電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)分析

1、 電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)分析目前預(yù)防性試驗(yàn)中規(guī)定的電纜試驗(yàn)項(xiàng)目不多，主要是絕緣電阻測(cè)量和直流耐壓試驗(yàn)，在實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)需要又開發(fā)出多種判定或鑒別電纜性能的試驗(yàn)方法，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，表10-3給出了現(xiàn)在較常見的試驗(yàn)方法的對(duì)比。表10-3 常見電纜老化檢測(cè)方法比較方 法試驗(yàn)電源檢測(cè)效果存在的問題絕緣電阻測(cè)量低壓直流可測(cè)量絕緣電阻、終端受潮終端表面泄漏的影響直流耐壓試驗(yàn)高壓直流可測(cè)出施工缺陷及絕緣劣化可能引起交聯(lián)聚乙烯絕緣損傷直流泄漏測(cè)量高壓直流可測(cè)出吸潮、樹枝劣化電暈、電源波動(dòng)的影響局部放電測(cè)量交流工頻可檢測(cè)內(nèi)部氣隙、外傷要消除干擾、提高靈敏度超低頻、三角波專用電源設(shè)計(jì)、制造tan測(cè)量交流工頻對(duì)檢測(cè)

2、受潮、水樹枝有效需要大容量電源超低頻高壓要消除干擾反向吸收電流高壓直流對(duì)檢測(cè)水樹枝等有效要消除局部電流或終端臟污殘余電壓法高壓直流對(duì)檢測(cè)水樹枝等有效要消除表面泄漏上述這些方法可以從不同側(cè)面研究電纜老化情況，具有一定的效果，但對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜普遍認(rèn)為不適合進(jìn)行高壓直流試驗(yàn)，所以針對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜發(fā)展了多種在線檢測(cè)方法。一、直流分量法由于交聯(lián)聚乙烯電纜中存在著樹枝化（水樹枝、電樹枝）絕緣缺陷，它們?cè)诮涣髡?、?fù)半周表現(xiàn)出不同的電荷注入和中和特性，導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間交流工作電壓的反復(fù)作用下，水樹枝的前端積聚了大量的負(fù)電荷，樹枝前端所積聚的負(fù)電荷逐漸向?qū)Ψ狡?，這種現(xiàn)象稱為整流效應(yīng)。由于“整流效應(yīng)”的作用，

3、流過電纜接地線的交流電流便含有微弱的直流成分，檢測(cè)出這種直流成分即可進(jìn)行劣化診斷。用圖10-9所示的測(cè)量回路可在交聯(lián)聚乙烯電纜系統(tǒng)中，檢測(cè)到電纜線芯與屏蔽層的電流中極小的直流分量。圖10-9 直流分量在線監(jiān)測(cè)回路研究表明，水樹枝發(fā)展得愈長(zhǎng)，直流分量也就愈大，而且XLPE電纜的直流分量電流Idc與其直流泄漏電流及交流擊穿電壓間往往具有較好的相關(guān)性，如圖10-10、圖10-11。在線檢測(cè)出Idc增大時(shí)，常常說明水樹枝的發(fā)展、泄漏電流的增大，這樣的絕緣劣化過程會(huì)導(dǎo)致交流擊穿電壓的下降。圖10-10 泄漏電流與直流分量的相關(guān)性直流分量法測(cè)得的電流極微弱，有時(shí)也不大穩(wěn)定，微小的干擾電流就會(huì)引起很大誤差。

4、研究表明，這些干擾主要來自被測(cè)電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流，因雜散電流及真實(shí)的由水樹枝引起的電流，均經(jīng)過直流分量裝置，以致造成很大誤差?？梢钥紤]采取旁路雜散電流或在雜散電流回路中串入電容將其阻斷等方法。圖10-11 交流擊穿電壓與直流分量的相關(guān)性二、直流疊加法直流疊加法的基本原理是在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加進(jìn)低壓直流電源（通常為50V），使該直流電壓與施加在電纜絕緣上的交流電壓疊加，從而測(cè)量通過電纜絕緣層的微弱的納安級(jí)直流電流或其絕緣電阻，其測(cè)量原理如圖10-12所示。圖10-12 直流疊加法測(cè)量原理圖由于直流疊加法是在交流高壓上再疊以低值的直流電壓，這樣在帶電情況下測(cè)得的絕緣電阻與停

