（电气工程专业论文）高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究.pdf

i j l i l llli lli l l li ll l i iiil y 19 0 6 2 0 0 p a r t i a ld i s c h a r g et e s ts y s t e md e s i g na n dm e c h a n i s mr e s e a r c ho f p a r t i a ld i s c h a r g ei np o w e rc a b l ea c c e s s o r i e s b y x i a ox i a o l i n b e ( 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 6 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 e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g f e n g m a y , 2 0 1 1 湖南大学 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： 日期：1 年广月沙了日 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。本人授权湖南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，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 可匀，i 冠 日期： 日期： 年广月哆日 年厂月哆日 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 摘要 电力设备绝缘介质中局部放电会造成绝缘缓慢劣化，最终导致电力设备发生 绝缘击穿事故。对电力设备进行局部放电试验，可以了解其绝缘状况，检测电力 产品质量，预防绝缘事故，保证电力设备在电力系统中的长期安全稳定运行。因 而，局部放电问题的研究一直是高电压绝缘领域最重要的研究方向。 该文首先论述了对电力设备进行局部放电试验的意义及作用，阐述了相关在 线检测方法的原理及状况，并指出了各种方法的优点及局限性，分析了影响在线 检测技术发展的各个因素。同时对局部放电试验装备、检测回路进行了详细的叙 述。 基于高压电缆附件生产企业现有试验设备，针对高压电力设备局部放电试验 流程的特点，建立了基于d s p 技术的高压电缆附件局部放电自动试验检测系统， 详细阐述了d s p 控制系统的功能、技术参数及各个硬件模块的设计原理，包括 d s p 供电模块、数据存储模块、通讯模块等。设计并研制了相应软硬件系统，可 实现对高压局部放电试验设备进行自动升压、降压、局放数据自动传输、自动生 成试验报告等功能。测试结果表明本文设计的高压电缆附件局部放电自动检测试、 验系统具有检测准确，运行可靠、稳定、抗干扰能力强等优点。此系统可以对试 验过程进行全程监控，同时可以自动进行数据采集和处理，可满足局部放电试验 的各种要求。根据电缆附件主要绝缘缺陷，采用实际的高压电缆终端，开展了电 力电缆附件单气隙缺陷条件下的局部放电检测与识别研究。 在局放机理研究方面，从固体绝缘单气隙局部放电的模型出发，采用基于流 体力学的流注放电模型，利用f c t o f e m 法模拟了局部放电脉冲电流的形成过程， 清楚的展示了局部放电形成过程中各种带电粒子浓度分布情况及气隙内部电场分 布，为气隙局部放电机理的研究提供了新的理论研究方法。 关键词t 局部放电；试验；电缆附件；绝缘；控制 a b s t r a c t p a n i a ld i s c h a r g e i ni n s u l a t i n gm e d i u mo f p o w e r e q u i p m e n t w i l lc a u s e s l o w - d e t e r i o r a t i o n ，a n dw i l le v e n t u a l l y r e s u l ti ni n s u l a t i o nb r e a k d o w na n dl e a d i n g t oi n s u l a t i o nf a i l u r e p a r t i a ld i s c h a r g e t e s t sf o re l e c t r i c a le q u i p m e n tc a nh e l pe n 9 1 n e e r t ok n o wt h ei n s u l a t i o nc o n d i t i o na n d q u a l i t y o fh i g hv o l t a g ea p p a r a t u s ，a n d e n s u r et h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t i np o w e rs y s t e m