（高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)論文）基于殘留電荷法的xlpe電纜水樹老化診斷研究.pdf

中文摘要 ， 交聯(lián)聚乙烯( x l p e ) 電纜具有極佳的電氣性能，極易敷設(shè)和極佳的抗老化特 性等優(yōu)點，已被廣泛用于各個電壓等級的輸電線路當(dāng)中。在電場和水分的共同作 用下，電纜絕緣中會產(chǎn)生水樹枝。伴隨著水樹枝的生長，水樹枝尖端的電場將愈 加集中，局部高場強最終使水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝。電樹枝一旦形成，極可能造 成電纜絕緣層在短期內(nèi)被擊穿。因此，考察水樹枝的生長過程及檢測方法對保障 電力電纜的可靠運行具有重要的理論意義和實用價值。 本文從微觀角度敘述了x l p e 電纜內(nèi)水樹枝的形成過程，介紹了水樹枝的微 觀結(jié)構(gòu)和等效的橢球模型結(jié)構(gòu)。詳細(xì)闡述了水樹枝的非線性電阻特性，據(jù)此提出 了基于殘留電荷法的水樹枝老化檢測技術(shù)，設(shè)計并搭建了實驗電路。對1 2 根1 0 千伏x l p e 電纜樣品進(jìn)行實驗，測量了樣品中殘留的電荷量。結(jié)果顯示，施加第 一組斜坡交流電壓時，殘留電荷泄漏的速率和大小與電纜絕緣的水樹枝生長情況 有較好的相關(guān)性。 關(guān)鍵詞：x l p e 電力電纜水樹枝非線性殘留電荷法 a b s t r a c t x l p ec a b l eh a se x c e l l e n te l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e ，e a s y - i n s t a l l a t i o n a n d d e g r a d a t i o n - p r o o fp r o p e r t y ，t h u si sw i d e l yu s e di ne l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n e sa ta l l v o l t a g el e v e l s u n d e rt h em u t u a li n f l u e n c eo fw a t e ra n de l e c t r i c a lf i e l d ，w a t e rt r e e m a yb eg e n e r a t e di ni n s u l a t i o nl a y e r so fc a b l e s a st h ew a t e rt r e eg r o w s ，e l e c t r i c a l f i e l da tt h et i po fw a t e rt r e ew i l lb e c o m em o r ei n t e n s i v e ，a n df i n a l l yr e s u l ti nt h e g e n e r a t i o no fe l e c t r i c a lt r e ea tt h et i po fw a t e rt r e e o n c et h ee l e c t r i c a lt r e ea p p e a r s ， b r e a k d o w nw i l la l m o s to c c u ri nt h ei n s u l a t i o nl a y e ro fc a b l ei nas h o r tp e r i o do ft i m e t h e r e f o r e ，i ti sh i g h l yi m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h eg r o w i n gp r o c e s sa n dd i a g n o s i s m e t h o d sw h i c hh a v ei m p o r t a n tt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u ei nm a i n t e n a n c eo fr e l i a b l e o p e r a t i o no fp o w e rc a b l e s f r o mm i c r o s c o p i cv i e w p o i n t ，t h ef o r m a t i o no fw a t e rt r e ei nx l p ec a b l e i n s u l a t i o n si ss t a t e d ，a n dt h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fw a t e r - t r e ea n di t se q u i v a l e n t e l l i p s o i dm o d e ls t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h en o n l i n e a rp r o p e r t yo fr e s i s t a n c e o fw a t e rt r e e ，an e wm e t h o d ，r e s i d u a lc h a r g em e t h o d ( r c m ) ，i sp r o p o s e dt o d i a g n o s ew a t e rt r e e a f t e rt h ed e s i g na n db u i l d i n go fe x p e r i m e n tc i r c u i t ，e x p e r i m e n t s a r ec o n d u c t e do n1210 k vx l p ec a b l es a m p l e s ，a n dt h ea m o u n t so fr e s i d u a lc h a r g e s a r em e a s u r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ef i r s tr a m p i n ga l t e r n a t i v ec u r r e n t ( a c ) v o l t a g ei sa p p l i e d ，t h e r ei sag o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el e a k a g er a t ea n dm a g n i t u d e o fr e s i d u a lc h a r g e sa n dt h eg r o w i n gi n f o r m a t i o no fw a t e rt r e ei ni n s u l a t i o nl a y e r so f c a b l e s k e yw o r d s ：x l p ep o w e rc a b l e ，w a t e r - t r e e ，n o n l i n e a rp r o p e r t y , r e s i d u a l c h a r g em e t h o d ( r c m ) 。 