（电气工程专业论文）交联聚乙烯电缆局部放电检测方法研究.pdf

曜 0 声明尸明 本人郑重声明：此处提交的硕士学位论文交联聚乙烯电缆局部放电检测方法研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：里彤! ? 9 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以以学术交流 为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传 播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名导师签名：盔丝壹 e l期：世! 里：! ：! !日期：堂! ! ：兰：! 气一 q 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近年来，随着电力工业的发展，交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电缆得到了广泛的使用。而 当x l p e 电缆使用到一定年限后，故障也随之增加。为了确保电网的安全，对x l p e 电 缆的检测应受到高度的重视，而x l p e 电缆局部放电的检测就是其中的研究热点之一。 本文对x l p e 电缆绝缘老化机理及局部放电特性进行研究，仿真了局部放电信号在 x l p e 电缆中的传播过程。本文在总结现有的x l p e 电缆绝缘故障检测方法的基础上， 研制出一种基于r o g o w s k i 线圈的钳形传感器。 最后本文采用超声测量技术对x l p e 电缆终端头带电接触式测量，可以准确测量出 局部放电大小，并有效的判断局部放电信号和干扰信号，提高x l p e 电缆缺陷的检出率， 保证设备健康运行。 关键词：x l p e 电缆，r o g o w s k i 线圈，超声测量 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ，t h ex l p ec a b l eh a s b e e nw i d e l ya p p l i e d h o w e v e r , t h ed e f a u l t sh a sb e e ni n c r e a s i n ga f t e rap e r i o do fy e a r su s i n g t oc o n f o r mt h es a f e t yo fp o w e rn e t w o r k , t h ed e t e c t i o no ft h eh i g lv o l t a g ec a b l es h o u l db e h i g h l yv a l u e d o n eo f t h er e s e a r c hf o c u si sh i g hv o l t a g ec a b l ep a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) d e t e c t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n s u l a t i o na g i n gt h e o r i e sa n dp a r t i a ld i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft l l ex l p e c a b l ea n de m u l a t e st h ep r o p a g a t i o np r o c e s so ft h ep ds i g n a l si nt h ex l p ec a b l e b a s eo i lt h ee x i t m e t h o d so ft h ep dd e t e c t i o n , t h i sp a p e rd e v e l o p sak i n do fp i n c e r - l i k es e n s o rw h i c hi sb a s e do n r o g o w s k ic o i l a tl a s t ，t h i sp a p e ru s e st h eu l t r a s o u n dm e a s u r e m e mt e c h n o l o g yt oc f l r r yo nt h ec h a r g i n g c o n t a c tm e a s u r e m e n to ft h ex l p ec a b l e i tc f l nm e a s u r et h ev a l u eo ft h ep d c a p a c i t yc o r r e c t l y a n dj u d g et h ep ds i g n a l sa n