t h u s , t h e r e s e a r c ho fp a r t i a ld i s c h a r g eh a sb e e nt h ep r i n c i p a li s s u ei nt h ef i e l do fh i g h - v o l t a g e i n s u l a t i o n b a s e do nt h e e x i s t i n gt e s te q u i p m e n t so f ah i g hv o l t a g ec a b l ea c c e s s o r l e s m 锄u f a c t u r ec o m p a n y , t h i sp a p e r e l a b o r a t e s a l l a u t o m a t i c a l l yd e t e c t i n g p a r t l a i d i s c h a r g et e s ts y s t e mi n s p i r e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i a ld i s c h a r g ep r o c e s s o t h i g hv o i t a g ee l e c t r i c a le q u i p m e n t t h ed e s i g no f t h i ss y s t e mi sb a s e do nd s pc h i p t h i ss v s t e mc 髓m o n i t o rt h ew h o l ep r o c e s so f t e s t i n g ，a n ds i m u l t a n e o u s l yc 姐a c q u l r e a n dp r o c e s sd a t aa u t o m a t i c a l l yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ep a r t i a ld i s c h a r g et e s t i n i t i a l l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h e s i g n i f i c a n c e o fp a r t i a ld i s c h a r g e t e s to f p o w e re q u i p m e n ta n ds t a t e st h er e l e v a n tp r i n c i p l e sa n dd e v e l o p i n g s i t u a t l o n o fo n l l n e m o t o 血gm e t h o d s i ta l s oc o m p a r e s t h em e r i t sa n dl i m i t a t i o n so ft h e s em e t h o d s 孤d a i l a l v z e sv a r i o u sf a c t o r st h a tw o u l di n f l u e n c et h e d e v e l o p m e n to f o n l i n ed e t e c t l o n t e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，t h e e q u i p m e n t f o rp a r t i a ld i s c h a r g et e s t a n dt h e t e s tc i r c u i t sa r ee l a b o r a t e di nt h i si s s u e a c c o r d i n g t ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t ，锄a u t o m a t i c a l l yd e t e c t i n gp a r t i a ld i s c h a r g et e s ts y s t e m b a s e do nu s 上， t e e h n i q u ef o rh i g hv o l t a g ec a b l ea c c e s s o r i e sh a sb e e ne s t a b l l s h e d a d d i t i o n a l l y , t h ep a p e re l a b o r a t e st h ef u n c t i o no f d s pc o n t r o ls y s t e m ，t e c h n l c a l p a r a m e t e r sa n dd e s i g np r i n c i p l e so f e a c hh a r d w a r em o d u l e ，i n c l u d i n gt h ed s