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：到考哆 簽字日期：卵3 年6 月p 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤變盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：多夠君 導(dǎo)! j 幣簽名： 簽字日期：泗8 年6 月p 日簽字日期：伽8 年月d 日 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 課題研究背景和意義 第一章緒論 城市電網(wǎng)電纜化程度是衡量城市電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟水平的重要標(biāo)志，亦是促進(jìn)城 市文明化進(jìn)程迅速向前邁進(jìn)、改善人類生活環(huán)境的必要手段。最近三十年來，國 內(nèi)外電力電纜制造技術(shù)迅速發(fā)展，特別是推廣應(yīng)用懸鏈、立塔等先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù) 以及三層共擠生產(chǎn)工藝制造交聯(lián)聚乙烯( x l p e ) 絕緣電力電劃m i f 】，電纜產(chǎn)品質(zhì)量 顯著提高，微孔、雜質(zhì)的尺寸和含量以及線芯偏心度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)得到嚴(yán)格控 制【j j 。隨著電力市場的繁榮，全球電力電纜投運回路的數(shù)量迅猛增漲，銅芯電力 電纜逐步取代鋁芯電力電纜、x l p e 絕緣電力電纜己經(jīng)取代油紙絕緣電力電纜并 逐步取代p v c 絕緣電力電纜和充油電力電纜，且電壓等級也越來越高，目前已經(jīng) 發(fā)展n s o ok v 。 在過去很長的時間內(nèi)，由于診斷評估技術(shù)的限制，計劃經(jīng)濟體制的制約，電 力系統(tǒng)的檢修是以事后維修、預(yù)防計劃檢修為主的檢修體制，這種檢修體制適應(yīng) 當(dāng)時我國生產(chǎn)力的發(fā)展水平，其優(yōu)點在于可保障電網(wǎng)備用容量的穩(wěn)定，做到人力、 物力和資金安排的計劃性，在相當(dāng)一段時間里，為電力安全穩(wěn)定生產(chǎn)發(fā)揮了良好 的作用。但是，就提高設(shè)備安全經(jīng)濟運行水平的目標(biāo)而言，技術(shù)監(jiān)督對檢修的深 層次要求應(yīng)該是該修必修，不該修不修，也就是狀態(tài)檢修。隨著設(shè)備制造工藝的 進(jìn)步和傳感技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，開展?fàn)顟B(tài)檢修逐漸成為可能。目前，廠網(wǎng) 分開、電力走上競爭上網(wǎng)之路，開展?fàn)顟B(tài)檢修也成為經(jīng)濟形式所需。國家電力公 司和華中電力集團公司相繼舉行了實施狀態(tài)檢修研討會，積極推動狀態(tài)檢修工 作。國家電力公司的張貴行總工程師在其工作報告中要求發(fā)、供電設(shè)備推行狀態(tài) 檢修工作，作為檢修的一種創(chuàng)新手段。 以前，由于電力系統(tǒng)龐大，電纜的運行周期比較長，絕緣老化緩慢，電纜的 監(jiān)測和診斷卻沒有引起人們足夠重視。而x l p e 電纜的一個致命弱點是在絕緣層 內(nèi)容易引發(fā)水樹枝，水樹枝生長到一定程度會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?，并形成放電?加速絕緣劣化，以至于在運行過程中發(fā)生擊穿。近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展， 機組容量的不斷加大，電力電纜在城網(wǎng)供電中所占的份額加重，在一些城市的市 區(qū)逐步以敷設(shè)電纜取代架空輸電線路；同時隨著電纜數(shù)量的增多及運行時間的延 長，以前安裝的x l p e 絕緣電纜的老化故障頻繁，造成絕緣擊穿事件，甚至引起 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 部分電網(wǎng)停電，給國民經(jīng)濟帶來重大的經(jīng)濟損失。高壓電纜的價格也非常昂貴， 僅在美國，地下配電電纜系統(tǒng)需要更換的費用就達(dá)1 5 0 億美元，所以，有效的在 線檢測的經(jīng)濟意義不容忽視。對于連續(xù)運作的電力系統(tǒng)來說，電纜的在線監(jiān)測與 故障診斷成為了亟待解決的問題，也是電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修不可缺少的環(huán)節(jié)。 x l p e 電力電纜在線監(jiān)測的最終目的有兩個：一是發(fā)現(xiàn)早期水樹枝絕緣老化， 防止突然發(fā)生事故，以期盡量減少故障損失和保證可靠運行。二是持續(xù)監(jiān)測和采 集電纜重要的狀態(tài)參數(shù)并加以存儲，通過對這些參數(shù)的處理、比較和分析，對電 纜的劣化程度有一個正確的評估，預(yù)測電纜的實際壽命。 電纜絕緣在線監(jiān)測避免了原來的人工管理，不必大量人員到現(xiàn)場進(jìn)行巡視和 定期停電檢修，這樣節(jié)省了大量的人力資源，也減少了人工巡檢的不安全因素， 避免了人工直接讀表的不精確性，同時也能迅速地發(fā)現(xiàn)安全隱患。針對電纜分布 廣、電壓等級高、成本較高和維護(hù)復(fù)雜的實際情況，尋求一種安全、準(zhǔn)確、快速 和實用的電纜絕緣故障監(jiān)測手段，顯得猶為重要。 