dt h e i n t e r f e r e n c es i g n a l se f f e c t i v e l y , w h i c hi m p r o v e st h e d e t e c t i o nr a t eo f t h ex l p ec a b l ef a u l t sa n da s s l l r e sh e a l t h yo p e r a t i o no f t h ee q u i p m e n t s z h a n gz a n b i n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l iy a n q i n g k e yw o r d s ：x l p ec a b l e ，r o g o w s k ic o i l ，u l t r a s o u n dm e a s u r e m e n t l ， 一 - 叫jf。t 鱼 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题的研究目的和意义l 1 2 电缆绝缘特性在线检测技术及现状2 1 3 本文研究的内容4 第二章x l p e 电缆缺陷产生原因及检测方法6 2 1x l p e 电缆简介6 2 1 1 导体芯线6 2 1 2 绝缘内外的半导体屏蔽层7 2 1 3 电缆金属屏蔽层( 金属护套) 7 2 1 4 护套8 2 2x l p e 电缆绝缘缺陷产生的原因一8 2 3x l p e 电缆绝缘现行检测方法8 第三章x l p e 电缆局部放电传遍特性研究1 0 3 1x l p e 电缆局部放电信号的仿真1 0 3 2 局部放电信号在电缆中的传播特性1 l 3 3 电缆中信号的传递函数和幅频特性1 3 3 4 局部放电信号在电缆中的传播规律1 5 第四章基于r o g o w s ki 线圈电流传感器的设计1 7 4 1r o g o w s k i 线圈基本工作原理分析1 7 4 2 电流传感器的设计1 8 4 2 1 积分电路的选用1 8 4 2 2 最佳采样电阻的选用2 l 4 2 3 积分回路参数选用2 2 4 2 4 积分器的保护2 4 4 3r o g o w s k i 线圈的实验室测量2 5 第五章基于超声测量技术的局部放电测量2 7 5 1 超声法测量局部放电简介：j 一2 7 5 2 检测方式与传感器频率选择2 7 5 3 灵敏度与检测位置的关系2 8 5 4 反射波的处理2 9 l 一 华北电力大学工程硕士学位论文目录 _ - _ _ 二- = = 二_ 第六章局部放电实验室及现场测量结果3 0 6 1 实验室模拟局部放电信号3 0 6 2 实验室测量3 0 6 2 1 试验接线3 0 6 2 2 试验标定3 2 6 2 3 实际测量3 2 6 3 现场测量3 4 第七章结论与展望3 6 参考文献3 7 致谢3 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 0 i - “ 嚏 l - 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的研究目的和意义 第一章绪论 电力电缆作为一种重要的电气设备，经常用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力 引入( 或引出) 线，当线路在过江、过近海、过铁路处，也常采用电力电缆。在电力系 统中常将电力电缆按绝缘材料分为：油纸绝缘电缆、橡塑绝缘电缆、充油电缆、充气电 缆等；橡塑绝缘电缆又由聚氯乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘与乙丙橡皮绝缘电力电缆组成。 其中油纸绝缘电缆已经逐步退出运行，橡塑绝缘电缆使用量逐年增加，特别是交联聚乙 烯绝缘电缆近年来已经成为中高压输电系统中的主要品种。 交联聚乙烯( x l p e ) 电缆由于其容易敷设、耐高温、运行维护简便等特点，被广泛地 应用于配电网中，逐步取代架空线路和油纸绝缘电缆。而由x l p e 电缆及电缆接头绝缘 损坏等问题引起的电力故障事故也不断增加，给电力系统和用户造成一定的经济损失。 x p l e 电缆大多以直埋、捧管、隧道等形式铺设在地下，无法采用巡视等常规方法 判断电缆工作状态正常与否。如何快速有效地通过各种检测手段判断电缆绝缘的劣化状 态有着重要的现实意义。 长期以来，一直按照d l t 5 9 6 2 0 0 6 电气设备预防性试验规程的规定【l 】，定期对 电气设备进行预防性试验，以保证设备在电力系统中安全可靠的运行，最大限度防止安全 事故的发生。 现行的预防性试验方法已在电力部门形成规范和制度，对电气设备的安全运行起着 重要地指导作用。但是随着我国电网规模迅速发展，在线电网设备数量急剧增加，通常 的定期检修工作量剧增，检修人员紧缺问题日益突出。另外，近年来电气设备制造水平 大幅提升，少维护、集成式设备得到广泛采用。