（高电压与绝缘技术专业论文）电力电缆水树在线检测新方法的研究.pdf

r e s e a r c ho nan e wo n - l i n em o n i t o r i n gm e t h o do fe l e c t r i cp o w e r c a b l e 肠t e rt r e e b y z h o ux i u b s ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o ul ix i n g a p r i l ，2 0 11 66m1蛐4 88iii1硼y 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 其它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： 闷参 日期：砂吖年r 月3 c 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 阀秀日期：叫年r 月；。e l 导师签名：) 丞夕镑 日期：加昨户月；口日 一 y ? ! 2 摘要 随着电力工业的快速发展，交联聚乙烯电缆广泛应用于电力系统。近年来， 交联聚乙烯电缆绝缘故障时有发生，严重威胁电网的安全稳定运行。因此，深入 研究交联聚乙烯电缆绝缘劣化机理，在线监测交联聚乙烯电缆绝缘状态，对智能 电网建设具有重要意义 本文在国内外研究的基础上，着重研究了交联聚乙烯电缆绝缘老化机理和水 树的形成过程，以及水树枝劣化对电缆绝缘特性的影响；并对现有的交联聚乙烯 电缆水树在线检测方法进行了阐述和分析比较。 基于水树的非线性特性，建立了电力电缆水树的m a t l a b 仿真模型，利用该模 型对交联聚乙烯电缆水树的交流叠加检测法进行了仿真研究结果表明：在电缆 屏蔽层上叠加5 0 v 的交流电压( 频率为1 0 1 h z ) 时，可检测到微小的频率为1 h z 的特征电流，且该特征电流随水树枝劣化而增大。仿真得到的统计规律与实验结 果一致，表明了交流叠加法检测水树的可行性。 针对现场微弱特征电流难以检测，在线检测系统灵敏度低的难点，本文提出 将混沌控制理论应用于交联聚乙烯电缆水树检测中。利用d u f f i n g 混沌振子系统对 与周期策动力同频的微弱周期信号敏感，而对频差较大的信号及噪声免疫的特性， 构造特定的混沌系统，以测量信号作为混沌振子系统周期策动力的扰动，实现对 1 h z 特征信号的精确测量，使监测系统能有效发现交联聚乙烯电缆的微小水树枝 缺陷，仿真和实验结果表明了该方法的有效性。对交联聚乙烯电缆的绝缘监测具 有工程指导意义。 关键词：x l p e 电力电缆；水树枝；交流叠加法；混沌理论 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h ep o w e ri n d u s t r y , c r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n ec a b l e s a r ew i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n s u l a t i o nf a u l to fc r o s s l i n k e d p o l y e t h y l e n ec a b l e s o c c u r sf r e q u e n t l y , a n dt h es a f e t ya n ds t a b i l i t y o ft h eg r l d1 s s e r i o u s l vt h r e a t e n e d t h e r e f o r e ，f u r t h e rs t u d yf o ri n s u l a t i o nd e g r a d a t i o nm e c h a n i s ；m o f c r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n ec a b l e s ，a n do n l i n em o n i t o r i n g c r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n e c a b l ei n s u l a t i o ns t a t ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi n t e l l i g e n tp o w e r 鲥d c o n s t r u c t l o m