（电力系统及其自动化专业论文）xlpe电力电缆接地感应环流分析及在线监测方案设计.pdf

a b s t r a c t x l p ep o w c rc a b l ei s c o m m o n i ya c c e p t e da n du s e dm o r ea n dm o r e w i d e l yi np o w e rn e t w o r k 1 nt h ep a s t2 0y c a r s ，t h c r eh a sb e c nal o to fr a p i d r e s e a r c hp f o g f e s sa b o u to n l i n em o n i t o r i n go ft h ei n s u l a t j o ns t a t u so fx l p e p o w e rc a b l ei n h o m ea n da b r o a d ，m a n yr c s e a f c ha c h i e v c m e n t sh a v cb c e n m a d cc o n c e r n i n gm a i n l ym a i ni n s u l a t i o ns t a t u s a d c q u a t ei n v c s t i g a t i o na n d r e s e a r c hw o r kp r o v et h a t ：t h ef a u l t so fx l p ep o w c fc a b l ct o o kp l a c e m a i n l yi nt h cs h i e l da n dt h ec a b l ea c c e s s o r i e s ，w h i l et h ef a u l tr a t ci nt h c m a i nc a b l cb o d ya n dt h em a j ni n s u l a t i o ni sr e l a t i v c l y1 0 w b a s c do nt h j s ，a n e wi d e ao fm c t a ls h i e l d0 r i e n t e do n l i n em o n i t o r i n g0 fx l p ep o w c rc a b l ci s b r o u g h tf o r w a f d t bg c tt h ef a u l tc h a r a c t e fa n dc r i t e r i o no fm e t a ls h i e l d0 r i c n t c dx l p e p o w e rc a b l e ，t h cc l e c t r i c i t ys t a t u so ft h em c t a ls h i e l do fx l p ep o w e rc a b l c i ss y s t e m a t i c a l i ya n a l y z e di nt h i sp a p e r ，a n dt h et h e o r c t i c a la n a i y s i so fi ti s a l s oa c c o m p l i s h e d t h ci n d u c e dv o l t a g eo fm c t a ls h i e l du n d e ra n yl a y i n g m o d e si sm o d e i e da n da n a l y z e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ei n d u c c d v o l t a g e0 fm e t a ls h i e l du n d e rn o r m a lc i r c u m s t a n c c ，o rc i r c u m s t a n c e s “k e o v c r v o l t a g e ， t h u n d e f ， s h o nc i r c u i ti s g i v e n ； t h cc i r c u i tm o d c ta b o u t g r o u n d i n gc a p a c i t a n c c c u r r e n ta n d g r o u n d i n g i n d u c e d c i r c u l a t i n g c u f r e n t ( g i c c ) o ft h em e t a ls h i e l do fx l p ep o w e rc a b l ei se s t a b l i s h e d ，t h c c a l c u l a t i o nf o f m u l ao fg r o u n d i n gc u r r e n ti sd e f i v a t e d ，w h i c hc a nb cu s e dt o c a s i l yc a l c u