電力電纜的在線監(jiān)測

1、第六章第六章 電力電纜在線監(jiān)測電力電纜在線監(jiān)測電力電纜的結(jié)構(gòu)n目前，在我國交流輸電網(wǎng)絡(luò)中的電纜大多采用圖1-1所示的結(jié)構(gòu)。從內(nèi)到外主要分為線芯、絕緣層和護層.1）線芯n電力電纜線芯的作用主要是傳送電流，線芯的損耗主要由導體截面積和電導系數(shù)來決定。為了減少電力電纜線芯中的損耗和電壓降，電纜線芯一般由具有高電導系數(shù)的金屬材料銅或鋁制成。n電力電纜必須保證一定的柔韌性和可彎曲度，因此，較大截面的電纜線芯要由多根較小直徑的導線絞合而成。實際上，根據(jù)線芯的外形可分為圓形線芯、中空圓形線芯、扇形線芯、橢圓形線芯四類。由于圓形線芯的電氣特性比較均勻，在35KV及以上電壓等級的電力電纜中主要采用圓形線芯，其它

2、形式的線芯在低壓線路中也有一定的運用。2)絕緣層n作為電力電纜的絕緣層材料，必須具有以下幾個特性：n(1)較高的擊穿場強（脈沖、工頻等）；n(2)較低的介質(zhì)損耗系數(shù)；n(3)相當高的絕緣電阻；n(4)優(yōu)良的耐樹枝放電、局部放電能力；n(5)一定的機械強度和柔韌性；n(6)電氣及物理性能的長期穩(wěn)定性等。 目前在高壓電纜的生產(chǎn)工藝上，一般采用三層共擠的生產(chǎn)方式（內(nèi)屏蔽層、絕緣層、外屏蔽層）。3)護層n為使電纜適應(yīng)各種使用環(huán)境的要求，在電纜絕緣層外施加了覆蓋層，統(tǒng)稱為護層。n電纜的護層是構(gòu)成電纜的三大組成部分之一，它的主要作用是保護電纜絕緣層在敷設(shè)和運行過程中，免受機械損傷和各種環(huán)境因素的影響，如水

3、、日光、生物、火災等的破壞，以保持電纜長時間的電氣穩(wěn)定性。因此，電纜護層的運行狀況直接關(guān)系到電纜的使用壽命。n電纜護層所用材料繁多，主要可分為兩大類。一類是由金屬材料，如鋁、鉛、鋼銅等，主要用以制造密封護套、鎧裝或屏蔽。由于金屬材料具有不透水性，因此可以防止水分和其它有害物質(zhì)進入電纜的絕緣層。另一類是非金屬材料，主要有橡皮、塑料、涂料以及各種纖維制品。由于電纜金屬材料的腐蝕屬于電化學腐蝕范疇，因此，為了防止對金屬護層的腐蝕，常采用非金屬材料作為金屬護層的外部保護。電力電纜的電氣參數(shù)n電力電纜的主要電氣參數(shù)有線芯的有效電阻、電感、絕緣電阻以及電容四個參數(shù),這些統(tǒng)稱為電纜的一次參數(shù)。電力電纜的波阻

4、抗、衰減常數(shù)、相位移常數(shù)則成為電纜的二次參數(shù)，二次參數(shù)可以從一次參數(shù)計算而得。電纜的電氣參數(shù)決定電纜的傳輸性能，如電纜線路的電壓調(diào)整率就主要是由電纜線芯的電阻和電感來決定的（對于長電纜線路，絕緣電阻和電容也影響到電壓調(diào)整率）。故障率統(tǒng)計n長期積累的電力電纜試驗研究結(jié)果證實：電力電纜護層、電力電纜附件是電纜線路中絕緣結(jié)構(gòu)相對薄弱、容易發(fā)生運行故障的部分。其次，電力電纜在制造、敷設(shè)施工、運行維護過程中，不可避免地會出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、過負荷運行以及外力破環(huán)等問題，也是導致電纜線路中電纜本體發(fā)生運行故障的直接原因。然而這一試驗研究結(jié)果需要經(jīng)實際運行情況的驗證，這里以故障率做為統(tǒng)計量。n統(tǒng)計結(jié)果表明：10K