因此传统的定期维修显现出很多不足之 处，主要表现在： ( 1 ) 需停电进行电气试验。 ( 2 ) 停电后设备状态( 如电压、温度等) 与运行中不符，影响判断准确度。 ( 3 ) 由于是周期性定期检查，而不是连续的随时监测，绝缘仍可能在试验间隔期内 发生故障。 ( 4 ) 由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划也需进行试验和维修， 造成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成损坏，即造成所谓过度维修。 因此，目前正在发展以在线检测和故障诊断为基础的状态检修。基本原理如下：绝 缘的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的速度有快有慢，但大多具有一定发展期。 在这期间，会有各种前期征兆，其表现为电气、物理、化学等特性有少量渐进的变化。 随着电子、计算机、光电、信号处理和各种传感器技术的发展，可以对电气设备进行在 华北电力大学工程硕士学位论文 线状态监测，及时取得各种即使是很微弱的信息，对这些信息进行处理和综合分析后， 根据其数值的大小和变化趋势，可对绝缘的可靠性随时作出判断并对绝缘的剩余寿命作 出预测，从而能及时发现潜伏的故障，必要时可提供预警或规定的操作 2 1 。在线检测与 故障诊断技术的特点是可以对电气设备，例如电缆，在运行状态下进行连续的监测与判 断，因此可以避免预防性试验的缺点。 1 2 电缆绝缘特性在线检测技术及现状 1 2 2 接地线电流法 接地线电流法是根据x l p e 电缆伴随水树枝老化后会出现电容量以及t 锄6 增加的倾 向，在金属屏蔽层接地线端进行电流测量的方法。当电缆金属屏蔽层单端接地，接地线 电流包括容性电流和阻性电流，其中主要为流经电缆主绝缘的容性电流。当电缆主绝缘 逐渐劣化，容性电流和阻性电流都会逐渐增大，因此所测的接地线电流也会逐渐增大。 加速老化试验研究表明，电缆老化前后的接地线电流j 。会发生变化 3 1 。因此，通过监测 流过电缆接地线电流的变化情况，可以反映电缆的老化情况。 接地线电流幅值的大小与电缆电压等级和长度有关。一般可达到安培级，比较容易 测量。因此可以在线监测电缆接地线电流的历史发展趋势，如果出现接地线电流显著增 大，在排除其他运行故障的可能性后，可以认为是电缆主绝缘的劣化所致。 该方法不需要额外添加电源，对现场设备变动较少，安装方便，比较适告进行电缆 绝缘在线检测。 1 2 2 在线检测t a n 8 x l p e 电缆的t a n 6 反映了电缆绝缘的整体性缺陷，t a n 8 随电缆中水树枝数量或水树 枝长度的增加而增大。通过在线监测t a n 8 可以用来分析x l p e 电缆绝缘状态的历史发展 趋势 4 1 。 在线监测t a n 8 的方法主要有两种：一种是硬件直接测量相位角，主要有过零点相位 比较法、电压比较器法等；另一种是采用软件实现的方法，主要是通过a d 转换把监测 信号变成数字量，然后使用数字信号处理的方法求得t 柚6 ，主要有谐波分析法。 1 2 3 电缆绝缘局部放电检测 在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，但尚未击穿，这种现象称之为 局部放电。局部放电可以发生在导体边缘，也可能发生在绝缘体的表面或内部，发生在 表面的称为表面局部放电，发生在内部的称为内部局部放电【5 】。 局部放电检测的主要研究对象是挤塑绝缘电缆。局部放电对聚乙烯、交联聚乙烯、 乙丙胶等有机高分子挤塑电缆的安全运行有极大的影响。主要原因是绝缘结构中由于原 材料不纯而存在气隙和杂质：有机高分子挤塑绝缘耐放电性很差；挤塑绝缘会发生树枝 2 华北电力大学工程硕士学位论文 状绝缘老化( 水树枝、电树枝、电化学树枝) 1 6 1 1 7 1 。局部放电测量是定量分析树枝状劣 化程度的有效方法之一，在树枝引发初期，其局部放电量约o 1 p c ；当树枝发展到介质 击穿临界状态时，其局部放电量可达到1 0 0 0 p c 。因此，在线检测x l p e 电缆局部放电 是及时发现故障隐患、预测运行寿命及保障电力安全的重要手段。 高压电缆发生局部放电时，会发出频带很宽的电信号，激发电磁波。局部放电的检 测也就是对这些频域很宽的信号进行检测，目前局部放电检测的方法主要有差分法，电 容传感器法，电磁耦合法和超声法等 ( 1 ) 差分法是在绝缘连线盒两边的护套上各贴一对金属箔电极，通过这些电极进行 局部放电信号的采集和校验脉冲的输入。图1 1 是差分法局部放电在线检测示意图。其 中c i 为外护套线芯与金属箔电极间的电容；c 2 为金属护套处线芯与金属箔电极间的电 容；c a 、c 4 为外接电容，c 3 = c 4 ，z d 为外接阻抗，该法不必加入专门的高压源和耦合电 容，也无需改变电缆的连接，且由于可等效为桥式电路，所以能很好地抑制外界噪声。 王二一嬲 图1 1 差分法检测电缆局部放电 ( 2 ) 电容耦合法是将靠近接头的电缆剥去部分金属护套，将金属箔缠于露出的电缆 外半导电层上作为耦合传感器。