电气工程及自动化专业毕业论文 煤矿6kv电缆对地绝缘参数检测技术的研究

西安科技大学毕业设计（论文）任务书站名姓名专业电气工程及自动化年级设计（或论文）题目煤矿6KV电缆对地绝缘参数检测技术的研究完成日期具体要求（1）统计电力电缆绝缘故障的类型及原因；（2）明确故障发生发展的机理，并进一步了解电力电缆绝缘检测技术的各种方法，选择一种方法对其进行深入研究。（3）通过对倍压电路的研究，制作高压直流发生器（4）电力电缆的分类，电缆绝缘故障的原因及特性分析，绝缘诊断技术的研究对采用附加直流电源绝缘检测法的直流电源进行细致研究（5）通过采用EWB仿真软件，对直流高压发生器的参数选择进行仿真，选出参数。（6）根据所选参数，制作实物，进行实验验证。指导老师职称年月日继续教育学院盖章西安科技大学继续教育学院毕业设计论文评审意见书评审意见评审人职称年月日评审成绩毕业设计评审小组签字西安科技大学毕业设计（论文）说明书题目煤矿6KV电缆对地绝缘参数检测技术的研究函授站专业及班级电气工程及自动化姓名指导教师日期继续教育学院论文题目煤矿6KV电缆对地绝缘参数检测技术的研究专业电气工程及其自动化本科生（签名）指导教师（签名）摘要随着电力事业的迅速发展，对供电可靠性和用电安全性的要求在进一步的提高，电力设备绝缘状况检测技术的发展日益得到重视，新的检测设备和检测技术在不断的推出。电线电缆是最常用的电力设备，同时也是出现绝缘故障的概率最高的设备。由于煤层大多身处地下几百米，阴冷潮湿的环境对电缆的考验更加严峻，因此为防止发生事故，对电缆的绝缘检测更加重要。论文首先简要介绍了电线电缆绝缘材料的特性，阐述了绝缘材料老化的机理、绝缘漏电流的成因和相关电路模型，并在此基础上分析了针对电线电缆的各种绝缘检测技术的原理以及各自的优缺点。其次,针对设计，重点研究了倍压整流电路的特性。使用仿真软件EWB进行线路仿真，选择电路参数，最后制作实物并进行验证实验。关键字绝缘参数,仿真,附加直流电源,倍压整流电路SUBJECTTHECOALMINE6KVELECTRICCABLETOGROUNDTHERESEARCHESWHICHINSULATEAPARAMETEREXAMINATIONATECHNIQUESPECIALTYELECTRICALENGINEERINGANDAUTOMATIONNAMESIGNATUREINSTRUCTORSIGNATUREABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFELECTRICALENGINEERINGANDTHEFURTHERDEMANDONTHESERVICERELIABILITYANDSAFETYOFPOWERSYSTEMS,THEINSULATIONMONITORINGTECHNIQUEHASBEENPAIDMUCHATTENTION,ATTHESAMETIME，ADVANCEDMETHODSANDDEVICESHASBEENINCONSTANTLYEMERGETHEELECTRICWIREELECTRICCABLEISTHEMOSTINCOMMONUSEELECTRICPOWEREQUIPMENTS,ALSOISTOAPPEARTOINSULATETOBREAKDOWNALLARATETHETALLESTEQUIPMENTSINTHEMEANTIMEBECAUSECOALBEDMOSTLYTHEPLACESUNDERGROUNDBESEVERAL100METERS,COLDANDHUMIDENVIRONMENTONTHECABLEEVENMORESEVERETEST,SOASTOPREVENTTHEINCIDENT,THECABLEINSULATIONTESTINGEVENMOREIMPORTANTTHEFIRSTPARTOFTHETHESISHASAREVIEWLIKECHARACTERITMAKESABRIEFINTRODUCTIONOFTHECHARACTERISTICOFDIELECTRIC,ANDTHANTHEMECHANISMSOFINSULATIONAGEINGANDTHECIRCUITMODELAREINTRODUCEDSOMEMETHODSFORINSULATIONMONITORINGAREALSOANALYZEDBASEDONTHECIRCUITMODELSECOND,FOCUSONTHEDESIGNFORTHETIMESTHEPRESSUREOFTHECIRCUITTHEUSEOFSIMULATIONSOFTWAREEWBFORLINESIMULATION,SELECTCIRCUITPARAMETERS,THEFINALPRODUCTIONOFPHYSICALANDVERIFICATIONEXPERIMENTKEYWORDSINSULATIONPARAMETERS,SIMULATION,ADDITIONALDCPOWERSUPPLY,VOLTAGEDOUBLINGCIRCUIT目录摘要IABSTRACTIII目录IV第1章绪论111电力电缆绝缘诊断意义112课题研究背景及意义113论文主要工作及研究内容2131论文的主要内容2第2章电力电缆的特性321电力电缆的使用概述及分类3211电力电缆的使用概述3212电力电缆的分类32121油浸纸绝缘统包电缆632122分相铅包电缆42123自容式充油电缆42124橡皮电缆52125聚氯乙烯电缆52