交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測及檢測技術(shù)的現(xiàn)狀

交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測及檢測技術(shù)的現(xiàn)狀

0大學(xué)生電纜電纜系統(tǒng)隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)城市供電的需要，中國電網(wǎng)線路的利用率逐年增加。從2008年3月31日起，36kv和其他電纜線路的線路總流量為83931g，線路總流量為063.342公里。其中330kV電纜線路7回,總長1.881km;220kV電纜線路333回,總長898.3718km;110kV電纜線路3142回,總長4629.625km;66kV電纜線路449回,總長533.465km。另外,上海世博變電站500kV電纜線路16km于2010年投運。北京電力公司計劃近幾年投運2回500kV電纜線路。高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜在電網(wǎng)中所占的比重日益增長,目前國網(wǎng)系統(tǒng)66kV及以上電纜線路97.62%的運行電纜為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,現(xiàn)在僅有北京、上海和甘肅三地50回充油電纜在網(wǎng)運行,且絕大多數(shù)是2000年前投運,2005年以后,全網(wǎng)沒有新的充油電纜線路投運。交聯(lián)聚乙烯電纜構(gòu)成了城市供電和主網(wǎng)架的重要環(huán)節(jié),如何提高它們的運行水平,確保電網(wǎng)供電可靠性,是目前亟待研究解決的問題。電纜絕緣的劣化及缺陷的發(fā)展,具有統(tǒng)計性,發(fā)展速度有快有慢,大多數(shù)都有一定的發(fā)展期。在這期間,絕緣會發(fā)出反映絕緣狀態(tài)變化的各種物理化學(xué)信息。通過對這些信息進行在線監(jiān)測及綜合處理,可提早發(fā)現(xiàn)故障隱患,對電纜設(shè)備的可靠性做出判斷,對絕緣壽命做出預(yù)測。這樣,既可以避免絕緣缺陷的擴大導(dǎo)致事故,又可避免盲目的停電實驗。所以,電力電纜設(shè)備絕緣的在線檢(監(jiān))測勢在必行。1主絕緣層、金屬護層及外三維XLPE絕緣電纜基本結(jié)構(gòu)包括本體和附件。本體包括導(dǎo)電線芯、主絕緣層、金屬護層及外護套等(見圖1)。針對電纜主絕緣(包括本體和附件),目前主要有以下在線監(jiān)測方法:直流分量法、直流疊加法、低頻疊加法、在線介質(zhì)損耗角正切法和局部放電在線監(jiān)測法。1.1直流電流在自然形態(tài)中的作用如果運行中的XLPE電纜絕緣體產(chǎn)生了水樹枝,則在運行中的交流電壓作用下,由于水樹枝的整流作用將產(chǎn)生一個微弱的直流電流分量(nA級)流過絕緣體。通過檢測這一直流分量來判斷電纜絕緣老化的方法,稱為直流分量法。但是,直流分量法中測得的電流極微弱,在現(xiàn)場進行支流分量法的測量時,微小的干擾電流就會引起很大的誤差。其干擾主要來自被測電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流。1.2電纜纜的老化度通過電纜所接的電壓互感器的中性點或其他方法,將一小的直流電壓疊加到運行中的XLPE電纜的導(dǎo)體線芯上,用高靈敏度的電流表測定出流過電纜絕緣體的直流漏電流(一般為nA級以上),或測量其絕緣電阻,判定絕緣的老化程度。由于絕緣電阻與電纜的殘余壽命的相關(guān)性并不是很好,其分散性太大,又因絕緣電阻與很多因素有關(guān),很難測量其絕緣電阻值并預(yù)測電纜的老化程度。實驗表明,只有當(dāng)XLPE電纜中的水樹枝發(fā)展到絕緣厚度的80%以上時,才會使絕緣電阻顯著下降到“危險值”,故該法雖然比較易于實現(xiàn)在線監(jiān)測,但當(dāng)護層絕緣電阻太低時難以獲得準(zhǔn)確讀數(shù)。