l a t eg i c cw h e nt h em e t a ls h i e l di sd a m a g e do rf a u l t s0 c c u ri n t h eg f o u d i n gs y s t e m b a s e do n h ea n a i y s i so ft h ee l c c t r i c i t ys t a t u so ft h cm e t a is h i e i do f x l p ep o w c rc a b l e ，t h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i co f g r o u n d i n gl o o pi n d u c e d c i r c u l a t i n gc u r r e n tv a r i a t i o nc a u s e db yt h ed a m a g i n go fm e t a ls h i e l do rf a u l t o f g r o u n d i n gs y s t e m i sa c h i e v e d t h e r e f o r c ， t h eg i c cb a s e do n l i n e m o n i t o r i n ga p p r o a c h0 fx l p ep o w e rc a b l ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ec x p c r i m e n ti sd o n ei nt h ei a bb yp u th i g hv o i t a g eo nt h cc o r co f t h ec a b l ct oc o m p a r ct h ev a f i a t i o n0 fg r o u n d i n gc u r f e n ti nn o r m a la n df a u l t s i t u a t i o n so fm e t a is h i e l d t h cr e s u l t ss h o wt h a tt h em o n “o r i n gs y s t e mo f i n d u c e dc i f c u l a t i n gc u r r e n tc a nr e f l e c tt h ei n s u l a t i o ns t a t u sc o r r e c t l y ，h e n c e ， t h e a p p r o a c h i sf e a s i b l e ，w h i c hp t o v i d e sa g o o d f o u n d a t j o nf o r t h e e s t a b l i s h m c n to fg i c cb a s e do n i i n cm o n i t o r i n ge q u j p m c n t so fx l p ep o w c r c a b l ei nt h en c x ts t e p k e y w o r d s ：x l p ep o w e rc a b l e ；m e t a l s h i e i d ； o n i j n e m o n i t o r i n g ； g r o u n d i n gc r r e n t ； i n d u c e dc i r c i a t i n gc u r r e n t m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 确3 碉日期：坤r 月搭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 1 1 意义 第一章绪论 交联聚乙烯x l p e 电力电缆应用越来越广泛，电缆绝缘状态直接关 系到电力系统安全稳定可靠运行。x l p e 电力电缆基本结构包括导电线 芯、主绝缘层、保护层。保护层的主要作用是保护电缆主绝缘层在敷设 和运行过程中，免遭机械损伤和各种环境因素如水、日光、生物、火灾 等的破坏，以保持屯缆稳定的电气性能，因此保护层的状态直接关系到 电缆的安全运行和使用寿命。保护层有三大类：金属护层、橡塑护层、 组合护层。金属护层具有完全的不透水性，可以防止水及其它有害物质 进入到电缆绝缘内部而被广泛应用。本文的研究对象是金属护层的x l p e 电力电缆。 目前有关x l p e 电力电缆状态监测的研究基本都以电缆主绝缘为研 究对象，对电缆保护层绝缘的在线监测研究却被忽略了。这种针对主绝 缘的在线监测技术，一旦发现了主绝缘的问题，虽在一定程度上可以预 防事故的发生( 即已表明主绝缘层存在不可恢复的缺陷隐患尚未发生事 故) ，但不可预防主绝缘缺陷与隐患的形成。这是目前针对主绝缘进行监 测的主要弊端。同时针对主绝缘进行监测还存在技术实现难度大、实际 应用效果不理想等不足。 