1 2 電力電纜發(fā)展概況 自從1 8 9 0 年v i n c e n td ef e r r a n t i $ 1 j 造出著名的10 k v 的同軸電纜以來，電力電纜 得到了廣泛應(yīng)用，電壓等級也得到了不斷提高。19 2 6 年在蒙特利爾和p h i l a d e p h i a 的電纜的電壓等級達(dá)到6 6k v ，1 9 2 7 年在米蘭電纜的電壓等級達(dá)到7 0k v ，1 9 3 6 年在巴黎電纜的電壓等級達(dá)至i j 2 2 0k v ，1 9 5 2 年在瑞典電纜的電壓等級達(dá)至u 3 8 0 k v 。最近幾年在加拿大和美國電纜的電壓等級分別達(dá)至u 5 2 5k v 和5 3 5k v 。當(dāng)今 由于制造技術(shù)的進(jìn)步，在意大利已敷設(shè)有1 1 0 0k v 電壓等級的電纜。 在我國，自1 9 5 1 年國產(chǎn)6k v 油紙絕緣電力電纜問世以來，不到2 0 年，我國第 一條2 2 0k v 充油電纜就投入運行，而到19 8 2 年，充油電纜的電壓等級已發(fā)展至0 5 0 0 k v 。我國x l p e 電力電纜的制造和推廣應(yīng)用起步較晚，1 9 7 0 年我國正式投產(chǎn)1 0 3 5 k vx l p e 電纜，1 9 8 5 年廣州、南京等城市首先引進(jìn)1 1 0k vx l p e 電力電纜以后， 相繼在發(fā)電廠、變電站和抽水蓄能電站先后引進(jìn)2 2 0 、3 3 0 、5 0 0k vx l p e 電力電 纜。1 9 9 0 年第一條國產(chǎn)11 0k vx l p e 電力電纜線路在首鋼投入運行，1 9 9 6 年國產(chǎn) 2 2 0k vx l p e 電力電纜通過技術(shù)鑒定，并于2 0 0 0 年通過長期老化試驗( 預(yù)鑒定試 驗) 和產(chǎn)品鑒定，逐步推廣應(yīng)用。 ， 電纜絕緣材料有油紙絕緣、充油絕緣、充氣絕緣、擠出絕緣等，電壓等級由 早期的幾百伏低電壓到當(dāng)今五十萬伏以上特高壓。尤其是二十世紀(jì)七十年代以 后，材料科學(xué)、電工電子技術(shù)的發(fā)展極大地推動了電力電纜制造技術(shù)進(jìn)步。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 3 電力電纜的分類 在國外，2 0 世紀(jì)初己經(jīng)開始使用電纜。我國在建國后開始特別是在七十年代， 電纜的使用量迅猛增長?，F(xiàn)在使用的3 5k v 以下電力電纜主要有橡皮絕緣電力電 纜、聚氯乙烯絕緣電力電纜、油浸紙絕緣電力電纜、x l p e 電力電纜；3 5k v 以上 電力電纜主要有高壓充油電力電纜、x l p e 電力電纜、六氟化硫氣體絕緣電力電 纜、超導(dǎo)電纜等【4 】【5 1 。 1 、橡皮絕緣電力電纜 橡皮絕緣電力電纜的絕緣材料是普通的合成橡膠或乙丙橡膠等，普通的合成 橡膠耐臭氧能力差，在電暈的作用下容易發(fā)生開裂，擊穿場強較低，一般只用于 低壓配電系統(tǒng)，也可以用于定期移動的固定敷設(shè)線路。當(dāng)被用于直流電力系統(tǒng)時， 電纜的工作電壓可以是交流電壓的兩倍。 2 、聚氯乙烯電力電纜 聚氯乙烯電力電纜加工簡單、成本低、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，但這種材料 的介質(zhì)損耗大、耐熱性差、擊穿場強低。因而，使用場合也受到限制。 3 、油浸紙絕緣電力電纜 油浸紙絕緣電力電纜是由纖維紙和浸漬劑組成的復(fù)合絕緣電纜，分為帶絕緣 電纜和分相鉛包電纜，這種電纜在生產(chǎn)和運輸過程中難免會產(chǎn)生氣隙，使其絕緣 強度較低，因此只能用于低壓配電系統(tǒng)。 4 、高壓充油電力電纜 高壓充油電力電纜利用補充浸漬油的原理來消除絕緣層中的氣隙以提高電 纜工作場強。按照其保護(hù)層的結(jié)構(gòu)不同分為兩類：一類是自容式充油電纜，一類 是鋼管充油電纜。自容式充油電纜在線芯中心有油道和補充浸漬設(shè)備相連，使得 當(dāng)電纜溫度升降時，浸漬劑熱脹冷縮，膨脹的油可以流入浸漬設(shè)備或者從浸漬設(shè) 備補充浸漬油。鋼管式充油電纜設(shè)有中心油道，三根屏蔽電纜拉入密封的鋼管內(nèi)， 浸漬劑粘度較高。充油電纜雖然有較好的運行特點，但是運行維護(hù)工作量大，安 裝不方便，目前正在逐漸被淘汰。 5 、x l p e 電力電纜 從7 0 年代開始，x l p e 作為電纜的絕緣得到了廣泛的應(yīng)用，國外高壓電纜的 電壓等級已經(jīng)發(fā)展n 5 0 0k v ，而且已在線路上應(yīng)用。我國則從8 0 年代開始大規(guī)模 引進(jìn)x l p e 絕緣電力電纜生產(chǎn)線，產(chǎn)品的等級也在逐步提高。6 6 1 1 0k vx l p e 電 纜于1 9 9 1 年在沈陽進(jìn)行了首批鑒定，并在沈陽電纜廠和上海電纜廠批量生產(chǎn)【6 】。 目前國內(nèi)己形成了一個生產(chǎn)高壓x l p e 電纜熱，已能批量生產(chǎn)，加上從國外引進(jìn) 的產(chǎn)品，極大地促進(jìn)了我國城市電網(wǎng)的建設(shè)和改造。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 x l p e 電纜由于無油、附屬設(shè)備較少，在一定防護(hù)條件下無火災(zāi)危險、安裝 敷設(shè)以及運行維護(hù)較簡單，而成為城市電網(wǎng)改造和建設(shè)所需電力電纜的首選產(chǎn) 品。11 0k v 及2 2 0k vx l p e 電纜也逐漸取代1 1 0k v 及2 2 0k v 充油電纜，使高壓電 能通過高壓電纜地下輸電方式輸入至城市負(fù)荷中心，為我國x l p e 電纜技術(shù)的發(fā) 展與規(guī)模生產(chǎn)也帶來了良好的機遇。通過在城市拓展的新區(qū)中預(yù)留和安排好變電 站地址、線路走廊、地下電纜通道和大型建筑物的配電間以及開關(guān)室等，使新區(qū) 實現(xiàn)高低壓配電地下電纜化。按水電部1 9 8 2 年8 月提出的城市電網(wǎng)新裝備技術(shù) 條件，地下電纜普遍采用x l p e 絕緣電力電纜。 x l p e 電力電纜由于其合理的工藝和結(jié)構(gòu)，耐酸堿、耐腐蝕能力較強，安裝 敷設(shè)簡單，運行維護(hù)工作少，不存在油的淌流問題，優(yōu)良的電氣性能和安全可靠 的運行特點，比充油電纜有較大的優(yōu)越性，目前國內(nèi)外已經(jīng)把它作為主要的發(fā)展 對象。