o nt h eb a s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d y , t h ea g i n gm e c h a n i s mo f c r o s s l i n k e d p o l y e t h y l e n ec a b l ei n s u l a t i o n ，t h ef o r m a t i o np r o c e s s o fw a t e rt r e ea n dt h ei n f l u c eo n ca ：b l ei n s u l a t i n gp r o p e r t i e sd u i n gt od e g r a d a t i o no f w a t e rt r e ea r es t u d i e de l a b o r a t i v l y 1 l l ee x i s t i n go n 1 i n ed e t e c t i o nm e t h o d so fc a b l ew a t e rt r e e a l s oa r ed i s c u s s e da n d c o m p a r e d b a s e do nt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rt r e e ，t h ep o w e r c a b l ew a t e rt r e e m a t l a bs i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，u s i n gt h em o d e lf o rc r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n e c a b l ew a t e rt r e e , c o m m u n i c a t i o ns t a c ka s s a ys i m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e d t h e r e s u l t s s h o wt h a ti f5 0 va cv o l t a g e ( f r e q u e n c yf o r lo1h z ) i sp l u s e do nt h ec a b l es h i e l d i n g l a y e r , 1h zt i n vf e a t u r ec u r r e n tc a nb ed e t e c t e d ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r r e n tl n c f e a s e s w i t hw a t e rt r e e d e t e r i o r a t i o n g e t t i n g f u t h e r s i m u l a t i o n r e s u l t sa c c o r d w i t h e x p e r i m e n t “r e s u l t s ，w h i c hs h o w s t h ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i n gw a t e r t r e e b e c a u s ei ti sd i f f c u l tt od e t e c tf a i n tf e a t u r ec u r r e n t ，a n do n _ l i n ed e t e c t i o ns y s t e m h a s1 0 ws e n s i t i v i t y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h a tc h a o t i c c o n t r o lt h e o r yi sa p p l l e dl n w a t e rt r e ec r o s s 1 i n k e dp o l y e t h y l e n e c a b l et e s t i n g d u f f i n g c h a o t i co s c i l l a t o r l s s e n s i t i v et os i g n a lw h i c hh a st h es a m ef r e q u e n c yw i t hp e r i o d i cs i g n a l