（高电压与绝缘技术专业论文）110kv交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究.pdf

摘要 交联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆由于其自身的一系列优点，在高压电网中得到了 越来越广泛的应用。特别在城市中，由于电网结构的调整和城市规划的要求，电缆线 路不断增加。目前已有不少1 1 0 k v 电压等级的交联聚乙烯电力电缆线路投入运行， 并且处于快速增长的趋势。对运行中的电缆，为了掌握其绝缘状况，有必要对之进行 在线的绝缘监测及诊断。11 0 k v 电压等级的电缆线路在城市电网中的地位举足轻重， 更加应该给予重视。 本论文首先概要地讨论了目前电力电缆绝缘在线监测的几种方法，并对这些方法 进行分析、比较，指出它们的优缺点。从这几种在线监测方法中归纳出它们的实质： 在线监测实际上是进行一系列电参量的检测，并以实验得到的先验数据与实际电缆绝 缘特性之间的相关性为依据来判断电缆绝缘的状况。 目前采用的多种在线监测方法都是针对较低电压等级的电缆线路。对于较高电压 等级的电缆，本文通过对绝缘参数的估算得出结论：几种已有的针对较低电压等级电 缆的在线监测方法，难以有效地用于1 1 0 k v 的x l p e 电缆绝缘在线监测。论文进一 步指出，局部放电法与趋势管理方法是电缆绝缘在线监测的发展方向。虽然局部放电 方法的有效性较高，但价格投入甚高。故本文通过对具体的电缆线路进行分析，采用 接地线电流法作为趋势管理的手段。既可达到一定的效果，又可体现经济上的优势。 针对接地线电流法，设计并完成了一套现场多路接地线电流采集装置，包括传感 器的选择，输入信号的放大，前置低通滤波，锁相环频率跟踪电路的设计以及基于 a t 8 9 c 5 5 的单片机的数据采集、键盘与液晶显示等电路的设计。本文将介绍在开发 过程中的一些思路以及一些实际问题的相应解决对策。 同时，本文简要地介绍了用来进行趋势管理的上位机的定时监控程序，以及基于 r s 4 8 5 的串口通信的实现和数据库的建立等。 对采集并存储到上位机数据库中的时间序列，进行了统计分析。对采集得到的三 相电流信号实现单相历史数据的纵向比较以及三相电流之问的横向比较，并综合起来 对绝缘的老化状况进行评估。 关键词：电力电缆在线监测接地线电流法统计分析 a b s t r a c t x l p e p o w e r c a b l ei sw i d e l yu s e di ne m d s y s t e m f o ri t ss e r i e so f m e r i t s e s p e c i a l l yi n c i t i e s ，f o rt h er e q m r e m e mo f n e t w o r ks t r u c t u r ea d j u s t m e n ta n d c i t yp l a n n i n g ，t h em o u n t o f c a b l el i n ei n c r e 如e sc o n t i n u o u s l y a tp r e s e n t t h e r ea r em a n yx l p ec a b l el i n e so fn o k v v o l t a g ec l a s si ns e r v i c ea n d i ti so nt h es w i f tg r o w t ht r e n d f o rt h ep o w e rc a b l e si ns e r v i c e ， i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u to n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss oa st om a s t e ri t s i n s u l a t i o nc o n d i t i o n 1 1 1 ec a b l el i n e so f1 1 0 k v v o l t a g e c l a s st a k ea n i m p o r t a n tp l a c ei nc i t y p o w e rg r i d ，s ow e s h o u l d p a y m o r ea t t e n t i o nt oi t 。 i nt h i sp a p e r , w eg e n e r a l l yd i s c u s ss e v e r a le x i s t e dm e t h o d sa b o u to n 1 i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n go nc a b l e t h e na n a l 3 。