由于x l p e 电力电缆的许多故障都会表现为产生接地感应环流，如 金属护层绝缘损坏、x l p e 电力电缆金属护层接地系统缺陷或故障、包括 局部放电信号也会流过接地线等，同样由于电磁耦合作用，当主绝缘品 质发生变化对，也会反应在金属护层的感应电量变化上。因此针对按地 感应环流的有效监测不仅可以监测电力电缆金属护层自身的状态，也可 以监测主绝缘的品质状态( 如老化以及缺陷等) 引起的局部放电在内的 多类故障，可以有效地预防事故的发生、延长电力电缆的使用寿命，确 保电力电缆安全稳定运行。显然研究电力电缆接地感应环流的在线监测 具有实际意义。 1 2x l p e 电力电缆的基本结构 虽然电力电缆的种类划分多种多样，但就其在电网中的运用情况， 其结构都可以用比较简单的形式加以表示。见图1 1 绝缘层 ，线芯 外护层 图1 1 电力电缆的结构示意图 目前，在我国交流输电网络中的电缆大多采用上面的结构。从内到 外主要分为三大部分：线芯、绝缘层和护层。 1 ) 线芯 电力电缆线芯的作用主要是传送电流，线芯的损耗主要由导体截面 积和电导系数来决定。为了减少电力电缆线芯中的损耗和电压降，电缆 线芯一般由具有高电导系数的金属材料铜或铝制成。 铜具有高的导电性和导热性，足够的机械强度和良好的耐腐蚀性， 无低温脆性，便于焊接，易于翱工成各种型材，是最广泛应用的导电材 料。铝同样具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，易于加工成各种型 材，无低温脆性，虽然机械强度比铜低，但比重小、且资源丰富，也是 广泛使用的一种导电材料。 电力电缆必须保证一定的柔韧性和可弯曲度，因此，较大截面的电 缆线芯要由多根较小直径的导线绞合而成。实际上，根据线芯的外形可 分为圆形线芯、中空圆形线芯、扇形线芯、椭圆形线芯四类。但由于圆 形线芯的电气特性比较均匀，在3 5 k v 及以上电压等级的电力电缆中，是 主要的结构形式，其它形式的线芯在低压线路中也有一定的运用。 2 ) 绝缘层 作为电力电缆的绝缘层材料，必须具有以下几个特性：a 较高的击 穿场强( 脉冲、工频等) ；b 较低的介质损耗系数；c 相当高的绝缘电 阻；d 优良的耐树枝放电、局部放电能力；e 一定的机械强度和柔韧 性；f 电气及物理性能的长期稳定性等。 因此，针对电力电缆的绝缘层采用窄条电缆纸带( 通常宽度为5 2 5 m m ) ，一层层地绕包在电缆导体上，经过真空后浸渍矿物油或合成油 而形成的。电缆纸绝缘是本质纤维纸经过浸渍剂浸渍后的产品，因此纸 绝缘电缆的绝缘层实际上是木质纤维素与浸渍剂的夹层结构。3 5 k v 及以 下的纸绝缘电缆采用松香光亮油复合黏度，以防止浸渍油的流失，确保 绝缘的可靠性。 2 挤包电缆的绝缘层材料选用各类塑料和橡胶等高分子材料，主要有 聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯和乙丙橡胶等材料。这些高分子材料都 具有较高的电气性能和较高的机械强度，以及耐酸碱、耐油等化学性能， 生产工艺性能较好等。特别是交联聚乙烯材料，由于其电气和物理、化 学特性的优良，已成为目前电力电缆使用的最主要的产品之一。挤包电 力电缆的生产工艺便是通过上述高分子材料进行加热后一次成型挤包在 电缆导体上的生产过程，目前在高压电缆的生产工艺上，一般采用三层 共挤的生产方式( 内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层) 。 3 ) 护层 为了使电缆适应各种使用环境的要求，而在电缆绝缘层外所施加的 覆盖层，统称为护层。电缆的护层是构成电缆的三大组成部分之一，它 的主要作用是保护电缆绝缘层在敷设和运行过程中，免受机械损伤和各 种环境因素的影响，如水、日光、生物、火灾等的破坏，以保持电缆长 时间的电气稳定性。因此，电缆护层的质量直接关系到电缆的使用寿命。 电缆护层所用材料繁多，主要可分为两大类。一类是由金属材料， 如铝、铅、钢、铜等制造；这类材料主要用以制造密封护层、铠装或屏 蔽。由于金属材料具有不透水性，因此可以防止水分和其它有害物质进 入电缆的绝缘层。另一类是非金属材料，主要有橡皮、塑料、涂料以及 各种纤维制品。就电缆的使用环境而言电缆金属材料的腐蚀属于电化学 腐蚀范畴。自然界中，水是最主要的溶剂，因此，为了防止对金属护层 的腐蚀，常采用非金属材料作为金属护层的外部保护，这也就是为什么 采用非金属护层的原因。 1 3 国内外研究现状分析 1 3 1x l p e 电力电缆在线诊断技术 一直以来对电缆绝缘在线监测的注意力主要集中在主绝缘上，开发 了一些电缆主绝缘在线监测仪。日本从二十世纪八十年代起就开始对 x l p e 电缆主绝缘老化的诊断问题开始研究，提出了直流分量法、叠加电 压法和电介质损耗法等多种诊断技术，并在8 0 年代后期研制出多种可供 实验室和工业现场直接使用的设备，如住友电气工业株式会社的在线运 行电缆监测仪n ，。在国内，上海电缆研究所研制的c d z 型x l p e 电缆诊 断仪等。这些技术在实际应用中发挥了较好的效果。 对x l p e 电缆绝缘的在线诊断方法可区分为直流法工频法、低频法 及复合判断法等四大类，以下分别简要介绍。 