5、電后加直流高壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果很相近。但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性并不很好，分散性相當(dāng)大。絕緣電阻與許多因素有關(guān)，即使同一根電纜，也難以僅靠測(cè)量其絕緣電阻值來預(yù)測(cè)其壽命。對(duì)于中性點(diǎn)固定接地的三相系統(tǒng)，也可在三相電抗器中性點(diǎn)上加進(jìn)低壓直流電源而仍用直流疊加法在線檢測(cè)電纜絕緣性能。三、電纜絕緣tan對(duì)電纜絕緣層tan值的在線檢測(cè)方法，與電容型試品的在線檢測(cè)tan方法很相似。對(duì)多路電纜進(jìn)行tan巡回檢測(cè)時(shí)，仍常由電壓互感器處獲取電源電壓的相位來進(jìn)行比較，其原理框圖如圖10-13所示。圖10-13 多路巡回檢測(cè)tan測(cè)量原理通常認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)集中性的缺陷采用直流分量法較好，因?yàn)閠an值往往反映的是普遍

6、性的缺陷，個(gè)別的較集中的缺陷不會(huì)引起整根長(zhǎng)電纜所測(cè)到的tan值的顯著變化。由圖10-14可見，電纜絕緣中水樹枝的增長(zhǎng)會(huì)引起tan值的增大，但分散性較大。同樣，在線測(cè)出tan值的上升可反映絕緣受潮、劣化等缺陷，交流擊穿電壓會(huì)降低，其間的關(guān)系如圖10-15的實(shí)例所示，同樣具有一定的分散性。電纜的tan (%)內(nèi)或外導(dǎo)體開始內(nèi)、外導(dǎo)體均有領(lǐng)結(jié)狀樹枝最長(zhǎng)的水樹長(zhǎng)(mm) 4.03.02.01.00.01 0.05 0.1 1.0 10圖10-14 水樹枝長(zhǎng)度與電纜tan的關(guān)系電纜的tan (%)從10kV開始加電壓從35kV開始加電壓20kV10kV9080706050403020100.05 0.1

7、 0.5 1.0 5.0 10 交流長(zhǎng)時(shí)間擊穿電壓（kV）圖10-15 電纜tan與長(zhǎng)時(shí)擊穿電壓的關(guān)系在對(duì)已運(yùn)行過的XLPE電纜進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，得出水樹枝發(fā)生的個(gè)數(shù)以及最長(zhǎng)的水樹枝長(zhǎng)度與電纜tan測(cè)量值的關(guān)系，如圖10-16及圖10-17所示，它們的趨勢(shì)是明確的，但分散性很大。如將最長(zhǎng)的水樹枝長(zhǎng)度與每單位長(zhǎng)度電纜中的樹枝數(shù)的乘積作為橫坐標(biāo)，則與測(cè)得的tan(縱坐標(biāo))之間具有更好的相關(guān)性，說明測(cè)得的tan值取決于整體損耗的變化。 圖10-16 樹枝數(shù)對(duì)tan影響圖 10-17 最大樹枝長(zhǎng)度與tan的關(guān)系四、其他在線檢測(cè)方法對(duì)于發(fā)現(xiàn)局部缺陷，局部放電檢測(cè)是很有價(jià)值的。常見的電纜局部放電方法有局部

8、放電檢測(cè)儀、接地線脈沖電流法、電磁耦合法、超聲波法等，可以對(duì)電纜及其附件進(jìn)行檢測(cè)，但由于電纜長(zhǎng)、電容量大，對(duì)其進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)外界干擾的影響十分嚴(yán)重，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)有效分辨率一般為1001000pC。由于交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣電阻很小，在線檢測(cè)tan易受影響，而tan、擊穿電壓和電容增量之間有較好的相關(guān)性，因此建議改為在線檢測(cè)流過接地線的電容電流增量的方法。該方法簡(jiǎn)便易行，只要在接地線上套以電流傳感器即可實(shí)現(xiàn)，但這時(shí)另一端電纜終端接地線在測(cè)量時(shí)需要臨時(shí)斷開?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)容性電流的影響，日本提出了在電纜線路上疊加20V、7.5Hz的低頻電壓的方法。由于容性電流隨頻率降低而減少，而阻性電流則無明顯

