高压电力设备在线监测技术 第5章 电力电缆在线监测与诊断.ppt

第五章电力电缆在线监测与诊断 On linemonitoringandfaultdiagnosisforpowercable 1 本章内容 概述电缆绝缘的劣化和诊断内容电缆绝缘的在线监测电缆的故障定位方法 2 5 1概述 3 3 什么是电力电缆 架空线电力电缆 电力传输通道 4 为什么使用电缆 输电通道小不受环境污染影响可靠性高对人身及周围环境干扰小特殊应用环境 使用电缆的优点 5 制造工艺复杂造价高施工维修麻烦 使用电缆的缺点 6 电力电缆发展简史 7 电力电缆的使用至今已有百余年历史 1879年爱迪生首次使用电缆实现地下输电 1911年德国敷设60kV高压电缆 1913年霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆 1981年研制成1000kV的特高压电力电缆 8 XLPE电缆 结构简单无敷设落差限制安装维护方便1952年 发明XLPE材料1957年 GE制成XLPE电缆50年代末 第一代工艺 湿法交联70年代末 第二代工艺 干式交联80年代中后期 第三代工艺 净化材料 自动控制 9 电缆的种类 油纸绝缘电缆气体绝缘电缆塑料绝缘电缆 10 聚氯乙烯电缆聚乙烯电缆XLPE 交联聚乙烯电缆 塑料绝缘电缆 1 电力电缆合计 2 XLPE电缆 3 油纸电缆 11 交联聚乙烯电缆 XLPE crosslinkedpolyethylene 30余年历史 性能优良 工艺简单 安装方便 得到广泛应用 12 XLIE电缆的基本结构 13 1 导体2 导体屏蔽3 交联聚乙烯绝缘4 绝缘屏蔽5 金属屏蔽6 填充7 内衬层8 铠装层9 外护套 14 导电线芯 高导电率材料 绞线承圆形或扇形截面 绝缘层 高电阻率材料 tg 低而电气强度Eb高的油浸纸 橡皮或塑料 密封护套 保护绝缘线芯免受机械 水分 化学等的损伤 有时外部还有保护覆盖层 半导体层的作用 均匀电场 它可以克服电晕及游离放电 使芯线与绝缘层之间有良好的过渡 15 16 电缆敷设情况 17 电缆故障率按电压等级 18 电缆故障率按运行时间 19 电缆故障原因 5 2电缆绝缘的劣化和诊断内容 20 水树枝劣化的监测方法 DetectionofbridgedwatertreeOn linediagnosticmethods Detectionofun bridgedwatertreeOff linediagnosticmethods 交联聚乙烯电缆的寿命 BDVofcablewithbridgedWT 电压寿命极限 Bridgedwatertree Un bridgedwatertree BDV 10 20kV Electricaltree Insulationlayer Insulationlayer 21 根据现场运行经验 水树枝劣化特性如下 l 仅发生在6kV以上的高压交联聚乙烯电缆中 2 从投运到破坏的时间需要数年至十几年 大多数在10年以上 3 贯通绝缘体的水树枝状劣化 大部分能维持正常工作电压以上的电压值 只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏 4 环境温度高时 劣化进程加快 因此对电力电缆绝缘本体进行故障监测是可行的 也是必要的 5 3电缆绝缘的在线监测 22 离线方法 直流法 工频法 低频法 综合判断法 电力电缆监测和诊断方法 23 对已运行油纸电力电缆的试验项目 24 XLPE预试时不宜用直流耐压 运行后常有 电 水 树枝生成直流耐压时沿树枝有电荷注入XLPE电阻率极高 短路时电荷放不完再加交流时电场畸变 更易击穿 25 XLPE几种停电预试方案 用超低频0 1Hz测tan 及耐压用交流 串联谐振 测tan 及耐压用振荡波试验耐压测回复电压测极化去极化电流测损耗电流中的谐波分量 26 回复电压的测量方法 27 回复电压实例 28 Tettex5462 29 极化去极化电流测量原理 30 极化去极化电流典型曲线 31 PDC ANALYSER 1MOD 32 绝缘连接盒两侧接成差分法以测量局放 33 一种电缆检测系统 34 水树枝检测方法 DCleakage ACsuperposition LFsuperposition DCsuperposition DCcomponent 针对形成桥路的水树枝探测效果 35 直流泄漏电流 试验线路 cable guardelectrode terminal DCpowersupply buttery recorder 判断标准 36 直流泄漏电流 A Un bridgedwatertree Bridgedwatertree Appliedstress 1kV mm 0 001 0 01 0 1 1 Accumulationprobability 10 20 50 90 OnebridgedwatertreecanpasstheDCleakagecurrentofabout0 1 A Un bridgedwatertreescanhardlypasstheDCleakagecurrent 直流泄漏电流 37 直流法 直流成分电流监测 直流叠加法 直流电桥法 38 直流成分法机理 电缆中存在水树时 类似尖 板电极具有整流作用 因此在工作电压下 电缆绝缘中将流过微小的直流电流 根据这一电流的数值 既可判断电缆中水树的发展状况 直流成分电流监测 39 TR配电变压器GPT接地保护用电压互感器M直流微电流检测装置 nA级 回路中流通微弱的直流成分电流 直流成分电流监测原理接线 直流成分电流监测 40 微电流测量装置 微电流测量仪 低通滤波器衰减交流成分 检出直流成分 接地保护装置保证试验人员和装置的安全 直流成分电流监测 41 直流成分电流监测 42 判断规则直流成分电流 小于1nA 绝缘良好 大于100nA 绝缘不良 介于两者间 加强监测 直流成分电流监测 43 护层与地之间有化学电势Es 直流成分电流监测 44 护层与电缆绝缘护层的绝缘电阻下降 M中将流过杂散电流 通常Es不超过0 5V 当护层绝缘电阻小于200 500M 杂散电流将影响诊断的可靠性 45 直流法 直流叠加法 