3 1 ) 直流法 ( 1 ) 直流成份法n “” 电缆中有水树时，类似于尖一板电极具有整流作用，运行电压作用 下，在由电源线、电缆导电芯。x l p e 绝缘、电缆接地线、构成的回路中 会有微弱的直流成份电流流过。将纳安级微电流测量装置串接入电缆的 接地线中，即可测出此电流。微电流测量装置应接有低通滤波器及接地 保护装置，以衰减交流成份、检出直流成份，并保证试验人员及装置的 安全。通常认为直流成份电流小于l n a 时绝缘良好，大于1 0 0 n a 时绝缘不 良，介于两者间时要加强监测。 ( 2 ) 直流叠加法一， 这种方法是借助电抗器将直流电压在线叠加于电缆绝缘，郎直流电 源经电抗器连接于三相导线，并由并联电容来免除交流高压对直流电源 的影响，通过测量流过绝缘的直流电流来进行诊断。为了防止直流电压 影响0 p t 二次线圈开口三角的输出电压，所加直流电压不能很高，约l o 5 0 v 。由于电缆绝缘处于交流高压的作用之下，尽管所加直流电压不高， 仍能真实反映绝缘的实际状况。研究表明水树长度增加时。直流叠加电 流迅速增加，其交流击穿场强也迅速下降。有关资料规定，用直流叠加 法测得的电缆绝缘电阻大于1 0 0 0 mq 时绝缘良好，小于1 0 mq 时绝缘不 良，这分别相应于电流为1 0 n a 、1 0 0 0 n a 左右，可用上述微电流测量装置 测量。4 2 ) 工频法 将加于电缆的电压( 通过电压互感器) 及流过绝缘的工频电流( 通 过电流互感器) 信号取出n ”，再通过数字化测量装置测出电缆绝缘的 t g d 。据资料分析，当t 9 6 大于1 时，绝缘可判为不良。要注意电压、 电流互感器角差对测量结果的影响。应用灵敏度为o 0 1 的测量装置可很 好地监测绝缘。由此得到的信息反映的是绝缘缺陷的平均程度。 3 ) 低频法 ( 1 ) 低频成份法一 由于水树的存在，除了直流成份外，在电缆的充电电流中也含有低 频成份。根据频谱分析，其频率在l o h z ，特别是3 h z 以下。在电缆接地 线中串接入测量装置，由测得的低频电流可诊断绝缘。由于低频电流也 是纳安级的，对测量装置要求较高。 ( 2 ) 低频叠加法“， 为避免直流微电流测量上的困难，可将7 5 h z 、2 0 v 的低频电压在线 叠加于电缆，在电缆接地线中串接入测量装置，以得到相应的绝缘电阻 4 值。如一例采用低频叠加法针对6 k v 电力电缆绝缘的测量，可得到电缆 绝缘电阻与工频击穿电压的关系，当绝缘电阻小于1 0 0 0m q 时，性能不 好，当绝缘电阻小于4 0 0mq 时，电缆应立即更换。使用本法需专门的 7 5 h z 的低频电源。 4 ) 复合判断法一 由于绝缘状态与其特性参数间的统计分散性，仅用一种方法来诊断 绝缘，会有漏判或错判的可能。采用几种方法，互相配合进行复合诊断 可提高诊断的正确性。资料表明，采用包含直流叠加法及t 9 6 法的复合诊 断，对不良电缆的诊断的准确率提高很多。根据测量装置研制的难易程 度、现场测量中的干扰情况等，我国目前宜采用包含直流叠加法和t 9 6 法 的复合判断法来对x l p e 电缆进行在线诊断。 以上这些方法虽然在应用中发挥较好的效果，但依然不尽人意。t 9 6 介损法反映电缆绝缘的整体缺陷水平，是目前对电容性设备绝缘水平的 主要评判标准，但部分水树生长而没击穿时，引起绝缘电阻减少，很难 使t 9 6 变化，大大降低了检测精度。因介损法是电缆本身的属性，也可作 为高压电缆的监测手法之一。直流成份法利用在外界电场作用下电缆因 整流效应而产生的直流分量，很难排除电动势e s 的影响，故仅作为电缆 绝缘在线检测的综合判据之一。差频监测法是在工频交流电下叠加低频 电压，观察其对老化电缆的响应程度。研究发现含水树枝x l p e 电缆同 时旌加两个频率相近或相似呈倍数关系的正弦电压时，检测回路中会产 生超低频水树劣化特征电流信号，据此可在线诊断电缆绝缘的水树枝老 化状态，叠加约1 0 1 h z 的信号最佳，但需考虑信号加载的位置和可靠性 因素i i i i 。 1 3 2 局部放电监测技术 i e e e ，i e c 等极力推荐局部放电实验作为评价x l p e 电缆绝缘状况 的最佳方法“，m ，。局部放电是在局部高电场的作用下，发生在高压电气 设备某些绝缘薄弱环节处的一种放电现象，我国电气设备电压等级的不 断提高和各种有机绝缘的广泛使用，使得电气设备的局部放电问题显得 越来越突出，因此对高压电气设备局部放电进行有效的检测对电力系统 的安全稳定运行具有十分重要的意义。 到二十世纪九十年代中后期，国外开始局部放电在线监测技术研究， 在x l p e 电力电缆中当主绝缘存在缺陷时而产生局部放电现象，因此局 部放电检测方法也成为x l p e 电力电缆绝缘检测的一种常用方法。 局部放电在线检测的主要方法有差分法n m ”、方向耦合法n ”、电磁 5 耦合法”“：”、电容分压法n ”、局部放电测量法n ”、超高频电容法一一，、 超高频电感法”、超声波检测法一，等。其中差分法、方向耦合法和电磁 耦合法已成功应用于现场测量。近年来超高频法受到关注，成为x l p e 电力电缆局部放电检测技术新的发展方向。 目前公认局部放电检测是反映电气设备电气绝缘性能指标的较好的 检测技术手段。