例如日本已經(jīng)開始開發(fā)7 5 0k v 電纜，俄羅斯的2 2 0k v 電纜已經(jīng)穩(wěn)定運行了 十年，我國也開始使用2 2 0k vx l p e 電力電纜，一些5 0 0k vx l p e 電力電纜項目 己在招標(biāo)和敷設(shè)之中。 6 、一些新型的電力電纜 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大容量遠(yuǎn)距離輸電的要求，一些新型結(jié)構(gòu)的電力電纜 還在不斷出現(xiàn)，如管道充氣電纜，低溫有阻電纜和超導(dǎo)電纜。 管道充氣電纜，也就是六氟化硫電纜，主要是為了滿足封閉式變電站的要求， 這種電纜的優(yōu)點在于既有架空電線的傳輸能力，又有電纜的運行優(yōu)點：其介電常 數(shù)小，電纜電容量小，充電電流小，不需要電容電流補償裝置，有效輸電距離長， 介質(zhì)損耗小，限制了運行時溫度的上升，增加了傳輸容量。 低溫有阻電纜是采用冷卻技術(shù)把高純度鋁或銅導(dǎo)體冷卻到很低的溫度，使得 導(dǎo)體電阻系數(shù)大大降低，從而提高電流密度，降低導(dǎo)線損耗，增強散熱能力，增 加整體傳輸容量。 超導(dǎo)電纜是由超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，電纜工作時處于超導(dǎo)狀態(tài)，導(dǎo)體電 阻很小，其傳輸容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過充油電纜，也大于低溫有阻電纜。但因為常溫冷卻 和降低造價和一些關(guān)鍵技術(shù)等問題很難尋求一個合理解決的平衡點，故其離大規(guī) 模應(yīng)用有一定的距離。 雖然電纜的形式多種多樣，但目前廣泛應(yīng)用的電纜仍然以x l p e 電力電纜為 主。 1 4 電力電纜供電的優(yōu)缺點 我國城市電網(wǎng)改造工作經(jīng)過幾年努力之后，目前已見成效，初步調(diào)整了長期 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 困擾我國電力系統(tǒng)的供電、輸電和配電三者之間的比例關(guān)系，配電網(wǎng)絡(luò)得到重視， 電力系統(tǒng)布局逐漸趨于合理化。從發(fā)展的眼光看，城市電網(wǎng)改造工作具有兩個鮮 明的特點：一是城網(wǎng)供電方式環(huán)網(wǎng)化，二是輸電網(wǎng)絡(luò)電纜化。國外工業(yè)發(fā)達(dá)的國 家早就致力于城市電網(wǎng)供電的環(huán)網(wǎng)化和電纜化，研究和生產(chǎn)出許多新材料和新產(chǎn) 品供給城網(wǎng)使用。由于輸電線路電纜化具有許多優(yōu)點，可以提高供電可靠性。我 國一些大中小城市對于這種電網(wǎng)模式己經(jīng)日趨認(rèn)可并已行動起來，供電系統(tǒng)電纜 化在我國將很有發(fā)展前景和市場。 與傳統(tǒng)的架空線供電相比，電纜供電有一系列優(yōu)點，大體可歸納為以下幾點： ( 1 ) 削弱自然環(huán)境條件的影響。由于電纜線路直接敷設(shè)于地下，除電纜分接 箱和戶外終端部分外，不受外界惡劣氣候環(huán)境影響；而架空線易受暴風(fēng)、暴雨、 雷電、冰雹、積雪、沙塵暴等自然災(zāi)害影響，有可能造成斷線、短路或其他故障。 ( 2 ) 可避免外力直接破壞。如交通事故撞擊，建筑棚架倒塌，鳥害或風(fēng)箏引 發(fā)的高壓放電，電路器材被竊以及戰(zhàn)爭損害等。 ( 3 ) 減少人身觸電事故。架空線敞露于地面之上，線路全程都需要安全的“全 線保護(hù)”；而電力電纜僅有若干個地點突出于地面，只需進(jìn)行“單點保護(hù)，大 大減少了防范范圍，提高了整體安全性。 ( 4 ) 節(jié)省地面上的占地面積。架空線走廊占地面積大且較平直，其走向通常 不能與城市道路方向相符，使城市建筑布局困難。走廊下面很大一塊面積不允許 搭建任何建筑物，浪費寶貴的城市土地資源。而電纜輸電可以騰出架空走廊面積， 電纜地下敷設(shè)可以轉(zhuǎn)彎躲開建筑物，徹底消除城市“蜘蛛網(wǎng)，美化市容。 ( 5 ) 有利于提高城網(wǎng)的功率因數(shù)。電纜芯線與其外面的接地屏蔽層構(gòu)成一個 電容器。這就相當(dāng)于每相加進(jìn)無功補償電容器，容性無功電流分量將部分補償線 路上感性無功電流分量，使總電流幅值降低。 ( 6 ) 電纜饋電可以直接深入負(fù)荷中心。對于負(fù)荷密集地區(qū)，如繁華商業(yè)區(qū)、 大工業(yè)區(qū)、高層建筑物等，電纜可直接引至，從而縮小供電半徑，減少線損，提 高供電系統(tǒng)質(zhì)量。 ( 7 ) 容易大幅度提高供電線路的供電能力。一條電纜通道通?？梢匀菁{多條 電力電纜。當(dāng)需要增加供電容量時，可在電纜溝或電纜通道內(nèi)多加電纜，施工亦 較簡便，而且施工過程中，原供電電纜也無需長時間停電。 ( 8 ) 維護(hù)工作量減輕和保密性強。電纜敷設(shè)于地下，正常時一般不需維護(hù)， 只需進(jìn)行路面觀察。地下布線，局外人很難知曉布局，避免人為破壞。 與此同時，電纜化供電也存在不足之處： ( 1 ) 投資費用較大。電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造材料、工藝流程以及設(shè)備安裝和 維護(hù)都比較嚴(yán)格，造價也比較高。其整體價格比架空線路加上桿塔費用要高得多。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 ( 2 ) 線路不易變更。電纜線路長期埋于地下，產(chǎn)生自然定形，其外護(hù)套會受 到腐蝕，一般不宣移動。這便要求電纜敷設(shè)前須有長遠(yuǎn)規(guī)劃，線路不再更改，必 要時利用電纜分接箱留出備用分支接頭。 ( 3 ) 故障點的尋測和修復(fù)比較困難。雖然有尋找故障點的專用儀器( 例如用 電橋法或脈沖回波法來確定故障點的位置) ，但使用起來也比較麻煩。 ( 4 ) 電纜附件( 中間接頭、終端) 的絕緣強度、防水密封、安裝工藝要求高， 所以現(xiàn)場施工操作人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，具備一定的操作水準(zhǔn)。 1 9 9 2 年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會確定了可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)代人類發(fā)展主題。