（高电压与绝缘技术专业论文）交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究.pdf

摘要 电力设备绝缘在线检测技术是保证安全发、输、配电，及时发现事故隐 患，提高供电可靠性的重要技术手段。高压电力电缆是电力输变电中非常重 要的设备，它对电力负荷安全、稳定传输有制约作用。而电缆投入运行后， 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，及时发现异常现象，掌握电缆绝缘的老化状态，以避免事故的发生， 对电缆绝缘老化检测方法的研究就显得尤为迫切。 本文介绍了直流分量法和直流叠加法的检测原理及在电力系统中应用 的可行性，分析了电缆铜屏蔽层电化学势和外层电阻对直流法测量结果的影 响，并采用补偿电势法消除其影响。设计了一种能有效屏蔽电磁场干扰的多 层屏蔽结构，以及性能优良的无源滤波器，解决了现场强工频电场和工频电 流的干扰。研制出精度高，性能稳定，操作简便的实时采集系统，通过现场 模拟实验，该系统能够较好地完成对x l p e 电力电缆绝缘的在线检测任务。 关键词x l p e 电缆在线检测直流分量法直流叠加法 a b s t r a c t t h eo n - l i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n gt e c h n i q u eo fp o w e ra p p a r a t u s i sv e r y i m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es a f e t yo f p o w e rd e l i v e r y , f i n di n s u l a t i o nf a u l t si nt i m e a n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo f p o w e rs u p p l y w h e nt h ec a b l ei sr u n n i n g t h e i n s u l a t i o nw i l la g ei i t t l eb y1 i n l ed u et oe l e c t r i c a lh e a t ，m e c h a n i c a la n dc h e m i c a l a c t i o n s i no r d e rt ok n o wt h e p r o p e r t i e so f i n s u l a t i o na n dk c c pc a b l ew o r k i n gw e l l ， i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h e d i a g n o s t i ct e c h n o l o g yo f c a b l ei n s u l a t i o n h l 也i sp a p e r , a no n - l i n ed i a g n o s t i cm e a s u r e m e n ts y s t e r nb a s e do nt h ed c c o m p o n e n t a n dd e s u p e r p o s i t i o n m e t h o di sd e s c r i b e d a n dt h ee f r c c to f e l e c t r o e b e m i c a lr e a c t i o n sb e t w e e n g r o u n d a n d c o p p e r s h i e i di sa l s od o n e m e a n w h i l e ，i ti sf o u n dt h a tw ec a ne n h a n c et h ea n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l l t ya n d b r o a d e no n l i n ed i a g n o s i sr a n g eb y i n t r o d u c i n gt h ec o m p e n s a t i n gp o t e n t i a li n t o t h ed es u p e r p o s i t i o nm e t h o d f u r t h e r m o r e ，a m l l i t i l a y e rs h i e l d i n gs t r u c t u r ea n da b e t t e r p a s s i v e f i l t e r s h o w i n gg o o dp e r f o r m a n c e a r cc o n t r i v e ds o t h a tt h e m o n i t o r i n gs y s t e m c o u l de x l r a e tt h e c u r r e n t s i g n a lm e a s u r e df r o ms t r o r i g