126交联聚乙烯电缆522电力电缆故障分类5221电力电缆故障产生的原因及分类5222电力电缆故障原因6223故障的性质与分类623绝缘老化的原因及类型7231热老化8232机械老化9233电老化9234其它类型1024绝缘介质在电场作用下的特性10241极化10242电导10243损耗1025绝缘介质的吸收现象12第3章电缆绝缘诊断技术1631概况1632电缆绝缘停止运行诊断法17321绝缘电阻的测量17322泄露电流的测量18323介质损耗角正切值的测量19324逆吸收电流法20325残余电荷法20326电位衰减法2033电缆绝缘在线诊断法21331直流分量法21332局部放电法22333差频法22334交流叠加法23335谐波分量法24第4章附加直流电源绝缘检测法2541直流高压发生器概述2542直流高压发生器的设计25421直流高压发生器的几种产生方式254211半波整流254212工频倍压整流254213中频倍压整流26422倍压电路的工作特性264221倍压整流电路基本原理264222其他形式的倍加电路结构的工作特性2743倍压电路参数选择32431电缆的实验特性32432参数选择354321电容值选择354322二极管选择4044实验4045小结42第5章论文总结4351论文工作总结4352后续工作43致谢44参考文献45第1章绪论11电力电缆绝缘诊断意义随着工业的发展、城市的扩大，输电、配电系统中电力电缆的比重在不断提高。目前所用的电力电缆大多采用有机绝缘材料，如油纸、橡胶、交联聚乙烯等。如果电缆的制作质量好、运行条件合适，而且不受外力等破坏，则电缆绝缘的寿命相当长。国内外的运行经验也证明了这一点制造敷设良好的电缆，如有事故则大多是由于外力破坏或地下污水的腐蚀等所引起的。随着我国经济的快速发展，现代企业的生产也要求电力电缆的运行是长期、连续和安全稳定的。然而由于电力负荷的不断增加，电力电缆由绝缘缺陷所导致的事故隐患也在不断增加，因此如何保证电力电缆安全稳定的运行已成为了电力系统中一个多因素、非常复杂的课题。12课题研究背景及意义目前煤矿电气设备检修，大多采用常规性的试验方法，即定期停电对设备进行绝缘特性试验。这种测试方法不足之处其一，需要设备退出运行，进行试验时还必须设置临时试验线路，费工费时，受人为因素影响，甚至使测量发生错误，且试验电压不是实际运行电压，所测结果也不是系统正常运行情况下的绝缘情况其二，每次试验时间间隔过长，难以及时掌握电器设备绝缘特性的发展情况。这就使得绝缘事故常有发生，而事故之前的停电试验结果往往又是正常的。而电气设备的可靠运行，在很大程度上取决于长期工作电压下设备绝缘的可靠性。虽然耐压试验仍然是一种有效的发现故障的方法，但为了保障电力电缆的安全运行，电力电缆绝缘在线监测技术得到了长足的发展。目前，XLPE电力电缆的在线监测技术主要有直流分量法、直流叠加法、TG法、局部放电法及低频叠加法等。国外，特别是欧美和日本等发达国家，这些方法己经得到较广泛的应用，积累了丰富的经验，在监测方法和技术上处于领先地位，其研究开发的绝缘监测及检测装置已有较好的应用效果；更重要的是，长期的在线运行提供了大量的监测结果，丰富了对电缆缺陷和老化的判据。值得一提的是，日本在交联电缆的在线监测技术和方法上投入了大量人力和物力，开发了一些诊断设备，并提出了电缆老化程度的判据。而我国在线监测技术目前尚处于起步阶段，不少学者和研究单位对国外的监测技术和方法进行跟踪研究。12在电力电缆在线监测领域，国内也有大量相关论文和研究成果，但是目前投入实际运行的在线监测产品并不多见。煤矿生产以井下巷道作业为主，随着煤矿井下用电设备的日益增多和电压等级的升高，用电安全问题亦日益突出，其中漏电事故占有很大比重，成为矿井安全的一大隐患由于漏电的广布性、隐密性、连续性、多发性和突发性，因此，危害性也就很大。3我国煤矿井下多采用变压器中性点不接地系统供电，电力的传输主要靠电缆。电缆在运行过程中，因机械损伤、操作过电压和水分的逐渐渗入，在电场长期作用下内部会出现局部放电，引起老化和绝缘电阻下降。电缆绝缘电阻的下降会导致漏电流，不但可能导致人身触电事故，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路。对于绝缘水平比较薄弱的煤矿井下电网，如不及时断开故障馈线，会引起系统的连锁反应，严重时会引发电弧造成瓦斯和煤尘爆炸。据统计，在供电事故中，电缆事故占2/3左右，故预防及减少电缆事故至关重要。根据我国煤矿6KV电网对地绝缘电阻的测量现状，对对地绝缘参数检测技术进行研究。对电缆绝缘参数检测的研究，不仅可以有效的减少井下供电故障，更可以保障煤矿的安全运行。13论文主要工作及研究内容本论文主要是针对煤矿电力电缆绝缘检测技术的研究，首先统计电力电缆绝缘故障的类型及原因，明确故障发生发展的机理，并进一步了解电力电缆绝缘检测技术的各种方法，选择一种方法对其进行深入研究。131论文的主要内容（1）电力电缆的分类，电缆绝缘故障的原因及特性分析，绝缘诊断技术的研究通过查阅大量文献，总结找出电缆发生故障的原因及故障类型，工作量大，并对上述进行研究；（2）对采用附加直流电源绝缘检测法的直流电源进行细致研究通过采用EWB仿真软件，对直流高压发生器的参数选择进行仿真，选出参数。这是本课题的关键所在；（3）根据所选参数，制作实物，进行实验验证。