第11讲-电力电缆在线检测

第11讲电力电缆的在线检测与故障诊断唐志国Tel:13466573224(hp);51971617(o)办公室：教5楼D325Email：[e-mail]高电压与电磁兼容研究所主要内容电力电缆基本知识–电力电缆发展背景、结构特点，分类，运行情况等–电力电缆的绝缘特征量、劣化机理电力电缆的检测与故障诊断技术–直流泄漏电流检测技术–局部放电在线检测技术–介质损耗角正切tgδ的在线检测技术–其他检测方法–电力电缆的故障定位电力电缆基本知识背景–电力电缆主要用于发电厂、变电所、工矿企业的动力引入/出线–过海、过江、过铁路等特殊部位，多采用电缆–20世纪80年代初，随着XLPE电缆的广泛应用，电力电缆与GIS一起成为城网改造的两项重要举措。–电力电缆与架空线路相比，优点是受气候影响小，节省空间、安全可靠、隐蔽耐用，但成本较高电力电缆基本知识类型–油浸纸绝缘电力电缆•由木纤维纸和浸渍剂组成的复合绝缘。•生产和运行中均不可避免产生气隙。耐电强度降低。–橡皮绝缘电力电缆•合成橡胶：丁苯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯•耐臭氧差，在电晕作用下会发生开裂，击穿场强较低。电力电缆基本知识聚氯乙烯绝缘电力电缆–聚氯乙稀树脂为基础，配以增塑剂、稳定剂、防老剂等–极性材料，介损大，耐热性低，耐电强度低，燃烧时产生有毒气体。–加工简单、生产率高、成本低、耐油、耐腐蚀、化学稳定性好。电力电缆基本知识交联聚乙烯绝缘电力电缆（简称XLPE电缆）–通过物理或化学方法将聚乙烯进行交联而成–性能优良、工艺简单、安装方便、载流量大、耐热性好；–目前在配电网、输电线中应用广泛并逐渐取代了传统的油纸绝缘电缆，电压等级已高达500kV.–2km-220kV线路的造价可达上亿元。电力电缆基本知识XLPE油纸橡皮聚氯乙烯温度（正常/短路）90/25075-80/22065-70/160绝缘电阻（欧×米）1014-10151013-10151011-10131011-1012介电常数2.34.03.0-4.58.0介损正切0.00060.010.04-0.050.1不同电缆的参数对比电力电缆基本知识交联聚乙烯绝缘电力电缆结构线芯、半导体屏蔽层、XLPE绝缘、铠甲、护套等电力电缆基本知识交联聚乙烯绝缘电力电缆结构电力电缆基本知识电缆终端图电力电缆基本知识GIS终端电缆图电力电缆基本知识中间接头类型北京市高压XLPE电缆的应用情况截止到2001年6月，北京地区投运的高压电缆线路情况：–220千伏电源电缆线路16路63.225公里–220千伏联络电缆线路15路0.949公里–110千伏电源电缆线路114路283.422公里–110千伏联络电缆线路82路4.722公里（其中110千伏及以上充油电缆60多公里）XLPE电缆最早投运于1988年9月，至今已运行近20年。电力电缆基本知识电缆敷设在隧道内电缆敷设在砖槽内电力电缆基本知识高压XLPE电缆的一些事故情况–随着高压电缆线路的逐年增加和投运时间的逐年增长，XLPE电缆存在的一些问题已逐渐显现出来，事故也开始不断增加。特别是发生在电缆接头中的绝缘击穿事故呈上升趋势。–自从1997年北京发生了第一起超高压电缆运行故障以来，到目前共发生各类故障15起，其中电缆接头、终端故障13起，占87%。故障统计1、1997年花家地110千伏电缆投运一年时应力锥击穿情况电缆表面爬电痕迹图2、1999年11月紫竹院110千伏电缆应力锥击穿情况应力锥击穿解剖情况图击穿点绝缘表面图3、2001年6月八里电缆本体击穿情况图电力电缆基本知识XLPE电力电缆劣化机理–热劣化：电缆运行温度超过材料允许温度时，材料发生氧化分解等化学反应，从而使电缆绝缘电阻和耐压性能下降–电气劣化：绝缘内部气隙、绝缘和屏蔽层之间的空隙部位的电晕放电、屏蔽层上的尖状突起等引发局部放电，并产生电树枝，引起耐电强度下降XLPE电力电缆劣化机理–水树枝劣化：有机材料在长时间受水浸渍将吸潮，在强电场作用下水分将呈树枝状侵蚀电缆，生成水树枝–化学性劣化：有机材料溶胀、溶解、龟裂、化学树枝状裂化。–这些电缆的劣化都可以通过检测直流泄漏电流和交流电压下的tgδ和局部放电来判断其绝缘状况电缆绝缘的在线监测技术直流法–电缆绝缘层中产生的微量直流泄漏电流是内部存在水树的一个重要信息，电流大小和水树长度之间有一定相关性，以此可判断水树或绝缘的劣化程度。