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低压电缆绝缘状态检测方法内容摘要随着低压电缆在电网供电中的越来越广泛的使用，低压电缆的使用数量、长度有了很大的发展，随之故障也增多了。为了能提前预测低压电缆绝缘发展方向，低压电缆绝缘故障检测方法的研究应运而生，并且得到了很好的发展本文首先简述了低压电缆的研究现状和低压电缆绝缘故障类型及老化原因。随后，讨论低压电缆绝缘老化及其表现形式。在文章中，对低压电缆绝缘故障检测方法进行了归纳和总结，给出了各种检测方法的原理，并对各种测试方法的优缺点进行了比较分析，给出了种种测试方法的适用范围，以期为各种低压绝缘故障的检测系统方法选择提供了各种参考方法。用上述方法通过实验对电缆检测后，达到了预期检测的目的，对电缆的绝缘状态给出了总体的评评判。关键词：介质损耗；水树枝；老化；漏导电流目 录内容摘要I引 言11 低压电缆绝缘概述21.1 低压电缆检测方法的研究现状21.2 低压电缆绝缘故障类型21.2.1 接地故障21.2.2 短路故障21.2.3 断线故障21.3 低压电缆绝缘老化原因31.3.1 热老化31.3.2 机械老化31.3.3 电老化31.4 本文主要研究内容42 低压电缆绝缘状态检测技术分析52.1 低压电缆绝缘电阻的测试方法52.1.1 测试中电压与时间的选择52.1.2 低压电缆绝缘电阻的测量52.2 低压电缆绝缘漏导电流检测方法62.3 低压电缆绝缘介质损耗检测方法72.3.1 低压电缆绝缘介质损耗的测量原理72.3.2 低压电缆绝缘介质损耗的测量方法72.4 低压电缆绝缘在线运行检测方法82.4.1 直流叠加法82.4.2 低频叠加法92.4.3 交流叠加法103 测量数据分析与判断123.1 低压电缆绝缘电阻实验结果的分析与判断123.2 低压电缆绝缘泄露电流实验结果的分析与判断123.3 低压电缆绝缘介质损耗实验结果的分析与判断124 总结14参考文献15引 言在生产、生活中电气绝缘引起的事故比率居高不下，特别是随着我国经济的发展，人们生活水平不断的提高，用电量在大幅的增加，同时对用电安全也提出了更高的要求。针对电缆故障，很有必要研究电缆故障应对措施，以期达到如下目的：一是使电缆可能出现故障点处能够按计划停电得到及时处理，二是：电缆出现故障后，测试人员到达现场能够以最短的时间，准确地探测出故障点，采取有效处理措施后，能够快速恢复线路供电，以保证电网的安全稳定运行。目前，对低压电缆的检测，我们基本上还采用定期试验维修的方法，这种离线试验方法对出厂产品与将要投入使用的设备进行检测非常有效，但无法对使用中的电缆进行监测。而且电缆在试验时使用耐压试验等方法，本身就会对其造成损伤，使电缆的老化加快，电缆的绝缘特性受到影响，虽然耐压试验是一种有效发现故障的方法，但还是要寻求不会对试品有损坏的新试验方法。各种离线和在线检测方法为低压电缆的绝缘状态检测提供了新的思路。151 低压电缆绝缘概述1.1 低压电缆检测方法的研究现状电力电缆试验技术严重滞后于电力电缆制造和应用技术。国家关于绝缘电力电缆(XLPE)投运后的试验方法、标准和运行规程大多在20世纪70年代颁布，比较陈旧落后，有的甚至是沿用油纸绝缘电力电缆的试验方法。1996年修编的电力设备预防性试验规程中，仅用很少的篇幅提及绝缘电力电缆投运后的预试方法，不具可操作性。据统计：在19621999年间，直流耐压试验合格后投入运行的电缆在短期内发生故障的次数约占电缆运行故障总次数的43.8%。这一事实再次说明了直流耐压试验不仅不能够及时发现电缆运行缺陷，反而使电力电缆的绝缘损伤较大，缩短电缆运行寿命。到目前为止，许多国家包括中国在内，已不再采用直流耐压试验作为交联聚乙烯绝缘电力电缆的预防性试验手段1。介质损耗角的测量是判断绝缘故障的最有效的手段之一。它与材料特性有关，而与材料尺寸、体积无关的物理量，所以用测量介质损耗角来判断高压电气设备的绝缘情况，特别是对绝缘受潮、老化变质等分布性缺陷是卓有成效的。1.2 低压电缆绝缘故障类型电缆故障有许多种，大致分为以下几种。1.2.1 接地故障接地故障即电缆一芯或多芯对地故障。其中又可分为低阻接地或高阻接地。一般接地电阻在20100以下为低阻故障，以上为高阻故障。因使用的电桥和检流计灵敏度不同，对低阻与高阻的划分也往往不一致。原则上接地电阻较低，能直接用低压电桥进行测量的故障，称为低阻故障。须要进行烧穿或用高压电桥进行的故障，称为高阻接地。1.2.2 短路故障短路故障即电缆两芯或三芯短路，或两芯、三芯短路接地。