9、變化，所以易從總電流中將阻性電流區(qū)分出來。同時(shí)由于tan=1/CR，頻率下降，等值tan增大，也易于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。表10-4給出了幾種電纜絕緣在線檢測(cè)方法的比較。通過對(duì)幾種檢測(cè)方法的比較，可以選擇比較有效的方法。表10-4 電纜絕緣在線檢測(cè)方法的比較方 法特 征在線檢測(cè)特點(diǎn)使用情況直流疊加法測(cè)得反映劣化的絕對(duì)量,可能監(jiān)測(cè)局部損壞常在中性點(diǎn)PT處疊加以低壓直流,宜用于在線檢測(cè)應(yīng)用較廣泛局部放電法能檢測(cè)出缺陷處發(fā)生的局部放電理論上可在線檢測(cè),關(guān)鍵是消除干擾在線檢測(cè)困難較大tan法在運(yùn)行電壓下能檢測(cè)劣化 在線檢測(cè)儀需要特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用較多直流分量法直流分量有可能反映劣化的絕對(duì)量 因電流小更要排除雜散電流的影

10、響已開始應(yīng)用圖10-18給出了直流分量法、直流疊加法、在線tan法三種方法組成的綜合在線檢測(cè)儀的測(cè)量原理。圖10-18 直流疊加法、直流分量法和tan測(cè)量的聯(lián)合裝置在電力系統(tǒng)中常將電力電纜按絕緣材料分為：油紙絕緣電纜、橡塑絕緣電纜、充油電纜、充氣電纜等。其中油紙絕緣電纜已經(jīng)逐步退出運(yùn)行，橡塑絕緣電纜使用量逐年增加，特別是交聯(lián)聚乙烯電纜近年來已經(jīng)成為中高壓輸電系統(tǒng)中的主要品種。交聯(lián)聚乙烯電力電纜由于其電氣性能和耐熱性能都很好，傳輸容量較大，結(jié)構(gòu)輕便，易于彎曲，附件接頭簡(jiǎn)單，安裝敷設(shè)方便，不受高度落差的限制，特別是沒有漏油和引起火災(zāi)的危險(xiǎn)，因此受到用戶廣泛歡迎。交聯(lián)聚乙烯電纜和油浸紙統(tǒng)包電纜在結(jié)構(gòu)

11、上的區(qū)別除了相間主絕緣是交聯(lián)聚乙烯塑料以及線芯形狀是圓形之外，還有兩層半導(dǎo)體屏蔽層。在芯線的外表面包第一層半導(dǎo)體屏蔽層，它可以克服導(dǎo)體電暈及電離放電，使芯線與絕緣層之間有良好的過渡；在相間絕緣外表面包第二層半導(dǎo)體膠，同時(shí)加包了一層0.1mm厚的薄銅帶，它組成了良好的相間屏蔽層，它保護(hù)著電纜，使之幾乎不能發(fā)生相間故障。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始生產(chǎn)220kV電壓等級(jí)交聯(lián)聚乙烯電纜，國(guó)外已有500kV電壓等級(jí)的交聯(lián)聚乙烯電纜投入試用線路。引起電纜絕緣故障的原因是多方面的，如果電纜的制造質(zhì)量好（包括纜芯絕緣、護(hù)層絕緣所用的材料及制造工藝）、運(yùn)行條件合適（包括負(fù)荷、過電壓、溫度及周圍環(huán)境等），而且不受外力等因素

12、的破壞，則電纜絕緣的壽命相當(dāng)長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電纜運(yùn)行中的事故大多是由于外力破壞（如開掘、擠壓而損傷）或地下污水的腐蝕等所引起的。由于電纜材料本身和電纜制造、敷設(shè)工程中不可避免地存在缺陷，受運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)、環(huán)境等因子的影響，電纜的絕緣都會(huì)發(fā)生不同程度的老化。不同的老化因子，引起的老化過程及形態(tài)也不同。表10-5給出了交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化的原因和表現(xiàn)形態(tài)，其中樹枝化老化是交聯(lián)聚乙烯電纜所特有的。所謂水樹枝和電樹枝是指在局部高電場(chǎng)的作用下，絕緣層中水分、雜質(zhì)等缺陷呈現(xiàn)樹枝狀生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致絕緣擊穿；所謂化學(xué)樹枝是指絕緣層中的硫化物與銅導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化銅和氧化銅等物質(zhì)，這些生