但实践中仍存在一些不足，针对目前x l p e 电缆局部放 电检测技术主要存在以下问题： 1 ) 传感器采集频带问题 目前普遍采用的局部局放电检测技术是通过脉冲电流法来提出局放 信号，由于局放信号成份复杂，频带也没有确定的范围，因而对传感技 术的要求很高，而国内用于x l p e 电缆局部放电检测的耦合器1 频带较 窄，从几十k h z 到几百k h z ，应用到x l p e 电缆局部放电检测时效果不 太理想。 2 ) 抗干扰闯题 局部放电检测中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干扰 和宽带干扰，按时域波形特征可分为连续的局期性干扰、脉冲型干扰和 白噪干扰等3 类i 连续的周期性干扰包括系统高次谐波、载波通讯及无 线电通讯等。 不同类型的干扰所表现出来的特征也不同，因此针对不同类型的干 扰采取不同的抗干扰措施，提取可靠的局部放电信号是局部放电检测中 的重要研究课题m l 。局放信号包含与干扰信号特性相近类似的成份，因 此抑制干扰信号的同时也会导致局放信号的成份丢失而失真，这是很难 根本解决的问题。 3 ) 局部放电量的评判指标及标准问题 x l p e 电力电缆本体或附件绝缘中存在一点或多点缺陷( 微孔、杂质、 半导电电极表面突起或凹陷等) ，使误点局部场强增加，当其超过所处绝 缘介质的耐电强度时会产生局部放电，所产生的放电脉冲电流会在电缆 线路回路中传播。如果线路中有检测传感元件便可测得这一局部放电量 即所谓视在局部放电量，与放电点的真实放电量相关，但差异很大，线 路很长或复杂时尤其如此。目前缺乏电缆绝缘局部放电电信号识别理论 和技术、缺乏局部放电脉冲波形、频率及幅值与外界或电缆内部干扰脉 冲波形、频率及幅值识别判断理论和技术；也缺少x l p e 电力电缆绝缘劣 化评价基础、运行状态判据等实际运行经验的积累。 6 4 ) 局部放电信号处理与传送问题 由于大多数设备将局部放电信号传感器安装在局部放电发生地附 近。当现场没有电源时，为了对信号进行全面的处理和分析，必须将局 部放电信号进行远距离传送，然而在x l p e 电力电缆中，对局部放电信 号的高频成分进行前置放大和传送时，它会迅速衰减。虽然可以通过光 纤对局部放电信号进行转换和传送，并且其最小衰减量可以保持为 o 2 d b k m ，但是光发射器和接收器不仅引起信号失真而且价格高、易老 化。 可见针对主绝缘的在线监测技术存在技术实现难度大，成本也较高， 且实际应用中尚存在一些问题，应用效果尚不尽人意。因此研究x l p e 电力电缆新的在线监测理论和方法是具有现实意义的。 1 3 3x l p e 电力电缆护层缺陷的检测技术 鉴于本文的主要研究对象为电力电缆的金属护层，因此对电力电缆 护层缺陷的检测技术做详细介绍。对高压x l p e 电力电缆外护层的故障检 测一般分两步进行，先用电桥法或压降比法进行故障预定位，然后根据 不同情况分别采用直流冲击法、跨法电压法、音频法进行精确定位，“1 l 。 1 ) 直流电桥法 直流电桥法预定位原理图如图1 2 所示。r l 为电桥的标准电阻，l 为 电缆长度，x 为测量处与故障点的距离。设单位长度电缆金属层电阻为r o ， 调节电阻r 2 ，使检流计指示为0 ，此时电桥平衡，有： 【+ ( 工一菇) j 民工墨一r 足 ( 1 1 ) 解得： 善1 2 j l ( 1 + r 玛) 一( 1 2 ) 图1 2 电桥法原理图 电桥法的优点是操作简单、使用方便；其缺点是需要知道电缆的准 确长度等原始技术资料。另外，由于电缆的金属屏蔽层单位长度电阻r o 较小，一般为o 0 1 o 1 q k m ，与接触电阻相近，因此接触电阻的大小 7 对故障距离的测量精度有很大影响，测量时应采取措施以减小接触电阻， 从而提高测量精度。 2 ) 压降比较法 压降比较法原理如图1 3 所示，当测量开关打在“1 ”时，调节电压源 e 。，由电流表读取电流值i ，由电压表读取电压值u l 。设单位长度电缆金 属护层电阻为r o ，由测量电路可知，电压值u 1 只与回路电阻x r o 有关， 即得： 玑一皿一 ( 1 3 ) 图1 3 压降比较法原理图 同理，当开关打在“2 ”时，调节电压源e 。，使电流表电流仍为l ， 由电压表获得电压值u 2 ，u 2 只与回路电阻( l x ) r o 有关，即： 一丑( 三一z ) ( 1 4 ) 联立式( 1 3 ) 与( 1 4 ) 并消去i r o ，即得故障点距离： x - 工u ( u + u 2 ) ( 1 5 ) 应当注意，压降比较法适用于外护套只有1 个故障点的情况，否则所 得结果是多个故障点的平均值；另外，用压降比较法进行预定位时，需 用绝缘完好的导线作为通路。 3 ) 直流冲击法 直流冲击法是比较原始的方法，其定位原理如图1 4 所示。 图1 4 直流冲击法原理图 首先利用球隙放电产生脉冲电压，该电压在护层绝缘破损处产生多 8 2 叶j i f l l 厂b芳煞i|l 频谱放电电流、声、光及磁场等放电信号，然后通过现场检测放电信号 来对故障点进行精确定位。该方法的特点是试验装置简单、操作方便， 主要适用于新敷设的电缆，特别适于尚未填埋的电缆，这时利用裸耳即 能听到故障点放电声，在深夜效果更明显。