z ea n dc o m p a r e t h e s em e t h o d sa n d f i g u r eo u t t h e f tm e r i t s a n dd e m e r i t s w ea l s oi n d u c et h e i re s s e n t i a l ：t oc a r r yo u to n - l i n em o n i t o r i n gi st od e t e c ta s e r i a lo fe l e c t r i c p a r a m e t e r s ，t h e nb a s e o nt h ec o r r e l a t i o no fp r i o rd a t ac o m i n gf r o m e x p e r i m e n ta n di n s u l a t i o nc h a r a c t e ro fa c t u a lc a b l e ，w ec a l la s s e s st h ec a b l ei n s u l a t i o n c o n d i t i o n a tp r e s e n t m o s to ft h eo n - l i n em o n i t o r i n gm e t h o d sa i ma tc a b l el i n eo fl o w v o l t a g e l e v e l ，f o rt h o s eo f h j 曲v o l t a g el e v e l ，a f t e rt h ee s t i m a t eo f t h e i ri n s u l a t i o np a r a m e t e r sw e d r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tt h o s ea b o v em e t h o d sc a n n o t a p p l y t oo n 1 i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n go f 11 0 k vx l p ec a b l e 7 1 1 l ep a p e ra l s op o i n t so u tt h a t p a r t i a ld i s c h a r g em e t h o d a n dt r e n dm a n a g e m e n tm e t h o da r et h eu e n do fd e v e l o p m e n t a l t h o u g ht h ev a l i d i t yo f p a r t i a ld i s c h a r g em e t h o di sh i g h ，i t sp r i c ei sr e l a t i v e l yh i g h e r s ow ec h o s ee a r t hl i n e c u r r e n tf o rn e n dm a n a g e m e n t i tc a l la c h i e v ec e r t a i ne f f e c ta n di se c o n o m i c a l a sf o re a r t hl i n ec u r r e n tm e t h o d w ed e s i g n e da n df i n i s h e das e to fo n s i t em u l t i p a t h e a r t h1 i n ec u r r e n tc o r r e c t i n gd e v i c e t l l i sw o r ki n c l u d et h ec h o i c eo fc u r r e n tt r a n s f o r m e r a n dt h ed e s i g no f a m p l i f i e r , p r i o rl o wp a s sf i l t e r , f r e q u e n c yt r a c i n gc i r c u i tw i t hp h a s el o o p ， d a t aa c q u i s i t i o nb a s e do na t 8 9 c 5 5 m c u k e y b o a r da n dl c d d i s p l a ym o d u l e n i sp a p e r a l s od i s c u s si nd e t a i la b o u ts o m et h o u g h t si nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n ds o l u t i o nf o r s o m ea c t u a lp r o b l e m s w ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c et h et i m i n gm o n i t o r p r o g r a m i nu p p e rc o m p u t e rt h a ti su s e d f o rc a r r y i n go u tt r e n dm a n a g e m e n ta n dt h er e a l i z a t i o no fs e r i a jp o r tc o m m u n i c a t i o nb a s e d o nr $ 4 8 5a n dt h ee s t