pp o w e r s u p p l ym o d u l e s ，d a t as t o r a g em o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，e r e t h es y s t e m w l t h c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e a n dh a r d w a r ec a nr e a l i z et h eh i g hv o l t a g et e s te q u i p m e n t 7 s f u n c t i o n s ( t h ea u t o b o o s t ，t h ea u t o b u c k ，a u t o m a t i c d a t at r a n s m i s s i o na n da u t o m a t l c g e n e r a t i o no f t e s tr e p o r t sa n ds oo n ) t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h ep a r t l a ld l s c h a r g e d e t e c t i o ns y s t e mf o rh i g hv o l t a g e c a b l ea c c e s s o r i e sd e s i g n e d i n t h i s p a p e r h a s a c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t y ，s t r o n g l y a n t i i n t e r f e r e n c ee t c t h es y s t e m c a na l s o s u p e n ，i s et h ew h o l ep r o c e s so ft h e t e s ta n dm e a n w h i l ec o l l e c t a n dp r o c e s sd a t a a u t o m a t i c a l l y m o r e o v e r ，p r a c t i c a lh i g h - v o l t a g e c a b l et e r m i n a lh a sb e e nu t l l l z e dt o i 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 d e t e c ta n di d e n t i f yp a r t i a ld i s c h a r g eu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es i n g l ev o i di np o w e r c a b l ea c c e s s o r i e s f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h ep a r t i a l d i s c h a r g em o d e l i n s i n g l ev o i d o fs o l i d i n s u l a t i o n ，r e s e a r c h e sh a v ea p p l i e dt h es t r e a m e rd i s c h a r g em o d e lb a s e do nf l u i d m e c h a n i c s b e s i d e s ，t h e s er e s e a r c h e su t i l i z et h ef c t - f e mm e t h o dt os i m u l a t e t h ef o r m a t i o no fp a r t i a l d i s c h a r g ep u l s ec u r r e n t t h eo u t c o m ec l e a r l ys h o w st h e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fv a r i o u sc h a r g e dp a r t i c l e sa n de l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n i n s i d et h ei n t e r v a l d u r i n gt h ep a r t i a ld i s c h a r g ef o r m a t i o np r o c e s s a n dt h er e s u l t p r o v i d e san e wt h e o r e t i c a la p p r o a c hf o r t h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i