但由于此法的冲击电压及能 量较高，长时问放电时对电缆金属护层及外护套都有破坏性，还会将正 常运行时不必处理的薄弱点击穿扩大为故障点，因此对已投运的高压电 缆不提倡使用此法。 4 ) 跨步电压法 跨步电压法是目前应用最为广泛且非常有效的高精度定位方法，其基 本装备为一高压系列脉冲发生器和一套带有探针的电位差计或毫伏表。 其原理如图1 5 ( a ) 所示。在电缆金属护层与地之问施加一高压脉冲电流， 用电位差计沿电缆路径探测，根据不同的情况，可分别用以下2 种检测方 法。 ( a ) 跨步电压法原理( b ) 跨步电压法故障点定位 图1 5 跨步电压法原理图 ( 1 ) 当知道电缆走向时，可用探针沿电缆方向探测，在故障点附近 时，电位差迅速增加，在故障点前达到最大值；在故障点正上方，电位 差为零；过故障点后，指针反偏且又达最大值，其电位差计沿电缆走向 的电位差值分布如图1 5 ( a ) 所示。根据电位差值的这些特征就可对故障 点进行定位。 ( 2 ) 当受电缆长度方向的地面情况限制不易测量时，可利用放电电 流在故障点上方环形发散的特点来定位，定位方法如图1 5 ( b ) 所示，在 不同方向分别寻找2 个等电位点，然后找出2 组等电位点的垂直平分线的 交点，即为故障点。此法在故障较为严重时使用效果较好。 跨步电压法的优点是原理简单、易操作、抗干扰好、破坏性少、定 9 点直观准确，适于敷设于泥土地面内的电缆。其不足之处有：( 1 ) 易受 地下金属管线( 如水管、天然气管等电位体) 的干扰，特别是变电站或 电缆接头井周围的干扰更为严重；( 2 ) 在干燥地面或马路上接收信号很 弱，须采取措施，否则可能很难测到信号。 5 ) 音频定位法 当地面干燥、水泥路面无法感应信号时，可采用音频法对电缆护层 故障点进行定位。其原理如图1 6 所示。将音频信号发生器一端与金属护 层连接，另一端通过地钎接地，将步进电压探头接在音频接收器上，沿 电缆长度方向移动探头，在故障点附近将会收到很强的信号，而在故障 点处接收到音频信号最弱，根据此特点，即可找到故障点。 音频信号、 ：= 二三二么二二二= ： 音频信号 发生器 图1 6 音频法定位原理匿 此方法的优点是所用电压不高，但判掰故障点方向时不如跨步电压 法直观，实际应用时也会受金属管道干扰。 综上所述，对于高压x l p e 电缆外护套的绝缘故障，可分两步进行 检测：先用电桥法或压降比较法进行预定位；然后根据不同情况，采取 不同方法进行精确定位，对于未回填新敷设电缆的外护套故障，可用直 流冲击法进行精确定位；对于已回填电缆和旧电缆，可采用跨步电压法 和音频法进行定位。 虽然以上这些方法是目前使用的有关检测x l p e 电力电缆护层缺陷 故障的主要方法，在实际应用中起到了一定的作用。但以上方法存在如 下一些问题： ( 1 ) 这些方法只是单一针对x l p e 电力电缆护层缺陷故障尤其是外护套破 损的方法，不能做为电力电缆绝缘状态较全面的在线监测技术。 ( 2 ) 以上方法主要用于检测而不宜用于监测，而检测与监测的效果是完全 不同的。只有在线监测技术的实施才可随时发现问题隐患，真正起到 防患于未然。 ( 3 ) 以上方法用于现场检测时依然需要许多前期准备，并受到许多现场条 1 0 件的制约，使用起来不是很方便。 ( 4 ) 这些方法还存在测量误差大等缺陷。 所以寻找x l p e 电力电缆新的在线监测方法十分必要。 1 4x l p e 电力电缆运行故障统计与分析 至今尚未见关于我国电缆运行故障统计的文献报道。这是因为电力 电缆运行故障率的统计工作量大、面广，容易涉及电力电缆运行部门的 局部利益；另一方面，电力电缆作为新兴专业，电力电缆运行故障率的 统计结果因原始数据的来源、统计所用的数学方法的不同而差异很大。 然而，准确、可靠地统计x l p e 绝缘电力电缆运行故障率，科学分析运 行故障原因，是正确评价电力电缆运行状态和运行管理水平的重要依据。 因此这也是研究x l p e 电力电缆在线监测必须做的基础工作。 作者2 0 0 5 参与了上海市教委科研项目一一x l p e 电缆护层绝缘状态 判据及在线监测方法研究，2 0 0 5 年1 0 月到2 0 0 6 年8 月，在上海市电力 公司的配合下，采取实地考察调研与发出电缆运行状态调查表相结合的 方法，对上海有关电力系统、冶金和石化系统等单位的9 0 0 k m 电力电缆 在1 9 9 9 至2 0 0 3 年期间的3 2 6 次故障进行了深入细致地调查统计工作。 旨在确定电力电缆发生故障的主要原因，为电力电缆在线监测方案的决 策依据。 长期积累的电力电缆试验研究结果证实，l ：电力电缆护层、电力电 缆附件是电缆线路中绝缘结构相对薄弱、容易发生运行故障的部分。其 次，电力电缆在制造、敷设施工、运行维护过程中，不可避免地会出现 产品质量、过负荷运行以及外力破环等问题，也是导致电缆线路中电缆 本体发生运行故障的直接原因。然而这一试验研究结果需要经实际运行 情况的验证，这里以故障率做为统计量。 