電 力工業(yè)的發(fā)展方式也將發(fā)生重大改變【_ 7 1 。根據(jù)以上對電纜供電和高架線供電的優(yōu) 缺點的分析，電纜取代傳統(tǒng)架空線路可以做n 4 , 型化、無油化、低損耗、低噪音、 自動化、智能化、高可靠性和環(huán)保性，為可持續(xù)發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。隨著科學(xué) 技術(shù)和工藝流程的進(jìn)一步發(fā)展，電纜的使用費用高昂也將逐步得到改善，維護(hù)和 檢測技術(shù)也會進(jìn)一步得到提高。 1 5 電力電纜的常見故障 2 0 0 3 年，美國、加拿大等國家相繼發(fā)生大面積的突然停電，導(dǎo)致航空、道路 交通、通訊系統(tǒng)全面或部分癱瘓、人們的生活收到了極大的影響。僅美國大停電 的經(jīng)濟損失就高達(dá)6 0 億美元?？梢?，隨著電力系統(tǒng)的日益龐大、復(fù)雜，其脆弱性 和潛在危險也逐漸暴露出來。中國科學(xué)院院士盧強曾指出過：“本世紀(jì)后半葉發(fā) 生在美國的五次災(zāi)難大停電給以科技為主導(dǎo)的現(xiàn)代社會敲響了警鐘 。為此，現(xiàn) 代電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有極強的自我保護(hù)和調(diào)解能力，從網(wǎng)絡(luò)末端到核心樞紐的實施層 層保護(hù)，局部設(shè)備應(yīng)具有監(jiān)測和故障診斷的措施等。 電力電纜和其他電氣設(shè)備一樣在運行過程中會由于各種各樣的原因而發(fā)生 一些突發(fā)性的故障，為電力系統(tǒng)的安全運行、國民經(jīng)濟生產(chǎn)、人民生活帶來影響。 但是，電力電纜的故障不是一下發(fā)展起來的，而是長期絕緣老化的結(jié)果，最終導(dǎo) 致絕緣擊穿佟j 。 日本有關(guān)部門曾對1 9 6 3 年到1 9 7 9 年的6 6k v 級x l p e 電纜的事故原因，進(jìn)行 了調(diào)查分析?？梢钥闯觯? 9 7 0 年以前敷設(shè)的電纜，發(fā)生的事故較多；接頭和終端 的故障總體來說較為均勻，概率也較低。從使用年數(shù)來看，運行了8 年之后的電 纜事故和更換件數(shù)激增。從事故的種類來看，水樹、自然老化和浸水已經(jīng)占總事 故比例的5 0 。在考慮x l p e 電纜壽命時，把終端、接頭不良這類早期故障和外 力破壞事故等排除，就可以認(rèn)為現(xiàn)場絕緣診斷應(yīng)以水樹枝老化為主【9 1 。 水樹枝老化被認(rèn)為是造成x l p e 電纜在運行中被擊穿的主要原因。自從1 9 6 8 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 年首次在地下直埋式x l p e 電纜絕緣中發(fā)現(xiàn)“水樹枝以來，人們一直沒有停止 過有關(guān)水樹枝引發(fā)和生長機理、水樹枝結(jié)構(gòu)及特性的研究。特別是近些年來，一 方面，由于水樹枝老化導(dǎo)致早期敷設(shè)應(yīng)用的x l p e 電纜絕緣擊穿停電事故呈逐年 上升之勢，并不斷造成重大經(jīng)濟損失，水樹枝現(xiàn)象已經(jīng)成為電力電纜安全運行的 重大隱患，迫使人們不斷加強對x l p e 電纜絕緣老化狀況的診斷技術(shù)研究工作。 另一方面，伴隨許多新技術(shù)新設(shè)備的不斷出現(xiàn)，尤其是有關(guān)絕緣中空間電荷測量 技術(shù)及研究的新成果【1 肚2 4 1 ，將水樹枝機理及檢測技術(shù)研究推向新的階段。 在絕緣中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔處的電場畸變， 會導(dǎo)致在較低的電壓下引發(fā)水樹枝【2 5 2 9 1 ，這便是x l p e 電纜絕緣中水樹枝的引 發(fā)及生長特征。水樹枝的生長相對較慢，但伴隨水樹枝生長，水樹枝尖端的電場 將愈加集中，局部高電場強度最終會導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝i3 0 j 1 3 1 1 。電樹枝 一旦形成，即可能造成電纜絕緣層在短期內(nèi)被擊穿。研究發(fā)現(xiàn)，許多x l p e 電纜 在電力線路遭到雷擊后較短時間即發(fā)生擊穿停電事故，對這些電纜絕緣的解剖分 析發(fā)現(xiàn)，在水樹枝尖端有不同程度的電樹枝出現(xiàn)。分析表明，當(dāng)水樹枝長到一定 程度時，如電力線路遭到雷擊，大氣過電壓會在水樹枝尖端形成較大瞬態(tài)電流， 該電流在樹枝中的損耗會造成水樹枝微孔內(nèi)水分溫度的急劇上升甚至氣化，所產(chǎn) 生較大壓力會使水樹枝尖端處的x l p e 分子鏈斷裂從而引發(fā)電樹枝。雷電流導(dǎo)致 含水樹枝x l p e 電纜絕緣層在短時間內(nèi)有被工頻運行電壓擊穿的可能。還存在另 一種機理，即較高的雷電壓向水樹枝尖端附近的絕緣陷阱中注入了空間電荷，在 日后的運行中，空間電荷在水樹枝尖端構(gòu)成的局部高電場與電纜的工頻額定電壓 疊加即可能引發(fā)電樹枝并導(dǎo)致絕緣層在短期內(nèi)被擊穿?？梢娝畼渲Φ囊l(fā)和不斷 生長是x l p e 電纜絕緣老化的最重要原因之一。 1 6 國內(nèi)外對電纜檢測問題的認(rèn)識過程 自1 9 4 4 年美國鋪設(shè)第一根3k vx l p e 絕緣電纜以來，x l p e 電纜因其性能優(yōu) 良、工藝簡單、安裝方便、輸送容量大、適應(yīng)多種場合和運行維護(hù)簡單而在世界 范圍內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。 高壓x l p e 電纜的發(fā)展歷史并不長，1 9 6 0 年在美國才開始x l p e 電纜的制造技 術(shù)。該技術(shù)一問世，立即傳入了歐洲和日本，此后x l p e 電纜在美國、歐洲和日 本開始逐漸成熟。日本x l p e 電纜自1 9 6 0 年以后，發(fā)展速度最快，并形成了自己 的體系。 目前，在國外電纜的在線監(jiān)測開展比較早、比較多的是日本。早在8 0 年代初， 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 日本就在該領(lǐng)域進(jìn)行持續(xù)不斷的研究和探索，開發(fā)出直流分量法、疊加電壓法和 電介質(zhì)損耗法等多種診斷技術(shù)1 32 | 。