其中也可分为低阻短路或高阻短路故障，其划分原则与接地故障相同。1.2.3 断线故障断线故障即电缆一芯或多芯被故障电流烧断或受机械外力拉断，形成完全断线或不完全断线，其故障点对地的电阻也可分为高阻或低阻故障，一般以1M为分界限，小于1M为低阻。能较准确地测出电缆的电容，用电容量的大小来判断故障点可称为高阻断线故障2。1.3 低压电缆绝缘老化原因绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝缘老化”。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的，最具代表性的主要有：热老化、机械老化、电压老化等。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对老化了的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。1.3.1 热老化热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、热分解等化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降低。其化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，XLPE材料被认为当拉伸率从初始的400%600%降低到100%时寿命终止3。1.3.2 机械老化机械老化是电缆系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电-机械击穿”。1.3.3 电老化电老化指的是在电场长期作用下，由于电缆制造中的质量缺陷，施工中机械与外力作用伤害，绝缘物中的空隙、裂纹等，造成局部电场不均匀，诱发局部放电，以导体的变异部、空隙、杂质为起点，局部破坏，发展成树枝化，渐渐地导致绝缘破坏。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生。放电引起的一系列物理和化学效应4。总之，树枝状结构是绝缘老化、劣化后最常观察到的现象，它们的产生和生长是引起绝缘老化、劣化的最基本、直接的因素。研究各种树枝产生、生长的机理和它们对绝缘的影响对于寻找防止绝缘材料老化和检测绝缘老化程度的方法是非常有意义的。1.4 本文主要研究内容随着电力事业的迅速发展，对供电可靠性和用电安全性的要求在进一步的提高，电力设备绝缘状况检测技术的发展日益得到重视，新的检测设备和新的检测技术不断在推出。电线电缆是最常用的电力设备，同时也是出现绝缘故障的概率最高的设备，据不完全统计，电气绝缘不良引起的事故中波及的设备有近一半与电线电缆有关。在我国，针对高电压等级的电缆绝缘检测技术受到了普遍的重视，但是针对低压配电网的电线电缆绝缘检测技术的研究却进展不大。本文的提出就是针对上述问题研究的有效补充，以低压电缆的绝缘电阻和漏电电流为主要研究手段，对电缆绝缘状态进行检测，并判断电缆的绝缘状态以及故障的类别。2 低压电缆绝缘状态检测技术分析2.1 低压电缆绝缘电阻的测试方法2.1.1 测试中电压与时间的选择（1）测试电压：测试绝缘电阻时所施加的直流电压不能太高，否则会导致绝缘内部放电，既影响测试正确性又易造成绝缘损坏；也不能太低，以致影响测试的灵敏度和准确性。对于35kV及以下的电力电缆，一般最低电压不低于100V，最高电压不超过3000V。（2）测试顺序：为了检查电缆在耐压试验过程中可能产生而并未暴露(即未击穿)的缺陷，因此绝缘电阻的测试应在耐压试验之后。（3）测试中的读数时间：由于加上电压后，绝缘中存在着三种随时间而衰减的电流，因此理论上应该等这三种电流全部衰减完后，才读到导电电流(即泄漏电流)的数值，以计算绝缘电阻。但时间太长测试工作量大以及考虑到测量系统长时间的稳定性，因此在测试方法的标准中明确规定在接通电流后1分钟(即正到达1分钟时即读数)。1分钟读数既保证了非电导电流大部分己经消失，又使测试时间有了统一，使读数具有重复性和可比性，以及提高测试效率。2.1.2 低压电缆绝缘电阻的测量测量绝缘电阻的仪表被称为兆欧表，传统的有靠手摇动产生电压的摇表，随着数字技术的发展，出现了各种性能优良数字兆欧表。对于采用多层绝缘的电力电缆而言，是测量线芯导体与屏蔽层之间的绝缘电阻，接线方式如图2.1所示，测量电压在1000V以上。对于一般低压配电网各种电线而言，可以采取测量两相间或相线对地线之间的绝缘电阻的方法，测量电压为500V或者1000V。