s ，a n dh a s n 0 1 s e i m m u n i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，s o d e s i g ns p e c i f i c c h a o t i cs y s t e m ss t m c t u r e t a k i n g m e a s u l l i n gs i g n a l a sd i s t u r b a n c eo fd u f f i n gc h a o t i co s c i l l a t o rc y c l em o t i v ep o w e r ， a c h i e v i n ga c c u r a t em e a s u r ef o r 1h zf e a t u r es i g n a l ，s ot i n yw a t e rt r e ed e f e c t sc a nb e f o u n da c c u r a t e l yb ym o n i t o r i n gs y s t e m ，r e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o ns h o w t h e c o r r e c t n e s so ft h i sm e t h o d i ti so fg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o ri n s u l a t i o nm e n i t o r i n go f c r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n ec a b l e k e y w o r d s ：x l p ep o w e rc a b l e s ；w a t e rt r e e ；e x c h a n g es u p e r p o s i t i o n m e t h o d ； c h a o st h e e r y n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本课题的主要工作6 第二章交联聚乙烯电力电缆及水树在线检测的方法 2 1 交联聚乙烯电力电缆绝缘老化机理及监测7 2 1 1 交联聚乙烯电力电缆绝缘老化机理7 2 1 2 交联聚乙烯电力电缆水树的形成和电缆特性的变化8 2 1 3 水树老化的判断标准1 2 2 2x l p e 水树在线检测方法1 3 2 2 1 直流分量法1 3 2 2 2 直流叠加法1 3 2 2 3 介质法1 4 2 2 4 交流叠加法j 1 4 2 2 5 其他检测方法1 5 2 2 6 研究方法的选取1 6 第三章交流叠加法原理及检测系统的关键技术 3 1 交流叠加法检测原理1 8 3 1 1 水树枝劣化特征电流1 8 3 1 2 水树枝劣化仿真模型2 2 3 1 3 仿真结果分析2 3 3 1 4 实验及其结果分析2 3 3 2 交流叠加法检测系统的关键技术2 4 3 2 1 交流信号叠加方法2 4 3 2 2 微弱特征电流的测量2 5 第四章混沌理论概述 4 1 混沌理论的发展与应用2 6 4 1 1 混沌理论的发展2 6 4 1 2 混沌理论的应用2 7 4 2 混沌基本理论与特点2 8 4 2 1 混沌的含义2 8 4 2 2 混沌的基本特征2 9 4 3 混沌理论用于微弱信号检测3 0 4 3 i 弱信号检测的意义3 0 4 3 2 混沌检测微弱信号方法的现状3 1 第五章d u f f i n g 混沌振子用于交联聚乙烯电缆水树在线检测 5 1 基于混沌振子信号检测理论的水树枝劣化特征电流检测方法3 3 5 i id u f f i n g 系统数学模型及分析3 3 5 1 2d u f f i n g h o m e s 混沌振子3 4 5 1 3 混沌振子检测周期信号机理一3 5 5 1 4 水树枝劣化特征电流信号检测3 7 5 2 实验及结果分析3 8 5 2 1 计算机仿真实验3 8 5 2 2 实验数据处理3 9 结论与展望4 0 参考文献4 l 致谢4 4 附录a ( 攻读硕士期间完成的论文) 4 5 j量，1，1 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 城市电网电缆化的程度被认为是推进城市文明化进程发展和提高人类生活水 平的必要手段之一，更是衡量城市电网技术经济水平的重要标志。