughtheoreticalanalysisandsimulationanalysisoftheformerone,thispaperhasconcludedthatthemethodcangeneratetherequiredlowfrequencysignalsandthefrequencyhasafixedvalue,therefore,theyareeasilyremovedinterference.Thelatteronestillneedstodoalotofstudyforapplicationbecauseoftheuncertaintyofthesignals.KeyWords：XLPEpowercable；On-LineMonitoring；watertreebranches；Low-Frequencysignalmonitoring；ACsuperpositionmethod  独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年月日日期:年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究的背景和意义在输电、配电系统中，一般架空线路传输要比电缆线路传输成本低很多。但在有些场合里，用电缆更为合适。随着工业的发展，城市的扩大，电力电缆的比重还在增大，因为电缆具有不少优点：占地少、供电可靠性高、安全性好、维护量小、保密性好[1]、容易大幅度提高馈电线路的供电能力[2]等。电力电缆主要用于变电站、发电厂及工矿企业的动力引入线，使用范围逐渐广泛从而受到重视。随着城市建设的发展，架空输电线路逐渐被电力电缆所取代，在城网供电中所占的比例越来越大。随着电力电缆的广泛使用必然带来电缆故障的增多，因电缆使用环境特殊多深埋地下，发生故障后检测故障较为困难。电缆在运行过程中由于多方面的原因发生故障，需要停电检修，将造成重大经济损失，也给人民生活和工农业生产带来不便[3]。为了确保电力电缆安全稳定的运行，对电缆绝缘损坏做到及早发现及时应对，就要对电缆绝缘进行及时诊断。定期的预防性试验是我国早期主要的电缆绝缘诊断技术，但是随着电缆线路越来越长，电缆的电容量越来越大，这样应用预防性试验会有很大的困难，而且经验表明预防性试验存在一定的弊端，主要有[4]：第一，必须停电进行试验，而停电现象应该是电力系统极力避免的；第二，预防性试验没有选择性，往往是对全部电缆开展试验，绝缘原本良好的电缆由于多次在高于其额定电压下进行试验而导致电缆绝缘的加速劣化。由上可知，电力电缆在线监测技术是必然发展趋势。状态检修是对电缆绝缘状况进行在线监测，然后根据监测结果来判断是否需要对电缆的绝缘进行更进一步检查和维修。进行状态检修不仅能够大大减少对绝缘完好的电缆进行不必要的试验，节省试验开销、减少停电次数、降低不必要试验对电缆绝缘的非正常损伤，更重要的是能够对电缆的绝缘进行连续的监测，及时发现问题，减少突发事故的产生。此外，在线绝缘监测还能够建立电缆绝缘性能的历史档案，并为电华中科技大学硕士学位论文2缆离线大修的决策提供基本数据[5]。1.2XLPE电力电缆绝缘结构特性交联聚乙烯（XLPE）电力电缆[6][1]由于其拥有良好的电气性能和耐热性能，并且传输容量大，结构轻便，附件接头简单，安装敷设方便，没有高度落差的限制，特别是没有漏油从而引起火灾的危险，因此越来越受到用户的广泛欢迎。交联聚乙烯电缆其相间主绝缘是交联聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形的，并且还有两层半导体屏蔽层，这是和油浸纸统包电缆在结构上的区别。芯线外表面的第一层半导体屏蔽层，可以消除导体电晕及电离放电现象，从而使芯线与绝缘层之间有良好的过渡；在相间绝缘外表面的第二层半导体屏蔽层，同时还有一层0.1mm厚的薄铜带，它们共同组成了良好的相间屏蔽层，使之几乎不能发生相间故障。交联聚乙烯电力电缆由于其比充油电缆有较大的优越性，如如工艺合理、敷设简单、耐酸碱性强、易于维护、优良的电气性能和耐热性能的特点，国内外已经把它作为主要的发展对象。例如俄罗斯的220kVXLPE电缆已经稳定运行了上十年，日本已经开始研发750kV电缆，我国220kV交联聚乙烯电力电缆也已开始使用，一些500kVXLPE电力电缆项目已在招标和敷设之中。1.3国内外研究现状定期试验维修是国内长期以来对电气设备绝缘诊断[7]主要采用的方法，传统的电缆绝缘的诊断方法有绝缘电阻试验，直流泄漏电流试验，介质损耗角正切试验，局部放电试验，交流耐压试验等方法。这种离线检测方法在过去起到了很大的作用，但有时出现经过检修并试验合格的电气设备，在投入运行后段时间内就出现事故的情况，且缺点在于试验需在停电状态下进行。现代社会工业化逐步发展对电能质量要求越来越高，智能电网的发展对电力稳定提出了更高要求，要求电网减少停电或不停电。从而，供电部门需对在线运行的输电线路进行试验和检测，在线检测技术的发展得到了新的挑战和机遇。电力电缆在线检测具有极大的优越性受到各位专家学者的青睐，其应用也逐步完善。华中科技大学硕士学位论文3近年来，电力电缆绝缘在线监测技术有了很大的发展。目前，已经形成了若干在线监测方法，XLPE电力电缆的在线监测方法主要有直流法、tanδ法、局部放电法、交流叠加电压法及低频叠加法等。这些在线监测方法在国外，特别是在发达国家，如日本和欧美等已经得到较广泛的应用，经验比较丰富，并根据现场数据提出了电缆老化程度的判据[8]。目前国内，对于在线监测技术的研究还不深入，一部分学者和研究单位分析国外的理论和试验数据，并结合我国的现状，得出了部分适合我国电力系统在线监测的理论和方法，但是目前投入实际运行的在线监测产品并不多见。其原因可以归纳为一下三点[8][9]：（1）现场检测干扰严重（2）缺乏足够的现场检测