耦合传感器的安装并没有破坏到电缆的主绝缘。图1 2 为电容耦合法的结构图。通过调整剥去护套的长度、金属箔长度、以及金属箔和护套之 间的长度，可以获得最佳的传感器信噪比，并且可以通过研究信号到达两个传感器的时 间差来实现信号的定位。 护套绝缘层耦合器中心导体 图1 2 电容传感器法示意图 ( 3 ) 电磁耦合法是将x l p e 电缆接地线中的局部放电电流信号通过电磁耦合线圈与 测量回路相连，不需要在高压端通过耦合电容器来取得局部放电信号，因此适用于电缆 3 华北电力大学工程硕士学位论文 敷设后的交接评审试验和运行中的在线监测。此外，电磁耦合法是通过电磁耦合来测量 局部放电电流，由于在高压电缆和测量回路间没有直接的电气连接，从而能很好地抑制 噪声。 电磁耦合法通常采用带有铁氧体磁芯的r o g o w s k i 线圈型电流传感器，主要测量位 置在电缆终端金属屏蔽层接地引线处，此外测量位置还可在中间接头金属屏蔽连接线、 电缆本体上和三芯电缆的单相电缆上等位置。 国内外电缆局放测量用r o g o w s k i 线圈研究已有了大量的经验，如瑞士h e i z m a n n 等 人利用宽带1 2 一4 0 m i - i z 的带磁芯的r o g o w s k i 线圈在现场可检测到1 5 p c 的放电：nh a h m e d 等人研制出带宽1 0 k h z - 2 0 0 m h z 的带磁芯r o g o w s k i 线圈直接套在电缆本体上 检测局放：国内华北电力大学研制的钳形传感器带宽为3 - 一6 0 m h z ，可检测x l p e 中不 大于5 p c 的放电量：华中科技大学改进型r o g o w s k i 线圈精度为o 2 级，加放大器后灵 敏度约为1 3 4 0 v a ：武汉高压研究所用带宽为1 0 k h z , - v 2 8 m h z 的高频r o g o w s k i 线圈对 电缆接头处的局放进行现场检测，灵敏度为l p c , 西安交通大学研制的带磁芯r o g o w s k i 线圈带宽可达2 3 2 k h z 1 2 0 m h z 。 ( 4 ) 局部放电过程，除了伴随着电荷的转移和电能的损耗外。也产生各种非电的信 息，如声波、发光、发热以及出现新的生成物等等。通过测量局部放电产生的超声波来 检测局部放电的大小及位置的方法称为超声法。高压电缆中的局部放电，通常发生在设 备内部，而用于测量声波的接收装置一般都只能安放在设备的外壳上，于是声波要从放 电源传到测量点才能检测到。在这个过程中，声波不但要在某一介质中产生衰减，还会 在不同媒质界面上产生发射、折射，并在波特性阻抗不匹配的两种界面上产生衰减。因 此，能够采集的声信息是很微弱的。长期以来，超声法因为灵敏度低，没有被广泛采用。 近年来，由于电传感器效率的提高，由集成元件组成的低噪声放电器的发展，使得测量 灵敏度大为提高。 1 3 本文研究的内容 本文在对x l p e 电缆绝缘缺陷进行分析并总结已有的x l p e 电力电缆绝缘故障检测 方法的基础上，将进行如下几个工作： ( 1 ) 对x l p e 电缆绝缘老化机理及局部放电特性进行研究，并仿真局部放电信号在 x l p e 电缆中的传播过程和特性。 ( 2 ) 研究基于r o g o w s k i 线圈原理的电流传感器。设计一种基于r o g o w s k i 线圈的能 够灵活的进行高压电缆局部放电多点测量的大开口直径钳形传感器。 ( 3 ) 对基于盲源分离( b s s ) 的局部放电信号提取算法进行研究。通过b s s 算法技 术将局部放电信号与外界干扰信号进行分离。 ( 4 ) 研究局部放电时频负熵谱图的建立和局部放电模式识别技术。采集局部放电 4 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章x l p e 电缆缺陷产生原因及检测方法 2 1x l p e 电缆简介 交联聚乙烯电缆( x l p e ) 属于固体绝缘电缆，是经过特殊的物理、化学方法交联 而成；具有良好的电气绝缘性能，击穿强度高，介质损耗角正切值t g6 小，绝缘电阻 高。有较高的耐热性和耐老化性能，重量轻，允许工作温度高，载流量大，适宜高落差 和垂直敷设：交联聚乙烯是目前电气绝缘领域中应用最广泛的一种绝缘材料。其电 气性能、热性能和力学性能相对稳定，且易于加工，便于安装和维护，在电气绝缘 中起到了重要的作用【8 】【9 】。交联聚乙烯( x l p e ) 属于固体绝缘，它是由聚乙烯( p e ) 加入交联剂挤出成形后，经过化学或物理方法交联成交联聚乙烯。交联聚乙烯电缆 是以交联聚乙烯作为绝缘的塑料电缆。电力电缆与架空线路相比，其优点是受气候的 影响小，安全可靠，隐蔽耐用。因此，交联聚乙烯电缆在世界范围内得到了广泛的应用。 我国自七十年代以来，交联聚乙烯电缆也得到了迅速的发展，并逐步取代了常规中低压 油纸绝缘电缆，而且在1 1 0 k v 、2 2 0 k v 等高压电缆也在逐步推广。 