借助电抗器将直流电压在线叠加于电缆绝缘测量直流叠加电流 46 防止影响GPT二次输出电压 直流电压不能很高 约10 50V 直流电压不高电缆绝缘处于交流高压作用下 真实反映绝缘的实际状况 直流叠加法 47 6kVXLPE电缆直流叠加电流与水树长度的关系 直流叠加法 48 保证安全L C调谐于50Hz 杂散电流Es的影响 正 反向叠加直流电压消除 直流叠加法 49 判断规则测得绝缘电阻 大于1000M 绝缘良好 小于10M 绝缘不良 介于两者间 加强监测试验证明 用直流叠加法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 直流叠加法 50 Testcircuit DCpowersupply Measuringequipment cable DC5 50Vissuperimposedonthehighvoltageinservice DCcomponentinleakagecurrentismeasured ResistancemeasuredbyDCsuperpositionmethod M ResistancemeasuredbyDCleakagecurrent M RelationshipbetweenDCsuperpositionmethodandDCleakagecurrent DCSuperpositionMethod DCleakagecurrentishighlysensitivity 51 Resistance M Resistance M Time Time TimechangeofDCsuperpositioncurrent Problem Thismethodtendstobeinfluencedbythestraycurrentorcorruptionoftheterminal Measuredvaluewillchangewithmeasurementtimeorhumidityverymuch Thetrendmanagementbyon linediagnosisisrequired DCSuperpositionMethod 52 直流法 直流电桥法 测量电缆绝缘电阻的电桥接线 53 电桥平衡 Rx E1 V4 R2 V4设E1为20V V4为1mV R2为50M Rx最大可测到100000M 防止直流电压对GPT的有害影响 直流电桥法 54 Es影响的消除调节R4及E0 V0指示为零 其他设备的绝缘电阻与R3并联R3之值并不参与计算其他设备的绝缘电阻不影响测量结果 直流电桥法 55 加于电缆的电压信号 通过电压互感器取出 流过绝缘的电流信号 通过电流互感器取出 通过数字化测量装置 电缆绝缘的tg 工频法 介损因数法 56 什么是介质损耗角 tand time sec 0 10 电压 电流 介质损耗角tan 有功功率 无功功率 57 受潮对tan 的影响 58 温度对tan 的影响 59 6kVXLPE电缆交流击穿电压与在线测得tg 间的关系 60 统计分析表明 tg 大于1 绝缘不良 61 如果满足以下条件 电缆状态正常 tand 2U0 1 2 and tand 2Uo tand Uo 0 6 如果发生以下情况 则电缆处于故障状态 须立即更换 tand 2Uo 2 2 or tand 2Uo tand Uo 1 0 对于XLPE电缆这一标准是非常重要的 XLPE的tand标准 62 工频法 局部放电法 试验分析证明绝缘中的电树枝达到0 5mm时局部放电量约100pC 由 q n q n 或 q n谱图 判断电缆状态 放电相位 q 放电量 n 重复率 63 偏斜度s在4个象限中的分布 预测树枝的延伸发展情况 P点进入第3象限 绝缘进入危险状态 64 水树 流经电缆绝缘的电流也含有低频成分 根据频谱分析频率在10Hz 特别在3Hz以下 低频法 低频成分法 65 在电缆接地线中串接入测量装置由测得的低频电流诊断绝缘 低频电流也是纳安级对测量装置要求较高 66 低频法 低频叠加法 避免直流微电流测量上的困难将7 5Hz 20V的低频电压在线叠加于电缆 在电缆接地线中串接入测量装置 绝缘电阻值 67 低频叠加法6kV电缆绝缘电阻与工频击穿电压的关系 68 判断规则 绝缘电阻大于1000M 性能良好 绝缘电阻小于1000M 性能下降 绝缘电阻小于400M 电缆应立即更换 69 综合判断法 绝缘状态与特性参数间的统计分散性仅用一种方法诊断绝缘 漏判和错判的可能 采用几种方法 互相配合进行复合诊断 可提高诊断的正确性 采用包含直流叠加法 tg 法和局部放电法的复合诊断 诊断的准确率高达95 以上 70 电缆故障的演变 早期电缆本体故障为主 近期电缆负荷过载性故障较多 目前电缆附件故障已成为重要故障原因 电缆终端或中间接头出现放电点电缆终端或中间接头出现过热点电缆外护层绝缘不良导致的环流故障 71 对电缆在线监测技术的要求 实时报警 故障精确定位 综合监测 温度 烟雾 放电等 72 Amongon linediagnosticmethods thedetectionsensitivitytobridgedwatertreeishigh Thismethodisstronginanoise Highvoltageworkisunnecessary ACSuperpositionMethod On sitemeasurementresults Measuringequipments Measuringtime 20min Weight 40kg Powersupply 50 60Hz100V 73 LossCurrentMethod HV Currentwhichflowsonacable Losscurrent Capacitycurrent Testcircuit Onlythewaveformforlosscurrentisobservedbycomparingacurrentphasewithavoltagephase ThepeakvalueI3andphasedifferenceangle 3tothebasicwaveofthe3rdharmonicscurrentwaveareusedasanindexofadegradationjudging 