近三十年，国 内外电力电缆制造技术飞速发展，特别是将立塔、悬链等现代的生产技术和三层 共挤生产工艺制造交联聚乙烯绝缘电缆进行推广和应用1 1 - 2 ，使得电缆的产品质量 得到了明显的提高，杂质的含量、微孔、尺寸、线芯偏心度等重要技术指标也被 进行了严格的控制【，1 由于电力工业的不断发展，电力电缆投运回路的数量也快速 地增加，油纸绝缘电力电缆已经被交联聚乙烯绝缘电力电缆取代，且充油电力电 缆也慢慢被取代，电压的等级也越来越高【1 在过去很长的一段时间里，在计划经济体制的制约和诊断评估技术的限制下， 电力电缆的检修体制主要是以事后维修、预防计划检修为，此体制对当时我国生 产力的发展水平是非常适应的，特点是保障电网备用容量的稳定，可做到人力、 物力和资金安排的合理性，在相当长的时间内发挥了良好的作用，使得电力安全 稳定生产。但就提高设备安全经济运行水平的目标而言，技术监督对检修的深层 次要求应该是状态检修。随着设备制造工艺的进步和计算机技术的发展，开展状 态检修已逐渐展开。目前，智能电网的建设对此提出了具体的更高的要求，电力 设备的状态检修作为检修的一种创新手段将在近两年内全面推行【钉。 以前，由于电力系统很大，电缆的运行周期较长，绝缘老化速度较慢，电缆 的监测和诊断都没有被人们足够重视。但电缆绝缘内容易产生水树枝现象是交联 聚乙烯电缆的一个薄弱的缺点，若水树枝生长到了一定程度将会快速转变为电树 枝，将形成放电使得绝缘老化加速，进而在运行过程中发生击穿。近些年，城市 建设的大力发展，机组容量的不断加大，电力电缆在城网供电中所占的比重也在 不断加大，敷设电缆被架空输电线路取代已逐步在一些城市的城区开展；同时， 电缆数量在不断的增多，运行时间也在延长，过去按照在交联聚乙烯绝缘电缆的 老化故障频繁，造成绝缘击穿事件，严重时将使部分电网停电，给国民经济带来 了重大的经济损失。高压电缆的造价也是很高的，就美国而言，地下配电电缆系 统需要更换的费用将达1 5 0 亿美元，因此，经济意义对于有效的绝缘在线监测是 不容忽视。对连续运行的电力系统来讲，电缆的在线监测和故障诊断成为了亟待 解决的问题，这也是电力系统状态检修必不可少的环节。 就交联聚乙烯电力电缆在线监测而言，其最终目的有两个：一是尽早发现水 故的突发，尽可能地减少故障损失和保障电力电缆可靠运 录电缆主要的状态参数并加以存储，通过对这些状态参数 对电缆的劣化程度有一个准确的评估，预测电缆的实际寿 和电力工作者展开了大量的研究工作，取得了一系列的研 化检测方法用于工程实际，有一定的监测效果。其中交流 如直流法) 在现场实现的难度小些，因而成为目前研究的 在工程上尚存在交流信号叠加、微弱特征电流检测灵敏度 估等方面的问题。由于该检测法中1 h z 特征电流的检测是 如何从现场强大的电磁干扰中检测到微弱的特征电流，有 本文将借鉴混沌振子微弱信号检测技术，建立特定的混沌 乙烯电缆水树劣化特征电流，以提高检测灵敏度，发现电 缆的早期缺陷，对交联聚乙烯电缆水树检测具有工程实用价值。 1 2 国内外研究现状 交联聚乙烯电力电缆是由g e 公司研制出来的，1 9 5 7 年g e 公司采用过氧化 物进行化学交联的生产工艺获得成功后，首先在美国得到了广泛的使用【s l 。随后在 1 9 5 9 年瑞典、日本等国家也开发了这项技术。表1 1 所列为较早开发交联聚乙烯 电力电缆的公司的开发简况。 交联聚乙烯电力电缆由于结构轻便、易于弯曲、电气性能优良、耐热性能好、 传输容量大、安装敷设方便和接头简单，特别是没有因漏油而引起火灾危险的隐 患，广泛受到用户欢迎。到1 9 7 9 年为止，美国已有4 8 万k m 聚乙烯和交联聚乙烯 电缆在电压为3 3 5 k v 的系统中使用了。瑞典、日本和法国目前已基本上用交联聚 乙烯电缆代替了油纸绝缘中低压电缆。 表1 1 较早开发交联聚乙烯电力电缆的公司的开发简况 国家公司名称开发日期产品开发简况 1 9 5 7 年 发明化学交联 美 6 e1 9 6 0 1 9 6 9 年 6 9 k v 以下电缆 国1 9 7 1 年1 3 8 k v 电缆老化试验 1 9 5 9 年 6 0 0 v 电缆 住友1 9 6 0 - 一1 9 6 1 年 6 6 、3 3 k v 电缆 日 1 9 7 1 1 9 7 9 年1 3 8 、2 7 5 k v 电缆 本 1 9 6 0 年 6 0 0 v 电缆 昭和1 9 6 1 1 9 6 4 年6 6 、3 3 k v 电缆 1 9 7 1 1 9 7 8 年1 5 4 、2 7 5 k v 电缆 2 1 9 6 4 年 5 0 k v 以下电缆 s i e v e r f s1 9 6 9 年 5 2 8 4 k v 电缆 瑞1 9 7 1 1 9 7 8 年 1 7 0 、2 4 5 k v 电缆 典 1 9 6 4 年 1 2 3 6 k v 电缆 a s e a1 9 6 6 年 5 2 8 4 k v 电缆 1 9 7 2 年 1 2 3 、1 7 0 k v 电缆 电力电缆常常被用作变电站、发电厂和工矿企业的动力引出或引入线，在需 要跨越铁路、江河时也常用到它；伴随着城市用电量的剧增，又希望减少线路走 廊用地，很多国家将电力电缆用作城市的输配电线路。