5、V220KV電力電纜的平均運行故障率由1999年的11.5次/（百km.年），逐年下降至2003年度的5.6次/（百km.年。n與經(jīng)濟發(fā)達國家相比，我國電力電纜運行故障率高出許多。造成電纜線路故障率較高的原因主要在以下三個方面：n1）二十世紀七十年代至八十年代投入運行的XLPE絕緣電力電纜產(chǎn)品均采用1+2擠出的生產(chǎn)設(shè)備和濕法蒸汽交聯(lián)工藝，有近40,000km質(zhì)量不穩(wěn)定的電力電纜產(chǎn)品投入輸配電網(wǎng)運行，且基本進入高故障率時期。n2）由于電力電纜線路一次性投資較大，其直接成本是架空線路的4倍，如果計及拆遷、土建等間接費用，其投資成本約是架空線路的10多倍。電纜線路也就成為輸配電網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，特別是用電

6、高峰季節(jié)，大約有72%的電纜線路長期處于過負荷運行狀態(tài)且不能夠及時進行維護。同時，由于受到經(jīng)濟條件限制，部分區(qū)域或企業(yè)將過去投運的6KV油紙絕緣電力電纜升壓至10KV電壓系統(tǒng)中運行，造成電纜線路運行事故明顯增加。n3）在我國城市規(guī)劃工作中，自來水、煤氣、通訊、市政、路橋、房地產(chǎn)、電力以及環(huán)衛(wèi)、綠化等基礎(chǔ)建設(shè)工程缺乏系統(tǒng)管理，造成電力電纜線路外力破壞故障大幅上升。加之從業(yè)人員素質(zhì)參差不起，電力電纜線路敷設(shè)安裝質(zhì)量和運行維護得不到保證。電力電纜故障成因分析電纜故障分類電纜故障分為：開路故障、低阻故障和高阻故障三種類型電纜故障分為：開路故障、低阻故障和高阻故障三種類型 相間或相對地絕緣電阻相間或相對

7、地絕緣電阻高，但工作電壓不能傳高，但工作電壓不能傳輸?shù)浇K端或帶載能力差輸?shù)浇K端或帶載能力差電纜相間或相對地絕緣電纜相間或相對地絕緣受損，其絕緣電阻小到受損，其絕緣電阻小到能用低壓脈沖法測量的能用低壓脈沖法測量的一類故障一類故障相對于低阻相對于低阻故障而言故障而言n對電纜絕緣在線監(jiān)測的注意力主要集中在主絕緣上，開發(fā)了一些電纜主絕緣在線監(jiān)測儀。日本從二十世紀八十年代起就開始對XLPE電纜主絕緣老化的診斷問題開始研究，提出了直流分量法、疊加電壓法和電介質(zhì)損耗法等多種診斷技術(shù)，并在80年代后期研制出多種可供實驗室和工業(yè)現(xiàn)場直接使用的設(shè)備，如住友電氣工業(yè)株式會社的在線運行電纜監(jiān)測儀。在國內(nèi)，上海電纜研究

8、所研制的CDZ型XLPE電纜診斷儀等。這些技術(shù)在實際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的效果。電纜絕緣的劣化和診斷內(nèi)容交聯(lián)聚乙烯塑料電纜應(yīng)用廣泛，替代了油紙絕緣交聯(lián)聚乙烯塑料電纜應(yīng)用廣泛，替代了油紙絕緣一、絕緣劣化原因一、絕緣劣化原因1、熱劣化、熱劣化溫度過高，材料氧化分解，導致電纜絕緣電阻和耐壓性能下降溫度過高，材料氧化分解，導致電纜絕緣電阻和耐壓性能下降可通過檢測其直流高壓下的泄漏電流和測量交流電壓下的介質(zhì)可通過檢測其直流高壓下的泄漏電流和測量交流電壓下的介質(zhì)損耗角正切損耗角正切2、電氣劣化、電氣劣化電暈放電發(fā)展樹枝狀放電電暈放電發(fā)展樹枝狀放電監(jiān)測電纜局部放電監(jiān)測電纜局部放電3、水樹枝劣化、水樹枝劣化有機材