1.3層間隔壓電路此方法將低頻電壓接入電纜高壓回路的高壓端與地之間,從電纜的接地線上測出低頻電流。由于電纜絕緣層可看作RC的并聯(lián)等值電路,當(dāng)施加的電壓為低頻時,流過絕緣層的容性電流較工頻時小得多,而阻性電流IR卻無明顯的變化,較易從接地線總低頻電流中分離出阻性分量。一方面可計算得到阻性電流所反映的電纜的絕緣電阻;另一方面頻率降低,等值tanδ增大,從而使得等值介質(zhì)損耗角正切較易測出。1.4電纜緣厚度an測量通過電壓互感器將運行電纜的電壓信號取出,同時運用電流互感器將流過電纜絕緣的工頻電流信號取出,比較兩者的相位,便可得電纜絕緣的介質(zhì)損耗角正切(tanδ),從而判斷絕緣老化程度。但對XLPE電纜進行測量時,由于電纜絕緣的tanδ很小,往往難以測準(zhǔn),特別當(dāng)屏蔽層對地絕緣電阻很小時,在線監(jiān)測tanδ更加受影響。此方法在國外也已開發(fā)出裝置,但其測量精度不夠理想。1.5局部放電試驗國內(nèi)外專家學(xué)者、IEC、IEEE以及CIGRE等國際電力權(quán)威機構(gòu),一致推薦局部放電試驗為XLPE絕緣電力電纜絕緣狀況評價的最佳方法。電力電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān)。局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣存在著可能危及電纜安全運行壽命的缺陷。通過檢測運行中的電纜絕緣的局部放電,可檢測電纜絕緣的局部缺陷。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)以及信號處理技術(shù)的快速發(fā)展,采用局部放電法作為電纜絕緣在線監(jiān)測的方法,現(xiàn)在已成為研究的熱點。這種方法最具有發(fā)展前景,但對技術(shù)要求也較高。常用的幾種局部放電檢測方法有:內(nèi)置耦合電容法、脈沖電流法、空間超高頻法及超聲波法等。為研究各種局部放電檢測方法的靈敏度和有效性,可進行現(xiàn)場檢測和比較。選擇一條220kV長距離XLPE電纜作為檢測對象,選用不同廠家的多個局部放電檢測產(chǎn)品同時進行檢測,這些產(chǎn)品采用的原理包括脈沖電流法、空間超高頻法、超聲波法等。圖2是在某個中間接頭安裝不同傳感器的現(xiàn)場試驗圖。該試驗采用串聯(lián)諧振方法加壓,對電纜施加(1.0~1.4)U0的電壓,分析局部放電水平和電壓的關(guān)系,以判斷局部放電的性質(zhì)。檢測結(jié)果表面,在中間接頭處發(fā)現(xiàn)局部放電信號,對該接頭進行解體分析,發(fā)現(xiàn)主絕緣的外半導(dǎo)體層表面存在嚴(yán)重的劃傷,系中間接頭的現(xiàn)場施工工藝不良所致,該缺陷在電壓的作用下會產(chǎn)生局部放電,長期運行中容易發(fā)展成擊穿事故。現(xiàn)場應(yīng)用試驗研究證明,在線局部放電監(jiān)測對及時發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部缺陷確有重要的作用。2主粘連時金融電纜主緣失效目前有關(guān)XLPE電力電纜狀態(tài)監(jiān)測的研究基本都以電纜主絕緣為研究對象,電纜保護層的在線監(jiān)測研究相對較為忽略。XLPE電力電纜主絕緣的狀態(tài)或壽命既取決于自身材料特性的內(nèi)因,也直接關(guān)聯(lián)到保護層狀態(tài)這一外因。當(dāng)外護層被破壞后,對主絕緣的影響有3個方面:(1)導(dǎo)致金屬護層出現(xiàn)多點接地,產(chǎn)生環(huán)流,造成損耗且絕緣層局部過熱加速老化,影響主絕緣壽命;(2)在外力或電磁力作用下,進一步出現(xiàn)金屬護層連接處位移、錯位,導(dǎo)致水分侵入主絕緣,主絕緣產(chǎn)生水樹老化的概率增加,影響主絕緣壽命;(3)主絕緣在金屬護層被腐蝕處出現(xiàn)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。