日本住友電氣工業(yè)株式會社于8 0 年代后期研制 出在線運行電纜監(jiān)測儀( o l c m o nl i n ec a b l em o n i t o r ) 。該儀器分為固定型和 攜帶型兩種，主要應(yīng)用范圍是3 3 ，6 6 ，11 0k v 的電壓等級；電網(wǎng)中性點的接地方 式為不接地、經(jīng)消弧線圈接地或接電阻接地；采用的方法主要是直流疊加法。 我國的x l p e 電纜的在線監(jiān)測的技術(shù)起步較晚、發(fā)展相對緩慢。九十年代初， 上海電纜研究所也開始了研究工作，并進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗。1 9 9 3 年，該所采 用直流成分和直流疊加的復(fù)合診斷方法，研制成了適合于工業(yè)現(xiàn)場使用的c d z 型x l p e 電纜診斷儀，并在包鋼東碼頭電網(wǎng)中現(xiàn)場運行了兩年。為企業(yè)的經(jīng)濟運 行提供了有力保證。 電纜運行的安全與否，對電力系統(tǒng)、各種廠礦的影響較大，這一點已經(jīng)逐漸 被電力運行部門重視。1 9 9 8 年1 0 月，中原油田下屬分公司的一從總變電站到聚乙 烯變電站的電纜，由于敷設(shè)環(huán)境潮濕，溫度過熱，絕緣提前老化，造成相間短路， 造成上游開關(guān)由于差動保護(hù)而跳閘的惡性事故，為生產(chǎn)安全和連續(xù)生產(chǎn)造成極大 影響。1 9 9 9 年本溪鋼鐵公司由于電纜接頭燒毀，導(dǎo)致隧道內(nèi)一百二十多條電纜全 部被燒毀。2 0 0 0 年寶鋼某一電纜隧道的一條電纜故障引起火災(zāi)，造成經(jīng)濟損失上 億元。 整體來說，國內(nèi)外對于電纜絕緣故障的在線監(jiān)測研究還不夠成熟，尤其是對 于11 0k v 2 2 0k v 超高壓電纜系統(tǒng)的研究和應(yīng)用真是少之又少。而隨著電力系統(tǒng) 的容量的不斷擴大，電壓等級的不斷提高，高壓電纜的造價和維護(hù)費用不斷增加， 一種經(jīng)濟可行、安全可靠的在線監(jiān)測方法和裝置是迫切需要的。同時，隨著變頻 技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟，進(jìn)行采集和傳輸系統(tǒng)的數(shù)字化，并在此基礎(chǔ)上 進(jìn)一步實現(xiàn)智能化，才能真正做到提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而使電纜絕緣 故障在線監(jiān)測系統(tǒng)可以應(yīng)用于大面積、長距離、多測點、工作條件惡劣的現(xiàn)場。 1 7 本文研究內(nèi)容 本文詳細(xì)闡述了殘留電荷法的原理，搭建了試驗系統(tǒng)，按照實驗步驟對1 2 根x l p e 電纜進(jìn)行了實驗，將其實驗結(jié)果與測量介質(zhì)損耗的實驗結(jié)果進(jìn)行了對 比。結(jié)果證明，殘留電荷法能夠?qū) l p e 電纜內(nèi)水樹枝的劣化程度做出極佳判斷。 目前，這種方法在日本已經(jīng)發(fā)展成熟并投入現(xiàn)場的電力檢測當(dāng)中，但歐美等國家 還是沒有對此方法進(jìn)行研究。我國對此方法知之甚少，到目前為止還沒有重大研 究成果。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章水樹的生成原理以及電境在線檢測方 擊的比較 第二章水樹的生成原理以及電纜在線檢測方法的比較 2 1 水樹的生成原理 2 1 1 水樹枝的微觀結(jié)構(gòu) 將因老化而替換下來的x l p e 電纜絕緣進(jìn)行切片和染色，在顯微鏡下得到水 樹枝的微觀結(jié)構(gòu)，如圖2 1 所示。分析發(fā)現(xiàn)，電纜在運行中所產(chǎn)生的水樹枝基本 上是由沿電場方向排列的一系列含水微孔組成，微孔之間可能有更細(xì)微的微小通 道相連p 川。微孔的尺寸大約為零點幾到幾微米數(shù)量級，只有當(dāng)其尺寸增至大 約為1 0 n 2 0 微米以上時才能為肉眼可見?；湛字g的細(xì)微通道尺寸則更小，可能 只有幾十納米以下p ”。即使在顯微鏡下，這些細(xì)微通道也只有在含水或者染色時 才能被觀察到。 圈2 - 1 顯徽鏡下染色后水樹枝的照片 9 一 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章水樹的生成原理以及電纜在線檢測方法的比較 圖2 2 水樹枝的橢球模型結(jié)構(gòu)示意圖 在這些微孔中主要存在著兩種分子：水分子和雜質(zhì)離子。它們對水樹的引發(fā) 和成長起著至關(guān)重要的作用。水樹枝的形成比較復(fù)雜，是物理、化學(xué)和電機械應(yīng) 力綜合作用的產(chǎn)物。 2 1 2x l p e 電纜絕緣中的水分 x l p e 電纜絕緣中的水分存在兩種引入方式：一是絕緣中固有的，包括原料 中的固有水分以及在電纜絕緣生產(chǎn)中引入的水分；二是在電纜運行中由外界環(huán)境 侵入，特別是對于周圍土壤較為潮濕的直埋式電纜而言，由于液體滲透壓的作用， 水分更容易從外界進(jìn)入絕緣。有學(xué)者對低壓電纜絕緣進(jìn)行濕度分析后得出如下結(jié) 論：絕緣在靠近外半導(dǎo)電屏蔽處的含水量大于靠近內(nèi)屏蔽處，在水中浸泡后各電 纜樣品絕緣在靠近外半導(dǎo)電屏蔽處的含水量變化并不明顯，而內(nèi)屏蔽處的絕緣含 水量趨于均勻，表明外屏蔽附近絕緣中的水分是在電纜運行過程中由外界環(huán)境侵 入且含水量已趨于飽和1 拍j 。 從分子理論的觀點，水的吸收或其他雜質(zhì)的擴散是在水分濃度影響下分子的 無序運動。電纜的濕度聚集梯度是沿著半徑方向，因此濕度p 透過電纜薄層辦沿 徑向流動服從f i c k 定律【3 5 】： 一。( 割 ( 2 1 ) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章水樹的生成原理以及電纜在線檢測方法的比較 a ， 式中：c 為濕度濃度；，為電纜絕緣半徑；為沿電纜絕緣徑向的濕度濃度梯度； 防 d 為擴散系數(shù)。 方程( 2 1 ) 描述了水( 或潮氣) 在穩(wěn)態(tài)時流過電纜絕緣單位面積的速率，是用水 的濃度梯度和一個常數(shù)所限定的一個吸收參數(shù)。水分子侵入電纜絕緣過程可描述 如下【3 5 】：當(dāng)電纜絕緣暴露在水( 或潮氣) 中時，高速運動的水分子將撞擊電纜絕緣 表面。