电力电缆与架空线路相比 较，优点是受外界环境等因素的影响较少，安全可靠、耐用、隐蔽；缺点为电缆 结构和生产工艺都较复杂，且成本较高，不如架空线应用那么广泛。但在某些特 殊的条件下，电力电缆能够完成架空线不易甚至不能完成的任务。现在电力电缆 已应用到了交流5 0 0 k v 及以下的电压等级。 交联聚乙烯( x l p e ) 属于固体绝缘的，聚乙烯( p e ) 加入交联剂挤出成形后， 经过物理或化学的方法交联成交联聚乙烯。聚乙烯绝缘有良好的电气性能，但其 是热塑性材料，即有热可塑性在电缆通过很大的电流时，绝缘就会熔融变形， 这是由聚乙烯的分析结构所引起的。聚乙烯的分子结构呈直链状，而交联聚乙烯 为聚乙烯分子问交联形成的网状结构，从而使得聚乙烯的耐老化性能、机械性能 和耐热变形性能改善了，如图1 1 所示。 寥 v 碘 制 霰 4 0 ，1 ；o 1 6 02 0 0 t ( o c ) ( a ) e 主1 9 o 爱1 4 越 嘿9 卷 辖4 ( a ) 热变形与温度；( b ) 抗张强度与温度 图1 1 交联聚乙烯电缆热变形、抗张强度与温度的关系 聚乙烯交联的物理方法为辐射法，用高能电子射线照射，去除掉聚乙烯分子 里的氢原子，使得碳一碳链合，分子间进行交联。这种方法的加工性能和经济性 都不如化学交联。聚乙烯的化学交联是在聚乙烯里加入少量有机过氧化物，经常 用到的是过氧化二异丙笨，利用过氧化物受热分解产生游离基，游离基能和聚乙 烯里的氢原子结合，失去氢原子的聚乙烯分子间就联合起来，变成交联聚乙烯 3 交联聚乙烯电缆跟油纸电缆比，具有结构简单，工作温度高，制造周期短， 敷设落差不限，无油，质量轻，运行可靠，维护、安装简单和输电损耗小等优点。 因为其机械性能和耐热性能好，传输容量大，因而不仅适用于中低压系统，还可 应用到高压和超高压系统里。表1 2 列出了交联聚乙烯与其他绝缘材料的性能对 比，充分地说明了交联聚乙烯是一种良好的绝缘材料。因此，交联聚乙烯绝缘电 缆不仅仅能在中低压范围内代替传统的油纸绝缘电缆，而且还能在高压或超高压 的等级上跟自容式充油电缆进行竞争【7 1 表1 2交联聚乙烯与其他绝缘材料的性能对比 交联聚乙 聚乙 聚氯乙丙油浸 性能 单位 烯烯乙烯橡胶纸 体积电阻 q m 1 0 1 1 0 l 1 0 l l1 0 1 31 0 1 2 ( 2 0 0 c ) 介电常数 ( 2 0 0 c 、 2 32 35 03 03 5 5 0 h z ) 电气性能 介质损耗角正 切值( 2 0 0 c 、 0 0 0 0 50 0 0 0 50 0 70 0 0 30 0 0 3 5 0 h z ) 击穿强度 k v m m3 0 7 03 0 5 0 导体最大工作 o c 9 07 57 08 56 5 温度 耐热性能 允许最大短路 o c 2 5 01 5 01 3 52 5 02 5 0 温度 抗张强度n 朋，竹2 1 81 41 89 5 机械性能 伸长率 6 0 07 0 02 5 08 5 0 1 0 0o c优良 可 优 良 耐老化性能 1 2 0o c 优熔差良可 1 5 0o c 良 熔 可差 抗热变形 良熔差优 良 ( 1 5 0o c ) 其他性能 耐油( 7 0o c ) 良良良差 柔软( 1 0 0 c ) 良 差差 优 4 在电缆的实际运行过程中发现，大部分电力电缆故障是由电缆绝缘发生劣化引 起的引起劣化的原因较多，有电劣化、热劣化、化学劣化、机械劣化甚至鼠虫 害引起的劣化等，但最主要仍是电劣化。其主要劣化形态为局部放电劣化、电树 枝劣化和水树枝劣化；研究表明3 5 k v 及以下的固体绝缘电缆中，引起绝缘劣化的 主要原因是水树枝劣化但无论哪种劣化都可能造成绝缘电阻下降，泄漏电流增 加及介质损耗变大等现象，使得在工作电压下交流损耗电流变大，也导致流过绝 缘的电流中所含的直流分量增大。 过去，我国广泛使用的预防性试验是采用定期停电进行试验的方法，属于离 线检测：然而，随着电力供应的发展，这种停电试验的传统方法已越来越不能适 应电力生产和供电的实际需要；因此研究电力电缆的在线监测技术，可及时对电 缆进行合理的维护、检修及更换，对保证电缆可靠运行具有重要的意义。 近十年来，为了保障x l p e 电力电缆的安全运行，电力电缆绝缘在线监测技术 得到了长足的发展，提出了多种在线监测的方法，并在欧美和日本等发达国家获 得广泛的应用；近几年，我国在电力电缆的在线监测方面也进行了大量的研究，积 累了大量经验【。l 。 