交联聚乙烯电力电缆( x l p e ) 是由导电线芯、绝缘、屏蔽层等几部分组成。电力 电缆的导电线芯常用铜或铝：电缆的绝缘常用有机绝缘材料交联聚乙烯；电缆的屏蔽层 常用半导体材料，共有两层，在芯线的外表面涂有第一层半导体胶，她可以克服电晕及 游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过度。在相间绝缘外表面涂有第二层半导体胶， 同时挤包了一层0 1 m m 厚的薄铜带，它们组成了良好的相间屏蔽层，它保护着电缆， 使之几乎不能发生相间故障。 国产的x l p e 绝缘电缆用y j l v 和y j v 表示，y j 表示交联聚乙烯，l 表示铝芯 ( 铜芯可省略) ，v 表示p v c 护套。单芯交联聚乙烯电缆结构如图2 1 所示，各部 分材料及其功用介绍如下： 2 1 1 导体芯线 导体芯线的作用是作为导体，传输电能。电缆中导体芯线的材料一般可分为两种： ( 1 ) 铜，作为一种常用的优良导体，它有电导系数大，机械强度高，加工容易，耐 腐蚀等优点，被广泛用于做电缆线芯： ( 2 ) 铝，也是电力电缆导体常用的金属材料之一，其资源丰富，价格较铜低，但电 阻率比铜要高，线损较大j 多用于低压电缆。 线芯导体结构一般采用多芯圆绞线。圆形导线使得导体电场均匀，有利于提高电压 等级。多根导线的绞合增加导体的柔软性和弯曲度。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 1单芯交联聚乙烯电缆结构 。电缆运行在高电压高场强条件下，为了避免引起电场集中，防止导丝效应，应采用 紧压型线芯，另外紧压型线芯可以防止挤塑半导体屏蔽层时半导体进入线芯，而且还可 以有效的防止水分顺线芯进入。 2 1 2 绝缘内外的半导体屏蔽层 目前，绝缘内外的半导体屏蔽层线均采用加炭黑的交联聚乙烯料。早期交联电缆的 外半导体屏蔽层也有使用石墨布绕包形成的，但这种结构性能不好。随着内、外半导体 屏蔽层及绝缘三层同时挤出工艺的成熟，绕包型屏蔽结构现在已经被淘汰，选用电缆时 应尽量不采用绕包型屏蔽结构电缆。半导体屏蔽层的体积电阻率一般在1 0 0 0 0 欧厘米 以下，其厚度一般为1 2 m m 。半导体层中含有胶质碳，可起到均匀电场的作用。同时， 碳能吸收电缆本体细小间隙中因空气电离所产生的败坏物，均匀电场，保护电缆绝缘。 2 1 3 电缆金属屏蔽层( 金属护套) 电缆金属屏蔽层又称铜带屏蔽，它用于对电缆故障电流提供回路并提供一个稳定的 地电位，使电场方向与绝缘半径方向相同。当电缆发生故障时，铜带作为短路故障电流 回路，承担不平衡电流，防止轴向表面放电。铜带( 丝) 的截面可按故障电流大小、持续 时间长短，以及接地为一端还是两端而选定。3 5 k v 及以下电压等级的单芯和三芯交联 电缆用钢带作为铠装层，起机械保护作用。l1 0 k v 及以上电压等级x l p e 电缆的铠装均 7 华北电力大学工程硕士学位论文 采用波纹铝( 铜、铅、不锈钢) 护套，作为铠装和内防水护套用，不论是p e 或p v c 护套， 其吸水率分别为0 0 1 和o 1 5 l ，而金属几乎不透水，所以高压电缆均用不透水的 金属内护套。另外，在超高压电缆内护套中，还有防水带等隔水工艺，使得已进入的水 分不易扩散【1 0 1 。 2 1 4 护套 x l p e 电缆护套通常采用p v c 材料或者p e 材料，厚度一般为3 - 4 m m 。但一般采 用p v c 材料，因为p v c 材料的防火阻燃性能比p e 的好。但p e 的吸水率小于p v c ， 为了减少渗水，也有厂家使用p e 材料制作外护套。对于1 1 0 k v 及以上电压等级的x l p e 绝缘电缆外护套，由于有耐压要求，电缆验收时一定要检查导电层是否完整，否则对护 套的试验将没有意义。 2 2x l p e 电缆绝缘缺陷产生的原因 x l p e 电缆老化的起因源自气隙、杂质、凸起毛刺等缺陷，这些缺陷再加上电场、 热、机械力、环境( 水的存在) 等老化因素，就会以局部放电、水树枝、电树枝等老化 形态表现出来，但最终都归结于电树枝而导致绝缘击穿。造成x l p e 电缆绝缘缺陷的原 因是多方面的，本文将针对电缆生产、电缆运输、电缆安装和电缆运行4 个方面进行分 析0 1 。 ( 1 ) 在电缆生产过程中造成绝缘出现缺陷的原因有很多：( 1 ) x l p e 电缆生产过程 中的生产工艺欠佳，例如采用l + 2 工艺而不是采用三层共挤交联工艺：( 2 ) 生产环境洁 净度不高。生产过程中有杂质混入x l p e 电缆中；( 3 ) x l p e 原材料纯度不够高，内部 含有杂质：( 4 ) x l p e 电缆中混入气泡等都可能造成电缆在短期内发生故障。 ( 2 ) 电缆在运输过程中，可能由于机械撞击、挤压等情况致使电缆外皮破损、电缆 金属屏蔽层损伤甚至电缆变形，这些都会对电缆运行造成危害。例如，某电缆厂在电缆 成盘出厂时，使用木板包装电缆过程中误把铁钉钉入电缆本体，致使该电缆在投运2 个 月后发生故障。 ( 3 ) 在电缆安装过程中，由于各种原因也会造成电缆在运行短期内发生故障。例如 电缆安装过程中造成p v c 外护套损坏，电缆头施工工艺不良等都会造成电缆在运行过 程中发生故障。 ( 4 ) 在电缆运行过程中，其他项目施工等原因有可能对电缆造成损害：当电缆阻水 层破损后，电缆沟中的积水会渗入电缆中，影响电缆的正常运行，甚至导致电缆击穿。 2 3x l p e 电缆绝缘现行检测方法 现行的规程( 华北电网有限公司发布) 规定，交联聚乙烯电缆的试验项目、周期和 标准如表2 1 所示。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - i 现行交联聚乙烯电缆的试验项目、周期和标准 序号项目周期标准 说明 1 电缆主绝缘1 ) 交接时自行规定1 ) 0 6 i k v 电缆，用1 0 0 0 v 绝缘电阻2 ) 耐压试兆欧表 验前2 ) 0 6 i k v 以上电缆用 3 ) 必要时2 5 0 0 v 或5 0 0 0 v 兆欧表 2 电缆外护套、1 ) 交接时每千米绝缘电阻不应低1 ) 用5 0 0 v 兆欧表 内衬层绝缘2 ) 耐压试于0 5 mq2 ) 当绝缘电阻低于标准时 电阻验前应采用破坏进水确定方法 3 ) 必要时3 ) 1i o k v 及以上电缆进行 外护套测试，无外电极时 不做 3 铜屏蔽层电1 ) 交接时较投运前的电阻增大1 ) 用双臂电桥测量在相同 阻和导体电2 ) 重作终端时，表明铜屏蔽层的直温度下的铜屏蔽层和导体 一 阻比( r p r x )或接头后流电阻增大，有可能被 的直流电阻。 j 3 ) 必要时腐蚀；电阻比减小时表2 ) 终端以及中间接头的安 明附件中的导体连接点装工艺，必须符合要求 的电阻有可能增大。 -t 4 电缆主绝缘1 ) 交接时1 ) 0 i h z 耐压试验( 3 5 k v1 ) l i o k v 及以上一端为空 交流耐压试2 ) 新作终端及以下) ：气绝缘终端，另一端为 验或接头后a ) 交接时：3 u o6 0 m i ng i s 的电缆或两端均为空 3 ) 必要时b ) 预试时：2 i u o5 m i n气绝缘终端的电缆应进行 2 ) l 一3 0 0 h z 谐振耐压试 定期试验。 验：2 ) 两端均为密闭式终端的 电缆可不进行定期试验 5 交叉互联系i ) 交接时： 统2 ) 2 3 年； 3 ) 互联系统 故障时 6 相位检查1 ) 交接时；与电网相位一致 2 ) 必要时 9 l 图3 - 2 电缆模型示意图 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 在p s c a d e m t d c 中，有适合于不同情况下使用的三种电力电缆模型，分别为 b e r g e r o nm o d e 、f r e q u e n c yd e p e n d e n t ( p h a s e ) m o d e 和f r e q u e n c yd e p e n d e n t ( m o d e ) m o d e 。 在电力电缆的b e r g e r o nm o d e 中，电缆的l c 属分布参数，电阻r 为集中参数，所以 b e r g e r o nm o d e 适合于只考虑基波频率的场合。其他两种f r e q u e n c yd e p e n d e n t 模型中， r l c 都是分布参数的，既参数均匀的分布在整个电缆上，适用于考虑各次谐波的情况。 在模型中可以根据不同的情况设置单相或多相电缆。根据不同的电压等级设置不同的电 缆结构。三种模型中f r e q u e n c yd e p e n d e n t ( p h a s e ) m o d e 是最精确的。故在本课题的仿真 中，我们选择电力电缆的f r e q u e n c yd e p e n d e n t ( p h a s e ) m o d e ，模型中单相电缆的示意图 如图3 - 2 所示。 在电缆模型的使用当中可以根据不同的情况，选择不同的结构。为了方便地模拟仿 真电缆中的局部放电信号，在本仿真中选择简化的单相电缆结构，即只有一个导体层， 一个绝缘层和外皮。图3 3 是电缆局部放电信号仿真的具体电路。 r lr 1r ? 1 砖裂爿列到 图3 3 电缆局部放电的仿真分析电路 在局部放电的仿真分析电路中，假设在电缆a b 段中的点c 处产生了故障。图3 1 中的局部放电模拟脉冲信号注入到电缆中，在电缆的a ，b 两段获取相应的信号波形。 3 2 局部放电信号在电缆中的传播特性 利用上述仿真电路，可以分析局部放电信号在电缆中的传播特性。