第2章电力电缆的特性21电力电缆的使用概述及分类211电力电缆的使用概述电线和电缆是电力系统中使用最为广泛的设备，在各类电气事故波及的设备中，与电线电缆有关的占了几乎50，其中大部分又是因为绝缘损坏所致。高压电力电缆在区域间传输大量电能的重要作用，是国民经济的动脉，人们对的它的绝缘检测非常重视，已经做了很多研究。在我国，随着经济的发展，人们生活水平的提高，居民、厂矿用电量近几年在飞速的增加，但是对人们对低压配电网绝缘状况的监测却还没得到足够的重视，并因此造成了相当的人员伤亡和财产损失，给人民群众的生产、生活带来了很大的负面影响。因此，为了更加准确、可靠、方便的测量到反映电缆绝缘系统劣化程度的特征量，及早发现绝缘隐患，避免事故的发生，不断研究先进的绝缘检测技术和开发出合适的绝缘检测装置是十分必要和迫切的。212电力电缆的分类现在使用的35KV以下的电力电缆主要有橡皮绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘电力电缆、油浸纸绝缘电力电缆、交联聚乙烯绝缘电力电缆35KV以上电力电缆主要有高压充油电力电缆、交联聚乙烯绝缘电力电缆、SF6气体绝缘电力电缆等。电力电缆按其绝缘层的结构不同又可以分为油浸绝缘统包电缆、铅包电缆、自容式充油电缆、橡皮绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆等几种类型。452121油浸纸绝缘统包电缆6油浸纸绝缘电缆是将电缆线芯先分相包缠上油浸绝缘纸，在线芯之间的空隙内填充油浸麻绳或纸带，然后再用油浸绝缘纸将几个线芯统包起来。统包纸不但满足了线芯与外防护层的绝缘要求，而且还起到缠紧各个线芯的作用。电缆线芯统包后，外部再包上防腐蚀和防外力损伤的护套层。统包型电缆结构简单，节省材料，价格也比较便宜，因此得到广泛使用。统包电缆具有如下缺点（1）统包电缆线芯之间的空隙内有大量的电缆油存在，当使用温度发生变化时，电缆油和其他填充物就会出现一定的空间。在强电场的作用下，电缆芯空间的气体就要发生游离现象，使电缆绝缘遭到破坏（2）散热能力差，绝缘容易老化，因此载流量受到一定的限制。（3）由于电缆内部有大量的电缆油存在，当电缆垂直安装或安装地带两端有地面高差时，电缆油就很容易流向低洼的部位，使该部位护套内部压力增大，导致低端电缆漏油或外护套胀裂，使电缆受到损坏。（4）由于电缆芯都统包在一起，线芯无分相接地屏蔽，而是共用一个外护套接地，所以易引起短路故障。为避免电缆油流动引起损伤，电缆浸渍剂应选用电缆工作的正常温度下不会发生流动的浸渍剂，我们称此种类型的电缆为不滴流统包电缆。2122分相铅包电缆分相铅包电缆又称为单芯电缆。在线芯的外部包缠有两层半导体纸，用以消除线芯表面平整而引起的电场畸变。半导体层外部包缠绝缘纸，绝缘纸外部缠一层半导体纸，然后包上铅包护套和防腐层。分相式单芯电缆采用圆形线芯，分相屏蔽绝缘性能好，内部无油浸渍填充料存在，不会发生电缆油外漏现象。分相式电缆散热性能好，可以增加线芯的载流量。在安装修理时易于操作，弯曲时变形较小，因此它不但适应于10KV及以下的电缆制作，同时也适应于35KV电压等级的电缆制作。2123自容式充油电缆自容式充油电缆在导线芯的中心留有一个油道，油道与外部的供油箱相连接。当电缆温度升高时，内部的浸渍剂受热胀，多余的浸渍剂通过油道流到供油箱内。当电缆温度下降时，浸渍剂收缩，供油箱内的油回流到电缆芯油道，保持电缆线芯内部始终无间隙，不会发生游离现象使绝缘层遭到破坏，同时也避免了电缆温度上升发生热膨胀时使内部压力增大，损伤绝缘层和外护套。自容式充油电缆制造工艺复杂，一般在高电压电缆制造时才采用。自容式充油电缆具有以下特点（1）电场分布与单相电缆相同，使绝缘层在最佳状态下工作。（2）运行时不受温度变化影响，保持内压在稳定状态，不会造成护套层损伤故障。（3）电缆内部无间隙存在，使绝缘强度大为增强。（4）散热条件好，允许工作温度高，载流量大。2124橡皮电缆橡皮电缆是在导线线芯外挤压一层橡皮作为绝缘层，用麻作填料，在线芯外部包缠橡胶布带或玻璃纤维带以防止线芯松散。再挤压一层铅包层，最外层包上防腐用的钢带作为外护套。橡皮电缆也可以采用聚氯乙烯或氯丁橡皮作为密封层。橡皮电缆的特点（1）橡皮电缆耐电晕，耐腐蚀性能较差，不能制成高电压电缆。（2）橡皮电缆柔软易弯曲且耐低温性能好，适用于较低温度下和变动频繁的场合。（3）橡皮电缆电气性能和化学性能稳定，防水、防腐性能好。2125聚氯乙烯电缆聚氯乙烯电缆构造与油浸绝缘纸电缆基本相同，它的绝缘层是采用聚氯乙烯材料，内填充也是采用不吸潮的麻绳等材料，外面再包缠内衬层将线芯固定，最后再挤压上外护套层。此种电缆的外护套有三种形式无铠装、内钢带或内钢丝铠装、裸钢丝铠装。聚氯乙烯电缆有如下特点（1）具有良好的电气性能，耐油、耐燃，价格便宜。（2）化学性能稳定，安装维护方便。（3）介质损失大，且温度升高时其电气性能和机械性能明显下降，因此限制其使用电压在6KV及以下电压等级，且运行温度不得超过65KV。2126交联聚乙烯电缆交联聚乙烯电缆的结构与聚乙烯电缆基本相同，它是在电缆线芯上先挤包一层1MM厚的半导体交联聚乙烯，在绝缘层外面也要包一层半导体丁基橡胶或挤包一层半导体层，半导体层外再包一层011MM厚的钢带。成缆时线间的空隙也用填料填充使其成圆形，再缠内衬层将三芯固定，最后再挤压外护套进行铠装。交联聚乙烯电缆具有如下特点（1）耐热性能和绝缘性能好，载流量大。（2）重量轻，结构简单，安装方便。