图2.1 电缆绝缘电阻测量接线图绝缘电阻的判定标准根据电缆种类、电压等级、应用场合等条件不同而不同，同时也因测试电压等级不同而不同。一般规定民用低压供电线路绝缘强度标准必须达到在500V电压下，绝缘电阻值不低于0.5M；对于空调回路，必须不低于1.0M。高压10kV配电线路，要求每个绝缘子绝缘电阻不应小于300M。2.2 低压电缆绝缘漏导电流检测方法漏导电流的测量实际上是从直流耐压实验测量而得，所以其测量原理和耐压实验相同。进行直流耐压试验需要高压直流电源，一般利用交流试验变压器通过整流产生。直流耐压试验装置的原理线路如图2.2所示。测试设备为YMGY-15型电压测试电源，DXDL-1型数显高压电流表，高压电压表。图2.2 泄露电流测试原理图R限流电阻；VD整流硅堆；PA1和PA2分别为高压端和低压端微安表；T为高压变压器，由220V交流调压变压器供电；Cx为被测试品。漏导电流测试值与温度、湿度有密切关系，因此在测试被测对象的同时，测量对象的温度和环境温度及湿度，应参照国家标准，制定标准环境参量，修正测量值7。2.3 低压电缆绝缘介质损耗检测方法2.3.1 低压电缆绝缘介质损耗的测量原理根据图2.2的等效电路图和向量图的分析，我们可以得出介质损耗角的定义如下： （2-1）如果取得试品的电流相量主以及电压相量，则可得到其相量图，详见图2.2。又因为总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此: （2-2）根据介质损耗、电容值的频谱响应，从而诊断判定各种绝缘介质的老化程度，区分影响绝缘的因素。如水分、温度、氧化等。适用于对变压器、套管、电缆(交链聚乙烯电缆XLPE及油浸纸电缆)、CTPT互感器、发电机、电动机及断路器的绝缘测试。其测试原理框图如下:图2.3 低压电缆绝缘介质损耗的测试原理图2.3.2 低压电缆绝缘介质损耗的测量方法除产品标准中另有规定者外，试样有效长度应不小于3m，试样两端绝缘外的覆盖物应小心地剥除，注意不得损伤绝缘表面。试样应在试验环境中放置足够长的时间，使试样温度与试验温度平衡，并保持稳定。浸入水中试验时，试样两个端头露出水面的长度不小于250mm，绝缘部分露出的长度应不小于150mm。在空气中试验时，试样端部绝缘部分露出护套的长度应不小于100mm。露出的绝缘表面应保持干燥和洁净。非金属护套电缆，非屏蔽电缆或无恺装的电缆试样，应浸入水中，单芯者测量整个电缆的介质损耗（从0.01Hz到）；多芯者，应分别就电缆每个线芯对其余线芯与绝缘层的介质损耗进行测量8。2.4 低压电缆绝缘在线运行检测方法传统常规的停止运行状态下的绝缘试验间隔时间长，因此不易及时发现设备绝缘缺陷，而且试验时还会因停电造成一定的经济损失。随着检测技术、计算机技术的不断发展和对电力设备安全重视程度的提高，在线绝缘诊断技术越来越受到人们的关注。2.4.1 直流叠加法该方法是从停电测试方法中直流漏电流的测试发展而来的，最早于1977年开始应用。测量电路如图2.4所示。从变电所接地变压器（GPT）的中性点处接入50V直流测试电源，检测电缆的屏蔽层对地的微弱电流，并换算成相应的绝缘电阻。直流叠加法对于因电缆中水树枝引起绝缘电阻的下降比较敏感，是一种原理直截且比较容易实施的方法。图2.4 直流叠加法测量回路值得注意的是，当测量对象是敷设在地面以下的电缆时，电缆屏蔽层金属与土壤之间因水分和矿物盐分等物质的作用存在化学电动势，这个直流的电动势会对测量结果产生影响。为了消除这种影响，可以采取先后叠加正、负电压测量的方法。对于低压配电网（如IT型电网）而言，也可以采用直流叠加法测量各相电缆对地的漏电流，接线方式如图2.5所示。图2.5 IT电网直流叠加法测量回路直流叠加法的不足之处主要有两点。其一，直流电压迭加法因散杂电流的变化或端部表面泄露电阻变低而产生较大的测量误差。其二，直流电压是经中性点接地的电压互感器叠加于电缆的，若互感器中长期流过直流电源会发生磁饱和现象而产生零序电压，可能使变电所内继电器误动作，因此在有些变电站是不允许应用的。此外，直流叠加法只适用于中性点不接地的电网形式，不适用于中性点直接接地的电网。2.4.2 低频叠加法低频叠加法是在电缆导体上施加一个低频电压（7.5Hz，20V），从接地端检出的低频电流中分离出与电压同相位的有功电流分量，从而求得绝缘电阻。试验证明这种方法对未贯穿的水树枝造成的绝缘性能下降也是可以检测到的。该方法之所以要采用7.5Hz的低频交流电，其原因和测量tan时降低测试电压频率一样，即电源频率减小，电容性电流分量也随之减小，而电阻性电流大小没有变化，从而使得从总电流中分离有功电流分量更加容易，测量结果的相对误差也会较小。