直流成分法：将微电流测量装置串接在电缆接地线中，该装置的分辨率为0.2nA。护层电阻下降时，杂散电流会影响测量。直流成分法测量电路1nA，良好1-100nA，注意100nA，不良研究表明，水树枝发展越长，直流分量电流也就越大，XLPE电缆的直流分量电流IDC与其直流泄露电流及交流击穿电压具有较好的相关性。即IDC增大时，常常说明水树枝的发展、泄露电流增大，这样的绝缘劣化过程会导致交流击穿电压下降。直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。研究表明，这些干扰主要来自电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及真实的由水树枝引起的电流，均经过直流分量测量装置，以至造成很大的误差。可以考虑采取旁路杂散电流或在杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法。直流叠加法：借助接地的电压互感器的中性点处将直流电压E1施加在电缆绝缘上交流电压叠加，从而测量通过电缆绝缘层的微弱的nA级直流电流或其绝缘电阻。E1为10-50V。并联电容C1及L1是滤掉工频和将工频和直流电源隔开，避免交流高压对直流电源的影响测量回路L2和C2的作用也是滤去交流分量，使流经测量装置M2的只有直流分量当水树增加时直流叠加电流也增加。直流叠加法等效电路Rm为M2的内阻，Rs电缆外皮上防护层对地的绝缘电阻，R1为电缆的绝缘电阻，RB是整个母线系统的绝缘电阻tanδ法：从电压互感器取电压，用电流传感器测流经电缆绝缘的工频电流，通过装置测出电缆绝缘的tanδ，此信息反映出绝缘缺陷的平均程度。–目前对介质损耗角正切来衡量电缆绝缘老化还存在不同看法，有研究者认为，仅能反映电缆吸水受潮的程度。低频法–低频成分法：由于水树的存在，在电缆绝缘电流中还有低频成分，其频谱在10Hz尤其在3Hz以下。可测低频电流进行诊断，低频电流是nA级。–低频叠加法：将7.5Hz20V的低频电压在线加于电缆，在接地线中测微电流，算出电阻。低频成分电流频谱低频叠加法测得的绝缘电阻与击穿电压的关系电缆局部放电的检测–与油纸绝缘相比，XLPE电缆对局部放电非常敏感。局部放电会在XLPE电缆绝缘内引起电树枝击穿，它是最危险的劣化形式之一。电缆对局部放电要求非常严格，不超过10pC–例如在3.2mm厚的XLPE电缆模型上实验时，击穿电压为36kV，当已形成击穿通道时，相应的局放量仅为3pC，5.6s后增至500pC，随即发生击穿。–电缆发生局部放电的部位大多在接头和终端部位。–电缆局部放电监测的主要困难是现场严重的干扰。电缆接头盒上的监测：监测频率可大于10M，可用差动平衡电路和极性鉴别电路来抗干扰。电缆接头盒上的监测高频脉冲电流法–传感器采用宽带罗哥夫斯基线圈电容分压器法电容分压器监测灵敏度取决于分压比：C1/(C1+C2)高频脉冲电流法和电容分压器法较适合现场使用。电容分压器法灵敏度最高，且有利于故障的定位。但其缺点是需要破坏电缆屏蔽层，在连接盒上插入内电极等，在现场实现还有一定困难。感应传感器法：–原理：当电缆屏蔽由多股螺旋状带绕成时，局放电流在屏蔽线上的电流可分为沿电缆和围绕电缆的分量，切向电流产生轴向磁场，该磁力线在电缆外侧，用线圈制成特高频传感器装在电缆外。–特点：方便安装，可定位，400M测量频率。感应传感器法VHF测量方法–美国爱迪生公司研究发现：在带状屏蔽电缆中，局放信号中的甚高频分量可被测到的距离为400－600m之内，超高频分量可被测到的距离为2m之内。三、XPLE电缆局部放电在线监测的试验研究1、VHF钳形传感器的研制电流传感器的幅频特性曲线VHF检测系统组成及检测效果验证VHF传感器与局部放电仪测试结果对比检测灵敏度小于5pC检测效果优于常规检测法2、UHF传感器的研制3、分析软件4、模拟装置整体接线图局部放电模型气泡放电尖板放电滑闪放电悬浮放电尖板放电气泡放电滑闪放电悬浮放电四、现场测试情况1、现场测量系统现场中大一线和中大二线中间接头井中的中间接头分布情况2、现场测量的线路数五条110kV高压XLPE电力电缆21个中间接头（其中12个充油式中间接头，9个预制式中间接头）浇注式中间接头充油中间接头测试现场测试现场3、现场测量结果一号井中大二线B相160PC一号井中大二线A相约160PC一号井中大二线C相约300PC二号井中大一线A相约50PC二号井中大一线B相约50PC结束