e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e b a c k g r o u n d s u c c e s s f u l l y f i n a l l y , a r e a l t i m e c o l l e c t i o ns y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o n ，s t a b l ef u n c t i o n , s i m p l eo p e r a t i o ni sm a d e t h ef i e l de x p e r i m e n ts h o w st h a t 血e s y s t e mc o u l df i l l f i lt h er e q u i r eo f f i e l d w o r ki n p o w e rs y s t e m k e y w o r d s ：c r o s s l i n k e d p o l y e t h y l e n ep o w e r c a b l eo n - l i n e m o n i t o r i n g d ec o m p o n e n tm e t h o dd e s u p e r p o s i t i o nm e t h o d 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 、s s 2 9 s ； 本人郑重声明：所呈交的申请亟学位的论文是本人在导师指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加咀标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个或集 体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到声明的法律后果由本人承担。 作者躲降弓岛嗍洲年y 月- 口日 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。本人授权武 汉大学可以将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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保馥日4 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：两， 弓勿 导师签名：主形c p 日期：了矿刃牵，月i9 日 日期：年月日 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着现代工业的发展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。 从十九世纪末的低压油纸电缆( 1 8 9 0 年) 到目前广泛应用的高压聚合物绝缘电缆。电 力电缆的生产及研究已走过了漫长百余年。其中交联聚乙烯( x l p e ) 电缆由于结构简 单、性能优良、安装维护方便等特点，在各种电缆中具有很强的竞争力。它不仅在中、 低压范围内取代了传统的油纸电缆。而且在高压、超高压等级上可与充油电缆相媲美， 在城乡电网改造中，受到电力部门的大力青睐，成为今后电力电缆行业的主要发展方向 t - 2 7 。 交联聚乙烯电缆，以下简称) 凹e 电缆，最早是由美国g e 公司开发的( 1 9 5 7 年) ， 1 9 5 9 年和1 9 6 0 年日本的住友公司和昭和公司采用美国专利也先后研制出这种电缆。 随后北欧的瑞典等国，以及法国、意大利等也先后开发了这项技术。短短的三十几年里。 x l p e 电缆以其良好的性能，成为1 1 0 k v 以下电压等级的主要电缆产品。目前美国已有 三十多万公里的x l p e 电缆在使用，占整个电力电缆用量的4 3 左右；在日本，所使 用的x l p e 电缆用铜量也已占整个电力电缆用铜量的8 5 ；英国、法国等欧洲发达国 家x l p e 电缆的安装和使用均已大大超过其它种类的电缆。我国x l p e 电缆的研究和 生产起步较晚，但由于从国外引进了先进的技术和生产线，发展也十分迅速。近十年来。 先后研制成功了g k v 、1 0 k v 、3 5 k v ，l l o k v 。以及2 2 0 k v 级的x l p e 电缆0 4 l 。 电缆投入运行后都将受到电、机械、化学、以及热、光等因素的作用而发生老化， 影响其寿命。正是由于x l p e 电缆的广泛使用对绝缘老化的研究也较为引人注目。近 三十几年的运行及研究表明，树枝状老化( 水树枝、电树枝) 是x l p e 电缆绝缘破坏的 主要过程岬】。1 9 5 8 年，i e e e 首先报道了高压聚乙烯电缆中生长电树枝放电通道的现象， 接着，又在潜水电机用低压聚乙烯耐水线中发现了水树枝。到了七十年代，人们相继发 现聚乙烯电缆、交联聚乙烯电缆的老化与其中的树枝化现象有密切关系。从此，这种树 枝状老化的现象引起了世界各国电缆工作者的极大关注。并投入了大量的研究工作。通 过研究，人们发现可以将树枝的引发和发展过程典型化为四个阶段：引发期、成长期、 饱和期和击穿前期。对运行后产生树枝状老化电缆的实际解剖，以及在实验室中培养的 树枝进行观察表明，树枝产生的必要条件是存在一个极不均匀的局部场强。