a b l i s h m e n to f d a t a b a s e w ec o l l e c tt h ed a t aa n ds a v et h e mt od a t a b a s eo nu p p e rc o m p u t e r t h e nw ef o r ma t i m es e r i e sd a t aa n dp r o c e e ds t a t i s t i ca n a l y s i s w el o n g i t u d i n a l l yc o m p a r et h eh i s t o r i c a l d a t ao fc e r t a i np h a s ea n dc r o s s l yc o m p a r et h ed a t ep h a s e - t o - p h a s e w ec o m b i n et h e i r r e s u l t st oe v a l u a t et h ec o n d i t i o no f c a b l ei n s u l a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rc a b l e o n l i n em o n i t o r i n ge a r t hl i n ec u r r e n tm e t h o d s t a s t i ca n a l y z e i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意 承担由此而产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 年月日 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 引言 自1 9 5 7 年美国g e 公司率先开发了交联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆以来，x l p e 电缆以其良好的性能，成为各种电压等级的主要电缆产品。目前，x l p e 电缆己被广 泛使用于高压、中压配电线路中，并且随着城网改造的深入开展，呈现出快速增长的 趋势。 电缆投入运行后将受到电、热、机械、化学等因素的作用而发生老化，影响其寿 命。为了保证电缆供电的可靠性，预防性试验规程规定，电缆的主要试验项目为测量 绝缘电阻、直流耐压并测泄漏电流。以上方法为离线检测方法，其共同缺点是要求在 停电状态下试验。而随着社会对电力需求的日益增大和电气设备规模的扩大，要求尽 量减少停电次数。这就要求供电部门能在运行状态下对电缆的绝缘状况进行监测，并 对电缆的绝缘进行状态管理。显然，这种在运行状态下对绝缘老化的检测( 称为在线 检测) 具有很大的优越性，它不但可以保证供电的连续性，同时由于它检测到的数据 是设备运行状态下的信息，因而更具有合理性。 对于x l p e 电缆的在线监测，目前国内外己提出了多种方法。主要有：直流分量 法、直流叠加法、在线t a n6 法、叠加低频法、在线局部放电法等。并且，已经开发 了相应的检测装置。这些方法中，大部分是针对较低电压等级( 3 5 k v 及以下) 线路 的。对于较高电压等级线路，目前还未有特别有效的方法。 本文在全面掌握国内外最新研究成果的基础上进行了研究。通过对1 1 0 k v 电缆 线路的具体分析，论证了上述几种方法的局限性。并且，率先采用接地线电流法来进 行电缆的在线监测。提出了一套切实可行的基于接地线电流法的电缆绝缘在线检测方 案，并据此开发出一套电缆绝缘在线检测系统，进行了现场的安装与调试。 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 第一章绪论 1 1 电缆绝缘在线监测的意义 随着现代工业的发展和城市化水平的提高，电力电缆作为传输电能的重要工具， 越来越得到人们的重视。其中的交联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆由于其电气性能好， 击穿电场强度高，介质损耗角正切值小，安装维护方便等一系列优点，在高压电网中 得到了越来越广泛的应用。特别在城市电网中，为了减少线路走廊及提高送电的可靠 性，要求提高电缆化比例及主干道电线入地，广泛地采用交联聚乙烯电力电缆作为高 压、中压输配电线路。目前，国内大部分城市采用的是1 1 0 k v 、1 0 k v 、3 8 0 v 的三级 电网结构。因此，已有不少1 1 0 k v 电压等级的交联聚乙烯电力电缆线路投入运行， 并且处于快速增长的趋势。 电缆投入运行后，由于受到电、热、机械、化学等因素的作用将发生老化。为了 保证电缆的可靠运行，我国目前预防性试验规程规定，对电力电缆绝缘的主要试验项 目是测量绝缘电阻、直流耐压并测泄漏电流。除了进行这些离线测试以外，为了在运 行过程中掌握电缆绝缘的老化状况，及时发现异常现象以避免事故的发生，还有必要 对之进行在线的绝缘检测及诊断，防患于未然。1 1 0 k v 线路是城市电网的主干线路， 其重要性不言而喻，更加应该给予重视。因此，对1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆进行 绝缘在线检测，对保障城市电网的安全可靠运行，有着重要的意义。 