（3）线芯分相屏蔽，不容易发生相间短路事故。但其价格较贵，成本较高。45722电力电缆故障分类221电力电缆故障产生的原因及分类电力电缆经过敷设和长时间的运行使用，可能会发生故障，影响电力网的安全运行。必须及时分清故障原因，准确判断故障点，从而消除故障。了解电缆的故障原因及故障类型，对于快速的定出故障点十分重要。222电力电缆故障原因电力电缆故障的原因是多方面的，大致可分为以下几种81机械损伤。机械损伤引起的电缆故障占电缆故障事故的比例较大。例如在安装过程中，不小心碰伤电缆；机械牵引力过大而拉伤电缆；或电缆过度弯曲而损伤电缆，经过长时间运行后就有可能发展成故障。2电缆绝缘的破坏。电缆绝缘的破坏是故障产生的主要原因，特别是塑料绝缘的电力电缆，绝缘在长期电场的作用下，就会发生树枝化放电，使绝缘降解破坏，造成贯穿击穿。电缆密封不严，绝缘层进入水分而受潮，使电缆绝缘性能下降，甚至造成树枝状放电或直接贯穿性击穿，导致电缆出现故障。另外，在大气过电压和电力系统内部过电压的作用下，使电缆绝缘层击穿，形成故障，这种情形下击穿点一般是由于存在材料缺陷。3护层的腐蚀。由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包外皮受到腐蚀出现麻点、开裂或穿孔，致使水分进入电缆也可以造成故障。223故障的性质与分类电力电缆故障的分类方法比较多，通常有以下几种方法1从故障形式上可分为串联与并联故障。串联故障是指电缆一个或多个导体包括铅、铝外皮断开；并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降，而不能承受正常运行电压。导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这种故障一般伴有并联接地或相间绝缘下降的情况。实际发生的故障绝大部分是单相对地绝缘下降故障。电缆故障点可用图21所示的电路来等效。RF代表故障点处绝缘电阻，G是击穿电压为UG的击穿间隙，CF代表局部分布电容，上述3个数值随不同的故障情况变化很大，并且相互之问并没有必然的联系。间隙击穿电压UG的大小取决于放电通道的距离，电阻R的大小取决于电缆介质的碳化程度，电容C的大小取决于电缆绝缘材料的性质和故障点受潮的程度，数值很小，一般可忽略。图21电缆故障等效电路图82根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。开路断路故障电缆的各线芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体断开。具体表现为电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的范围值，但工作电压不能传送到终端，或终端有电压，但负载能力很差低压脉冲测试时，故障有反射且反射波与发射波同相。低阻绝缘故障按照过去工程惯例，凡是电缆故障点的残余绝缘电阻小于10倍电缆特性阻抗的电缆绝缘故障称为低阻绝缘故障。有时把故障点残余绝缘电阻接近零的故障称为短路故障低压脉冲测试时，故障有反射且反射波与发射波反相。高阻故障按照过去工程惯例，把电缆故障点的残余绝缘电阻大于10倍电缆特性阻抗的故障均称为高阻故障低压脉冲测试时反射不明显。闪络性故障试验电压升至某值时，泄漏电流突然升高，监视泄漏电流的表针间歇性摆动。电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻值。闪络性故障多是在进行预防性试验时发生，并多出现于电缆中间接头或终端头内。23绝缘老化的原因及类型对于固体绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝缘老化”。这些损坏和劣化主要是由于机械力的作用、热的作用、电场的作用、化学腐蚀等因素综合作用产生的。由于绝缘层的介质损耗，可能造成电缆过热，进而加速了绝缘层老化。电缆过负荷或散热不良，安装于电缆密集区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆，穿在干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝缘加速老化。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对老化了的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的，最具代表性的主要有热老化、机械老化、电压老化等。9231热老化热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从CH键中H的脱离开始的。热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如,XLPE材料被认为当拉伸率从初始的400600降低到100时寿命终止。9一般地区，大气的温度对热老化的作用不明显，炎热高温的地区作用相对大些，但不是主要因素，热老化主要是电力设备自身产生的比较大的热量所致，如电能损耗、局部放电等引起的较大的温升。为了防止绝缘材料被氧化，减缓连锁反应的速度，一般都是采用添加抗氧化剂的方法。聚乙烯的抗氧化剂常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供H，与氧化老化连锁反应中产生的ROO结合，以阻止连锁反应继续进行。