9、料的長期吸水形成水樹枝劣化有機材料的長期吸水形成水樹枝劣化研究表明介質(zhì)損耗的大小隨水樹技老化的程度而增加，在研究表明介質(zhì)損耗的大小隨水樹技老化的程度而增加，在0.150Hz之間的損耗因數(shù)與水樹技老化程度有很好的相關(guān)性之間的損耗因數(shù)與水樹技老化程度有很好的相關(guān)性 檢測介質(zhì)損耗角正切或直流泄漏電流檢測介質(zhì)損耗角正切或直流泄漏電流4、化學性劣化、化學性劣化化學部門，有溶解，龜裂等現(xiàn)象化學部門，有溶解，龜裂等現(xiàn)象測量介質(zhì)損耗角正切和直流泄漏電流測量介質(zhì)損耗角正切和直流泄漏電流二、電纜在線監(jiān)測參數(shù)二、電纜在線監(jiān)測參數(shù)介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切局部放電局部放電直流泄漏電流直流泄漏電流電纜絕緣的在線監(jiān)測一

10、、直流法一、直流法導電芯發(fā)生水樹時，從導電芯到外皮有一個負電流流過，即水導電芯發(fā)生水樹時，從導電芯到外皮有一個負電流流過，即水樹枝整流作用（在交流電壓下）樹枝整流作用（在交流電壓下）該電流（納安級）與水樹枝長度之間有一定相關(guān)性，以此可以該電流（納安級）與水樹枝長度之間有一定相關(guān)性，以此可以判斷水樹或絕緣的劣化判斷水樹或絕緣的劣化通常認為直流電流小于通常認為直流電流小于1nA時絕緣良好，大于時絕緣良好，大于100nA時為絕緣時為絕緣不良，介于二者之間要加強監(jiān)測不良，介于二者之間要加強監(jiān)測當外皮發(fā)生水樹時，外皮有一個正電流流過。當外皮發(fā)生水樹時，外皮有一個正電流流過。1、直流成分法、直流成分法 電

11、纜中有水樹時，類似于尖電纜中有水樹時，類似于尖-板電極具有整流作用。運行板電極具有整流作用。運行電壓作用下，在由電源線、電纜導電芯，電壓作用下，在由電源線、電纜導電芯，XLPE絕緣、電纜接絕緣、電纜接地線、地線、GPT(接地保護用電壓互感器接地保護用電壓互感器)、電源線構(gòu)成的回路中、電源線構(gòu)成的回路中會有微弱的直流成份電流流過。將納安級微電流測量裝置會有微弱的直流成份電流流過。將納安級微電流測量裝置M串接入電纜的接地線中如圖所示，即可測出此電流。微電流串接入電纜的接地線中如圖所示，即可測出此電流。微電流測量裝置應(yīng)并接有低通濾波器及接地保護裝置，以衰減交流測量裝置應(yīng)并接有低通濾波器及接地保護裝置

12、，以衰減交流成份、檢出直流成份，并保證試驗人員及裝置的安全。通常成份、檢出直流成份，并保證試驗人員及裝置的安全。通常認為直流成份電流小于認為直流成份電流小于lnA時絕緣良好，大于時絕緣良好，大于100nA時絕緣時絕緣不良，介于兩者間時要加強監(jiān)測。不良，介于兩者間時要加強監(jiān)測。對于6.6KV和10KV兩種電纜，日本標準：n對額定電壓為6.6KV的電力電纜，若直流泄漏電流小于0.5nA是好電纜；介于0.5nA30nA之間，則電纜有危險，要加強監(jiān)測，隨時準備更換；大于30nA是壞電纜。n對額定電壓為10KV的電力電纜，則直流泄漏電流小于1nA是好電纜，介于1nA和100nA之間，則電纜有危險，要加強