1 2 国内外电缆绝缘在线监测的研究现状及趋势 目前国内外对x l p e 电力电缆绝缘在线检测的研究，已提出了如下几种方法： 1 、直流分量法 直流分量法是基于对x l p e 电缆老化过程中产生的水树枝的研究而提出的。实验 表明，对产生水树枝的电缆施加交流电压后，将产生与针电极的整流作用同向的直流 电流分量。因此，如果运行中的x l p e 电缆的绝缘体产生了水树枝，则在运行中的 交流电压的作用下，由于水树枝的整流作用将产生一个微弱的直流电流分量( f 演级) 流过绝缘体。研究表明，水树枝发展得越长，树枝密度越大，流经电缆绝缘的电流中的直 流成分就越大。并且，x l p e 电缆的直流分量与直流泄漏电流具有较好的相关性，两 者成比例互相增长。利用这些相关性，在电缆外屏蔽接地端串入一微直流电流检测装 置，以检测这一直流分量并以此来判断电缆绝缘老化的方法，称为直流分量法。 2 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 直流分量法具有不需要专门的电源装置、不接触高压部分即能进行测量的优点， 但由于被测电流值小，很容易受杂散电流与护层绝缘电阻的影响。针对外护层电阻较 低，以及电缆屏蔽层与地之间产生的化学电动势问题，有学者提出采用补偿电势【4 0 】 的改进措施。即在回路中串联一精密可调的直流电动势，然后采取对应的操作，进行 两次测量后计算得到实际的直流分量值。 对直流分量法的评价，引用日本关东电气保安协会对1 2 0 0 根x l p e 电缆进行测 量得到的归纳性结论： ( 1 ) 当护层绝缘电阻为1 0 m q 以上而小于1 0 0 0 m q 时，准确的诊断出贯穿性的水树枝 是可能的，但对于未贯穿水树枝的诊断则是不确定的。 ( 2 ) 护层绝缘电阻值低于几兆欧时，诊断是困难的。 2 、 直流叠加法 此为开发于1 9 7 7 年的电缆在线检测法。实验表明，将较低的直流电压叠加到交 流高压上后，在线测得的绝缘电阻与停电后加直流高压时的测试结果很相近。因此， 可以通过电缆所接的电压互感器( g p t ) 的中性点或其它方法，把- d , 的直流电压叠加 到运行中的x l p e 电缆的导体线芯上，然后用高灵敏度的直流电流检测装置测定出流 过电缆绝缘体的直流漏电流，以此来判定绝缘的老化程度。为了消除单向杂散干扰电 流对在线检测数据的影响，采用分别叠加正、反向直流电动势产生直流电流，然后对 电流的差值进行数据分析的方法。但是，当电缆护层绝缘电阻较小，且存在电缆铜屏 蔽接地化学电动势时，产生的直流干扰电流有可能“淹没”了叠加的直流电流。对于 这种情况同样可以采用补偿电动势的方法加以解决【4 “。 直流叠加法的特点是抗干扰能力较强，能够确切地检测出贯穿水树枝地存在，但 由于必须叠加直流电源到电缆芯线上，对于不同的地网需采用不同的叠加方式，而且 必须仔细分析叠加电源后带来的影响。目前直流叠加法在国内也有应用，但主要应用 于电网中性点不接地或经由消弧线圈接地的1 0 3 5 k v 的线路上。对于中性点直接接 地的电网则无法应用。 3 、在线介质损耗角正切法 在线介质损耗角正切法是对运行中电缆的t a n6 值进行测量的方法。要求得电缆 的t a n6 必须知道电压与电流的相位。可以通过电压互感器将运行电缆中的电压信号 取出，同时用电流互感器将流过电缆绝缘的工频电流信号取出。比较两者的相位，可 求得电缆绝缘的介质损耗角正切( t a n6 ) ，以此判断绝缘老化程度。由于x l p e 电缆 的t a n6 值很小，该方法要求电压传感器和电流传感器的角差稳定且需进行精心的验 证。 此外，如果x l p e 电缆的铜屏蔽带受腐蚀导致与电缆半导电层的接触电阻的增 1 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯屯力电缆绝缘在线监测的研究 加。那么，测得的t a n6 只是表征意义上的值而不是电缆绝缘本身的值。这样，采用 t a n6 法进行电缆绝缘在线监测，更确切的意义在于，可以通过考察电缆敷设之后的 t a r t6 的增量来进行趋势管理。 4 、叠加低频法 此方法将低频电压接入电缆高压回路的高压端与地之间，从电缆的接地线上测出 低频电流。由于电缆绝缘层可以看作r 、c 的并联等值电路，当施加的电压为低频时， 流过绝缘层的容性电流( i c = u c ) 较工频时小得多，而阻性电流却无明显的变化，因而 较易从接地线总低频电流中分离出阻性分量。一方面可以计算得到阻性电流所反映的 电缆的绝缘电阻，另一方面使得等值介质损耗角正切较易测出。 低频叠加法需要将测量装置在线地连接在高压线上，因此必须考虑其运行的安全 性。 5 、 在线局部放电法 电力电缆局部放电量与其绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘 一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。国内、外专家学者、ie c 、iee e 以及cig re 等国际电力权威机构一致推荐局部放电试验作为xlpe 绝缘电 力电缆绝缘状况评价的最佳方法。因此，通过检测运行中的电缆绝缘的局部放电，可 以用来检测电缆绝缘的局部缺陷。随着现代传感器技术，信号处理技术的快速发展， 采用局部放电法作为电缆绝缘在线监测的方法现在已成为研究的热点。