大量实践经验的积累表明绝缘材料的热老化寿命与温度的关系服从ARRHENIUS定律，即式21（21）FT表示老化状态的物理量；EA引起老化所必须的能量；T热力学温度；FC,K常数，式中,FC,K和K由材料的特性决定。由上式可以看出T越高，对材料的绝缘要求也越高，相同绝缘材料的使用寿命成指数下降。热氧化老化是热和空气中氧长期联合作用所引起的一种老化形式。由于应用中的绝缘材料大部分都是要和空气接触空气中氧对氧化机理有很大影响，热氧化老化是有机绝缘材料老化的一种主要形式，习惯上又称为热老化。232机械老化机械老化是固体绝缘系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发EXPACEFFK生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电机械击穿”。它对绝缘老化的速度有很大的影响。233电老化电老化指的是在电场长期作用下，电力设备绝缘系统中发生的老化。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。一般可以用绝缘材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。各种高分子材料的本征击穿场强都在MV/CM的数量级。但是，实际中绝缘材料的绝缘击穿强度比本征击穿强度要小很多。这其中的原因是多种的，比如厚度效应、杂质的混入、制造时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。总之，本征击穿强度表征的是理想情况下材料的击穿场强。9固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论1达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”；2在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏，这被称为“热击穿”。此外，还有上文提到的“电机械击穿”，也是原因之一。和热老化寿命类似，绝缘材料的电老化寿命T与电场强度E的关系满足“N次方法则”，如式22所示（22）前已提及，介质电老化的主要原因是介质中的局部放电。固体介质耐受局部放电的性能是有差别的，例如有机高分子聚合材料的短时击穿场强很高，但因耐受局部放电的性能差，因此长时间击穿场强并不高。在绝缘设计时必须将工作场强选得比局部放电起始场强低，以保证电气设备有足够长的寿命。234其它类型其它类型还包括光氧化，臭氧氧化，生物氧化，高能辐射氧化等。当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境水分、阳光等等众多因素综合作用的结果，是一个非常复杂的过程，在推算绝缘材料使用寿命时应该尽量综合以上因素考NTKE虑。24绝缘介质在电场作用下的特性绝缘介质在电场作用下，会呈现出极化、电导、损耗等其它重要特性。241极化任何不同的绝缘材料，都可以认为是置于电极之间的电介质，并呈现电介质的特性，极化现象就是其一。极化是指置于电场中的电介质，沿着电场方向产生偶极矩、在电介质表面产生束缚电荷的现象。根据形成极化机理的不同，介质极化可以分为以下四种（1）电子和离子的位移极化；（2）热离子位移极化；（3）偶极子极化；（4）夹层极化。242电导对于理想绝缘介质而言，不含任何自由的带电粒子，电导率等于0，介质是不导电的。但是实际上，总会呈现一个很小的值，就是说，介质中有少量自由的带电粒子存在。带电粒子在电场的作用下会定向运动，形成微弱的电流，这就是平时所说的绝缘漏电流。介质中的载流子一般是自由离子，它们来源于介质本身，也有的来自外部杂质。外部温度越高，分子热运动就越剧烈，对自由离子的约束也越小，形成的电导电流越大，这一点和金属的导电特性是完全相反的。此外，介质在外加高压电场的作用下，会形成一定程度的电离，使得载流子数目增多，下降。当然，介质受潮后也会下降。表征电导的参数是电导率，在高电压工程中一般常用电阻率（1/）来表征介质的绝缘电阻。电介质电导主要是离子电导，其电导随温度的变化规律与属于电子电导的金属材料是相反的。243损耗绝缘介质在电场的作用下会产生电能的损耗，这些损耗主要来自以下三个方面（1）电导损耗；（2）极化损耗；（3）游离损耗。9如图22所示，介质两端施加交流电压U时，由于介质中有损耗，所以电流I不是电容电流，而是包含有有功和无功两个分量IR和IC。图22介质在交流电压作用下的电流相量图由图23所示，介质在交流电压作用下的功率三角形可见，介质损耗PQTANU2CTAN（23）图23介质在交流电压作用下的功率三角形用介质损耗P表示介质品质好坏是不便的，因此P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难以相互比较，所以改用介质损失角的正切TAN（介质损失角是功率因数角的余角）来判断介质的品质。TAN同R一样，是仅取决于材料的特性而与材料的尺寸无关的物理量。有损介质可用电阻、电容的串联或并联等效电路来表示。如果损耗主要是电导引起的，则常用并联等效电路；如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等效电路。