取全长为3 0 0 m 的电缆，分成两部分，其中a c 部分设置为2 0 0 m ，b c 部分的长设置为l o o m ，电缆的 正常工作频率选择为5 0 h z ，调节a ，b 两端的端电阻，获取不同电阻情况下电缆a ，b 端的电压波形，如图3 - 4 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 睚抗四配 ( a ) 小于揪 一：b；=；=；g；=；g；g；=；=；g；=；i；=；=；=；g；=；gi；g=一 s 0 j 嘎幻o d 叽m 0 d 0 2 m0 d 0 3 m0 0 0 4 m0 9 0 5 m0 田0 6 m0 力0 7 m 0 0 0 6 m ( b ) 大于拔阻抗 4 加 3 知 3 舶 2 5 0 2 舶 1 如 1 加 o 加 0 舶 舶 s o 面面鬲i 鬲丽而i 而面石面丙i 而谲 ( c ) 图3 - 4 不同电阻情况下局部放电信号在电缆中的仿真图形 上述的仿真是在不断的调节a b 两端的电阻基础上得出来的结果，其中图中横坐标 以时间秒为单位，纵坐标以毫伏为单位。绿色的曲线是在a 端测得的信号，而蓝色的曲 线是在b 端测得的信号波形。 从图3 _ 4 中可以看出，无论在任何情况，首个脉冲总是先到达b 端，而后到达a 端， 根据电磁波在电缆中传播的速度的计算公式： 1 2 加 i i l 肿 鞠 加 鼬 2 1 1 o o o 圭、掣馨 华北电力大学工程硕士学位论文 ll 归面2 丽 ( 3 2 ) 其中l 、c 分别为电力电缆单位长度的等效电感量和电容量；对于一根选定的电缆 而言。根据式( 3 - 2 ) ，其传播速度应该为定值。由于在这个电缆模型中，a c 段要比a b 段长一倍，且信号在电缆中传输速度相同，所以，首脉冲到达a 点的时间是到达b 的 时间的2 倍。 在上边的仿真结果中，图a 中没有发生发射，而图b ，图c 中都发生了不同程度的 发射。因为图a 所对应的a ，b 两端的端电阻选为电缆的波阻抗，即电缆的特性阻抗值： 7旺 强1 石 ( 3 - 3 ) l ，c 为电缆单位长度的电感量和单位电容量 该结果说明在阻抗匹配的情况下，局部放电脉冲在端电缆处不发生反射。从图c 中 可以看出，无论a 端还是b 端，信号经过几次反射就逐渐趋向于零，即信号在传播过 程中衰减非常严重，并且a 端测得的信号都是以双峰、成对的反射脉冲出现，而在b 端的则是先是一个单峰的脉冲，然后是双峰、成对的脉冲。这种现象的产生是因为对与 a 点来说，它获得的第一个脉冲是从c 直接传播过来的，第二个脉冲是从c 传播到b ， - 然后从b 反射回到a 的，由于b c 相对于a b 来讲很短，因此它们就形成双峰，并且在 以后的历次反射中，k 与k + l ( k 为奇数) 次所对应的脉冲都是成对出现的；而对于b 处，它的第一个脉冲是从c 直接传播到b ，而第二个脉冲是从c 传播到a ，然后由a 反射到b ，第三个脉冲是第一个发射到a ，然后从a 反射到b ，因为b c 相对与a b 而 言很短，因此，在这种情况之下，第二个跟第三个产生双峰的现象。 3 3 电缆中信号的传递函数和幅频特陛 电力电缆的等效电路有串联等效电路和并联等效电路两种，本文采用并联等效电 路。图3 5 为电缆的并联等效电路，为电缆单位长度的等效模型。 图3 - 5 电力电缆的等效电路 图3 5 中，r 代表的是x l p e 单位长度电力电缆导体电阻；l 代表单位长度x l p e 电力电缆的电感量；c 代表单位长度x l p e 电力电缆的电容量，g 代表的则是x l p e 电 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 力电缆的绝缘等效电导，在正常情况下其值是非常小的。 图3 5 所示电路中的四个参数，我们通常称之为一次参数，通过一次参数可以计算 出电缆的传输特性。该电路的传输常数丫包含两部分的信息，一个是固有衰减常数a ， 另外一个是固有相移常数p 。a 反映了处于匹配状态下的线路能量的损耗，d 反映了信 号传播过程中相位的变化。线路的传输规律可由式( 3 - 4 ) 表示，其中l 是电缆的长度。 u 0 - - u 尸叫= u f 。口+ ，y = u 尸刊e 一 ( 3 - 4 ) 从上式中可以看到输出信号不仅受电缆传输常数的影响而且受电缆长度l 的影响。 对于图3 5 的电路，有 7 2 ( 尺，+ 缈三) ( g + j f 国c g ) f 1 气、 由式( 3 5 ) 前半部分可得，电缆长度越长，输出的衰减越剧烈，既信号延电缆长 度呈指数衰减。对同一电缆而言，a 越大。其衰减也是越明显。而式( 3 5 ) 后半部分可 知j p l 反映的是信号传输的相移。它不影响信号传输的幅值，但是影响信号的相位。又 由式( 3 5 ) 可知，a ，p 都与信号的频率有关系，它们都随频率的上升而增加，结合式 ( 3 - 4 ) ，就可以从理论上推导出以下的结论：电缆长度越长，信号在传播过程中衰减越 严重。信号的频率越高，与之对应的a ，b 也越大，信号的幅度衰减也越严重，信号的 相位移动也越严重。 通过上文中对电缆的并联电路模型分析得出了电缆中信号传输的规律，可通过 p s c a d 仿真来进行验证。仿真情况是给电缆加一个方波脉冲，仿真电路如图3 - 6 所示。 在电路中电缆左边加一个方波发生器，使得它产生一个2 0 0 n s 宽的方波，注入到一根长 为5 0 0 米的电缆上，在b 点测量相应的信号 图3 6 方波脉冲信号的仿真电路 方波脉冲信号可以看作是由无数不同频率的正弦信号组成。