6-11-基于XLPE电缆绝缘老化诊断的.doc

基于XLPE电缆绝缘老化诊断的资产设备管理和寿命评估 王立1， 李华春1 霍振星2 高宇2 杜伯学2 （1.北京市电力公司电缆公司，北京 100027）（2.天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津 300072）摘要：XLPE电缆被广泛应用于城市电网中，电力电缆设备在逐年增加。由XLPE电缆水树枝老化所引起的绝缘故障已成为研究人员首要关心的问题。本文主要以残留电荷和泄漏电流诊断方法为例，叙述了基于XLPE电缆老化诊断的资产设备管理和寿命评估技术。关键词：XLPE电缆；残留电荷法；泄漏电流法；经济性评价；寿命评估状态评估与在线监测1 引言 自XLPE电缆问世以来，因其与OF电缆相比，具有不需要供油设备、阻燃性能好、安装维护方便和机械电气性能好等优点1，在世界范围内得到广泛应用，目前我国正在或者将敷设的电缆绝大多数为XLPE电缆。早期的交联电缆采用蒸汽交联和温水交联方法生产，绝缘中含水量高达几千个PPM，XLPE电缆在运行超过一定年限后，会发生水树等绝缘老化现象。目前，研究水树老化现象的文献较多，已开发出很多在线和离线诊断方法，运用这些方法对水树进行诊断、检测和评估，从经济性角度考察诊断方法和电缆剩余寿命，是一项紧迫的任务。 随着电力市场自由化的发展，一种优化的资产管理方法需要同时考虑供电安全可靠性和成本降低两方面的因素，找到两者的平衡点。XLPE电缆的设计寿命大约是30年，在运行过程中，对其进行必要的维护和诊断，可以较小的花费，达到延长其寿命的目的。另外，在绝缘老化诊断的基础上，对XLPE电缆进行寿命评估2-3，充分利用其剩余寿命，预防事故发生，具有重大的经济价值。 2 2水树老化诊断技术 目前，研究人员对水树的形成机理进行了研究，提出了水树模型，并根据水树的特性，开发出各种诊断方法，其中，基于直流电压的泄漏电流法和残留电荷法得到广泛应用和认可。2.1 1水树老化机理XLPE电缆绝缘中的水分存在两种引入方式：一是绝缘中固有的，二是在电缆运行中由外界环境侵入。其中，外界环境的水分侵入占主导作用，是一个扩散过程或者由电场加速的扩散过程，后者在电场作用下，发生电泳现象，导致水分聚集，随后形成水树4。 水树形成会受到电场、残存应力和热作用等综合因素的影响。XLPE电缆的残存应力分为三种：制造过程中的残存应力，安装过程中的残存应力和运行过程中的残存应力，水树从残存应力最大的地方开始生长。XLPE绝缘层中存在不规则的充满水的微孔，在介质热或焦耳热的作用下，微孔内的水分膨胀使微孔改变为球面状，这样，在不规则微孔的短半径方向会产生压缩力，在长半径方向产生拉伸力，在受到拉伸力的区域会产生细小微孔，一系列的细小微孔聚合在一起形成一个微孔，该过程的重复进行就会形成同电力线方向平行的一系列微孔和微裂纹组成的水树4。2.2 2XLPE电缆诊断技术 经过多年的研究，研究人员依据水树的整流和非线性等特性提出了以水树为诊断对象的各种诊断技术和方法，主要有泄漏电流法、直流分量法、直流叠加法和交流叠加法、损耗电流法和残留电荷法等，其中泄漏电流法和残留电荷法以水树的非线性特性为基础，其可靠性高，是非常有潜力的检测方法。随着电场的增强，水分从微孔进入微裂纹，水树导通，造成水树部分的绝缘电阻随电压增加而下降，当电压增加到某一值时，绝缘电阻发生突变，产生如图1所示的非线性曲线。 泄漏电流法以贯穿型水树为检测对象，通过在电缆导体上施加直流电压，在电缆护套处串联的电阻上检测电流，根据电压-电流特性判断电缆绝缘中是否含有水树。若绘出的电压-电流曲线从刚开始的线性区域变化到施加电压较高时的非线性区域，即可认为电缆绝缘中长有水树5。该方法缺点是对于未贯穿型水树的检测较为困难。 残留电荷法以未贯穿型水树为检测对象，采用直流电压对XLPE电缆进行充电，根据含水树电缆的非线性特性，通过施加交流电压，检测残留电荷的释放量，判断电缆的水树老化程度6。该方法具有可靠性高，残留电荷量与交流破坏电压相关性好等优点，缺点是没有统一的判断标准，只能对各种电缆进行比较。图1 1水树的非线性曲线2.3 3诊断技术及其经济性评价 XLPE电缆绝缘老化诊断以预防事故发生和延长电缆寿命为目的，但随着国际市场上能源价格、电力设备价格的上升和电力公司运营成本的增高，考察诊断技术的经济性，降低各种诊断和维护成本，显得非常重要。 文献7基于TBM（time-based maintenance）方法，在不同的诊断费用、诊断周期和更换标准下，考察了泄漏电流法和残留电荷法引入后的经济性。