74 Theaclosscurrentwaveisdistortedbywatertree Theoccurrenceofharmonics Harmoniccurrentchangesaccordingtothegrowthofwatertree I3 small large 3 0 Thelevelofwatertreedeteriorationisjudgedbyharmonic ShortWT 3 small 3 LargeBDV High LongWT 3 Large 3 SmallBDV Low LossCurrentMethod Nondegradation Relationshipbetweenwatertreedegradationandlosscurrentwaveform 75 LossCurrentMethod Resultofdiagnosisusingremovedcables Rateofcorrectanswers 92 Thepoorcableisnotjudgedtobegood Thebreakdowninserviceafterdiagnosisisavoidable 76 ResidualChargeMethod Testcircuit Residualchargesignal 1 ApplicationofDCpre stressvoltage Chargeisaccumulatedintheinsulationlayerincludingwatertree 2 Short circuiting Earth Accumulatedchargeintheinsulationlayerisdischarged buttrappedchargeinwatertreeregionisnotreleased Theexistenceofresidualcharge 3 ApplicationinstepsofACvoltage Trappedchargeisreleasedfromwatertreeregion DCcomponentcurrentbyresidualchargeismeasured DCcomponentcurrent DCcurrent Procedureofmeasurement 77 Thehighestvoltagevaluethatresidualchargeisdetectedisusedastheindextoestimatethedegreeofwatertreedeterioration ResidualChargeMethod Procedureofvoltageapplication Releaseofresidualcharge Trappedchargeinlongwatertree heavydeterioratedwatertreeregion requiresahighervoltageapplicationtobereleased 78 ResidualChargeMethod Sample Sample Measurementresultsofresidualcharge RelationshipbetweenErandEBD Max releasedstressofresidualcharge Er kV mm ACbreakdownstress EBD kV mm ACappliedvoltage kV ACappliedvoltage kV Residualcharge nC Residualcharge nC EBDdecreasesalongwiththeincreasesinEr 79 ResidualChargeMethod Schematicdiagram On siteexamination DiagnosisisautomaticallyperformedbyPC DiagnosticresultisdisplayedonPCforashorttime Totalweight 4tonorless Max load 1 4 F Powersource 200V 100V 10kVAorless 80 ComparisonofOn lineDiagnosisandOff lineDiagnosis 81 EffectiveExampleofOn lineDiagnosis On linedegradationdiagnosisofaXLPEcable Datachangeswithmeasurementtimealot Inthecaseoffixeddiagnosis anincorrectjudgingmaybecarriedout Measurementdataneedstobetrendmanaged Resistance M Time Resistance M Time 82 一些新型方法 分布式光纤温度传感器基于Faraday效应的光磁场传感器0 1Hz超低频余弦波耐压试验高压电缆局部放电故障定位使用噪声减轻系统进行电缆局部放电的故障定位技术 83 DTS安装 DTS 原理230kV电缆表面温度 84 85 86 Layoutoflaboratorytestsystem 实验室测试 6 6kV LVtransformers 1MVAx2 Cablesundertest Maximumcurrent2kA Threephase0 230Vvariac 75kVA 400V 100Asupply 87 6 6kV LVTransformers Cablesintrench Thermocouples Thermocoupleoncablesurfaceandcore The3600paperlesstemperaturerecorder 88 应用 热点定位 Locatedhotspotandsiteconditions Layoutofcircuitinstallation 89 5 Conclusion 应用II 电缆负荷预测 Withtheoptimisedsoilparameters thecableratingund