25绝缘介质的吸收现象许多电气设备的绝缘都是多层的，多层介质的特性可以粗略地用双层介质来分析，如下图24所示。图24（A）双层介质的等效电路图24B吸收曲线C1、C2介质1、2的等效电容R1、R2介质1、2的绝缘电阻当开关Q合上，直流电压加到绝缘介质上后，电流表A的读数变化如图24B中曲线所示。直流电压加上瞬间，电流很大，回路电流主要由电容电流分量组成。而加压时间很久之后，电容C1和C2相当于开路，回路电流为泄露电流IG，此时IG取决于绝缘电阻R1与R2之和，这就出现了由最初的电容电流到最终的泄露电流之间的过渡过程。当试品电容量较大时，这一过渡过程进行得很慢，甚至达数分钟或更长。图24B中阴影部分的面积为绝缘在充电过程中逐渐“吸收”的电荷QA。这种逐渐“吸收”电荷的现象叫作“吸收现象”，对应的电流IA称为吸收电流。它是由于介质中偶极子逐渐转向，并沿电场方向排列而产生的。9当开关合上时，绝缘两端突然有一个很大的电压变化，在极短的时间内（T0）介质上的电压按电容分压，此时21CU（24）（25）当达到稳态后，介质上的电压将按电阻分压，此时回路电流（26）而（27）（28）由T0至电压达到稳态一般有一个过渡过程，例如，当式（27）中U1比式（24）中的U1小时，在过渡过程中C1要放电，同时C2要进一步充电。这个过渡过程的快慢取决于时间常数（29）由以上分析可见，加上试验电压后，流过试品的电流由两部分组成。第一部分为传导电流IG，其大小与试品总的绝缘电阻（R1R2）成反比；第二部分为吸收电流IA，其大小与试品绝缘的均匀程度密切相关，如试品为均匀介质，或R1C1R2C2,则吸收电流很小，吸收现象便不明显。如果试品很不均匀，或者R1C1与R2C2相差很大，则吸收现象十分明显。在相同的电压下，不同设备的绝缘其总电流随时间下降的曲线不同。即使同一设备，绝缘受潮或有缺陷时，其总电流也要发生变化。当绝缘受潮或有缺陷时，电流的吸收现象不明显，总电流随时间下降较缓慢，而试品的绝缘电阻与电流成反比。因此，根据I15/I60的变化，就可以初步判断绝缘的状况。通常用吸收比KA来表示122CU12GIR112U221R121R（210）式中，I15,R15为加压15S时的电流和对应的绝缘电阻；I60,R60为加压60S时的电流和对应的绝缘电阻。极化指数用PI来表示（211）即试品在加压后10分钟时的视在电阻值和1分钟时的视在电阻值之比。显然，对于不均匀试品的绝缘，如果绝缘状况良好，则吸收现象明显，KA值远大于1，PI值也较大。如果绝缘严重受潮，松弛极化变得不明显，由于IG大增，IA迅速衰减，KA值接近于1，PI也较小。推荐的K,PI与绝缘状况的关系见下表所示表21K,PI与绝缘状况的关系状态KPI危险1420吸收比、极化指数与绝缘吸收系数G和吸收时间常数的关系式如下212213绝缘吸收系数G主要取决于介质的不均匀程度。当绝缘材料绝缘良好或者很差时，60601515/ARUIK10MINRPI15/60TEK60/1TEPIGG都会表现出较小的值，使得试品吸收比K偏小，这导致用吸收比K来判别绝缘状况的优劣变得不确定。与吸收比K相比,用极化指数PI来衡量绝缘状况的优劣有其优越性。通常,T100200S,于是GE600/T0，所以，式213可以简化为式21460/1TPIGE（214）因此可以看出，PI与吸收时间常数T成单调变化的关系，而且，因为是在测试电压施加比较长的时间后测量的，受几何电容充电电流的影响较小，所以现在有学者提出用PI代替K作为绝缘性能判别指标要更科学的观点。但是，我们应该看到受到G值与材料绝缘优劣关系的不确定性的影响，单纯靠K或者PI来衡量材料绝缘性能好坏都是片面的，应该结合绝缘电阻RC的值等参数来综合判断。而且，仅依据一次测量数据来判断绝缘状况的劣化也是不充分的，重要的是对各参数进行的长期观察和对比，分析各参数的变化趋势，并以此为依据，判断绝缘老化情况和剩余绝缘寿命。第3章电缆绝缘诊断技术31概况对运行电缆实施绝缘检测的目的是了解电缆及其附件的老化情况，以其判断是否能继续可靠工作，进而评估其残余寿命。检测方式分为破坏性实验与非破坏性实验2种。破坏性试验又称绝缘耐压试验，是指在高于设备工作电压下进行的试验，它是在特定波形电压下使缺陷部位击穿，以筛选出能继续可靠运行的直接方法。它主要有交流耐压和直流耐压两种试验，旨在揭露危险性大的集中性绝缘缺陷，保证绝缘有一定的裕度。需要指出的是，耐压试验可能会对试品产生某些损坏，从而影响绝缘寿命。其波形和电压值的差别有不同筛选效果，显然，对运行电缆绝缘老化检出与竣工交接试验有不尽相同的考虑。10非破坏性试验又称为绝缘特性试验，是指在较低电压下用其它不会损伤绝缘的方法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部有无缺陷。目前国外对高压XLPE电缆绝缘老化检测技术的研究近年来才见有少量报导，只查阅到日本、荷兰2个国家的有关情况。（1）日本日本用基于高压XLPE电缆线路运行实际性能的评估来考虑实施必要的绝缘检测，主要有电缆本体。66KV电缆少数出现PD老化导致绝缘故障是由EVT引起的，故需有能检出EVT的检测方法。东京电力公司近年来开发出了损失电流法来用于对长约1000KM、无径向防水层的66KV电缆水树检测。由于110KV以上XLPE电缆迄今未发生过因绝缘老化而导致的故障，又因其具有金属套防水，绝缘层厚度足以适应水树生长，故对其检测的必要性目前还不迫切。