同时，采用20V的电压幅值也是在保证有足够的电流响应值的基础上尽量不对电网和负载造成太大影响。低频叠加法原理如图2.6所示：图2.6低频叠加法原理图(1：基准信号；2：检测信号)低频交流迭加法对于检测因水树枝引起的绝缘老化是一种较好的方法，所检测到的交流损失电流在原理上随着劣化的发展而变大的。但在使用中应认真确认电缆端部的工作状态，例如为调整端部电场分布而装有应力环时，即使电缆绝缘良好，交流损失电流也较大，那么仅根据在线监测的信号，就可能做出“绝缘不良”的误判断。2.4.3 交流叠加法该方法是将频率为工频的2倍+1Hz的50V交流电压叠加到电缆的屏蔽层，以得到1Hz的劣化特征电流信息，从而判断电缆绝缘老化状况。测量原理如图2.7所示，检测时先断开K。图2.7交流叠加法原理图试验表明，在给老化电缆屏蔽层上叠加不同频率的交流电压时，当电压频率为100Hz时，会产生一个比较大的特征电流。进一步的研究表明，该特征电流只在有水树枝老化的电缆上产生，对于新电缆并不产生特征电流，并且当叠加电压的频率为101.4Hz时，特征电流达到最大值。除上述提及的方法以外，电缆绝缘在线检测方法还有很多，如针对水树枝老化的接地电流法，从交流叠加法发展而来的脉动检测法，针对高频老化电流成分的损耗电流法等等，此外，还有多种针对局部放电的在线检测技术，同时，新的检测方法还在不断研究当中。总之，在线绝缘检测以其不可取代的优越性能将越来越受到人们的重视，应用也将越来越普及。3 测量数据分析与判断3.1 低压电缆绝缘电阻实验结果的分析与判断试验结果的分析与判断电缆主绝缘层的绝缘电阻较低时，一般应根据以往的测试记录来综合判断，如果绝缘电阻降低的速度突然加快，应查明原因并加以消除，必要时可通过直流耐压来确定是否可以投入运行。如果两次测得的绝缘电阻值相差较大时，表明已形成原电池，从而可判断外护套和内衬层是否已破损进水。外护套破损不一定要立即修理，但内衬层破损进水后，水分直接与电缆芯接触并可能会腐蚀铜屏蔽层，一般应尽快检修。3.2 低压电缆绝缘泄露电流实验结果的分析与判断试验结果的分析与判断电缆通过直流耐压试验而未击穿者，一般可认为该电缆的绝缘性能是合格的，可以投入系统运行。但并不是说，通过直流耐压试验的电缆质量就是好的。具有优良质量的电缆线路应在合理运用及无外力损伤的情况下安全运行数十年无事故。试验被测旧电缆为0.6/IkV低压电缆，并且其历史工作电压小于400V，虽然该电缆存在一定的老化现象，但其工作电压小于400V，按照国家标准规定试验电压250OV条件下，电缆绝缘未击穿。说明旧电缆绝缘性能仍符合国家标准规定。50时，在25O0V试验电压条件下，泄漏电流最大值符合电线电缆手册规定，综合以上，可以判定该电缆绝缘性能可用。3.3 低压电缆绝缘介质损耗实验结果的分析与判断实验室内新、旧电缆介质损耗角正切的测试数据如表3.1所示。测试条件：测试电压140V，频率：0.011000Hz，环境温度20，湿度45%。表3.1 介质损耗实验数据新电缆旧电缆频频率/Hztan频频率/Hztan100000304810000066668470590024424705900580242222200198222220047990395001799903950042031601500180260150041171500018185000411114000183440004104220001928200041826100020771000436964641700236846417004728621546002918215460054194100383910067340046417005177046417008986202154400702902154401383601009614010177480026420139500464160262880021540215090021544040707001035614001066342介质损耗增大直接反映为电缆绝缘能力的下降。分析实验室测量结果，导致电缆介质损耗增大的主要原因是电缆绝缘老化。其结果分析主要根据是上表中旧电缆数据的变化趋势与新电缆的趋势基本一致。这说明了由于电缆绝缘老化，电缆的绝缘性能整体下降。测试电压频率为50Hz时，旧电缆的介质损耗为0.041，小于极限介质损耗参考值。这说明了旧电缆绝缘状态良好。此结果与绝缘电阻和泄漏电流的测试结论是相符合的。进一步就可以分析介质损耗增大的原因，如:绝缘受潮、绝缘中含气或微粒杂质存在、绝缘老化变质等等。导致电缆介质损耗增大的主