即不管是电 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 树枝，还是水树枝均起始于因毛刺、杂质或气隙而形成的电场集中处。引发以后的树枝 在电场等因素的作用下，逐渐扩展，最终导致电缆绝缘的破坏睁”。也就是说，一旦电 缆绝缘体中产生了水树枝或电树枝，则绝缘强度下降。介质损耗增大，最终将导致击穿。 因而，除了研究如何改进电缆生产技术及绝缘的配方，来提高其耐树枝化性能外，当运 行中的电缆已经发生了树枝状老化时，为了保证电缆的可靠运行及时发现异常现象。 掌握电缆绝缘的老化状态，以避免事故的发生。对电缆绝缘老化检测方法的研究就显得 尤为迫切，尤其是对电力运行部门及用户，如何找到一种切实可行的办法来检测现场运 行电缆的绝缘成了急需研究的问题。 1 2 电缆在线监测的研究现状 通常，对电缆绝缘劣化的诊断是这样实现的即通过检测电缆绝缘的某些参数，并 根据有关的理论或标准，对其绝缘状态做出分析和判断，从而为电缆的可靠运行提供依 据。 传统的电缆绝缘老化的诊断方法有绝缘电阻试验，直流耐压泄漏电流试验，介质损 耗角正切试验，局部放电试验，耐压试验，直流放电试验，残余电荷等方法。以上传统 方法，统称为离线检测方法，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，尤其是现代大型计算机的发展，要求尽量减少 停电次数。甚至不能停电。这就要求供电部门能在运行状态下对电缆的绝缘状态进行预 测，保证电缆的可靠运行。避免突发性停电事件。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，它不但可以保证了供电的连续性，同时由 于它检铡到的实验数据是设备运行状态下的信息，因而更具有合理性。所以，这就注定 了电力电缆，以及其它各种电气设备( 包括变压器、电机等) 的在线检测是今后绝缘老 化诊断技术的发展方向。 针对x l p e 电缆绝缘老化的在线检测方法目前已提出的有以下几种： 直流分量法【l l 】：如果运行中的x l i e 电缆绝缘体产生了水树枝，则在运行中的交 流电压作用下，由于水树的整流作用将产生一个很微弱的直流电流分量( h a 级) 流过 绝缘体。通过检测这一直流分量来判断电缆绝缘老化的方法，称为直流分量法，此方法 的测定装置虽小，检测方便，可以有效诊断水树的老化但由于所测量的信号很微弱 要设法克服现场的干扰，所以成为电缆在线检测研究最多的方法。 2 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 直流叠加法“】：通过电缆所接的地电压互感器的中性点或其它方法把一小的直 流电压( ( 5 0 叠加到运行中的x l p e 电缆的导体线芯上用高灵敏度的低量程的直流微 安袁测定出流过电缆绝缘体的直流电流，以此判定绝缘老化情况。该方法原理上类似于 传统的直流泄漏电流法，但能实现在线检测。 交流叠加法：通过在电缆屏蔽层上叠加一个交流电压( 频率= 工频频率2 + 1 ) ，检测 出i h z 的特征电流信号从而判断电缆的老化。研究表明，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1 0 0 h z 时，会产生一个比较大的特征电流。该 特征电流只在老化的电缆上产生，对于新电缆并不产生特征电流，并且当叠加电压的频 率为1 0 1 4 h z 时，特征电流达到最大值。但是由于电网频率时常的微小变动，故难以判 断真实的特征电流【l ”。 谐波分量法：由水树枝引起老化的x l p e 电缆会在损耗电流中产生谐波分量。研究 表明谐波分量能很好地表征电缆的老化程度。谐波分量是由于水树枝的非线性伏安特 征而产生。随着电缆老化程度的增加损耗电流波形畸变越大，也就是说，含有的谐波 分量越来越大。这样，谐波分量本身包含了更多的水树枝老化的信息 1 ”。 零序电流法：由于电缆绝缘的劣化在三相中可能不对称，故一旦发生老化，则零序 电流增加。在接地变压器的中性点检测其零序电流的增加来进行老化的诊断。此方法 虽然测定简单，但由于三相不平衡也使零序电流增加，故检测时有难以准确判断的缺点。 在线介质损耗角正切法：通过电压互感器将运行电缆的电压信号取出，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，可得到电缆绝缘的介质 损耗角正切，以此判断绝缘老化程度。 局部放电法：电缆绝缘上加上高压，定量掌握有部分缺陷部位的放电情况，求出局 部放电起始电压，熄灭电压和放电的电荷量及频率等，从而判断绝缘状况。由于同步示 波器等高速采样设备的运用已可检出内部气隙，外伤等，但要消除外界干扰，提高灵 敏度，在现场使用效果差，且测定时间延长时，则放电量与频率随时间增加而减小1 1 4 1 。 此外尚有低频成份法、脉冲电流法等。在这些在线诊断方法中，目前国内外以直流 分量法和直流叠加法的研究最为广泛，尤其是直流分量法。大量的文献报道，现场测得 的直流分量的大小，与电缆绝缘中的水树枝有很好的对应关系。而水树枝则是一种典型 的树枝状老化现象，对电缆的使用寿命有很大影响。 近年来，日本已从实验室和现场对直流分量法和直流叠加法进行了大量研究，得到 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 了很多非常有用的结果。