应该来说，这 种方法最具有发展前景，但对技术要求也较高，价格上也比较昂贵。 常用的几种局部放电方法有：用局放仪测局部放电量、电磁波法、超声波法等。 主要测量对象为电缆终端及连接盒。最近正活跃开展基于局部放电发生相位分布( p d 图谱) 的图谱识别进行绝缘异常和劣化的诊断1 3 j 。 6 、接地线电流法 x l p e 电缆的绝缘老化过程中，其电容量将发生变化，主要表现为电容量增加的 趋势。电容量的增加将导致接地线电流的增大。实验证明这种变化是明显的，如图 1 1 所示f l 】。此外，加速老化试验中还验证了交流击穿电压与接地线电流增量i g 有 较好的相关性”，如图1 2 所示。因此，在线检测通过电缆接地线的电容电流的增量 i g 的方法，以此来评估绝缘的老化状况，此即为接地线电流法。 在根据i 叠对绝缘的状况作出判断时，需要用概率统计的角度来考虑。此外，可 以根据历年来的趋势以及邻相的数据等进行综合分析。 从这几种在线监测方法中可以看出，电缆的在线监测实际上是进行一系列可测电 参量的检测，并以实验得到的先验数据与实际电缆绝缘特性之间的相关性为依据来判 武汉丈学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 断电缆绝缘的状况。 。( _ 堪 譬 堪 叠 蝤 图1 1 老化前后的接地线电流 t “ 图1 2 击穿电压与接地线电流 增加率的相关曲线 国内外实际应用于电缆绝缘在线监测的仪器主要是基于上述的前四种方法。如日 本住友公司的在线运行电缆监测仪( o l c m ) 采用的是基于直流分量法和直流叠加法 的综合；日本九州电力公司综合研究所开发的在线检测装置则采用的是叠加低频法。 上海电缆研究所研制的c d z 型交联聚乙烯电缆诊断仪也是采用直流分量法和直流叠 加法的综合。但是，这些装置面向的监测对象主要是1 0 k v 及以下电压等级的线路， 对于较高电压等级的线路，这些方法并不适用。 近几年对电缆局部放电的在线监测的研究发展得相当快，在欧美等发达国家已相 继开发出基于局部放电的x l p e 电缆在线检测装置。如英国的i p e c 开发的o s m 局 放现场测试仪就是基于超声波的局部放电检测方法。局部放电法是公认的一种效果比 较好的在线监测方法，因此也成为近期电缆在线监测研究的热点，这可以从近年发表 的论文上得到印证。但是，由于它需要很高采样频率的局放信号采集模块和精密的波 形显示装置以及复杂的软件识别系统，价格上相当昂贵。 1 3 论文选题的意义 上述的大部分方法针对的是较低电压等级的电缆线路，一般为3 5 k v 及以下的中 性点不直接接地系统。对于较高电压等级如1 1 0 k v 级的线路，髓否沿用这些在线检 测方法，必须通过对具体线路的特征进行分析。需要指出，由于x l p e 电力电缆制造 工艺的改进，如以前的湿式交联法改良为目前的干式交联法，以及电缆绝缘中的杂质 含量的锐减，在高电压等级的x l p e 电缆中，水树产生的情况并不多见，也难以见到 出现贯穿性水树枝这样的老化现象i ”。这样，一些基于电参量与水树枝长度相关性的 检测方法，如直流分量法、直流叠加法、叠加低频法等的适用性就难以确定了。可以 说，目前对于高电压等级的电缆的在线检测，还没有什么特别有效的方法。当然，随 5 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 着研究的深入，在线局部放电法很可能被证明是高有效性的。除此之外，可能没有比 对电缆进行趋势管理更为有效的方法了。 由于新式高电压等级电缆的老化故障概率很低，没有必要为每条线路固定安装一 套昂贵的局放监测仪。因此，开发一套价格较低的，简易可行的，能够反映绝缘老化 状况的电参数的在线监测系统，对得到的电参数进行趋势分析，以期从中获得电缆老 化的征兆，具有重要的意义。 1 4 本课题完成的主要工作 本课题以襄樊电业局两回1 1 0 k v 的x l p e 电缆线路作为研究对象。通过对电缆 实际线路的特征及其接线方式的考察，以及对现有各种电缆在线检测方法的分析和比 较，确定了采用接地线电流法进行电缆在线监测与趋势管理的研究方案。针对这种在 线监测方法，设计并完成了一套现场多路接地线电流采集装置。这部分的具体工作包 括传感器的设计、输入信号的调理、前置低通滤波的设计、锁相环频率跟踪电路的设 计以及基于a t 8 9 c 5 5 的单片机的数据采集、键盘与液晶显示等电路的设计等。 同时，我们编写了用来进行趋势管理及统计分析的上位机程序。包括定时采集的 实现、串行通信的设计、数据库的建立等。本论文还对采集并存储到上位机数据库中 的数据，进行了统计信号的分析。讨论了对采集得到的三相电流时间序列进行历史数 据的纵向比较以及三相之间的横向比较的方法。 6 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 第二章电缆绝缘在线监测方案的确定 前已指出，我们期望得到一种简易可行的，能够进行电缆的趋势管理的在线监测 方法。本章我们着重对电缆的实际线路及接线方式进行深入的分析，并对现有各种在 线检测方法进行分析，讨论它们对于本研究对象的适应性或有效性。最后，对确定的 在线监测方案进行较详细的说明。 2 1 电缆的实际线路及接线方式 采用何种方法来进行电缆的在线监测，必须考虑电缆线路的实际情况，如电缆的 电压等级、接线方式等。 