13、監(jiān)測，隨時準備更換；大于100nA是壞電纜。ES為護層對地為護層對地化學作用電勢化學作用電勢接地保護用電壓接地保護用電壓互感器互感器當電纜護層的絕緣電阻下降時，會出現(xiàn)化當電纜護層的絕緣電阻下降時，會出現(xiàn)化學作用電勢學作用電勢ES1000良繼續(xù)使用10KV50006KV3001000輕度不良監(jiān)視使用10KV100050006KV30300中度不良計劃使用10KV10010006KV30嚴重不良立即跟換10KV1良繼續(xù)使用1不良定位 修理RT/M100不良定位 修理或更換二、電橋法二、電橋法用電橋測量電用電橋測量電纜絕緣電阻纜絕緣電阻42411)(URUERn電纜護層與地之間化學作用電勢Es的影響

14、，可調(diào)節(jié)E0來消除，即反復調(diào)節(jié)R4及E0，使V0指示為零，此時Es對電橋平衡沒有影響。連接于三相高壓導線其它設(shè)備的對地絕緣電阻與R3并聯(lián)，由于R3之值并不參與計算，因此其它設(shè)備的絕緣電阻不影響測量結(jié)果。也要防止所加直流電壓對GPT的有害影響。工頻法n將加于電纜的電壓（通過電壓互感器）及流過絕緣的工頻電流（通過電流互感器信號取出，再通過數(shù)字化測量裝置測出電纜絕緣的tg。當tg大于一定值時，絕緣可判為不良。注意電壓、電流互感器角差對測量結(jié)果的影響。應(yīng)用靈敏度為0.01%的測量裝置可很好地監(jiān)測絕緣，由此得到的tg反映的是絕緣缺陷的平均程度。三、低頻法三、低頻法1、低頻成分法、低頻成分法由于水樹的存在

15、，除了直流成份外，在電纜的充電電流中由于水樹的存在，除了直流成份外，在電纜的充電電流中也含有低頻成份。根據(jù)頻譜分析，其頻率在也含有低頻成份。根據(jù)頻譜分析，其頻率在10Hz，特別，特別是是3Hz以下的低頻電流可診斷絕緣。由于低頻電流也是納以下的低頻電流可診斷絕緣。由于低頻電流也是納安級的，對測量裝置要求較高。安級的，對測量裝置要求較高。2、低頻疊加法、低頻疊加法為避免直流微電流測量上的困難，可將為避免直流微電流測量上的困難，可將7.5Hz、20V的低的低頻電壓在線疊加于電纜在電纜接地線中串接入測量裝置，頻電壓在線疊加于電纜在電纜接地線中串接入測量裝置，以得到相應(yīng)的絕緣電阻值。一般情況下當絕緣電阻

16、小于以得到相應(yīng)的絕緣電阻值。一般情況下當絕緣電阻小于1000 M時，性能不好；當絕緣電阻小于時，性能不好；當絕緣電阻小于400 M時，時，電纜應(yīng)立即更換。電纜應(yīng)立即更換。復合判斷法n由于絕緣狀態(tài)與其特性參數(shù)間的統(tǒng)計分散性，僅用一種方法來診斷絕緣，會有漏判或錯判的可能。采用幾種方法，互相配合進行復合診斷可提高診斷的正確性。采用包含直流疊加法及tg法的復合診斷，對不良電纜的診斷的準確率很高。根據(jù)測量裝置研制的難易程度、現(xiàn)場測量中的干擾情況等，我國目前宜采用包含直流疊加法和tg法的復合判斷法來對XLPE電纜進行在線診斷?？偨Y(jié)：n電橋法通過調(diào)節(jié)電壓和電阻可削弱電纜護層與地之間化學作用產(chǎn)生的電動勢ES的