研究发现，在给6 6 k v x l p e 电缆进行直流分量法检测时，当 直流分量为1 0 0 h a ，对应的水树长度约为3 5 m m 。千叶毅【l ”认为直流分量与水树长度 呈指数关系。由于直流分量同水树的长度有一定的对应关系使得人们可以通过检测直 流分量这一宏观参量来判断绝缘中水树生长的有关情况。进一步研究发现，随着直流分 量的增加，则交流击穿电压降低。当直流分量超过1 0 0 h a 时，交流击穿电压值将低于 1 0 k v 。这样在积累了足够的数据后，用直流分量的值作为参量，便可以预测绝缘的 击穿强度，从而估计电缆可靠运行的残余寿命。他们发现直流分量的大小与绝缘电阻值 有很好的相关性，说明用直流分量的测量结果来判断电缆绝缘老化与离线状态下用绝缘 电阻实验的判断是一致的。目前日本关西电力株式会社，日立电线株式会社、以及四 国综合研究所等都已经开发出直流分量法的在线检测装置【1 q ，对直流分量法广泛研究， 积累了大量的数据。 我国自九十年代以来，伴随人们对水树枝现象认识的进一步深入，对x l p e 电缆绝 缘状态的现场诊断技术也有了一定的发展，但应用于现场电缆诊断与监视的尚不多见。 其原因可主要归纳为三点： ( 1 )现场检涮干扰严重 已有的方法，往往只能适合于一定条件下的x l p e 电缆绝缘在线诊断之用，如x l p e 电缆的护套绝缘电阻下降较严重时，对于所有使用采样电阻的在线诊断方法都会造成程 度不同的信号电流分流影响；再加上电缆金属屏蔽化学电势的出现，会对直流法( 直流 成分法和直流叠加法的简称) 在线绝缘诊断数据造成较大影响。此外还有静电感应、 静磁感应对直流法的影响，以及电晕宽频谱放电的整流效应对几乎所有在线绝缘诊断数 据的影响等。 ( 2 )缺乏足够的现场检测数据及经验积累 由于现场运行x l p e 电缆绝缘的水树枝老化过程比较缓慢，许多检测技术的研究只 好采用实验室模拟的方法借助于人工培养和在加速水树枝老化的情况下进行。虽然已有 研究证实人工培养水树枝与现场电缆自然老化所形成的水树枝在形态上并无太大差别， 但从水树枝分布。水树枝集中状况，特别是实际电缆的长度和运行环境等方面来看毕 竟与实验室的研究存在较大差异。即便是应用到现场的检测新技术，由于缺乏判别电缆 老化的标准而积累数据又是一个漫长的过程，尚难于对所检测电缆的绝缘状态及其剩 余寿命进行较为确切的诊断。 4 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 ( 3 ) 目前国内电力部门对运行中的x l p e 电缆尚未规定必须执行的在线或定期检 测标准 其原因一是缺乏一种或数种公认的获准在电力部门广泛推广的在线或离线检测技 术及设备；其二是过去应用的x l p e 电缆端部由于未考虑到将来在线检测的需要，接地 线与电缆铜屏蔽之间的一般采用焊接头永久连接方式且电缆端部空间十分狭小加之过 去电力运行规程规定在一般情况下不允许对运行中的高压电缆的永久性接地线进行操 作因而现场研究性试验受到一定限制；此外，对电缆在不同运行环境，不同温度下的 测试结果也存在较大差异，需要进行较多的现场实验研究。 1 3 论文的主要内容 鉴于以上所述，本文开展了以下几项研究工作： 1 在分析研究大量国内外有关文献的基础上，通过理论分析，进一步探讨x l p e 电力电缆绝缘中缺陷产生、发展的机理找出相关因素。力图寻找一种比较准确、合理、 简便的方法，从而实现对x l p e 电力电缆进行合理的状态维修。保证电力系统能够连续 安全、稳定、可靠地运行。 2 研究x l p e 电力电缆直流分量法的产生及理论依据，并通过直流分量法在线检 测技术模型，分析了现场在线检测时干扰电流的消除方法，为解决现场测量技术中碰到 的实际问题提供指导。 3 深入研究了x l p e 电力电缆直流叠加法的在线检测原理。分析了现场在线检测 时干扰电流的消除方法并通过a t p e m t p 仿真，提出在应用直流叠加法时应注意的 问题。 4 提出多层屏蔽结构并设计出性能优良的无源滤波器。通过模拟现场实验，表明 对强工频电场和工频电流干扰起到了很好的效果。 5 采用工业控制计算机系统实现对现场模拟信号的实时采集，对采集到的信号进 行软件滤波，采用数据平滑处理，分析诊断x l p e 电力电缆的绝缘性能，并实时再现波 形图，能够较好地完成对x i , p e 电力电缆绝缘的在线检测任务。 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检捌研究 第二章直流分量法 2 1 直流法的产生及理论依据 直流分量法最早是由日本人提出的。1 9 7 6 日本人y i k e d a 发现含有水树枝的6 6 k v 级的x l p e 电缆在运行电压作用下有微弱的直流电流分量存在【l ”。随后t t a n a k a 和 t o k a m o t a 也证实了这一现象。1 9 8 7 年，i c s o n a 和h o o n i s h i 等人对运行后的电缆进行 了比较详尽的实验，初步肯定了直流分量是x l p e 电缆绝缘含有水树的标志，提出了通 过在线检测直流电流来判断运行中x l p e 电缆老化的方法，即直流分量法【l ”。 由于拟将传统的直流泄漏电流试 一 验被直流分量法所取代。因而两者之间“ 的相关性是非常重要的。研究表明， 震 x l p e 电缆的直流分量与直流泄漏电藿蚪 流具有较好的相关性，两者呈适当比例 ” 相互增长，如图2 1 所示。