1 1 0 k vx l p e 电缆线路对比于较低电压等级线路如1 0 k v , 3 5 k v 等有以下特点： ( 1 ) 电缆的结构采用分相单芯的形式，并分别加以屏蔽。 ( 2 ) 一般采用中性点直接接地方式，接地电阻不大于0 5q 。 此外，还需要考虑电缆的自身特性以及接地线连接方式。 本课题的研究对象是襄樊供电局的两回( 每回路有三相) 1 1 0 k v 交联聚乙烯电力 电缆，长度分别为5 7 5 3 米和5 7 0 3 米。电缆的型号为：y j l w 0 26 4 1 1 0 k v 1 * 3 0 0 m m 2 额定电压1 1 0 k v 铜芯交联聚乙烯绝缘挤包皱纹铝护层聚乙烯外护层电力 电缆。 通过现场的调研，它们有如下的特点： ( 1 ) 线路长度为5 0 0 米左右，属于短线路，因此没有采取金属屏蔽层三相交叉互 连措施，且电缆中段没有设置连接盒。 ( 2 ) 电缆线路的进线端在杆塔上，出线端则引到g i s 变电站内。在杆塔端的金属 屏蔽层通过保护器接地，而在g i s 端则三相金属屏蔽层直接接地。 其每一相的接线方式如图2 i 所示： 图2 11 1 0 k v 电力电缆线路接线方式示意图 7 武汉大学硕士学位论文1 l o k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 这里注意到，电缆的铜屏蔽在与架空线连接处并没有接地，而是接了保护间隙。 我们知道，单芯屏蔽电缆在交流电通过时，会使屏蔽层上产生感应电压。如果屏蔽 层两端不接地，此感应电压会危害人身安全；若两端接地则又会产生循环电流，限 制了电缆的载流量。这里由于电缆比较短，因而电缆线芯在铜屏蔽上的感应电压也 较小，为了充分发挥电缆的载流量，因此采用一点接地的方式。而在电缆的另一端， 加接了保护间隙，以防止感应电压过高而对其它设备产生危害。从此处也可以得知， 仅有的接地线一端，其接地线不能断开，否则感应电压会危害人体安全。 根据电缆的型号，可以查出其物理结构及参数如图所示。根据其结构图可以计 算出绝缘特性参数。下面主要计算出电缆的绝缘电阻及电容量。 主绝缘y j l w 0 2 型x l p e 电缆 额定电压1 1 0 k v 导体标称截面：3 0 0 r a m 2 体 导体外径：2 0 6 0 m 内屏蔽厚度：1 5 m 绝缘厚度：1 8 5 m m 外屏蔽厚度；t o m m 铅包厚度：2 o m m 外护套厚度：3 o m m 电缆外径：9 1 8 m m 图2 2 电缆结构及物理参数 2 1 1 绝缘电阻的计算 一般所称的绝缘电阻是指体积绝缘电阻， 与泄漏电流i 。的比值，即： r i = u i 自 根据电缆手册上的绝缘电阻的计算公式， r ：盟g 其定义为：绝缘上所加的直流电压u 单位长度上电缆的绝缘电阻为： ( 2 1 ) 其中g 为几何因数，g = 1 n 上 匕 r 一绝缘外半径( c m ) ，包括绝缘外的屏蔽层厚度。 r c 一导体外半径( c m ) ，不包括导体外的半导体屏蔽层。 r ，和r c 可根据电缆的型号查得。对于y j l w 0 2 型电缆，为单芯屏蔽电缆，通过 图2 2 所示的尺寸可以算得：r i = 2 ，8 8 c m ，r e = 1 0 3 c m 。在2 0 。c 下，交联聚乙烯材料的 绝缘电阻系数所为1 0 1 6 1 0 1 7 q c m 代入公式( 2 1 ) ，7 可得：在2 0 。c 下，其单位长 8 武汉大学硕：l 学位论文0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 度上绝缘电阻为0 1 6 3 6 5 ( 1 0 1 4 1 0 ”) q m 易知，若电缆长度以5 8 0 米来计算，本电缆的理论绝缘电阻为2 8 x ( 1 0 4 1 0 5 ) m q 需要指出，影响绝缘电阻的主要因素有：温度、电场强度及杂质。电缆的实际 绝缘电阻会显著地小于其理论绝缘电阻，但应该在同一数量级。从获得的停电测试 数据来看，电缆实际的绝缘电阻值都超出1 0 0 0 m 的摇表最大量程。因此，可以得出 一个结论：本电缆的绝缘电阻相当大，而且大于1 0 0 0 m q 。 2 。1 。2 电缆电容量的计算 单芯电缆的导体与金属屏蔽层之间的电压为u ( v ) ，而导体上被充的电荷为 q ( c ) 时，则电荷量与电压的比值c 为该电缆的电容( 单位为f ) 即： c = q u 在均匀电场情况下，电容c 与电极面积a 成比例，而与电极间的绝缘厚度6 成 j 反比：c = 占- - 兰 o 其中为绝缘的介电常数。交联聚乙烯的= 2 5 根据电缆手册上的计算公式，单芯电缆的单位长度下的电容可表示为： c ：2 x o 0 6 ，-( 2 2 ) g 其中g 为几何因数，计算绝缘电阻时已经求得。 将，和g 的值代入公式( 2 2 ) ，计算得c = 1 3 5 p f m 易知，若电缆长度以5 8 0 米来计算电缆的理论电容量约为7 7 n f 。 2 2 各种电缆在线监测方法的可行性分析及方案的选择 可以从两方面来考虑l1 0 k v 电压等级的x l p e 电缆在线监测方法的选择：一是 监测方法的有效性和可行性，二是具体线路对在线监测方法的限制。 2 2 ，l 已有的几种在线监测方法的分析 1 、直流分量法 本电缆线路的接线方式对采用直流分量法进行在线监测没有限制。但是，直流 分量法并不适合于对本研究对象进行在线监测。