电缆附件。66KV预制应力锥式终端在长期运行后曾因硅脂脱失导致击穿，275KV挤出模塑式接头运行后曾发生绝缘击穿，原因是有纤维状杂质混入了终端与接头，通过对挤出安装工艺进行改进完善后将可避免此类缺陷，但预制式附件的绝缘界面弱点难以杜绝，故宜实施PD检出，且需运用适应有多种干扰源的现场PD检测仪。如今，对66500KVXLPE电缆线路主要实施的是PD检测。（2）荷兰荷兰在150KVXLPE电缆线路运行多年突然发生终端击穿的情况后，针对预应力锥硅脂流失等绝缘界面缺陷的检出，明确了需采取PD检测法。为此，他们开发出了适合现场用的高频PD（HFPD）或超高频PD（VHFFD）新型检测仪。英国、澳大利亚、瑞士等欧洲国家也有同类应用。32电缆绝缘停止运行诊断法321绝缘电阻的测量绝缘电阻是反应绝缘性能的最基本指标之一，通常用兆欧表进行测量。规定所加电压60S后测得的数值为该试品的绝缘电阻。兆欧表的接线柱有三个见图31“线路”L、“接地”E、“保护环”G。电力线路或照明线路测量绝缘电阻时L接电线,E接大地,所测的是电线与大地间的绝缘电阻。对于电缆线路,除了E接缆壳L接缆芯外,还需将电缆壳芯之间的内层绝缘接于G端钮上,以消除因表面漏电而引起的误差。对于测量不同芯线芯数的电缆的绝缘电阻时,不需被测试部分也应短路接地。图31兆欧表的使用对于使用兆欧表的注意事项有以下（1）测量前须将被测试对象之额定电压了解清楚，相应地选择摇表之电压等级，使二者额定电压相适应。一般应用的摇表有500V，1000V，2500V，5000V之分，原则上测量低压电气设备的绝缘电阻应使用低电压的摇表，测量高压电气设备的绝缘电阻应使用高电压摇表，否则，摇表电压大于被测试设备电压，其测量值会偏小，反之则偏大，达不到应有的要求。与此同时，摇表的选择还要考虑仪表的测量范围仪表的量程是否合适，即摇表的测量范围不应过多的超过被测试设备的绝缘电阻值，不然的话读数误差较大。另外，有的摇表仪表盘刻度标尺不是从零开始，而是从1兆欧或2兆欧开始，这种表不适宜测潮湿场所低压电气设备或低阻值电气设备的绝缘电阻值，因为低于1兆欧仪表不能显示准确数值。（2）测量前检查摇表是否完好。为此，先将摇表的端钮“L”与“E”端开路不接被测品摇动手柄达到其额定转速，此时观察摇表指针是否指“”位置然后将端钮“L”与“E”端短封，再慢速摇动手柄，此时观察摇表指针是否指“0”位置。若开路指“”，短路指“0”说明摇表处在完好状态。反之，则说明摇表有问题。（3）被测试对象若是运行中的电缆，应先停电，实行安全技术措施，经过充分的放电后才可进行测试工作，以保证表和人身安全。测试前应将摇表放在干燥、清洁、平稳、安全、离被测试设备距离适当并远离磁场干扰的位置，这是使用摇表应具有的必要条件。测试前应记录周围环境的湿度和温度。应该使用专用的测量导线或者绝缘强度高的多芯软导线，将摇表端钮“L”连接至被测试对象的“相线”，端钮“E”连接至被测试对象的外壳上。（4）测量开始应将摇表摇柄转至额定转速后开始计时。有的人忽视或做不到这一点，这将导致测量数据的误差，应引起注意。（5）正确读取测量数据和对测量结果妥善地分析、处置以及做好测试记录是正确使用摇表的注意事项之一。摇表的转动，即便到了规定的测量时间1分钟或更长的时间后，除观看指示数值外，应先断开“L”测试导线，再停止摇表转动，切莫反其道而行之。测量工作完毕，对被测试设备要先行放电，尤其对容性的电力电容器、高压长距离电力电缆等要长时间的充分放电，确认无电压后，再作收尾工作。322泄露电流的测量在直流电压作用下测量泄露电流，实际上也就是测量绝缘电阻。经验表明当所加的直流电压不高时，有泄露电流换算得出的绝缘电阻值比兆欧表测绝缘电阻能获得更多的信息。但当用较高的电压来测泄露电流时，就有可能发现兆欧表所不能发现的绝缘损坏或弱点。一个良好的绝缘，在标准规定的试验电压作用下，其泄露电流不应随加压时间的延长而增大。读取泄露电流值的时间，一般规定为达到试验电压后1分钟。在进行泄露电流试验时，要求整流回路的高压直流电源必须稳定，主要测量随时间变化。与吸收电流相比，绝缘材料受潮后泄露电流会增加。当介质上所加电压去掉后，介质放电会出现吸收过程类似的过程，但没有泄露电流现象。可根据下面的极化指数和泄露指数来判断受潮程度。极化指数31泄露指数32式中，I1为加电压1MIN后的电流I10为加电压10MIN后的电流；ID10为开始放电10MIN后的电流。323介质损耗角正切值的测量图32有损耗介质的电压电流矢量图如图32所示，当绝缘介质上施加交流电压时，流过的电流包含比施加电压超前/2的电容电流IC和与电压同相位的电流IR，形成全电流I。如果I与IC间的相位角为，则绝缘介质的损耗W为2UITGCTG（33）式中，C为绝缘介质的电容；为交流电压的角频率；TG被称为介质损失角正切，它是交流电压作用下电介质中电流的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，10I10DI反映的是电介质内单位体积中能量损耗的大小。在一定的电压和频率下，介质损失角正切值（TG）与绝缘介质的形状、大小无关，只与介质的固有特性有关。TG可以有效地发现绝缘受潮、穿透性导电通道、绝缘内含气泡的游离、绝缘分层和脱壳以及绝缘有脏污或劣化等缺陷。测量TG值，主要的测量方法是通过在电缆导体和屏蔽层之间施加一个理想交流电源，测量电压电流相位差来推算TG，或者采用西林电桥进行测量。