这说明用直 流分量的测量结果来判断电缆绝缘老 i o 化与离线状态下用直流泄漏电流试验 的判断具有一致性。 b 尸 r - j f | f 学 n ln51 0& 0l o啪 5 0 0l 咖 直流成分( n ) 图2 - 1 泄漏电流与直流分量的相 大量的研究表明，水树枝是一种典型的树枝状老化现象，也是导致x l p e 电缆绝缘 破坏最重要的原因之一。日本曾对大量x l p e 电缆的事故原因进行了调查，结果表明， 因生长有水树枝而导致绝缘破坏的事故率为7 9 5 。因此，水树枝的产生将对电缆的寿 命有很大的影响。电缆绝缘中可以找到的水树枝通常有两种形式；边界水树和蝶状水树。 边界水树一般起始于半导电屏蔽层与绝缘层的交界上，而蝶状水树则起始于绝缘中的杂 质或其它电场集中处。j c f i l i p p i n i 等认为电缆绝缘破坏的危险主要来自于边界水树( 9 l ， 另外许多研究者的观测结果发现，电缆绝缘中的蝶状水树枝并不产生直流分量， r p a t s c h 认为这是因为蝶状水树枝形状对称。不具有整流作用的缘故。所以下面所讨 论的水树枝i l ”，均指边界水树而言。 6 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 对水树枝整流现象的定量描述 长坂进、君岛以及伊贺等人认为电缆绝缘中的水树枝与线芯导体构成了近似“针一 一板电极系统”，由外半导电层引发的水树枝相当于针电极，线芯导体为板电极，“针一 一板电极系统”在交流电压作用下，由于针电极( 水树枝) 在正、负半周时放电的极性 效应，将具有整流作用，从而产生直流分量。该模型的不对称电极系统整流效应的观点， 解释了只有边界水树才有直流分量，而对称的蝶状水树没有直流分量的观测结果。 众所周知，针板电极的气隙中，在电晕放电起始以前，即在放电的非自持阶段， 在针电极附近已有相当强烈的电离过程。电离放电总是先从针极附近电场强度大的区域 开始。在该区域，由电子碰撞电离产生的正离子，往往聚集在针极附近形成正空间电荷。 当针电极为正极性时，正空问电荷削弱电极附近强场区的电场，而略为加强了正空间电 荷与负极板间的电场，这样就使针附近电晕放电难以形成；当针电极为负极性时，情况 正好相反，在针极附近聚集的正空间电荷使针极附近强场区的电场更加增强，因此，放 电更容易发生。这说明针扳电极系统中，针电极施加不同极性的电压，放电情况是 不同的。正极性时起始放电电压要高于负极性时的起始放电电压例。 在交流电压下，尽管空间电荷的作用要复杂得多，但起始放电电压也呈现出与直 流时相似的极性效应。那就是负起始电压( 在负半周) 比正起始电压( 在正半周内) 要 低a 因此当针板电极上施加工频正弦交流电压时。负半周的放电时间总是长于正半 周的放电时间，负的放电电流也总是大于正的放电电流。也就是说。在外施电压的负半 周下，树枝放电向绝缘中注入较多的负电荷；在正半周时。注入的正电荷较少，以致仅 中和了一部分电荷。这样在外施交流工作电压的正、负半周的反复作用下水树枝前端 所积聚的负电荷逐渐向对方漂移，就象整流作用那样出现了直流分量，但数值极小，有 时仅几纳安。以上便是对水树枝“整流作用”的定量分析。 2 2 直流分量法的在线检测原理 一般来说水树枝发展的越长，直流分量也就越大，因而j e 电缆的直流分量与 其泄漏电流及交流击穿电压间具有较好的相关性。即在线检出直流分量增大时，常常说 明了水树枝的发展，泄漏电流的增大。这样的绝缘劣化过程将导致交流击穿电压的下降。 7 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 图2 - 2 直流分量法测量原理图 由于水树枝的“整流作用”而产生的一个直流分量，表现在外电路上，就是在交流 电流中有一个小的直流分量，现场测试线路如图2 - 2 所示，该直流分量将流过接地电压 互感器、高压配电线、电缆绝缘层、铜屏蔽层、在线诊断装置，并通过接地线形成闭合 回路。直流分量的大小与水树枝长度、数量等参数有关，因此，可以在线检测该直流分 量的大小来判断电缆绝缘的水树枝老化的情况。现场中电缆铜屏蔽层常常接地，为了测 量直流分量，需得铜屏蔽层与地断开，而把赢流分量检测装置串联在铜屏蔽层与地之间。 并且在电缆的一端铜屏蔽层的接地线装有一个开关，不测量时开关闭合，测量时打开开 关。此外，当电缆出现异常要求铜屏蔽层接地时，则开关也立即闭合，此时在线诊断装 置退出工作 直漉分量 现场测量时经常碰到的问题就是外护层绝缘电阻 不够高。因为经过多年的运行，大部分的外护层已经发 生老化，绝缘电阻下降很多，从直流分量法现场测量回 路看，测量时，即使开关打开外护层仍不能对地良好 绝缘，相当于在微电流测试仪的两端并上一个电阻r s 。 另一个问题就是当电缆铜屏蔽层由于受到离子、潮湿的 作用而发生电化学反应时，将在屏蔽层与地之间会产生 一个电动势e s 。可用图2 - 3 的等效电路进行分析。 i d 羽量直流电流 _ 广 职勰龇釉ri i l 口鏊芰蓍蓦 铜屏蔽层对地电阻nr s 图2 - 3 直流分量法等效电路图 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 假定流过外护层的直流电流为i s i 。= i 一i d 所以 a b s u s h ii g a 的测试结果认为运行中x l p e 电缆的屏蔽层电化学势约为0 3 v 左右， 最大可达0 5 v 。