s mo fp a r t i a l d i s c h a r g eg a pa n dh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ；t e s t ；p o w e rc a b l ea c c e s s o r i e s ；i n s u l a t i o n s ；c o n t r o l i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘j j 2 兽i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引i x 第l 章绪论一l 1 1 局部放电试验研究的目的及意义1 1 2 电力电缆在线监测技术现状3 1 3 影响在线监测技术发展的主要因素7 1 4 论文的主要工作7 第2 章局部放电测量的基本原理。9 2 1 局部放电试验主要设备9 2 2 局部放电脉冲电流法测试原理9 2 3 检测阻抗的选择1 l 2 3 1r c 型检测阻抗1 2 2 3 2l c r 型检测阻抗1 4 2 4 放电量的校正15 2 4 1 放电量的校正原理1 5 2 4 2 直接校准1 6 2 4 3 间接校准1 7 2 5 校准时的注意事项18 2 6 电缆附件局部放电测量时的干扰及其抑制措施1 9 2 7 本章小结2 0 第3 章基于d s p 芯片的局部放电试验控制系统设计2 1 3 1 概述2 l 3 2 局部放电试验控制系统技术指标2 l 3 3 硬件平台的总体设计。2 2 3 3 1d s p 供电模块2 3 3 3 2 系统参数存储：2 4 3 3 3 开入开出模块2 4 3 3 4 通讯模块：2 6 v 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 3 3 5 信号采集模块：2 7 3 3 6 系统软件模块2 7 3 4 本章小结2 9 第4 章电缆附件单气隙缺陷局部放电试验分析3 0 4 1 局部放电特性3 0 4 1 1 气隙局部放电的产生及其危害3 0 4 1 2 存在气隙时局部放电的放电过程3 2 4 1 3 表征局部放电的参数3 4 4 2 电力电缆附件缺陷模型局部放电试验3 6 4 2 1 试验设备规格参数。3 6 4 2 2 模型制作3 7 4 2 3 试验步骤3 7 4 3 试验数据波形分析3 9 4 4 本章小结4l 第5 章电缆终端气隙局部放电仿真。4 2 5 1 流注放电理论4 2 5 2 电缆终端局部放电气隙数学模型4 2 5 3 求解算法一4 3 5 4 结果及分析4 4 5 5 本章小结4 7 i l i i 论：4 8 参考文献5 0 致谢5 4 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 。5 5 v l 硕上学位论文 插图索引 图2 1 脉冲电流法基本原理示意图1 0 图2 2 脉冲电流法基本测试回路1 1 图2 3 检测阻抗原理图1 2 图2 4 检测阻抗电路图1 2 图2 5r c 型检测阻抗测试回路小1 3 图2 6l c r 型检测阻抗测试回路1 4 图2 7 直接校正回路原理图1 6 图2 8 间接校准接线1 8 图3 1 局部放电试验控制系统2 2 图3 2d s p 芯片管脚一2 3 图3 3t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 芯片供电电源连接图2 4 图3 4x 5 1 6 3 电路连接图2 4 图3 5 一路开关量输入电路图。2 5 图3 6 开关量输出电路图2 5 图3 7r s 4 8 5 通讯模块电路图。2 6 图3 9 信号输入一2 7 图3 10 信号调理2 7 图3 1 1 人机交互界面2 9 图4 1 介质中含单个气隙等效电路图3 0 图4 2 放电过程示意图。3 3 图4 3 脉冲电流法测量原理图3 7 图4 4 试验线路连接图3 7 图4 5 电缆附件终端3 7 图4 6 确定系统零标图3 8 图4 7 校准图3 8 图4 8 背景噪声3 9 图4 98 k v 椭圆时基图4 0 图4 1 0l o k v 试验电压下采集信号图4 0 图4 1 11 2 k v 试验电压下采集信号图4 0 图4 1 21 5 k v 试验电压下采集信号图4 l 图5 1 单气隙模型4 4 v l i 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 图5 2 模型剖分图4 4 图5 3 单气隙局部放电仿真电场分布图一4 5 图5 4 电子浓度分布图4 5 图5 5 负离子浓度分布图4 6 图5 6 正离子浓度分布图4 6 v i i i 硕： 学位论文 附表索引 表3 1 采样技术指标2 l 表3 2 电源技术指标2 2 i x 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 局部放电试验研究的目的及意义 我国经济经过改革开放三十年的快速发展，国内生产总值年平均增长率在世 界范围内名列前茅，城市化进程也不断加快，国民生活用电量、工业生产用电量 不断飙升。