在电缆运行寿命中，电缆的维护和诊断费用定义为寿命周期成本，随诊断费用、诊断周期和更换标准的不同而变化。通过设定相同的故障损失、更换费用和诊断费用，作出寿命周期成本在不同的诊断周期和更换标准下的三维图形，求出各种诊断方法的最小寿命周期成本。各种诊断方法的寿命周期成本在同样的诊断费用、故障损失和更换费用下，在各自的最佳更换标准和诊断周期时，最小寿命周期成本小的诊断方法的经济效性好。无诊断、残留电荷法、最大水树长法和泄漏电流法的经济性比较如图2所示。图2 2各种诊断方法的最小生命周期成本比较 另外，基于CBM (condition-based mainten- ance) 方法，研究人员分析比较了三种情况下的最小寿命周期成本，结果表明，基于CBM方法，对电缆进行维护的最小寿命周期成本比基于TBM方法的最小寿命周期成本更小8。 2.4 4诊断与损失预测模型计算9各种诊断方法中， 基于倾向管理来预测电缆剩余寿命的方法占多数。通常进行定期诊断，预测在两次诊断之间是否有发生绝缘击穿的可能性，判断是否对设备进行更换。诊断严格程度不同和损失的相互关系如图3所示。综合损失是故障损失、诊断费用和更换费用的总和。 频繁诊断的结果是不必要地增加更换费用，称之为冗余费用，可认为在一定时期内的更换频率增加；在诊断较少的情况下，一定时期内的故障频率增加。本计算需要知道实际的剩余寿命概率密度、诊断精度、更换费用、故障损失和诊断费用等信息。图3 3诊断频繁程度与预测损失值的关系假定新电缆设备平均寿命为28年，上下偏差为8年。设备的敷设费用以100万元计算，对设备进行定期更换时的费用也为100万元，由故障引起的更换费用和经济损失之和为1000万元，诊断一次费用为5万元，诊断精度（真值同预测值的标准偏差）为4年。 运行年限为0，16，28年时，保障期间与平均年维护费用的关系如图4所示。允许偏差跟各自的年限和保障期间相对应，进行最佳选择。保障期间最佳点为平均年维护费用最低点。随着老化程度增加，保障期间最佳点的平均年维护费用增加。 （a）运行0年（b）运行16年（b）运行16年（c）运行28年图4 4平均年损失和保障期间的关系电缆初始运行时，诊断实施的最佳保障期间为89年，此时不进行诊断直接使用的平均年维护费用最低。运行16年后，实施诊断且即使在最佳保障期间内，平均年维护费用增加。因此，随着故障率的上升，继允许偏差最佳化。敷设新品成本100万元，平均寿命28年，寿命的标准偏差8年，诊断精度4年，故障损失万1000万元，诊断费用5万元。继续运行的平均年维护费用增加，而实施诊断可减少此部分费用，经济性较好。 随着老化的进一步发展，对电缆实施诊断，运行28年后的诊断最佳保障期间为13年左右，时间间隔更长，与随着老化的发展，诊断间隔应缩短的常识相反。在设备运行28年后，即使实施诊断，大多数情况下，也会得出设备需更换的结论，此时不实施诊断而直接进行更换的经济性会更好。 在预测剩余寿命不长时，最好进行更换；随着老化进一步发展，频繁实施诊断虽会带来延缓更换的效果，但可能成为费用增加的主要原因。总之，诊断的保障期间需与老化的发展状况相适应，尽量找到诊断的最佳保障期间。在运行年限较短时，不进行诊断直接使用的经济性较好，同样在运行年限较长时，老化进一步发展，不进行诊断而直接进行更换的经济性会更好。运行年限处于两者之间时，实施诊断的经济性较好。3 寿命评估技术输配电网络中电力设备的数量大，成本高，故障造成的经济损失不可估量。近年来，城市配电网多采用XLPE电缆，除对电缆进行相关诊断和维护外，对电缆进行寿命评估能够充分利用电缆寿命，预防事故发生，减少经济损失。3.1 1V-t曲线 交流电压和到绝缘击穿的时间的关系称为V-t特性，其曲线形状如图5所示。文献2中认为区域II和III与XLPE电缆寿命有很大相关性，且与描述电缆寿命的n次幂定律有良好的一致性，n次幂定律即为电缆寿命遵循Vnt常数这个关系，V是交流电压，n是绝缘老化系数，t为时间，并通过电致发光法和局部放电法研究了微孔、杂质和突起等绝缘缺陷的V-t特性曲线。缺点是该特性为经验公式，没有物理依据。一种新型的可预测电缆寿命的V-t曲线可通过对加速老化的电缆、现场撤去的电缆和由水树引起的已发生过故障的电缆等三种电缆的最大击穿电压的测量获得，该曲线可用于预测电缆剩余寿命，因此也称为电缆剩余寿命曲线4。图5 5电缆V-t特性曲线3.2 2考虑综合因素的寿命评估 电力电缆运行过程中，其寿命受到包括发热、电压和机械力等在内的各种因素的影响，在进行寿命评估时，需要综合考虑各种因素，以使寿命评估具有高可靠性。