假定微电流计输入阻抗为1 0 6 0 ，一般直流分量k 应小于1 0 0 n a ，则 有： k r f = 1 0 0 x 1 0 4 1 0 6 = 0 i v( 2 2 - 4 ) 因此，e k r f 这样，外护层电阻对直流分量测量值的 影响可用图2 4 所示的曲线表示即测量值随 外护层电阻增大逐渐减小而接近直流分量的 真实值。也就是说，由于屏蔽层电化学势和外 护层绝缘电阻的影响。直流分量的测量值比直 流分量的真实值要大些。用这样的测量结果进 行电缆绝缘老化的诊断是不可靠的。 从以上所述可知，如何消除干扰 电流的影响是直流分量法现场应用时 首先碰到的问题以往采用改接线的 方法用电容阻断e s 通过r s 所产生 的干扰电流通路，但改接线可能难以 被电力部门的运行规程所允许，故而 在应用中要受到一定限制。 捌 求 煨 捌 捌 嚣 铜屏蔽层对地电阻 图2 - 4 外护层绝缘电阻影响 i 十直流分量r i 绝缘电阻r i 采样电阻 图2 5 等效电路模型 以下讨论采用补偿电动势的方法来消除干扰电流。根据直流分量法对x l p e 电缆进 行在线检测的原理图其测试回路可等效为图2 5 。 根据节点电压法得： 9 o o 0 o o 之 0 0 僻 知路电效等由则 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 型尝兰i ：i r t ( 2 _ 2 _ 5 ) 1 i r ? + 1 黜+ l f r i 、 检测直流电流i 与真值i d 之间的关系为： l = t + 卺+ 鲁 一面e s 。“， 一般情况下绝缘电阻凡与护套电阻r s 间满足关系式r i r 5 ，测量值的绝对误差 为： 越= i - i d 2 意旺s 一臻1 1 ( 2 - 2 - 7 ) 据简单计算，当护套电阻降至1 0 k q 。而采样电阻了取1 0 k o 时，即使只有l m v 的 化学电势，也分引起5 ( m a 的测量误差。对于良好的x l p e 电缆。其直流分量均在l n a 以下，足见r s 和e s 对直流分量检测值的影响。 以下采用补偿电动势在线检测e s 和r s 。其原理见图2 - 6 和图2 7 所示。 图2 - 6 补偿电动势在线检测原理图图2 7 补偿电动势在线检测等效电路图 其中e n 为外加精密可调电压源i a 为x l p e 电缆中的水树在工频运行电压下所产 生的n a 级直流电流( 即直流成分) 的等效电流源模型的电流值，玛为电缆主绝缘电阻， r 为滤波器的等效直流电阻。r 为微电流检测放大器的采样电阻，。为检测到的电流 值，k l 和k 2 分别为在线检测开关。 由等效电路可知。当e n 为零时，i 。基本由e s 通过回路a b c d 所产生的干扰电流 和i d 在c d 支路的分流共同构成。通常r i r i ，r i r ，p , q 仅有几百o ，故有 1 0 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 k * 南+ 菩 陆z 固 可见i 。构成复杂。h 为直流成分法的真实在线检测信号，因此当e 。0 或r ，较 小时，干扰电流( 上式第一项) 对直流成分法的影响尤为严重。 当附加电势e n 精密可调。微电流检测仪具有足够测量精度时可采用下面步骤对e s 和黜进行在线测量： 1 调节e n 的大小和极性，使i r 。= o 的e n 即“补偿电势”e | 1 ，它完全补偿e s 在 如上产生的干扰电流并使i d 全部流入e s 和黜的串联支路，即 u = e l = e + r ，i d( 2 - 2 9 ) 2 通常h l t o c 网络对地 阻抗仍呈容性，三相基本平衡，电网中性点0 的位移电压甚小。在系统发生某些扰动， 如( 1 ) 向只带有电磁式电压互感器的空母线充电；( 2 ) 进行投、切空载线路等操作；( 3 ) 线路发生单相瞬间弧光接地及接地故障的消失；( 4 ) 电网有雷电感应；( 5 ) 电网负荷轻、 电压高时发生传递过电压等情况时，可能使电网对地电压瞬时升高，电压互感器励磁电 流增大，在互感器电感趋于饱和时，伏安特性趋于平缓，l 值下降。很小的电压升高会 导致电感电流有较大增长。其示意图可见图3 5 。 u 在三相电感饱和程度不同时，电网中性点就有较高的位移电压，过饱和线圈产生等效谐 波源，在分频谐波下可能激发谐波谐振过电压。 1 6 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 g p t 饱和过电压的防止措施 常用的方法有： 1 选用励磁特性较好的电磁式电压互感器，或弃用之。 2 在零序回路中加阻尼电阻； 在网络中加零序电阻的方式除在开口三角绕组上接电阻外，也可以在g p t 高压侧 中性点对地接电阻r ，如图3 6 。 图3 6 r 的取值应适中，太小则互感器中性点仍然直接接地，r 若太大，当系统出现单相 接地时，大部分零序电压降落在r 上，压变开口三角绕组电压将太低，影响保护装置 的动作。对于6 3 5 k v 电网，一般情况下r 可取2 0 3 0 k d 。对以上结论，由仿真结果 可见。 3 增大对地电容；由试验知，当网络对地容抗与互感器高压侧在线电压下每相激 磁感抗之比小于o 0 l 时，网络不会出现压变饱和过电压。 