尽管我国电力装机总容量也实现了快速增长，“十一五”期间我国新增 电力装机超过4 3 亿千瓦，总装机容量达到9 5 亿千瓦，电力装机容量每年增加 近1 亿千瓦，位列世界第二位，但是持续多年的用电紧张局面一直没有得到彻底 缓解。2 0 0 9 年、2 0 1 0 年两年国家电力装机总容量分别为8 7 4 亿千瓦，9 5 亿千瓦， 2 0 1 1 年底将突破1 0 亿千瓦，预计为1 0 4 亿千瓦，电力装机容量较上年同比增长 分别为9 2 ，8 6 ，9 4 l lj 。根据目前中电联制定的电力行业“十二五一规划报 告，预计到“十二五一期末，我国电力装机总容量将超过1 4 亿千瓦。为了在“十 二五一期间实现基本建成安全可靠、节能环保、技术先进、管理规范的新型电网 这一远大目标，电网建设和改造工程也将在大范围内迅速开展，此举必然导致对 电力电缆附件以及各种电力设备的需求量的增加。同时在电力装机容量不断增长 的过程中，电力系统的电压等级也在不断提高，因而对电力设备的绝缘耐压强度 也提出了一个更高的要求。 而随着电力系统电压等级的提高，以及电力系统容量的不断增加，大型电气 设备的制造成本也在不断上涨。因此，如果电力设备发生故障导致停电事故，不 仅会对电力设备会造成重大损害，而且也会对工农业、交通运输业、邮电通讯等 行业造成不可估量的经济损失；更进一步鉴于电力工业在国民经济发展中的最重 要的基础能源工业地位，它不但关系到国家经济安全的重大战略问题，而且与人 们的日常生活、社会稳定息息相关，一旦发生重大事故，将会产生许多不可预估 的不良社会影响，也不利于和谐社会的建设。由上可知，在电力系统中，由于电 气设备故障而引起的事故所导致的经济损失远远超过了电气设备本身的价值。因 此，我们必须尽全力确保电力系统以及电力设备的安全可靠运行。 电力设备的安全可靠运行在一定程度上是由电力设备的绝缘可靠性决定的。 尽管电力设备在设计时对电气强度留有足够的裕度，但是在生产过程中由于偶然 性因素的影响，致使其中少数产品存在先天性的绝缘缺陷，如电力电缆及附件绝 缘层中存在气泡、固体导电杂质、毛刺等。而高压电力设备在实际正常运行过程 中，不仅将要承受额定工作电压的长期作用，而且还要承受工频过电压、雷电过 电压、操作过电压等各种过电压的考验。其绝缘强度经受温度变化、电场变化、 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 热和化学以及机械震动的长期相互作用，致使这些先天性绝缘缺陷在设备运行过 程中会导致电力设备发生局部放电，虽然在短期内对设备绝缘性能影响不大，但 是经过长时间的积累效应，将会在绝缘层内部产生许多不良效应，如产生电树枝 乜1 。而根据研究和运行经验可知，电树枝化【3 】是导致x l p e 电力电缆安全性能降 低，运行寿命缩短的主要原因之一【4 】【5 】。这些不良效应最终将会导致整个绝缘被 击穿，进而导致电力设备受到损伤，干扰电力设施的正常运行，迫使供电中断。 对电气设备进行局部放电试验和交流耐压试验可以有效的了解其绝缘状况。 其中，局部放电试验可以测试电力设备在运行电压及高于运行电压条件下的局部 放电水平，揭示电力设备在运行过程中的健康状况和绝缘老化程度；而交流耐压 试验则可以反映电力设备在正常运行状况下的耐受电压水平和抗过电压的能力。 通过试验，可以及时掌握电气设备的绝缘状态，准确判断产品绝缘性能的优劣， 保证出厂产品达到有关技术标准和用户规定的要求，因而需要一套与试验相匹配 的高压实验装置。 高压试验装置是发电站、供配电系统以及院校科研单位等广大用户的基本试 验设备，主要用于对各种电气产品、电器元部件、绝缘材料等进行规定电压下的 绝缘强度试验，考核其产品的绝缘水平，发现被试品的绝缘缺陷，衡量过电压的 能力。随着试验技术的革新和试验设备的不断改进，相比之下，传统的手动控制 系统非常落后。传统的手动控制系统不仅工作效率低下，而且操作人员的工作量 非常巨大，操作比较繁琐，并且没有一个直观的操作界面，自动化水平相对比较 低下。其控制系统是由继电器、接触器等构成的手动继电控制线路，操作次序、 升降压过程及速度均由人工控制。在操作过程中，受操作人员经验及目力判断能 力的影响较大，并且各项试验指标、试验数据、试验结果均需人工记录、整理成 册。根据本人在生产厂家高压试验大厅实习经历可知，人工记录的试验数据精度 不高，与实际试验数据存在一定的误差。这其中主要原因是手动操作升降压存在 一定的主观因素，以及实验结果会受员工本人职业素质的影响。因此，本课题研 究目的和意义在于通过利用d s p 芯片控制技术，改良生产厂家高压试验大厅内现 有的局部放电检测及工频耐压实验手动控制系统，达到既可以合理利用原有生产 设备，提高产能，降低生产成本，提高操作的自动化程度，提升生产效率，又可 以减轻操作人员劳动强度，实时准确记录试验数据的目的。 局部放电是指在电力设备绝缘介质内部一个小范围区域内发生的、非贯穿施 加电压的导体之间的反复放电击穿和放电熄灭现象。这种放电现象主要发生在绝 缘缺陷处，在局部放电发生的初期，其放电量相对较小，一般不会影响电力设备 的绝缘能力。但是，如果电力设备在正常运行状态下长期发生局部放电，则会导 致绝缘损坏，使用寿命缩短。