13、成物在絕緣層中呈樹枝狀生長(zhǎng)。表10-5 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化原因及表現(xiàn)形態(tài)老化原因老化形態(tài)老化原因老化形態(tài)電效應(yīng) 運(yùn)行電壓、過電壓、過負(fù)荷、直流負(fù)荷局部放電老化電樹枝老化水樹枝老化化學(xué)效應(yīng)化學(xué)腐蝕、油浸泡化學(xué)腐蝕化學(xué)樹枝機(jī)械效應(yīng)機(jī)械沖擊、擠壓外傷機(jī)械損傷、變形電-機(jī)械復(fù)合老化熱效應(yīng)溫度異常、冷熱循環(huán)熱老化熱-機(jī)械老化生物效應(yīng)動(dòng)物啃咬微生物腐蝕成孔、短路在進(jìn)行電力電纜絕緣電阻的測(cè)量時(shí)，新的油浸紙絕緣電纜每一電纜芯對(duì)外護(hù)套的絕緣電阻換算到+20及1km長(zhǎng)度時(shí)，額定電壓在6kV及以上的電纜絕緣電阻應(yīng)不小于100M，額定電壓13kV的電纜絕緣電阻不應(yīng)小于50M。對(duì)運(yùn)行中的電纜，試驗(yàn)時(shí)對(duì)歷次試驗(yàn)中絕緣

14、電阻變化的規(guī)律以及各相絕緣電阻的差別（不平衡系數(shù)一般不應(yīng)大于2）進(jìn)行綜合分析、判斷電纜的絕緣情況。橡塑絕緣電力電纜的主絕緣電阻值根據(jù)各廠家的規(guī)定執(zhí)行，而外護(hù)套的絕緣電阻和內(nèi)襯層的絕緣電阻規(guī)定當(dāng)采用500V兆歐表測(cè)量時(shí)為0.5M。在進(jìn)行直流耐壓和泄漏電流試驗(yàn)，升壓到試驗(yàn)電壓時(shí)，同時(shí)讀取1min及5min的泄漏電流值，耐壓5min的泄漏電流值應(yīng)不大于耐壓1min時(shí)的泄漏電流值，或者極化比應(yīng)不小于1（極化比定義為1min/5min）。規(guī)程對(duì)直流泄漏電流值沒有作明確規(guī)定，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照制造廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在直流泄漏電流試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)以下現(xiàn)象則表明電纜絕緣已經(jīng)出現(xiàn)明顯缺陷：（1）泄漏電流隨施加電壓時(shí)間的延

15、長(zhǎng)不應(yīng)明顯上升。如發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間延長(zhǎng)而明顯上升現(xiàn)象，則多數(shù)情況下電纜接頭、終端頭或電纜內(nèi)部已受潮。（2）泄漏電流不應(yīng)隨試驗(yàn)電壓升高而急劇上升。如果發(fā)現(xiàn)泄漏電流在升至某一電壓后急劇上升，則說明電纜已明顯老化或存在嚴(yán)重隱患，電壓進(jìn)一步升高，則很可能導(dǎo)致?lián)舸?。?）在測(cè)量過程中，泄漏電流應(yīng)穩(wěn)定，如發(fā)現(xiàn)有周期性擺動(dòng)，則說明電纜有局部孔隙性缺陷。紙絕緣電力電纜還應(yīng)比較各相泄漏電流數(shù)值的三相不平衡系數(shù)，通常均應(yīng)不大于2。當(dāng)泄漏電流值各相均很小時(shí)（10kV及以上電纜泄漏電流小于20A時(shí)，6kV及以下電纜泄漏電流小于10A時(shí)），不平衡系數(shù)不作規(guī)定。對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜目前國(guó)外將用直流分量法測(cè)得的值分為大于100nA、1100nA、小于1nA三檔，分別表明絕緣不良、絕緣有問題需要注意、絕緣良好。同時(shí)，國(guó)外在直流疊加法在線監(jiān)測(cè)的研究中已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)，表10-6給出了日本目前通用的直流疊加法絕緣電阻的判斷標(biāo)準(zhǔn)。表10-6 日本直流疊加法測(cè)