采用“百k m 年”为统计单位i ”i 来定义电力电缆运行故障率，( ) ，即 每一百k m 回路长度的电缆线路，在每一统计年度内所发生的运行故障次 数开，可表示如下： 电缆运行故障率一番鬟蓄嚣慕饕嫠鹄 ( 6 ) 统计结果表明：1 0 k v 2 2 0 k v 电力电缆的平均运行故障率由1 9 9 9 年 的1 1 5 次，( 百k m 年) ，逐年下降至2 0 0 3 年度的5 6 次( 百k m 年) ， 如图1 7 和图1 8 所示。 1 1 廿 删 翻 船 嚣 、一 丹 蹙 辐 妊 螋 廿 删 裔 妞 v * 置 辑 妊 卿 一一电力电缆平均故障率 一湿法交联电力电缆故障率 一油纸绝缘电力电缆故障率 障率 1 9 9 9 。0 0 0 统计年笤1 扣咤 卸0 3 图1 7电力电缆线路运行故障率( 按电缆类型统计) ， u l f u u f u u j 统计年份 图1 8 电力电缆线路运行故障率( 按电压等级统计) 与经济发达国家相比，我国电力电缆运行故障率高出许多。造成电 缆线路故障率较高的原因主要在以下三个方面： 1 ) 二十世纪七十年代至八十年代投入运行的x l p e 绝缘电力电缆产 品均采用1 + 2 挤出的生产设备和湿法蒸汽交联工艺，有近4 0 。0 0 0 k m 质量 不稳定的电力电缆产品投入输配电网运行，且基本进入高故障率时期。 2 ) 由于电力电缆线路一次性投资较大，其直接成本是架空线路的4 倍，如果计及拆迁、土建等间接费用，其投资成本约是架空线路的1 0 多 倍。电缆线路也就成为输配电网络的瓶颈，特别是用电高峰季节，大约 有7 2 的电缆线路长期处于过负荷运行状态且不能够及时进行维护。同 时，由于受到经济条件限制，部分区域或企业将过去投运的6 k v 油纸绝 缘电力电缆升压至1 0 k v 电压系统中运行，造成电缆线路运行事故明显增 加。 3 ) 在我国城市规划工作中，自来水、煤气、通讯、市政、路桥、房 地产、电力以及环卫、绿化等基础建设工程缺乏系统管理，造成电力电缆 线路外力破坏故障大幅上升。加之从业人员素质参差不起，电力电缆线路 敷设安装质量和运行维护得不到保证。 如果不计外力破坏引发的运行故障，电力电缆线路在投入运行后的 1 5 年内的这段时期容易发生电缆运行故障，其故障的主要原因是电缆、 电缆护层及附件产品质量问题和电缆敷设安装质量问题；电力电缆线路 在投入运行后的5 2 5 年内，电缆本体和附件基本进入稳定时期，此时， 电力电缆运行故障率较低，运行故障的主要原因是电缆本体树枝状老化 击穿和附件由于呼吸效应迸潮而沿面放电；电力电缆线路运行年限大于 2 5 年后，电缆本体的树枝状老化现象严重、介质材料电热老化以及附件 材料老化加剧，电力电缆运行故障率大幅上升，如图1 9 和图1 1 0 所示。 荐 落 耋 奢 坌 譬 5l o1 52 02 53 0 运行年限，年 图1 9 电力电缆线路运行故障率( 按运行年限统计) 附件产品质量 电缆本体质量 设安装质量 化 ( a ) 运行5 年内的故障类型统计( b ) 运行2 5 年内盼故障类型统计 图1 1 0 电力电缆线路运行故障类型统计 随着近年来我国电缆制造行业技术进步以及城市输配电网大量采用 地下电力电缆，电力电缆本体绝缘制造缺陷、电缆及附件施工安装质量 缺陷和电缆附件制造质量缺陷导致电缆线路运行故障的比例虽然正在大 幅减少，但仍然占有较大比重。 电力电缆输送电能的容量较大，且敷设于地下，其敷设方式大致可 以分为隧道敷设、沟道敷设、电缆管道敷设和直埋( 包括水下直埋敷设) ， 部分区域如发电厂、桥梁等采用架空敷设。有些区域受地下通道资源的 限制或基建投资规模限制，多采用多回路电缆、多电压等级电缆同沟敷 设。一旦电缆发生运行故障，瞬间释放巨大电能如爆炸、高温电弧等， 使得事态急剧恶化，事故现场面目全非。一方面造成大面积、长时间停 电；另一方面给查找和分析事故原因带来重重困难。电缆运行维护部门 往往为了缩短抢修时间，保证供电可靠性而忽视保护事故现场，更不可 能详细分析事故原因。特别是电缆运行故障多发生在深夜，抢修人员只 有在恢复送电后，凭记忆或现场照片进行程序化的电缆故障原因分析， 其结果不可避免的带有比重较大的主观成份。 直埋敷设 隧道敷设 沟道敷设 图1 1 1 电缆线路运行故障类型统计图 图1 1 2 三种敷设方式的外力破坏故障率 基于抢修台帐的原始记录、事故现场照片和故障电缆封样，将导致 电力电缆运行故障的原因划分为图1 1 l 所示的电缆护层与外力破坏、电 缆附件制造质量、电缆敷设安装质量和电缆本体制造质量四大类型。 1 4 显然由于电缆护层的缺陷或劣化而引发的接地绝缘破坏故障率高， 因此面向接地感应环流的x l p e 电力电缆在线监是十分必需的。 1 5 基于接地感应环流的x l p e 电力电缆在线监测研究设想 在x l p e 电力电缆在线监测技术现有研究成果的基础上，提出一种 基于接地感应环流的x l p e 电力电缆在线监测新思路。本文通过理论推 导、借助实例分析，研究出基于x l p e 电力电缆接地感应环流为监测对 象的x l p e 电力电缆绝缘状态的评判体系及其判据指标，为x l p e 电力电 缆绝缘状态的在线监测提供理论依据。并在此基础上构建面向接地感应 环流的x l p e 电力电缆绝缘状态新的在线监测系统。 