在传播过程中，脉冲信 号中的高频成分，将受到较大衰减，在近距离时，由于高频成分波速较大，总是高频成 分先到达线路终端，而在远距离时，由于电缆对高频衰耗加大，使信号的高频成分到达 终端时被衰耗很大或完全衰耗掉了，只有低频成分才能到达，故矩形脉冲信号在传播一 定距离后，将发生明显的失真现象。传输距离越长，信号的失真越严重。 图3 7 所示所加的标准方波脉冲，经过电缆后，从b 端测得的电压波形已不是方波 信号，发生了严重的畸变。在传播过程中，高频部分的衰减强烈，低频的相对衰减的弱， 1 4 从而使在 图3 7 方波信号在电缆中的传播 3 4 局部放电信号在电缆中的传播规律 前面的仿真结果都是针对于长度一定的电缆所进行的，如果改变电缆的长度，可以 获取局部放电信号与电缆长度之间的关系。仿真电路如图3 - 6 所示，选择不同长度的电 缆，观测电缆a 端获得的信号波形，仿真结果见图3 8 。 d d d d d d 5 4 3 2 1 0 l 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 8 局部放电信号与电缆长度之间的关系 在图中可以清楚地看到脉冲信号在电缆中的衰减，比较不同电缆长度下测得的脉冲 波形可以看出，越短的电缆，信号反射所需要的时间也越短。随着电缆长度的增加，反 射波到来的时间逐渐增加。入射波与反射波之间的时差逐渐增大。电缆长度越长，则测 得脉冲的电压幅值越小，脉冲宽度越长。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章基于r o g o w s k i 线圈电流传感器的设计 4 1r o g o w s k i 线圈基本工作原理分析 r o g o w s k i 线圈从本质是讲是一种i ，v 转换器型电流传感器。早在1 8 8 7 年美国 科学家就曾有过利用，1 9 1 2 年俄国科学家罗可夫斯基( r o g o w s k i ) 进行了大量的试验 和研究，从理论和实践的角度证明和总结了这种测量方法【9 1 。r o g o w s k i 线圈一般做 成圆形或者矩形，有时也会根据特殊需要制成其他形状，均匀地绕制等面积闭合螺 旋线，螺线管的内部可以是空心的或加入骨架。图4 l 是r o g o w s k i 线圈的结构示意 图。 m ，腊匕并 母线电瑰 【】匕 e 毯卅 图4 - 1r o g o w s k i 线圈的结构示意图 r o g o w s k i 线圈测量电流是依据安培环路定理和电磁感应定律。其原理图如4 2 所示： 由全电流定律： 图4 - 2r o g o w s k i 线圈的结构示意图 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 h u c l l = i ( t ) 可知： h = i ( t ) 2 7 r r 式中：日为磁场强度；f 为一次侧电流。可得通过线圈的总磁通为 ( 4 1 ) ( 4 - 2 ) 甲= m = 面风脚= 学l i l 鲁 ( 4 - 3 ) 式中：p o 为真空磁导率；矿为磁通量；n 为线圈匝数；h 为线圈骨架高度；r a 为骨架外径：r i 为骨架内径。 进而由电磁感应定律得： p ( ) ：一坐= 一巡h 雅( 4 - 4 ) 令 肘：一n l u 。hi nr o ( 4 5 ) 2 万足f 式中：e ( o 为感应电势；m 为r o g o w s k i 线圈互感系数。不论线圈截面为何种形 状，均有： 一m 警 r o g o w s k i 线圈的感应电动势砸) 正比于被测电流变化率。 就必须根据被测电流的特点，通过积分电路进行还原处理。 4 2 电流传感器的设计 ( 4 6 ) 要得到被测电流的波形， 4 2 1 积分电路的选用 r o g o w s k i 线圈有2 种工作状态，即白积分工作状态和外积分工作状态。外积分等 效电路如图4 - 3 所示。 图4 - 3 外积分线圈等值电路 1 8 卜 华北电力大学工程硕士学位论文 图中：l 为线圈电感；1 l 为线圈电阻；r 为外接电阻；c 为外接电容。 由电路图可得： p ( f ) = l d i 破2 ( t ) + ( r l + r ) 易( r ) + 石1 f 2 ( r ) 魂 ( 4 - 7 ) 假设i l 为频率为的正弦波，则当满足条件 石2 三赢( 4 - 8 ) 时，电路发生谐振，有 如( ，) 2 丽1 p ( 4 9 ) 电容c 上输出电压为 材( ，) = 吉j f 2 ( f ) 出= 西丽m ( ，) = k i c t ) ( 4 l 。) 因此，外积分线圈是选频型电流传感器，电路的谐振频率f o 即为传感器的中心频 率。其灵敏度与互感m 成正比，与外接电容及回路电阻成反比，为提高外积分型传感 器的灵敏度，可使外接电阻r = 0 。 自积分等效电路如图4 - 4 所示。 图4 - 4 目积分线圈等值电路 图中：l 为线圈电感