目前，有多种方法对x l p e 电缆进行在线监测但这些方法大多是对电缆绝缘信 号的识别性研究，所进行的实验也多为实验室环境下的模拟仿真实验。直流成分 法适用于各种电压等级的电缆绝缘系统的在线监测，但杂散电流的干扰和微小电 流提取困难等因素使该方法不适合电力系统的实际应用。直流叠加法适用于低压 电缆绝缘系统的监测，但不能解决接地方式与直流信号加载之间的矛盾，不适合 高压电力系统的实际应用局部放电法是电缆绝缘老化的有效判别方法，在无法 很好地解决电力系统干扰问题时，电力电缆的局部放电试验只能作为电缆产品出 厂前质量评定的手段，且局限在屏蔽良好的试验室进行，无法用于现场检测。介 质损耗角是电容性设备绝缘检测的主要手段之一，但由于反映的是电缆绝缘性能 的整体缺陷水平，无法反映局部电缆绝缘裂化程度，所以其检测精度不高。 日本学者研究发现，在同时对含水树枝x l p e 电缆施加2 个频率相近或相似呈 倍数关系的正弦电压时，检测回路中会有超低频水树劣化特征电流信号产生。因 此在强工频电场下，叠加1 0 0 + a f ( 几十伏) 的正弦电压会在水树枝老化的x l p e 电缆 中产生lh z 以下的超低频正弦响应电流信号。合成超低频频率越小，电流响应幅 值越大，这种效应可作为判别x l p e 电缆绝缘水树枝老化状态的依据。通过获取差 频电流的大小，就可以判断出电缆绝缘中的水树枝劣化程度。该检测法即为交流 叠加检测法或差频检测法。 交流叠加法在线绝缘诊断的关键技术是准确的测出纳安级的劣化信号电流。 在试验条件下精确测量此微弱电流( 压) 并不困难，但对于运行中电缆，各种干扰信 5 号都很强，工频信号可达几十伏，在这种条件下，要测量如此微小的信号是很困 难的，是严重制约电缆在线监测迅速发展的主要因素。 目前，非线性系统混沌现象的应用在信号检测、分析与处理中得到了长足进 展，利用特定的混沌系统可有效检测微弱正弦信号。本文在现有的x l p e 电缆水树 在线检测方法研究的基础上，提出了基于d u f f i n g 混沌振子系统的特征电流检测方 法，从而提高检测水树劣化的灵敏度，为完善交流叠加法检测电缆水树故障提供 有利的理论依据。 1 3 本课题的主要工作 从目前可以翻阅的文献和参考内容知，水树老化状态的在线检测方法较多， 但这些方法中可被广泛应用的却不多。其中，交流叠加法是最有可能被广泛应用 的，因为交流叠加法的检测系统的关键技术正在被逐步解决。 针对交流叠加法存在的问题，基于d u f f i n g 混沌振子系统的特征电流检测方 法，其主要研究内容包括： 1 在进一步研究x l p e 电缆水树劣化机理的基础上，建立水树劣化仿真模型， 并在m a t l a b 的s i m u l i n k 平台上对电缆水树劣化进行了仿真研究，进一步确认了电 缆水树劣化的非线性伏安特性；证明了当交流电压( 2 倍工频+ 1 ) h z 作用其上时， 检测回路有1 h z 的微小电流产生； 2 对交流叠加法进行了试验研究； 3 将d u f f i n g 混沌振子用于交联聚乙烯电缆水树1 h z 特征电流检测中，实现 对1 h z 特征信号的精确测量。 6 第二章交联聚乙烯电力电缆及水树在线检测的方法 2 1 交联聚乙烯电力电缆绝缘老化机理及监测 2 1 1 交联聚乙烯电力电缆绝缘老化机理 交联聚乙烯电力电缆已在国外应用了三十多年的历史。近二十年来，我国已 在1l o k v 及以下的产品已经能批量生产，预计在今后高压电网中，将会有更多的 交联聚乙烯电力电缆线路出现。然而，这种电缆因敷设环境的影响，绝缘层里就 会有水树出现，将会使其绝缘性能下降。因而在研究这种老化机理的同时，有必 要在交联方法及材料方面采取相应的对策。 当前，由水树引起事故的原因，基本上都是电缆在制造、运输、保管、敷设 过程里水分侵入到电缆内部所致；或是由于在导体上使用以布带为基体的半导电 屏蔽层，在毛刺突出处产生水树且伸延而导致绝缘击穿。实际上，绝缘老化的原 因来自两方面【9 l 。 1 电气方面【- o l ( 1 ) 游离放电老化 这是在屏蔽层和绝缘层的空隙中产生游离放电，从而使得绝缘受到侵蚀所造成 的绝缘老化现象。在正常相电压下，游离放电一般是不会发生的，仅仅在电缆内 部有缺陷时才会成为问题的。 ( 2 ) 树老化 所谓树，主要有电树、水树两种的。电树是指在局部高电场( 绝缘和内半导电 层的界面等) 作用下，一些缺陷在绝缘层里呈现树枝状伸展，最终导致了绝缘被 击穿。水树的形成和敷设环境有关，在电场和水分共存的影响下，可分为从导体 的内半导电层上产生的内导水树、从绝缘层里空隙、从绝缘的外半导电层产生的 外导水树等产生的蝴蝶结形水树三类。尤其是从内半导电层上产生的内导水树， 将使电缆的绝缘强度大幅度降低，图2 1 所示为交联聚乙烯电缆绝缘层里产生水树 的位置。 