随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展，在线监测技术已日 趋成熟，对于不同对象的在线监测的实施其关键问题是状态判据量的确 定与提取，那么要实现x l p e 电力电缆绝缘状态在线监测关键之一就是 如何来评价判接地感应环流? 以什么量来评价? 如何评价? 也就是要研 究得到可以评价其状态的判据量及其判据指标。 x l p e 电力电缆以及电缆金属护层的绝缘状态既与所用材料本身有 关，又与其电气运行状况有关，是一个涉及面很广的基础研究性问题： 主要与材料的结构特性、物理特性、介电特性、电气运行特性等密切相 关。只有通过对电缆以及金属护层的电气绝缘的机理分析，获得其电气 运行等效模型和数学模型，并确立能够标识绝缘状态的物理量，找出接 地感应环流产生的杌理，找出实现电缆接地感应环流在线监测的物理量 和可行方法。 1 6 论文完成的主要工作 论文首先从x l p e 电力电缆接地系统作用及其各种接地方式分析， 以阐述接地系统的重要性，系统分析了x l p e 电力电缆金属护层的电量 状态，完善了x l p e 电力电缆金属护层电量状态分析理论：对任意敷设 方式下的金属护层感应电势进行建模分析，并建立了在正常运行下及在 过电压作用、雷击、短路故障等情况下的金属护层感应电势的计算公式； 建立了x l p e 电力电缆金属护层的接地电容电流和接地感应环流的电路 模型，并推导出接地电流计算公式。最后，给出了基于接地感应环流的 x l p e 电力电缆在线监测方案，并通过在实验室验证该方案的可行性。 第二章x l p e 电力电缆接地系统与金属护层感应 电势计算理论 2 1x l p e 电力电缆接地系统 2 1 1x l p e 电力电缆接地系统的接地作用 运行中的超高压交流单芯电缆，在磁力线的作用下，其金属护层上 会感应电压。感应电压的大小不仅与流过导线的电流( 或短路电流) 有关， 还与电缆的排列方式和长度有关。当电缆遭受过电压或发生不对称短路 故障时，金属护层上会形成很高的感应电压，将使护层绝缘发生击穿。电 力电缆线路保护接地即电力电缆金属护层可靠接地，是有效保障电力电 缆线路安全运行的重要保护措施之一。电力电缆线路不论是在正常运行 状态下，还是在发生接地故障、或雷电过电压以及内部过电压状态下， 均需要利用大地作为电流回路，将电缆线路接地位置的电位钳制在允许 的接地电位上。接地电位与接地装置的接地电阻值密切相关，而接地电 阻值不仅与入地电流的波形、频率有关，而且与接地装置的几何形状和 尺寸、大地电阻率、电缆线路敷设方式以及电缆故障类型密切相关。如 果接地电阻值不满足电缆线路安全运行的要求，贝| j 在故障状态下接地电 位可能大幅升高至数百k v ，一方面，地电位反击可能导致电缆外护层绝 缘击穿，引发电缆线路金属护层多点接地故障；另一方面，地电位大幅 升高后反击相邻电气设备，或形成跨步电压和接触电压使人员受到身体 伤害等等。因此，在地理条件和经济条件允许的情况下，应尽可能地采 取优化措施，按照经济合理的原则在金属护层的一定位置采用特殊的连 接和接地方式，并同时装设护层保护器，以防止电缆护层绝缘被击穿。 2 1 2x l p e 电力电缆接地系统的接地方式 ( 1 ) 护层两端接地”“川 护层两端接地是指电缆金属护层在两个终端位置直接接地的连接方 式。电缆正常运行时，金属护层上的环流与导线的负荷电流基本上为同 一数量级。当电缆线路很短，传输功率很小时，其金属护层上的感应电 压也很小，金属护层两端接地形成通路后，护层中的环流也很小，造成 的损耗不显著，对电缆的载流量影响不大。金属护层两端接地后，不需 1 6 装设保护器。还可以减少维护工作量，这与金属护层的损耗相比，还是 经济的。电缆接地引线的截面积，应满足循环电流经济密度的要求。 3 5 k v 及以下电缆线路的金属护层若采用两端接地，由于阻抗值不像 3 5 k v 以上电缆那么小，环流不显著。 ( 2 ) 护层一端接地 护层一端接地是指电缆金属护层在终端位置采用一端直接接地，另 一端经护层保护器接地的连接方式。电缆线路如与架空线路相连接时， 直接接地点一般装设在与架空线路相连接的一端，保护器在另一端。当 电缆线路长度在5 0 0 m 以下时，通常采用此接地方式，在雷击和操作时， 金属屏蔽开路端可能出现很高的冲击过电压，可能达到侵入波的6 0 以 上。系统发生短路事故和短路电流流经芯线时，金属屏蔽不接地端也可 能出现很高的工频感应电压。当电缆外护层不能承受这种过电压的作用 而损坏时，就会造成金属护层的多点接地。因此，这种方式宜用于线路 距离较短、金属护层上任一非接地处的正常感应电压较小时。 ( 3 ) 护层中点接地 长电缆线路采用一端接迪时，由于电缆线路过长、感应电压太高， 可能使护层绝缘击穿而造成金属护层多点接地。此时，可以采用护层中 点接地的方式。这种方式是在电缆线路的中问将金属护层接地，电缆两 端均对地绝缘，并分别装设一组保护器。中点接地的电缆线路可以看作 一端接地线路长度的两倍。 ( 4 ) 护层交叉互联 护层交叉互联是指电缆线路分成若干大段，每大段原则上分成长度 相等的三小段，每小段之间以绝缘接头连接，绝缘接头处金属护层三相 之间用同轴电缆经接线盒( 又称换位箱) 进行换位连接，绝缘接头处的换 位箱内装设一组护层保护器，每大段的两端护层分别互联并接地。当电 缆线路在5 0 0 m 以上时，可