如交联聚乙烯电力电缆的局部放电很容易引起其绝 缘内部产生电树枝：而附件内部的气隙放电、滑闪放电和毛刺放电会导致电缆接 硕十学位论文 头击穿、烧坏，更严重的甚至爆炸。研究表明【6 l ，局部放电对交联聚乙烯电力电 缆的影响非常巨大，局部放电量与电力电缆的绝缘状况密切相关，并且通过对放 电量的变化情况进行分析可以准确预示电缆绝缘存在的有损安全运行的绝缘缺陷 类别。因此，对电缆及其附件进行局部放电试验并测量其放电量是一种非常直观 的、理想的、有效的判断电缆绝缘品质的方法【刀【引。并且i e e e 、i e c 等国际电力 方面的权威机构都一致推荐局部放电试验作为评价交联聚乙烯电力电缆及其附件 绝缘状况的最佳方法。实践经验也表明：不论是为产品质量把关，抑或是对运行 中的电力设备进行绝缘状态诊断，局部放电检测都是一个非常有效的、可以值得 信任的手段。 文献【9 】对1 9 9 7 年至2 0 0 1 年1 0 k v 及其更高电压等级电力电缆绝缘故障统计 分析可知，在运行前期导致发生故障主要是电缆及其附件的产品质量、安装质量 存在问题；而在运行后期，主要是由于电缆本体及附件绝缘老化。文献【l o 】对湖 北省2 0 0 4 年2 0 0 7 年的电缆故障统计分析，发现1 0 3 5 k v 电力电缆附件绝缘故障 约占2 9 ，；电缆本体故障占6 8 ，但是电缆主体故障主要是外力( 如机械施工) 等破坏造成。因此为了更深入的理解局部放电机理及其对放电类别进行识别，本 文通过设计局部放电缺陷，一方面提取真实的局部放电信号，并对信号的特征进 行分析研究；另一方面通过电力电缆缺陷模型局部放电进行仿真，更深入的了解 其放电机理，为保障电力电缆安全可靠运行提供理论技术支持 1 2 电力电缆在线监测技术现状 由于交联聚乙烯电力电缆是由聚乙烯材料在化学剂或者高能射线的作用下， 其分子结构产生了变化，由原来的线状结构转变为三维空间网状结构，从而大幅 的提高了其机械性能、耐环境应力开裂的能力、抗热老化性能以及具备了优良的 电气性能，有很好的抗酸碱、耐盐雾、防腐蚀等性能n 1 1 。基于这些突出的特点， 交联聚乙烯电力电缆在电力行业获得了广阔的应用发展前景，使用量节节攀升。 然而交联聚乙烯电力电缆铺设方式比较特殊，一般采用直埋、排管、隧道等形式 铺设在地下，所以无法采用常规方法( 如现场巡视) 来判断电缆是否处于正常工 作状态。目前国内交联聚乙烯电力电缆的在线监测技术相对于欧美和日本等发达 国家仍处于起步阶段，虽然如上海交通大学、清华大学、西安交通大学、上海电 缆研究所等单位也有大量的相关论文及科研成果，但是在当前实际投入运行的在 线监测产品仍比较少。而在欧美及日本等发达国家，电力电缆绝缘在线监测技术 已经得到了广泛的应用，并且积累了比较丰富的经验，研发的绝缘检测设备也具 有良好的应用效果。通过多年的在线运行积累的监测数据对准确判断识别交联聚 乙烯电力电缆绝缘缺陷类型和老化程度提供了丰富的判断依据l l 引。在建国以后很 长一段时间内，我国对电气设备都采用定期离线试验维修的方法。虽然这种方法 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 为我国电力事业做出了巨大贡献，但是由于其本身的缺陷，不足以完全了解电力 设备实际的运行状况，因而我们也一直在不间断的探索新的试验方法。随着在线 监测技术的不断发展，也为电力电缆的在线检测开拓了新的思路。目前，电力电 缆的在线监测技术主要有直流分量法、直流电压叠加法、电桥法、交流叠加法、 低频叠加法、损耗电流测量法、甚高频频谱分析法、接地线电流测量法、局部放 电法等。在这里主要介绍直流分量法、直流电压叠加法、交流叠加法、损耗电流 测量法以及局部放电法【1 3 】【1 4 l 。 ( 1 ) 直流分量法 直流分量法是k s o n a 等研究人员通过对实际在线运行的电力电缆进行研究 分析后总结归纳出来的一个方法。其原理是对绝缘体施加交流电压时，绝缘体内 会产生漏电电流，而漏电电流中含有纳安微安( h a ua ) 数量级的直流分量， 这微小的直流分量会随着绝缘体的劣化程度的加深而逐步增大，并且不稳定性也 加大【1 5 1 。因而可以从电缆金属护层的接电线中测量此直流分量，通过测得的电流 变化曲线来对交联聚乙烯电力电缆绝缘进行老化、故障诊断。但是此方法主要存 在两个问题【1 6 儿1 7 】：1 ) 由于直流分量非常微弱，因而当电缆护层绝缘的电阻值偏 低时，在检测回路中形成的较大干扰电流会淹没检测电流；2 ) 电缆头的表面泄露 电阻值偏低也会造成测量误差。 ( 2 ) 直流电压叠加法 直流电压叠加法的原理是当对运行中绝缘逐渐劣化的电缆施加低直流电压 时，将产生与劣化程度相应的直流电流。根据叠加的直流电压和测得的电流，用 在线方法算出电缆绝缘电阻，判断绝缘劣化的状态i 7 1 。通过电压互感器( t v ) 的 一次中性点将直流电压e 加到高压母线，从被测电缆的接地线测量直流电流，从 而求出绝缘电阻。其特点是【l8 】：采用这个方法测得的绝缘电阻值可以与通过常规 方法测得的电阻值相互比较对应。但是当地中杂散电流的变化比较大或者电缆头 表面的泄露电阻值偏低时，将会引起测量的误差也偏大。 ( 3 ) 交流电压叠加法 交流电压叠加法的机理是将交流电压信号叠加在交联聚乙烯电力电缆的金属 护套上，通过主绝缘、变压器绕组的中性接地线和大地形成一个回路，只需测量 此回路中的交流损失电流即可判断交联聚乙烯电力电缆的绝缘性能。交流电压信 号源的频率为偶数倍工频+ l h z ，在我们国家通常采用2 5 0 + l h z = 1 0 1 h z 电源。 其理论基础如下所示【1 9 1 2 0 1 ： 在角频率为0 3 的交流电压u ( t ) 作用下，电缆的瞬时交流电导纳g ( t ) 为角 频率为2 彩的周期函数，用傅里叶级数展开为： 上 g ( t ) = c o + 【q ic o s ( 2 0 | d a ) + q 2s i n ( 2 c o a ) 】 硕士学位论文 = g o + 【qs i n ( 2 t o k t + 展) 】 ( 1 1 ) f = i q = g 1 2 + 瓯2 2 ；屏= t a n _ 1 ( g l q 2 ) 公式中，g o 为傅里叶级数展开的常数项，q 。和q ：分别是傅里叶级数展开的 系数。 设系统的交流叠加电压为玑( ，) ： 玑( ，) = 玑o s i n ( n c o + a c o ) t + p 】 ( 1 2 ) 式子中，为交流叠加电压幅值；k 为自然数，& c o 为差分频率，为相位 差。当交流叠加电压和工频电压同时施加于劣化水树枝时，因为砜 虬。，可以 认为g ( t ) 实际上只受u ( t ) 的支配，则交流瞬时电流为： ，( r ) = g o ) u o ) + g ( f ) 玑( f ) ( 1 3 ) 其中，由以o ) 所产生的交流损耗电流j 厶o ) 为： ，z f o ) = g ( t ) u ， ( 1 4 ) 将式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 代入( 1 4 ) ： j ，( f ) = g ( t ) u ，( ) = g ；玑os i i l 【( ，助+ 缈) ，+ 】+ g l 配o c o s i ( 2 一n ) c o a ( 0 t + o f 一仍- c o s ( 2 + n ) e o + z x e o t + 口+ 夕 2 + g j 玑o c o s ( 4 - n ) e o a c o t + 一 c o s ( 4 + n ) a ，+ a c _ o t + a + 历 2 + ( 1 5 ) 分析上式可知：当k 选择任意偶数时，则可测量到交流叠加电流为a c o 分量 电流厶册( ，) 为： 血狮( f ) = q 2 c o s ( a o , + p 一2 ) 2 ( 1 6 ) 式中，q 2 是k 为偶数时的交流电导纳，为交流叠加电压的幅值，一2 为k 为偶数时的相位差，k = 2 ，4 ，6 ，8 k 。 当k 选择任意的奇数时，则测不到交流叠加产生的a t o 分量电流i s a n ( t ) 。这 就是偶数倍工频+ a t o 的测量原理。由谐波分析原理：谐波次数越高，谐波系数越 小，因此当k 取2 时，a t o 分量电流i s a n ( t ) 最明显。 交流电压叠加法的特点是【2 1 】：1 ) 交流叠加法的优点在于因叠加电压检测的 是已知劣化信号，故检测精度高，抗干扰能力强；相对于其他在线监测方法，交 流电压叠加法测量简单，既可在线监测，也可以带电监测；2 ) 交流叠加法在线绝 缘诊断的关键技术是准确测出纳安级的劣化信号电流。试验条件下精确测量如此 微弱的电流( 压) 并不困难，但对于运行中电缆，各种干扰信号都很强，工频信 号可达几十伏特，在这种条件下，要测量如此微小的信号是很困难的，这也是制 约电缆在线监测迅速发展的主要因素。 ( 4 ) 损耗电流测量法 高压电缆附件局放试验检测系统的研制与局放机制的研究 对电力电缆施加交流电压时会产生电容电流分量和损耗电流分量，当电缆绝 缘中的水树劣化时，其绝缘电阻将会下降，从而导致损耗电流增加。但是由于分 离电容电流分量和损耗电流分量十分困难，一般多采用损耗电流与电容电流的比 值t a n6 来判断电缆绝缘状况。然而，t a n6 是一个工频周期内的平均值，获得的 有效信息具有一定的局限性。电缆中的水树不仅存在大量的空隙，而且还具有细 线状水通道。当电缆被施加高电场时，空隙内的水会在麦克斯韦应力的作用下沿 电场的方向拉伸，继而流入细线状水通道，导致电流剧增。因而，贯通水树的直 流泄露电流呈现出非线性的电流电压特性【2 2 1 。此特性在交流电压作用下的电流 波形上表现出波形畸变，且含有高次谐波。正是基于电荷载流子与所加电压的非 线性关系，致使交流损耗电流中存在高次谐波分量，因此我们可以通过对基于水 树的i = f ( u ) 非线性特性基础上的损耗电流高次谐波进行测量，只提取出损耗电 流及其高次谐波的方法对电缆进行绝缘劣化的诊断【l 引。 损耗电流测量法虽然属于非在线诊断方法，但是也可以用于在线诊断；它的 优势在于不仅可以检测出贯通水树劣化，而且对非贯通水树也可以进行诊断，因 而可以在电缆中水树发展的初期有效检测出故障，避免事故的发生【2 3 】【2 们。 ( 5 ) 局部放电法 交联聚乙烯电力电缆在运行的故障初期，会有比较明显特征的局部放