4 在判定产生饱和过电压时，可采取临时措施消除过电压如将电源变压器中性 点临时接地：投入消弧线圈：投入事先规定的某些线路或设备：将互感器中性点从接点 断开或者切除互感器。 二、对x l p e 电缆在线检测系统的相关分析 根据系统运行方式的不同应分别讨论，针对中性点不接地系统，采用g p t 中性点经 电容接地，直流叠加在g p t 中性点与地之间，可参见图2 - 2 。 1 7 武汉大学硕士学位论文 交鞋聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 i ) g p t 中性点经电容接地 考虑最差情况：a 相接地。在未投入直流电源前，当g p t 过饱和发生分频谐振时 可得a 、c 两相波形，如图3 7 所示。 u目mm w 图3 - - 8 为g p t 中性点流过的电流波形， 图3 7 可见发生近似5 分频谐振 - h ni l 图3 8 1 8 订 _ - 伸 。 舶 啪 砷 弋 m q 一 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 在投入直流电源后，当g p t 中性点经0 0 2 心电容后。g p t 中性点流过的电流波形为 i ih # l lo n o街坤 一和目哪一a 帅惜 图3 - - 9 当g p t 中性点经1 0 0 心电容接地时，发生近似两分频谐振，g p t 中性点流过的电流波 形为： c - - ，h _ ” 1 一t x m i ， 图3 一1 0 1 9 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 在分析谐波谐振时，电网电源三相对称的工频电势可不记入于是有下面的等值电路 图 g c o l c 图3 一l l 其中c o 为线路对地电容，c 为接入电容。分析可知当c 相对于c o 较大的情况下， c o 与电感的串联谐振成为主导因素，当c c 0 时，从以上各图易知，c 的影响可忽 略不计。 3 ) 当系统中存在其他的g p t 时，在中性点与地之间应串入电容c 。与电阻r 0 串联的 组合其中电容起隔直作用，电阻用来阻尼铁磁谐振。 对于6 - - 3 5 k v 电网。一般r 0 的取值在2 0 3 0 1 d i 左右，研究表明，当r o = 1 0 k n 时， 已有较好的阻尼效果，见图3 1 2 所示。 一1 ，- “ 图3 一1 2 武汉大学硕士学位论文 交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 对于起隔直作用的电容，出于尽量让系统状态保持相对稳定的考虑本文认为应远 大于所在线路的线路对地电容使其对系统的影响降到最小。 下面分析一下这样是否对g p t 保护接地故障的灵敏度会产生影响。 图3 1 3 是系统发生单相接地故障时的系统接线图以及接入r 0 、c o 前后的等值电路 图。u 和u7 分别是接入前后r 上的电压( r7 是g p t 二次回路的电阻换算到一次侧 的值) ，当忽略高压母线对地电容c 和绝缘电阻r 及故障点电阻时，u 和u 两者关 系为 睢竺至墼坠坠三掣鲨u ( 3 - 1 1 0 ) 1 + 出2 c ：( r + r o ) 2 。圈圈兰 + 。熹 从式( 3 - i - i i ) 可看出，对实际系统而言d o 9 5 即影响程度小于5 。 2 l ( 3 一i - 1 1 ) 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 第四章直流法的硬件设计 对于x l p e 电力电缆绝缘在线检测系统，实际上需要测量的数据就只有直流分量 ( na 级的微小电流) ，要实现此量的在线测量。检测装置需由以下几个部分组成： 信号采集单元：低通滤波及放大单元：a d 转换单元；数据采集单元。 鉴于所抽取的特征信号是一个较大的交流信号中的一个非常微弱的直流电流分量， 因此受到干扰的可能性很大，特别是来自于电缆锅屏蔽层上的噪声电流和杂散电流，这 些电流有可能大于被测的信号电流，甚至可能远远大于被测的信号电流。 杂散电流的来源有： ( 1 )由于护套损坏、进水和护套绝缘局部产生金属的原电池： ( 2 )由电磁感应和静电感应产生的噪声电流： ( 3 ) 地中的杂散电流； ( 4 )放大器及各种集成电路的温度漂移和零点漂移： ( 5 )高压交流配电系统中的整体绝缘老化。 针对以上问题，x l p e 电缆绝缘在线检测系统在设计时要充分考虑必要的隔离和抗 干扰措施。 4 1 测试现场的电磁兼容问题的探讨 电力系统由各种不同类型的电气设备组成，在运行中它们共同形成了一种特殊的电 磁环境。各种电气设备不仅以各种方式影响着电磁环境，而且对所处的电磁环境有公平 要求，即存在电磁兼容性( e l e c t r o m a g m t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e i v i c ) 问题。 运行方式的改变如故障、开关操作等引起的电磁振荡会波及很多电气设备，使这些 设备的工作性能受到影响，甚至遭到破坏。即使在正常的运行状态下，某些非线性元件 等产生的谐波也会危害其它设备。电力系统中的电磁干扰大致可分为三种情况：一次设 备之间、一次和二次设备之间、二次设备之间。电磁干扰的频率范围包括工频、谐波、 中波和高频振荡。其传播途径有传导、耦合和辐射三种形式。 变电站是一次设备和二次设备最集中的场所之一。