17、影響?？紤]直流電壓對GPT的有害影響，它僅適于10kV的電纜。ntan介損法反映電纜絕緣的整體缺陷水平，是目前對電容性設(shè)備絕緣水平的主要評判標準，但部分水樹生長而沒擊穿時，引起絕緣電阻減少，很難使tan變化，大大降低了檢測精度。因介損法是電纜本身的屬性，也可作為高壓電纜的監(jiān)測手法之一。n直流成份法利用在外界電場作用下電纜因整流效應(yīng)而產(chǎn)生的直流分量，很難排除電動勢ES的影響，故僅作為電纜絕緣在線檢測的綜合判據(jù)之一。n。n差頻監(jiān)測法是在工頻交流電下疊加低頻電壓，觀察其對老化電纜的響應(yīng)程度。n研究發(fā)現(xiàn)含水樹枝XLPE電纜同時施加兩個頻率相近或相似呈倍數(shù)關(guān)系的正弦電壓時，檢測回路中會產(chǎn)生超低頻水樹劣化

18、特征電流信號，據(jù)此可在線診斷電纜絕緣的水樹枝老化狀態(tài)，疊加約101Hz的信號最佳，但需考慮信號加載的位置和可靠性因素.XLPE電力電纜護層缺陷的影響及其檢測技術(shù)n XLPE電力電纜護層缺陷的影響n護層缺陷、故障對電纜的運行和使用壽命的影響是顯而易見的，其影響與危害視電纜的電壓等級、電纜結(jié)構(gòu)、敷設(shè)環(huán)境和電纜外金屬屏蔽層的互聯(lián)方式不同而不同。1)對10KV及以下電壓等級XLPE電纜的影響n10KV及以下電壓等級XLPE電纜一般為三相三芯電纜，金屬屏蔽層互聯(lián)且共用金屬鎧裝及絕緣護層。由于三相電壓的對稱性，金屬護層上所感應(yīng)電壓極其微弱，因此當護套絕緣損傷后對電纜的短期運行威脅不大。n但由于水分侵入，會

19、導致電纜絕緣產(chǎn)生水樹枝的幾率增加，電纜的長期壽命受到嚴重影響，同時使得對電纜的絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)受到影響或失效；如果出現(xiàn)電纜金屬層被腐蝕情況，電化學樹枝對電纜壽命的威脅大于水樹枝。2)對35KV及以上電壓等級電纜的影響n35KV及以上電壓等級電纜多采用單根敷設(shè)方式，由于三相電纜很難對稱敷設(shè)，多采用外金屬屏蔽層交叉換位互聯(lián)，然后一點或兩點接地的方式，以保證各電纜感應(yīng)電勢相位對稱和幅值相等。因此，一旦電纜護層絕緣破損，在電纜金屬屏蔽層上的感應(yīng)電勢即會出現(xiàn)不平衡，導致環(huán)流、渦流，造成局部過熱，嚴重影響電纜的長期壽命和短時運行安全，電纜金屬護層接地時對載流容量的影響可達30%40%。n如果電纜金屬層

20、被腐蝕，在被腐蝕處將出現(xiàn)空氣隙和電場集中，極易產(chǎn)生局部放電和引發(fā)電樹枝，甚至出現(xiàn)電化學樹枝，對電纜正常運行造成威脅。除此之外，水分侵入導致引發(fā)水樹枝幾率增加，直接影響電纜的長期壽命。護層絕緣電阻下降嚴重和金屬屏蔽層被腐蝕產(chǎn)生接地化學電勢時還會對主絕緣的在線監(jiān)視造成嚴重影響。外護層缺陷或故障的影響主要是：(1)導致金屬護層(電纜金屬套或金屬屏蔽層)出現(xiàn)多點接地，金屬護層會產(chǎn)生環(huán)流造成損耗發(fā)熱，導致絕緣層局部過熱并加速絕緣老化，嚴重影響主絕緣壽命；(2)護層絕緣損傷、因外力或電磁力引起護層聯(lián)接處位移應(yīng)變和錯位導致水分侵入，主絕緣產(chǎn)生水樹老化的概率增加，對電纜壽命產(chǎn)生嚴重影響；(3)主絕緣在金屬護層