所以,直接監(jiān)測保護層狀態(tài)、把握好電纜主絕緣的第一道防線,就可以有效預(yù)防電纜主絕緣問題及其他故障的形成。同時由于電磁耦合作用,當(dāng)主絕緣品質(zhì)發(fā)生變化或XLPE電力電纜發(fā)生其他故障時,也會反應(yīng)在金屬護層的感應(yīng)電量及應(yīng)力應(yīng)變等狀態(tài)量的變化上,即XLPE電力電纜的故障會在金屬護層上表現(xiàn)出故障特征。對XLPE電力電纜金屬護層的有效監(jiān)測不僅可以監(jiān)測電力電纜金屬護層自身的狀態(tài),也可以監(jiān)測主絕緣的品質(zhì)狀態(tài)和XLPE電力電纜其他故障。針對電纜護層絕緣監(jiān)測,有接地電流監(jiān)測、接地容性電流監(jiān)測及綜合監(jiān)測等方法。2.1金屬護層接地試驗110kV及以上電壓等級的電力電纜均為單芯電纜,因電纜金屬護層與線芯中交流電流產(chǎn)生的磁力線相鉸鏈,會出現(xiàn)較高的感應(yīng)電壓,故需采取接地措施。通常,短距離電纜的金屬護層采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護電阻接地的方式;長距離電纜的金屬護層則采用交叉互聯(lián)接地的方式。當(dāng)電纜絕緣護套破損、金屬護層出現(xiàn)2點或多點接地時,會產(chǎn)生較大環(huán)流,嚴(yán)重時可超過負荷電流的50%以上。監(jiān)測電纜的接地電流,可獲取電纜外護套的完整性信息。目前,該方法通常采用在接地線上安裝電流互感器來實現(xiàn),無需改變接地線的連接方式,適合110kV及以上電壓等級電纜線路。國內(nèi)多家科研院所及運行單位均對該方法進行研究和實踐。其中,華中科技大學(xué)等高校以環(huán)流絕對值和相對變化量為判據(jù),對電纜金屬護層的絕緣性能進行在線監(jiān)測。北京電纜公司轄區(qū)內(nèi)的110kV及以上等級電纜線路中安裝了接地電流監(jiān)測系統(tǒng)。研究結(jié)果和運行經(jīng)驗均表明,接地電流監(jiān)測是判斷電纜護套安全狀態(tài)的重要手段,也是未來電纜系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)中重要的一環(huán)。2.2電纜主緣子平衡電壓的加速老化試驗當(dāng)交聯(lián)聚乙烯的水樹枝發(fā)展時,不但tanδ增大,擊穿電壓下降,而且電容增量ΔC增大,使得流經(jīng)主絕緣的容性電流發(fā)生變化,從而接地線電流ΔIg也會發(fā)生變化。該監(jiān)測方法,就是通過接地電流中容性分量的增量ΔIg,反映XLPE電纜絕緣老化前后的電容量變化。電纜的加速老化試驗結(jié)果表明,交流擊穿電壓與接地線容性電流增量ΔIg有較好的相關(guān)性。因此,ΔIg可作為判定絕緣老化的依據(jù)。2.3在線監(jiān)測方案的設(shè)計國內(nèi)研究工作者提出了面向XLPE電纜金屬護層的在線監(jiān)測新思路,通過對金屬護層的感應(yīng)電勢、接地電流、電磁力及應(yīng)力應(yīng)變等的全面分析研究,得到各類故障或缺陷的表征現(xiàn)象及特征量,對應(yīng)這些故障表征現(xiàn)象及特征量進行在線監(jiān)測方案的設(shè)計。XLPE電力電纜各類故障的表征現(xiàn)象主要是3種:(1)因金屬護層絕緣損傷和接地系統(tǒng)缺陷引起的接地回路感應(yīng)環(huán)流;(2)主絕緣品質(zhì)劣化和附件劣化等引起的局部放電現(xiàn)象;(3)由于外力作用和故障接地感應(yīng)環(huán)流作用而引起的金屬護層應(yīng)力變化,特別是連接處發(fā)生位移應(yīng)變的故障特征。