一次回路中的开关操作、雷电流 及短路电流等可能在接地网上引起电位升高这时甚至二次回路中电缆之间的电磁耦合 都会对二次回路产生干扰。因此，现场存在的大量干扰信号也不可避免地会以各种方式 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 进入绝缘在线检测系统，与被测信号混在一起，使在线检测的灵敏度和可靠性下降a 如 何有效地屏蔽外界干扰，保证检测装置的工作可靠性是需要认真考虑的问题之一。 屏蔽、滤波、接地是抑制电磁基本的方法。而对检测系统而言，主要采取屏蔽的方 法抑制电磁干扰。屏蔽主要用于切断干扰的传输途径，根据其性质可分为电场屏蔽、磁 场屏蔽和电磁屏蔽。 传感器的屏蔽结构要从屏蔽电场干扰和磁场干扰两方面来考虑。屏蔽效能 ( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ，简称s e ，也称屏蔽损耗) 是衡量屏蔽效果好坏的指标，屏蔽 效能越大表示屏蔽的效果越好。总的屏蔽损耗包括吸收损耗a 、反射损耗r 及多次 反射损耗b 三部分。一般情况下，由于多次反射损耗较小，因此计算总的屏蔽效能时 只要考虑吸收损耗及反射损耗即可。对于电场干扰的屏蔽，主要靠反射损耗r ，而对于 磁场干扰的屏蔽，主要靠吸收损耗a ，其计算公式分别为 a = 1 3 1 4 3 t _ 、分，以( 扭) ( 4 一l 1 ) 厂 一 1 肛3 2 1 。7 “地l 惫j ) ( 4 - 1 - 2 ) 式中：f - - - 电磁波频率( h z ) oi 一屏蔽体的相对于铜的电导率 p 。一屏蔽体的相对于铜的磁导率 卜金属屏蔽体厚度 r - 干扰源离屏蔽体的距离 由以上两式可知，电磁场屏蔽的效果与屏蔽材料、屏蔽材料厚度、电磁波频率及干扰源 离屏蔽体的距离等有关。通常采用高电导率、低磁导率的铜材料作为电场屏蔽材料。试 验表明，只要铜屏蔽材料的厚度大于3 0um ，其屏蔽效能在全频谱范围内均可达到 1 2 0 d b 以上。但铜材料对于低频磁场的屏蔽效能很差，同样厚度为3 0um ，对于工频 5 0 h z 的电源频率的磁场几乎没有屏蔽作用。如果要求对工频磁场的屏蔽效能达到 4 0 d b 。则铜材料厚度应达到l c m 以上。 铜材料不适于作低频磁场的屏蔽体是因为这种高电导率、低磁导率的抗磁材料主要 靠反射起屏蔽作用，而对于低频磁场，反射损耗非常小，几乎不起反射作用。因此对工 频磁场干扰应采用高磁导率、低电导率的强磁材料进行屏蔽，这类材料是靠把磁通限制 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 在屏蔽体内的原理进行屏蔽。至于磁屏蔽材料的选择，要看屏蔽磁场的强弱而定。一般 在外磁场较弱时，可以采用d 7 9 类坡莫合金；当外磁场强较时，多用饱和磁感应密度 高的1 4 6 类坡莫合金或电磁纯铁，必要时可和i j 7 9 类坡莫合金一起使用，即当单层屏 蔽不能满足要求时可采取双层以上的多层屏蔽结构。 针对电力系统电磁干扰的具体特点( 工频为主、高频范围宽) ，本文提出采用多层 屏蔽结构。其屏蔽效能为每层屏蔽效能之和。因此要比单层屏蔽效能大得多。对于电屏 蔽，由于实壁单层铜屏蔽的屏蔽效能在最薄的厚度情况下也大于1 0 0 d b 因此一般不需 要双层屏蔽。而对磁场干扰采用多层屏蔽才能获得很高的屏蔽效能。这类屏蔽一般采用 高饱和磁感应密度材料和高导磁率材料构成的双屏蔽结构，它可以在屏蔽体内将相当强 的外磁场干扰降到很低的值，因为借助两层屏蔽之间的空气隙一般只需较小的壁厚就 可将磁场干扰屏蔽至很小的程度。 检测系统电磁屏蔽的屏蔽效能与屏蔽结构的设计密切相关。检测装置的电屏蔽层采 用2 m m 厚的高电导率的铜材料，而磁屏蔽分为内外两层，分别采用l m m 厚高导磁率 坡莫合金材料和l m m 厚高饱和磁感应密度的铁皮。为了验证屏蔽结构与屏蔽效能之间 的关系。本文将几种材料进行不同的结构组合并对屏蔽效果加以比较，得到如下表所示 的结果。由于尚缺少完善的精密检测设备因此只能先定性给出不同屏蔽结构的屏蔽效 果。 表4 1 不同屏蔽结构的屏蔽效果 屏蔽结构( 从外到里)屏蔽效果 l ，2 3 好 2 ，3 1较好 l ，3 2差 3 ，2 ，l差 l 铜屏蔽层、2 铁屏蔽层、3 域莫台金屏蔽层 由上表中结果可以看出。选择将铜作为最外的屏蔽层、铁皮作为外层磁屏蔽，而将 坡莫合金材料作为内层磁屏蔽的多层屏蔽结构效果最好。将铜作为最内层的屏蔽。则屏 蔽效果下降，而将内、外磁屏蔽层的材料顺序改变后，屏蔽效果则明显变差。 将铜作为最外层的屏蔽层是因为铜不仅可以屏蔽电场。而且对高频磁场也有很强的 屏蔽作用，因此可以先将部分高频磁场屏蔽掉。而对于磁屏蔽，不仅要考虑材料的磁导 率，还必须考虑磁饱和电平。坡莫合金的磁导率虽然很高，但磁饱和电平较低，因此若 武汉大学硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测研究 将其作为靠近磁场的外层磁屏蔽，很容易发生磁饱和，从而导致整个屏蔽结构失效。所 以，靠近电磁场源的一层应采用磁导率相对低一些、但饱和电平相对高一些的材料如铁 皮，以避免磁饱和，内层屏蔽由于该处磁场己较弱，不会产生磁饱和，则可采用高导磁 率的坡莫合金材料。 此外在各孱蔽层之间不能相互连接，其间应隔开空气或填充绝缘材料，否则会失 去多层屏蔽的作用。磁屏蔽体要构成回路，所有孔洞、缝