21、被腐蝕處產(chǎn)生電場集中，易于產(chǎn)生局部放電和引發(fā)電樹枝，對電纜運行安全造成威脅。XLPE電力電纜護層缺陷的檢測技術(shù)n對高壓XLPE電力電纜外護層的故障檢測一般分兩步進行，先用電橋法或壓降比法進行故障預定位，然后根據(jù)不同情況分別采用直流沖擊法、跨法電壓法、音頻法進行精確定位.1)直流電橋法n直流電橋法預定位原理圖如圖所示。R1為電橋的標準電阻，L為電纜長度，X為測量處與故障點的距離。設(shè)單位長度電纜金屬層電阻為R0，調(diào)節(jié)電阻R2，使檢流計指示為0，此時電橋平衡，有：n電橋法的優(yōu)點是操作簡單、使用方便；其缺點是需要知道電纜的準確長度等原始技術(shù)資料。另外，由于電纜的金屬屏蔽層單位長度電阻R0較小，一般為0

22、.010.1/km，與接觸電阻相近，因此接觸電阻的大小對故障距離的測量精度有很大影響，測量時應(yīng)采取措施以減小接觸電阻，從而提高測量精度。2)壓降比較法n壓降比較法原理如圖所示，當測量開關(guān)打在“1”時，調(diào)節(jié)電壓源En，由電流表讀取電流值I，由電壓表讀取電壓值U1。設(shè)單位長度電纜金屬護層電阻為R0，由測量電路可知，電壓值U1只與回路電阻xR0有關(guān)，即得：U1 0 =IR0 xn同理，當開關(guān)打在“2”時，調(diào)節(jié)電壓源En，使電流表電流仍為I，由電壓表獲得電壓值U2，U2只與回路電阻(Lx)R0有關(guān)，即：U =IR0 (L -x)n消去IR0，即得故障點距離：應(yīng)當注意，壓降比較法適用于外護套只有應(yīng)當注意

23、，壓降比較法適用于外護套只有1個故障點的情況，個故障點的情況，否則所得結(jié)果是多個故障點的平均值；另外，用壓降比較法否則所得結(jié)果是多個故障點的平均值；另外，用壓降比較法進行預定位時，需用絕緣完好的導線作為通路。進行預定位時，需用絕緣完好的導線作為通路。3) 直流沖擊法n直流沖擊法是比較原始的方法，其定位原理如圖所示。n首先利用球隙放電產(chǎn)生脈沖電壓，該電壓在護層絕緣破損處產(chǎn)生多頻譜放電電流、聲、光及磁場等放電信號，然后通過現(xiàn)場檢測放電信號來對故障點進行精確定位該方法的特點是試驗裝置簡單、操作方便，主要適用于新敷設(shè)的電纜，特別適于尚未填埋的電纜，這時利用裸耳即能聽到故障點放電聲，在深夜效果更明顯。但

24、由于此法的沖擊電壓及能量較高，長時間放電時對電纜金屬護層及外護套都有破壞性，還會將正常運行時不必處理的薄弱點擊穿擴大為故障點，因此對已投運的高壓電纜不提倡使用此法。4) 跨步電壓法n跨步電壓法是目前應(yīng)用最為廣泛且非常有效的高精度定位方法，其基本裝備為一高壓系列脈沖發(fā)生器和一套帶有探針的電位差計或毫伏表。其原理如圖所示。在電纜金屬護層與地之間施加一高壓脈沖電流，用電位差計沿電纜路徑探測，根據(jù)不同的情況，可分別用以下2種檢測方法。（1）當知道電纜走向時，可用探針沿電纜方向探測，在故障點附近時，電位差迅速增加，在故障點前達到最大值；在故障點正上方，電位差為零；過故障點后，指針反偏且又達最大值，其電位差計沿電纜走向的電位差值分布如圖a所示。根據(jù)電位差值的這些特征就可對故障點進行定位。（2）當受電纜長度方向的地面情況限制不易測量時，可利用放電電流在故障點上方環(huán)形發(fā)散的特點來定位，定位方法如圖b所示，在不同