7 图2 1电缆绝缘层里产生水树的位置 l 内导水树；2 外导水树；卜蝴蝶结形水树；仁导体； 5 内半导电层；b 绝缘；7 外半导电层 2 化学方面 化学老化是由敷设环境所引起的，例如将电缆敷设在含有石油化学物质的地 下进而造成聚氯乙烯护套产生膨胀。有一种叫做硫化的老化现象，对电缆绝缘的 影响最大。由于硫化物( 硫化氢等) 透过护套、绝缘层和电缆的铜导体产生化学 反应，可生成硫化铜、氧化铜等物质的，这些物质是在绝缘层中从内导一侧向护 套一侧呈树枝状伸展，跟水树一样，这种老化现象被称为化学树。 化学老化的程度也会因药品、油的种类不同而异，但是它对电缆的影响都是 使其组成电缆的物理特性、材料膨胀和电性能降低。 除外，还有机械老化、物理老化及由于生物的侵蚀所引起的老化等。 ( 8 ) 产生水树的部位会产生机械变形。 有上述的初步结果，国外不少专家和学者总结出了水树形成和发展的各种机 理，但到目前为止还没有一个统一的理论其中具有典型性的论点可以总结为下 列几点： ( 1 ) 绝缘体里的水树的引发与发展是由麦克斯韦应力引起裂纹而造成的； ( 2 ) 因为介质移动，使得水进入到了绝缘体中，引起了焦耳加热或介 质加热而造成了水树引发与发展： ( 3 ) 由于电场的作用，产生水凝集的热力学学说对水树的引发和发展。 机理提出的种种设想，作为一个统一的理论还是不够成熟的。水树的引发与 发展不仅非常的缓慢，而且是一个微观现象，因而要想使这些论点成为统一的理 论还需要一定的时间。 2 发生水树后电缆特性的变化 为了判断发生水树老化的电缆，必须首先掌握在水树发生的情况下，电缆能够 显示出何种特性的变化。 ( 1 ) 介质损耗角正切值t a n 6 和水树的关系 图2 2 为电缆内有半导体带和半导电层的6 k v 电压级交联聚乙烯电缆的水树 长度和介质损耗角正切的关系。从图2 2 中可看出电缆绝缘t a n # 值是随着水树长 度的增加而增大的。如当 t a n # 约为l 时，水树长度可能会到达其绝缘厚度的5 0 。 图2 3 为线路上割下来的交联聚乙烯电缆中的水树数量与t a n 6 的关系。从图 中可知，跟水树长度关系一样，随着水树发生数的增加，t a n # 就会增大。并从图 2 3 可看出，其数据是比较分散的，这种分散性与水树长度上的误差、水树发生部 位的水量差及电缆屏蔽层等因素有关。判断其老化程度，必须考虑到这种分散性。 木村长度，绝缘覃鹰( ，) 图2 2 水树长度与t a n # 的关系 ( 3 8 k v 以下) 9 水树数量( 个c m 2 ) 图2 3 水树数量和t a n # 的关系 ( 8 8 k v 以下) ( 2 ) 绝缘电阻和水树的关系。 图2 4 与图2 5 所示的为同种电缆的水树长度与绝缘电阻的关系。图中没有显 示出和t a a 8 关系那样的明显，但是也可以看得出绝缘电阻与水树长度之间是相关 的。 一般情况下，交联聚乙烯的体积电阻很大，不发生水树的交联聚乙烯电缆绝 缘电阻的范围如图2 5 所说明的。图2 4 所示的绝缘电阻的下降，可以被认定是由 水树引起的。 一 ： - 一 ： 一 一oo o 乙 一 最大水树长度绝缘厚度) 图2 4 水树长度和绝缘电阻关系 3 击穿场强和水树的关系 _ 一 导体面积黼2 图2 5 未发生水树的3 6 k v 电缆的绝缘电阻 图2 6 所示为水树长度和交流电压击穿场强的关系。由图可知交流电压击穿场 强是随着水树的长度增加而明显下降的。图2 7 所示的为t a n 8 和交流电压击穿场 强的关系，若t a n 8 增加到5 时，交流电压击穿场强就会下降到2 x 1 0 6 9 m 左右。 1 5 交 流 电 压l o 击 穿 场 强5棼、- 、 0 0 5 0 10 20 5i2 介质损耗j i i 正切值( ) 图2 6 水树长度和交流电压击穿强度关系图2 7t a n 8 值和交流电压击穿场强的关系 4 国外交联聚乙烯电力电缆水树老化情况 我们以日本为例，该国在1 9 5 9 年开始使用6 k v 交联聚乙烯电缆，那时电缆制 l o 造使用的是湿式法交联工艺，1 9 6 7 年就产生了水树老化问题。表2 1 是关西电力 公司6 k v 交联聚乙烯电力电缆历来击穿相应电缆缺陷运行记录。 表2 1 关西电力公司6 k v 交联聚乙烯电力电缆的运行记录 电缆制造年份缺陷或击穿年份电缆击穿次数电缆缺陷次数 1 9 7 0 1 9 7 41 9 8 51 0 1 8 l ( e t 型电缆) 1 9 8 6f ， 3 1 9 8 74 3 2 1 9 7 51 9 8 51 6 6 5 ( e e 绞合型电缆) 1 9 8 6 1 2 4 6 1 9 8 79 4 3 由表2 1 可看出e t 型电缆( 仅有内半导电层挤出) 和e e 型电缆( 内外半 导电层同时挤出) 有区别，这说明e e 型电缆用外层半导电带的寿命比e t 型的 长，这是由于包带表面不光整所造成的。