依據(jù)這一分析研究結(jié)果,對面向金屬護層的XLPE電力電纜在線監(jiān)測方案進行設(shè)計,包括基于感應(yīng)環(huán)流的在線監(jiān)測模塊、基于饋路終端單元的XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測模塊及基于金屬護層位移應(yīng)變的在線監(jiān)測模塊等,進而得出面向金屬護層的XLPE電力電纜在線監(jiān)測綜合方案。3分布式光纖測溫法電纜在運行過程中,因線芯流過大電流而發(fā)熱。監(jiān)測電纜的溫度,既可獲取電纜絕緣的工作狀況,也可通過計算線路的載流量了解線路運行狀態(tài)。目前,應(yīng)用比較廣泛的電纜溫度測量方法是分布式光纖測溫。該方法主要依據(jù)光纖的光時域反射原理及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)?；谒鶞y溫度,可對電纜的載流量進行計算,進一步獲得電纜運行信息。測溫光纖既可以敷設(shè)在電纜護套內(nèi),即內(nèi)置式;也可沿線敷設(shè)在電纜護套外,即外置式。一些地區(qū)110kV及以上電壓等級的電纜線路上不同程度地敷設(shè)了分布式光纖測溫系統(tǒng)。運行經(jīng)驗表明,該測溫系統(tǒng)具有測量距離長及測溫精度高等優(yōu)點,但存在空間分辨率較低、對因各類缺陷造成的局部溫升不敏感及易受敷設(shè)環(huán)境溫度和濕度影響等缺點。這也是在未來的研究和工程實踐中需要解決的問題。4電纜附件的熱像檢測紅外熱成像技術(shù)常被應(yīng)用于電纜附件的在線溫度檢測。該技術(shù)是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)接收被測目標(biāo)的紅外輻射,將其能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上,再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯示。運行經(jīng)驗表明,電纜附件發(fā)生故障前,缺陷經(jīng)常伴生局部發(fā)熱,采用紅外熱像儀對電纜附件進行有針對性的在線檢測,可發(fā)現(xiàn)電纜附件的發(fā)熱性缺陷。該項技術(shù)已在110kV及以上電纜終端檢測中獲得應(yīng)用,效果較為理想,其優(yōu)點是測量靈敏度高、結(jié)果直觀及可靠性好;但測量結(jié)果難以對缺陷程度準(zhǔn)確判斷,是需要進一步解決的問題。紫外成像法是近年來發(fā)展的用于在線檢測外絕緣系統(tǒng)放電狀態(tài)的新技術(shù)。由于電氣設(shè)備表面存在毛刺、結(jié)構(gòu)問題或污穢等,運行中電場集中且電荷密度過大,形成表面放電,這些放電現(xiàn)象都會產(chǎn)生不同波長的紫外光譜。該技術(shù)可用于對110kV及以上電壓等級電纜的戶外終端電暈放電情況進行在線檢測,為電纜運行部門提供更多的電纜系統(tǒng)運行信息。5局部放電各種在線監(jiān)測及檢測項目中,局部放電、電纜護層接地電流監(jiān)測、電纜護層綜合監(jiān)測及分布式光纖測溫都能較好地反映電纜運行過程中各類缺陷及電纜通道的異常狀態(tài),是高壓電纜在線監(jiān)測及檢測中值得推薦的技術(shù)。其中,電纜護層的接地電流監(jiān)測,成本低,易于開展,應(yīng)重點加強接地電流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。局部放電監(jiān)測的難度較大,成本高,應(yīng)主要推廣帶電檢測技術(shù),可結(jié)合電纜的定期巡檢開展,局部放電數(shù)據(jù)分析中應(yīng)重點關(guān)注局部放電的發(fā)展趨勢,對重要的、懷疑有缺陷的高壓電纜,可采用多種局部放電檢測方法進行綜合診斷。電纜護層綜合監(jiān)測有較好的發(fā)展前景,應(yīng)在深入的理論研究基礎(chǔ)上