然后，分散的水分子或聚集在一起的幾個水分子易于從鄰近另一位置的水 分子獲得進(jìn)一步的熱能，而在鄰近水分子的位置形成空腔或孔洞，水分子很容易 注滿這個孔洞并在v a n d e rw a l l 力的作用下不再移動。在實際中，即便是采用良 好的生產(chǎn)工藝和采用水樹枝抑制絕緣料，也難以避免環(huán)境水分的侵入。特別是在 電纜運行中，電纜絕緣損耗和導(dǎo)體發(fā)熱會增加水分向絕緣的滲入程度。隨著電纜 運行時間的增加，絕緣中的水分含量會持續(xù)上升，意味著絕緣中的微孔數(shù)量及微 孔尺寸均會隨時間推移而增加，從而使得引發(fā)水樹枝的可能性逐步增加。 2 1 3x l p e 電纜絕緣中的雜質(zhì)離子 、 在水樹枝的引發(fā)、生長規(guī)律及水樹枝檢測技術(shù)研究中，雜質(zhì)離子扮演著非常 重要的角色【3 7 】【3 8 l ，它不僅會促使絕緣中的水樹枝在較低電場強度下引發(fā)和生長， 而且在特定的激勵條件下，會和水樹枝中的水分一起，產(chǎn)生一些有利于水樹枝檢 測的特征信號。以下給出一些重要雜質(zhì)離子的復(fù)合及離解方程： 日2 d 2 + 2 h + + 2 e 2 h 2 0 p t 2 + + 2 e 七 p t h 9 2 + + 2 ehn g d 2 + 2 h 2 0 + 4 e 付4 0 h a g + + e 付a g c u 2 + + 2 e 付c u 近十年來，由于電纜生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)和原材料質(zhì)量及性能的不斷提高， 電纜絕緣及半導(dǎo)電屏蔽層中的雜質(zhì)含量己大為減少，但鹽及金屬離子的含量仍達(dá) 數(shù)十p p m 數(shù)量級【3 9 】，其中許多是溶解在電纜絕緣中的微量水之中，必然會促進(jìn) 水樹枝的引發(fā)和生長，同時也必然會使水樹枝的電導(dǎo)大為增加。而事實上，由于 電纜敷設(shè)運行場地不盡相同，電纜周圍土壤濕度及所溶解的離子各不相同，因此 電纜水樹枝中的雜質(zhì)種類及含量也千差萬別【4 0 1 1 4 1 1 ，必然會對電纜的水樹枝老化 程度及樹枝生長速度產(chǎn)生不同的影響。但它們具有一個共性，那就是會促使水樹 枝中含有較多的導(dǎo)電離子，并在較低的直流電場作用下聚集構(gòu)成離子形空間電 荷，同時使水樹枝的電導(dǎo)率提高。 雜質(zhì)離子對水樹枝的生長具有一定的催化作用。許多學(xué)者的研究證實，在水 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章水樹的生成原理以及電纜在線檢測方法的比較 樹枝生長的化學(xué)因素中，電解液濃度是促進(jìn)水樹枝增長的最重要因素之一【4 2 1 。一 些學(xué)者對水樹枝增長速度與電解液濃度的依賴關(guān)系進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究， 水 樹枝增長速率相對值q 和電解液濃度c 的對數(shù)關(guān)系如圖2 - 3 所示。水樹枝生長的 這種對電解液濃度的一覽關(guān)系與所發(fā)現(xiàn)的金屬離子對聚合物氧化催化的關(guān)系類 似，因此被認(rèn)為是水樹枝延伸期間的化學(xué)過程。 a 迦1 葉= i 狀 巽0 袖吠 喇0 業(yè) 珈0 薹o * 0 7 6 54 - 3 - 2 - 1012 l o g c ( m o l i ) 圖2 3 水樹枝增長速率相對值q 和電解液濃度c 的對數(shù)關(guān)系曲線 由圖可知，水樹枝增長速率相對值q 和電解液濃度c 的對數(shù)在兩個階段都近 似成線性關(guān)系，其原因是：當(dāng)絕緣中的微孔尺寸達(dá)到臨界值時，水分進(jìn)入了連接 水樹枝微孔的細(xì)微通道。在各種電機械力的作用下，可能使細(xì)微通道打開，也可 能使細(xì)微通道閉合。當(dāng)電解液在聚合物內(nèi)部流動時，會發(fā)生類似于在微孔表面的 化學(xué)反應(yīng)，并通過將離子束縛于細(xì)微通道內(nèi)部表面而將其轉(zhuǎn)化為親水性。只要交 流電場存在，電解液離子就會通過細(xì)微通道運行至水樹枝尖端并導(dǎo)致水樹枝長度 的持續(xù)增加。 x l p e 電纜絕緣中的水分是引發(fā)水樹枝的必要條件之一，水分中的雜質(zhì)導(dǎo)電 離子濃度及種類是水分中電導(dǎo)率大小的決定因素。它們不僅會加速水樹枝在工頻 電場下的生長速度，而且在特定激勵條件下，雜質(zhì)及水分離子在水樹枝中的運動 必然會產(chǎn)生一些有利于我們對電纜絕緣水樹枝老化程度進(jìn)行在線或離線檢測的 有用信息。因此了解x l p e 電纜絕緣中水分及雜質(zhì)導(dǎo)電離子的引入機理及分布特 征，具有非常重要的意義。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章水樹的生成原理以及電纜在線檢測方法的比較 2 1 4 含水樹枝x l p e 試樣中的空間電荷動態(tài)分布 研究發(fā)現(xiàn)，在不同電壓作用下，水樹枝化的x l p e 電纜絕緣中會出現(xiàn)兩種空 間電荷，一種為積聚于水樹枝尖端的由水分電離離子和雜質(zhì)離子構(gòu)成的離子型電 荷【4 3 】m j ，此類空間電荷會隨施加的交變電場作周期性振動，在較低電場下就會 產(chǎn)生，電場消除或兩電極短接時即會消除。另一類為在直流高電場下由水樹枝尖 端注入x l p e 絕緣缺陷的陷阱空間電荷，其注入程度取決于電纜絕緣水樹枝老化 的程度；此類空間電荷即使在電極短接情況下也不會消除，在較高交變電場下或 經(jīng)對試樣進(jìn)行熱處理才可能在短期內(nèi)得以釋放；此類空間電荷所產(chǎn)生的靜電場與 電纜工頻運行電壓疊加即可能在水樹枝尖端引發(fā)電樹枝，電樹枝的存在是導(dǎo)致電 纜絕緣層在短期內(nèi)被擊穿的直接原因，故這種空間電荷對電力電纜的安全運行有 較大威脅1 45 | ，所以一般不推薦采用高壓直流耐壓對已運行的x l p e 電纜進(jìn)行預(yù)防 性試驗。 兩種空間電荷具有完全不同的形成機理，也必然存在不同的響應(yīng)特征?？臻g 電荷的行動規(guī)律不僅是加速絕緣老化的重要因素，空間電荷的分布和其在不同電 壓下的運動特性也是判別絕緣水樹枝老化狀態(tài)的重要依據(jù)。 盡管人們對空間電荷的研究己有一些年了，但多數(shù)是對強直流電場下聚合物 中陷阱空間電荷的產(chǎn)生機理、分布，及檢測技術(shù)的研究。