因而6 k v 级的交联聚乙烯电缆应用挤出 外半导电层替代常规的半导电带。1 9 8 7 年，关西公司用e e 型代替e t 型电缆。 除外，该公司也将2 2 k v 交联聚乙烯电缆割下来进行检查，发现了很多由微孔 和杂质产生的蝴蝶结状水树，很明显这些蝴蝶结状水树也能降低电缆的寿命，见 表2 2 。 表2 22 2 k v 交联聚乙烯电缆蝴蝶结状水树数量和长度 制造的年割下的年工频击穿电压蝴蝶结状水树数 蝴蝶结状水树 电缆的规格最大长度 份份 ( k v ) 量( 个e r a ) ( 孵) 2 2 k v 电缆 1 9 7 l1 9 8 75 0 1 0 02 31 2 2 0 3 4 0 0 r a m 2 2 2 k v 电缆 1 9 7 21 9 8 74 0 8 04 l o1 7 8 0 3 1 0 0 r a m 2 5 国内对交联聚乙烯电缆绝缘老化的研究 在国内，武汉高压研究院和西安交通大学对交联聚乙烯电缆树老化初步研究 的结果，也认定树老化是导致绝缘最后发生击穿的主要原因。经过很多的人工加 速老化试验表明，跟国外的研究结果几乎是一样的，可以将树枝分成三类。第一 类是电树枝，其特点为树枝放电是从材料上的不连续点或界面引发出来的，树枝 管是连续的，内空且没有水分，管壁上有交联聚乙烯因放电而被分解产生的碳粒 痕迹，分枝少而清晰。第二类是电化树枝，它的产生原因大体上与电树枝相同， 只是在空隙里渗进了其他的化学溶液。假若导体材料发生化学反应，其生成物( 如 硫化物、亚硫酸铜溶液等) 在电场的作用下，蔓延伸入的绝缘层形成树枝状物， 称作电化树枝。这种树枝为棕褐色，它是在比形成电树枝低很多的电场强度下就 可发生的。树枝管有的大体不连续，内聚凝有水分，主干树枝比较粗，分枝多且 很密集。 上海电业局电缆工作部对早期国产制造的交联聚乙烯电缆进行了检查并发 现，其绝大部分由于是直埋敷设，投入运营后会极易产生水树枝的。假若对故障 电缆进行切片后，用显微镜摄影检查，均会有不同程度的树枝。从国外引进的l l o k v 交联聚乙烯电缆，因其运营时间不长，除了电缆接头施工质量有缺陷造成击穿事 故外，电缆本体由于水树的老化导致击穿事故还没有发生过。但这并不能说明没 有水树老化的问题，因为水树老化是有一个非常缓慢的发展过程，发展到哪一步 或哪种程度，才会导致绝缘损坏和击穿，是需要进一步的研究。 2 1 3 水树老化的判断标准 可通过测定敷设电缆的r a n d 和绝缘电阻值来判断电缆是否能够产生水树的老 化，但对这些测定值要有一个合适的判断老化标准，但国内外目前还没有一个公 认的标准。表2 3 也仅是日本一些文献提到的标准，且这些标准只合适于3 6 k v 电 压等级电缆，对2 2 k v 和3 3 k v 电压等级的电缆，因为其工作电场强度很高，可以 预料到标准将会要求的更加严格。为了能够制定出这些判断标准，我们必须收集 到更多的数据，以供深入研究。 表2 3水树老化判断标准 等级标准判定 a 5 下降 a 1 0 0 0 0正常 b1 0 0 0 1 0 0 0 0 存在贯穿性水树 r ( 椭) 1 0 0 0 或电流波贯穿性水树大量 c 形异常增加，耐压显著下降 a 全部是a正常 综合判定 需要注意并增加测量 b a b 、b a 、b b 次数 c 全部是g 不良，应尽快更换电缆 1 2 2 2x l p e 水树在线检测方法 2 2 1 直流分量法 1 直流分量法的定义 直流成分法是指在交联聚乙烯电缆绝缘含有水树枝等缺陷时，树枝尖端和接 地电缆屏蔽层之间有相似于针板电极的整流效应 2 直流分量法的原理： 交联聚乙烯电缆在老化的过程中产生的水树一般都是从绝缘层与其他介质的 交界点开始生长当x l p e 电缆的绝缘层中含有水树的时候，水树和电缆的铜屏 蔽层或导电线芯就组成了针和板的两个放电电极，水树可以看作为针形电极，铜 屏蔽层或电缆导线可以看作为板形电极。因为棒板在放电过程中，棒板为负极性 和正极性时的放电过程是不对称的，在其上加入交流电压时会产生整流效应，以 上所述就是含有水树的x l p e 电缆在运行过程中产生直流分量的原因。 因为水树枝的“整流作用”而出现的一个直流分量，是体现在外电路上的，也 就是在交流电流中有一个小的直流分量，图2 8 就是现场检测原理图i 1 1 。显然，r 大一点，是有助于微小电流的测量的。然而，若要保证c s l 的电位差是零，c l 就 必须达到1 0 0 “f ，这样，时间常数f 就会很大的。又因为杂散电流会在几十秒至几 分钟的周期内波动，因而f 要足够小，电阻r 就不能太大，取1 0 k f 2 。当电流i 为 1 h a 时，电压就是1 0 v