原因有如下两点： ( 1 ) 前己述及，由于制造工艺上的改进，目前x l p e 电力电缆都是采用干式交联的 方法。以过去的湿式交联法相比，其质量有显著的区别。目前电缆绝缘中所含的水 分比过去大大减少了，所含杂质的数量也少得多。根据日本学者速水敏幸的研究发 现，在高电压等级线路上，由于水树枝的生成而导致的电缆绝缘故障已不多见。这 9 武汉大学硕士学位论文 1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 样，基于水树枝的整流效应而产生的直流分量与其在线检测方法就不再适用了。 ( 2 ) 假设绝缘中有水树枝生成的情况下，由于研究对象的绝缘电阻的阻值很高，远 大于1 0 0 0 m q ，因此，采用直流分量法进行在线监测时，其直流分量可能很微弱： 其次，由于高电压等级的线路更易产生电晕放电，会对直流分量的检测造成很大的 影响，甚至可能淹没直流分量。可以断定，对于本身就非常微弱、非常难以测得的 纳安级直流分量，在受到强烈的杂散电流的干扰的情况，更加不可能测准了。 2 、直流叠加法 直流叠加法需要在电缆的芯线上叠加一直流电压。由于本线路的中性点采用直 接接地的方式，从而将电网中的零序电压分量强制为零。因此，无法在电缆的芯线 上叠加上直流电压。故直流叠加法对1 1 0 k v 线路不可行。 此外，若采用叠加低频法也存在着一样的难题，即电源无法叠加到电缆芯线上。 3 、在线介质损耗角正切法 交联聚乙烯电缆绝缘的介质损耗角正切值一般都很小。特别对于高电压等 级的x l p e 电缆，由于绝缘电阻与等值电容都相当大，根据下式： 纷去：荔：去 泣s ， 可以看出，t g o 的值很小。并且，流经电缆绝缘的电流绝大部分是容性电流。 其全电流与电网电压的相位差也非常小而不可辨。另外，考虑传感器的角差及滤波 等电路造成的相位偏差，要得到所要求的精度几乎是不可能的。因此，介质损耗角 正切法也不适用于本研究对象的在线监测。 4 、接地线电流法 通过对电缆线路的分析可知，运行中将会有一电流流过电缆的主绝缘。此宅流 的主要成分为流过电缆主绝缘的电容电流，还有很小部分的阻性分量。由于电缆铜 屏蔽采用单点接地的方式，在接地线上不会有感应电流流过，只是在电缆接架空线 的一端有感应电压的存在。因此，在电缆外屏蔽接地点处测量得到的电流就是流经 电缆主绝缘的电流。这样，采用接地线电流法来进行在线监测，甚至无需对电网的 接线等进行任何的改动，可以很安全地挂接在现场进行长期的数据采集与监测。 将流经接地线的电流视为电容电流，那么，只要在接地线上安装电流传感器及 电流检测单元，即可实现对接地线的电容电流的增量i g 的在线检测。并且，由于 接地线电流的数值较大，可达安培级，很容易测量。这样，可以较简便地得到反映 绝缘状况的电参数( 电容电流) 的时间序列。然后再根据获得的电容电流的时间序 列，从概率统计的角度出发，对之进行历史数据韵趋势分析以及相间的横向比较， 1 0 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 以此来进行绝缘老化的评估。综上，采用接地线电流法对本研究对象进行在线监测 及趋势管理最为合适。 2 2 2 基于接地线电流法的在线监测 为了从接地线电流中提取出蕴含的电缆绝缘的老化信息，应当将接地线电流进 行“纯化”，以排除一些与老化信息关联微弱的信号的干扰。我们采用电缆接地线电， 流中的基波分量来作为信息采集的主体，因此，需要滤除掉一些高频的随机干扰和 高次谐波信号。 具体在线监测方法如下：首先将接地线电流变换为计算机能够采集的电压信号。 可通过穿心式电流传感器( 类似罗戈夫斯基线圈) 进行电流的变换，然后转换为电 压信号；得到的电压信号经过信号调理、低通滤波及量化处理后交由单片机现场检 测单元进行数据的滤波处理以及基波分量的计算后，通过通信接口把数据传送给后 台的微机作进一步的统计信号处理与诊断。 整个检测装置的构架由如下几部分组成： ( 1 ) 信号变换单元 ( 2 ) 信号滤波及a d 转换单元 ( 3 ) 单片机数据采集处理单元 ( 4 ) 计算机数据通信单元 ( 5 ) 后台微机处理系统 整个检测系统的原理框图如图2 2 所示。 架空线端 图2 _ 3 检测系统的原理框图 由上位机进行定时的控制，可以得到电缆三相接地线电流的基波幅值的时间序 列。对此三组( - - 相) 时间序列进行统计处理，可以采用如下的方法。 ( 1 )单向电流的显著性增长的判别 假设电缆接地线中的电流发现显著性的增长，那么，在排除因线路运行故障引 起的可能性后，可以认为是电缆绝缘的变差。届时可以进行更进一步的检测与分析， 如减小定时采样的时间间隔以获取更多的数据来密切关注电流的变化趋势等。 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯屯力电缆绝缘在线监测的研究 由于接地线电流幅值不可能始终是一个常数，它必然随系统运行电压的波动、 负荷电流的变化而有所变化。因此，更应该将其看作是一种具有统计特性的随机时 间序列。从物理结构上来看，如果电缆芯线中的电压保持稳定，那么，在电缆绝缘 特性不变的情况下，接地线电流的统计分布特性应该与电网的电压的分布特性一致。 众所周知，电网是一个可控的大的惯性系统。因此，其电压分布有稳定的统计特性。 而当电缆绝缘变差时，其电容电流将会变大，体现在某个时刻以后的时间序列的均 值“上浮”。 