而對于在交流情況下聚 合物水樹枝區(qū)的離子型空間電荷行為了解甚少。為此，有學(xué)者采用具有相位解析 能力的脈沖電聲法( p e a ) 檢測系統(tǒng)測試了水樹枝老化x l p e 試樣在5 0 赫茲正弦電 壓下的空間電荷動態(tài)分布。 該實驗結(jié)果的重要特征是，空間電荷分布密度峰值位于水樹枝尖端附近，且 正空間電荷密度峰值的最大值出現(xiàn)在1 0 8 度附近，負(fù)峰值的最大值出現(xiàn)在2 8 8 度左 右，樣品中的空間電荷密度近似與所施加電壓的瞬態(tài)值成比例，并有一定的滯后 效應(yīng)。 從實驗可以得出以下結(jié)論：多數(shù)空間電荷聚集在水樹枝尖端；空間電荷密度 隨水樹枝中的水分含量增加而上升：頻率增加時含水較少的水樹枝老化試樣中的 空間電荷密度減小，當(dāng)水樹枝中水分含量進(jìn)一步減小時這種趨勢更加明顯；空間 電荷的極性與水樹枝長出側(cè)的電極極性相同；總電荷量與所施加電壓成正比。 2 1 5x l p e 電纜內(nèi)水樹枝形成機理 x l p e 電力電纜絕緣中，由制造環(huán)節(jié)進(jìn)入的水和外界酸溶液、堿溶液或者潮 濕侵入的水里都含有較多的水溶性導(dǎo)電離子。由介電電泳效應(yīng)原理知，液體中介 電常數(shù)較大的離子會向電場集中的地方運動，而其中x l p e 的介電常數(shù)僅為2 3 左 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章水樹的生成原理以及電纜在線檢測方法的比較 右，水的介電常數(shù)則是x l p e 的三十五倍左右。因而在電場力作用下會導(dǎo)致水分 向高場強區(qū)運動。 直流電場使溶解在水樹枝微孔水分中的水溶性導(dǎo)電離子發(fā)生電離，沿著電場 方向移動，聚集在水樹枝微孔壁上形成離子型空間電荷。此時，由離子型空間電 荷形成的內(nèi)電場和外電場的方向一致。 許多學(xué)者均通過實驗證實，x l p e 為一種結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)共存的固體高聚物 結(jié)構(gòu)形式，在電纜絕緣生產(chǎn)過程中，聚乙烯分子交聯(lián)過程及冷卻過程均是從外層 向纜芯進(jìn)行，因而會在絕緣中的晶區(qū)與非晶區(qū)的界面以及非晶區(qū)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和微 裂紋，上述的細(xì)微通道事實上就是這些微裂紋。在電纜運行期間，由于液壓差的 作用，絕緣中的固有微量水分和從電纜周圍侵入的水分會在裂紋處濃縮為極小的 水滴。在長期交變電場的作用下，沿電場方向的固體絕緣界面在周期性m a x w e l l 電機械應(yīng)力反復(fù)作用及微孔內(nèi)的氧化腐蝕作用下，充水微孔被逐漸沿電場方向拉 長。微孔內(nèi)的水分也會在m a x w e l l 應(yīng)力的作用下向沿電場方向與水滴相連的裂紋 內(nèi)注入。許多作者均通過實驗證實，微孔壁及微裂紋內(nèi)有羥基( o h ) ，羧基 ( - c o o n ) 等極性端基存在，表明在水樹枝引發(fā)和增長過程中，水樹枝內(nèi)有氧化 降解反應(yīng)產(chǎn)生，從而使得微孔壁由疏水性變成親水性，水分易于沿微孔壁形成連 續(xù)水膜，并使得整個水樹枝的電導(dǎo)大為增加。圖2 4 為水樹枝區(qū)的物質(zhì)形態(tài)示意。 圖2 - 4 水樹枝的微觀物質(zhì)形態(tài)示意圖 ，陽離子 口x l p e v 廠極性端萋 o o o 陰離子 巫五結(jié)晶區(qū) 懟犏區(qū)。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論第二章水樹的生成原理以及電纜在線監(jiān)檢測方法的比較 因而，對水樹枝的老化的x l p e 電纜絕緣同時施加交直流電壓，有望產(chǎn)生有 利于電纜絕緣老化的協(xié)同激勵效果，所產(chǎn)生的響應(yīng)電流必然含有單一激勵時不可 能出現(xiàn)的電纜水樹枝老化特征信息，從而使檢測靈敏度大為提高，信號特征更為 明顯。這種與水樹枝老化狀態(tài)相關(guān)性較好的x l p e 電纜絕緣現(xiàn)場無損檢測技術(shù)， 推動了電纜現(xiàn)場檢測技術(shù)的發(fā)展。 2 2x l p e 電纜絕緣監(jiān)測方法及比較 總體來說，x l p e 電力電纜絕緣現(xiàn)場檢測技術(shù)分為在線檢測和離線檢測兩大 類。經(jīng)過多年的研制，現(xiàn)在已有的離線檢測技術(shù)有直流成分法、直流高壓泄漏電 流法等。這些離線檢測的共有特點是需要對電纜施加較高的直流電壓。x l p e 電 力電纜絕緣交流離線檢測技術(shù)有諧波電流法、空間電荷檢測法等，目前許多還正 在研究階段。其中高頻諧波與背景噪音的分離有一定難度。但是，離線檢測的最 大劣勢是需要停電檢修。對于運營費用昂貴的電力系統(tǒng)來說，停電檢修的成本和 代價較高，也給國民生產(chǎn)帶來極大的不便；電纜的水樹枝是長周期、緩慢發(fā)展的 一種絕緣老化行為，定期停電檢修給連續(xù)運作的電力系統(tǒng)造成困難，不利于提高 設(shè)備安全經(jīng)濟運行目標(biāo)的實現(xiàn)。所以電纜的在線監(jiān)測與故障診斷成為了更待解決 的問題。 目前，對于x l p e 電纜的在線監(jiān)測已有多種方法提出，但這些方法大都是對 電纜的絕緣信號的一種識別性研究，所進(jìn)行的實驗也多為實驗室環(huán)境下的模擬仿 真試驗。即使少量投運到實際中的一些技術(shù)成果，也主要涉及低壓電纜的在線監(jiān) 測，采取的方法為直流成分法和直流疊加法。對于11 0k v 2 2 0k v 的高壓電纜的 研究卻甚少，主要因為高壓電纜的系統(tǒng)接地方式、檢測電源的提供，及現(xiàn)場干擾 對監(jiān)測的影響等問題都沒有很好的解決，并且單一的直流法也很難測準(zhǔn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 的高壓電纜的絕緣水平。但對于日益龐大的電力系統(tǒng)和城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展， 1 1 0k v ，2 2 0k v 級甚至5 0 0k v 高壓電纜是今后發(fā)展的趨勢，其絕緣水平的監(jiān)測 也是進(jìn)行安全生產(chǎn)的必要保證。所以，要結(jié)合電力系統(tǒng)的實際情況和允許工作條 件等因素