文献3基于总老化率是各种因素引起的老化率的乘积的假设，结合负n次幂模型和Arrihenius模型，建立了新的综合考虑发热、电压和机械力等各种因素的电力设备生命模型，并结合历史故障数据，对包括电缆在内的几种电力设备的可靠性和寿命进行了评估，验证了模型的有效性。4 4总结安全可靠性和经济性是电力企业关注的首要课题，在电力市场条件下，保证输电安全可靠性的同时，最大限度地降低成本，是电力企业的追求目标。本文以XLPE电缆水树的诊断方法为例，介绍了诊断方法的寿命周期成本评估。目前广泛采用的水树诊断方法有残留电荷法和泄漏电流法，对各种检测方法的寿命周期成本计算、比较可知，残留电荷法的最小寿命周期成本较泄漏电流法更小，经济性更好。寿命评估技术能够预测电缆剩余寿命，预防事故发生，减少经济损失和降低运营成本，具有重大的经济价值，但在进行评估时，需综合考虑电、热、机械和环境等各种因素的影响。另外，水树老化是XLPE电缆发生事故的主要重要原因，若对产生水树而未有明显事故征兆的XLPE电缆进行全部更换，对电力企业来说，将是一笔巨大的投资。通过对电力电缆的绝缘诊断，采用适当的电缆修复技术不但能延长电缆寿命，还可以节约成本开支。国内早期的交联电缆已经运行了二十多年，及时开展寿命评估研究工作非常必要。参考文献1 S. Chandrasekar, Andrea Cavallini and Gian Carlo Montanari Bandwidth and Sensitivity Issues in PD Detection in Power Cables J. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2007, 14(3): 735-7432 T. Suzuki, K. Kishi, T. Uozumi, N. Yasuda and T. Fukui. Study on V-t characteristics for XLPE cableC. Proceedings of IEEE Transmission and Distribution Conference, 1994: 192-1993 Xiang ZhangEstimation of the Lifetime of the Electrical Components in Distribution NetworksJIEEE Transactions on power delivery, 2007, 22(1)：515 -5224 T. Tanaka, T. Fukuda and S. Suzuki. Water Tree Formation And Lifetime Estimation in 3.3kV and 6.6kV XLPE and PE Power CablesJ. IEEE Transactions on Power Apparatus and System, 1976, 95(6): 1892-19005 Z. Al-Hamouz, K. Al-soufi, M. Ahmed, M. A. Al-Ohali and M. Garwan. Water Trees Diagnostic of Extruded Underground Cables: A Case Study in Saudi Arabia Eastern ProvinceC. Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific. IEEE/PES, 2(6-10): 1088-10936 Iwao Ootaka, Masaru Aoki, Hirotaka Togashi, Tomiyuki Tsujimoto, and Masahiko Nakade. Direct-detect Type Residual Charge Method with Short-term Voltage Up-down for Water Tree Deterioration Diagnosis in XLPE CableJ. IEEJ Trans. PE, 2006,126(4): 452-459 (in Japanese)7 Toyonari Shimakage, Kai Wu, Takeyoshi Kato, Tatsuki Okamoto, and Yasuo Suzuoki. Life-Cycle-Cost Evaluation on Degradation Diagnosis for CablesJ. IEEJ Trans. FM, 2004, 124(3): 277-284(in Japanese)8 Takeyosh