因此，可以在安装了本监测系统后的一个时期内，获得大量的数据。例如，我 们在安装本监测系统后，取用一个星期的全部监测数据。如果初始设置的定时采样 时间间隔为一分钟的话，那么，我们可以得到的数据量为7 x 2 4 x 6 0 = 1 0 0 8 0 。求出 这些数据的均值，把它作为接地线电流总体的均值1 0 。由于初始安装时电缆绝缘状 况可以认为是良好的，求得的均值就可以作为后续采样得到的数据得参照。 这样，以后进行电流采样得到的数据，就可以采用假设检验的统计方法来判别 它们是否正常。例如，我们假设后续采样得到的某个样本( 即某个特定数量的数据) 所体现的总体的均值为，那么在绝缘特性无明显变差的情况下，与胁应保持 一致。否则会明显大于肌。我们的目的就是采用统计检验法则来进行如下的检验： h o ：“= p0 ：h l ： u u 0 由于未能知道接地线电流数值的确切概率分布，我们只能采用大样本方法来构 造检验统计量。样本数据量取一天的采样数据( 2 4 6 0 个点) 就足够了。根据中心 极限定理我们有： 当h o 成立时，“= 二三掣近似服从n ( o ，1 ) 分布。 o 6 给定显著性水平a 。此处的显著性水平a 是指根据本法则来进行判断时，犯“在 h o 为真的情况下，我们却拒绝了h o ”这种错误的概率。根据标准正态分布的分位 点的定义，在给定了a 的情况下，统计量u 应该小于“。而( “。，o 。) 区域则是 拒绝域。具体的，若由监测到的电流幅值计算得到的1 1 小于一。，则表示接地电流 没有发生显著增长，若求得的u 落在拒绝域内，可以作出电容电流显著性增长的判 断。这也暗示电缆绝缘老化的可能性。 可以看出假设检验有下面两个重要的思想：首先是反证法思想。为了检验假设 i t 0 是否成立，首先假定假设h 0 是正确的，看由此会出现什么结果，如果出现一个 1 2 武汉大学硕士学位论文1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测的研究 不合理的现象，则表明“h 0 是正确的”的假定是错误的，应拒绝h 0 。如果没有出 现不合理的现象，则认为“h 0 是正确的”的假设是正确的，就应该接受h 0 。其次 是小概率原理。小概率原理认为：小概率事件可以认为在一次试验中不发生，如果 小概率事件发生了，我们认为这是不合理现象。小概率的值a 对假设检验有重要的 影响，从概率的性质知道，n 越小，否定假设h 0 越不容易，说明如果否定假设h 0 ， 接受h 1 ，则结论更有说服力。因此确定c 1 值的问题关系到假设检验结论的说服力问 题。可以这么说，设定较小的n 值可以提高对绝缘判断的准确度，但降低了其灵敏 度。 对检验的结果来说，拒绝h 0 是有说服力的，接受h 0 是没有说服力的。由前面 假设检验的基本原理可以看出，拒绝h 0 是根据实际推断原理也就是小概率原理作 出的结论，这是有说服力的。若按受h 0 ，只能说没有充足的理由拒绝h o ，才接受 h 0 。可见，原假设h 0 和备择假设h 1 并不是平等的。接受h 1 必须有充足的理由， 而接受h 0 只是没有足够理由拒绝h 0 才接受h 0 。因此h 0 是受到保护的假设，没 有足够的理由不应受到否定，而h 1 是必须有充足的理由才接受的假设。这符合实 际的情况：我们必须有足够的理由，才可以作出电缆绝缘变差的判断。否则的话， 可能搞得“草木皆兵”。 ( 2 ) 三相电流的相间横向比较 在运行电压三相平衡的情况下，电缆的三相接地线电流应该也处于平衡状态。 然而，电网中的电压总是存在一定的不平衡度。这样，进行相间的横向比较也必须 以统计均衡的观点来进行。 例如，我们取a 相和b 相的电流值的时间序列来进行分析。假设a 相和b 相 的期望值同样可以由初始采样得到的大样本数据作均值获得。a 相的期望值为ul ， b 相的为u2 。那么，根据数理统计的大样本理论【1 1 ，有： 的渐进分布为n ( 0 ，1 ) 。 此处n ，和n 2 可阻取同样的大小。与单相电流中采用的方法类似，给定显著性水 平a ，可以检验a 相和b 相电流的均值是否处于同一统计水平。由上述统计量得到 的数值的符号还可以判别出电流较大的一相。将三相电流两两进行比较，然后可以 根据它们之间先前的相互关系进一步作出判断。 1 3 藏 武汉大学硕士学位论文1 l o k v 交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监删的研究 第三章接地线电流现场检测单元的硬件设计 采用接地线电流法进行电缆的在线监测，需要用统计分析的观点来进行研究。 由于一系列的原因，如系统的当前运行状态( 包括电缆芯线上的电压波动) 、环境因 素( 如温度，湿度) ，以及一些未知的影响因子等，实际的电缆接地线电流的基波有 效值将不会是一恒定的常数，而应该是一波动的随机时间序列。为了较灵敏地反映 其波动状况，尽量降低因测量手段而造成测量结果的分散性，用以获取电缆接地线 电流的现场检测单元必须满足一定的精度要求。但是，一味地追求高精度可能增加 设计的难度与成本的剧增。而且，对统计信号处理而言，这么做的收效并不大。事 实上，系统的稳定性远比系统的高精度性更值得加以考虑。因此，要求设计出稳定 性良好的，又有一定精度的接地电流现场检测单元。这是硬件设计的目标。对于检 测单元的测量精度，定位为0 5 级就足够了。 接地线电流现场检测单元由以下几个部分组成：电流传感器、信号调理