324逆吸收电流法该方法为在对电缆施加直流电压后，检测导体对屏蔽层短路时的电流。由于也是吸收现象影响了电流的衰减，所以被称为逆吸收电流。逆吸收电流的衰减情况和吸收电流一样，也反映了绝缘介质局部缺陷、发生水树枝等老化现象的程度。因为是短路放电电流，所以和充电电流方向相反。325残余电荷法残余电荷法是先对电缆施加直流电压一段时间一般为10分钟，接着线芯接地5分钟后再在线芯和屏蔽层之间施加交流电压，这时测量流过的过渡直流电流IDT对时间T在1分钟内的积分值Q，Q即为残留电荷。绝缘判定的依据为试验和实践总结出来的交流击穿电压和残余电荷的关系。一般残余电荷越少表示绝缘性能越优良。残余电荷法对于局部老化的检测精度较高，且不受串联阻抗的影响。326电位衰减法给电缆施加电压后，断开电源，由于电缆绝缘体的绝缘电阻作用，导体与屏蔽层之间的电位差将衰减。和电缆加电压时的电流响应一样，电位衰减的快慢和绝缘老化状况有关，其中，和水树枝的状况关系尤为密切。水树枝多、贯穿程度大的电缆样品电位衰减快，反之，则电位衰减较缓慢。如图33图3333电缆绝缘在线诊断法331直流分量法直流成分法的原理交联电缆老化的过程中产生的水树枝通常都是从绝缘层和其他介质交界处开始生长。当交联电缆绝缘层含有水树枝的时候，水树枝和电缆导电线芯导线或者铜屏蔽层就构成了针和板，两个放电电极。水树枝相当于针形电极，电缆导线或者铜屏蔽层相当于板形电极如图34所示。由于棒板放电的过程中，棒极为正极性和负极性时的放电情况是不对称的，加上交流电压时会产生整流效应，这就是含有水树枝的电缆在运行中产生直流分量的原因。直流分量是水树导致绝缘能力降低的一个标志，通过测量直流分量能够诊断正在运行中的交联电缆绝缘老化的情况。直流法包括直流成分法和直流叠加法两种具体方法。直流成分法测量运行中XLPE电力电缆绝缘中的“水树状”劣化状态，直流叠加法测量运行中XLPE电力电缆直流绝缘电阻。前者以在线检测水树枝在工频交流电场下因“整流效应”所产生的微弱直流电流作为绝缘老化的判据；后者是采用对运行中的电缆绝缘叠加一个小直流电势，然后在电缆屏蔽层接地回路中测出所产生的直流电流的方法来获知电缆的直流绝缘电阻。图34电缆水树枝原理图332局部放电法对于局部放电法来说，监测主要是在终端头和附件等处采集局部放电量。经过小波理论和信号处理从干扰信号中来辨识XLPE电缆的局部放电量。水树枝引发的初期，局部放电量大约为01PC。电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，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、IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威机构一致推荐局部放电试验是作为XLPE绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。XLPE电力电缆的在线监测场所是一个包含许多变压器、发电机、电容器等电气设备的庞大的电力系统，其中，包含许多信号较大、波形较复杂的背景噪音和外界电磁干扰噪声，例如，其周围的电气设备发电机的局部放电量就高达几千个PC，并且波形复杂，频域较宽。提取的电缆绝缘裂化信号极易淹没在周围的干扰信号之中。333差频法差频在线监测法的检测方式与直流法相似，在工频交流电下叠加低频电压，观察其对老化电缆的响应程度。针对目前国内外研究的低频叠加采用不同频段和波形试探的现状下，寻求出真正能体现电缆老化程度的低频加载信号。近来，有研究发现在同时对含水树枝XLPE电缆施加两个频率相近或相似呈倍数关系的正弦电压时，检测回路中会有超低频水树劣化特征电流信号产生，据此可对电缆绝缘的水树枝老化状态进行在线诊断，这就是差频监测技术的理论基础。如果施加50HZ工频电压叠加上去，形成的信号会淹没在工频供电的系统中，所以采用100HZ左右的低频低压电源供电。该方法可以用在不同电压等级的电缆线上，根据电力电网的实际接线方式，不同的电压等级需要在不同的部位叠加低频信号。L0KV电缆可以采用类似于直流叠加法，即通过消弧线圈的零序PT叠加；110KV/220KV电缆可以在电网PT二次测开口三角端注入变频恒流信号。差频技术的主要难点在于研制一个有利于研究并且能工作在现场的频段可调的变频电源和寻找有效的变频信号叠加位置以及大小。该方法的测量方式如图35所示。图35基于差频法的测量原理图334交流叠加法该方法是在电缆屏蔽层上叠加一个交流电压频率工频频率21测检出1HZ的特征电流信号，从而判断电缆的老化程度，交流叠加法检测原理见图36所示。图36交流叠加法检测原理图试验表明，在给老化电缆屏蔽层上叠加不同频率的交流电压时，当电压频率为100HZ时，会产生一个比较大的特征电流。进一步的研究表明，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1014HZ时，特征电流达到最大值。这样所得出的关系式为检测电流频率叠加电压频率工频频率2。与直流叠加法相比，交流叠加法所需电源的幅值较小，通常叠加5V的交流电压就可得到明显的特征电流，这使得交流叠加法能更容易地检测出电缆老化信号；另外，交流叠加法所测得的特征电流的线性化程度要比直流叠加法好得多，因而，交流叠加法不失为在线检测电缆的一个新方法。335谐波分量法由水树枝引起老化的XLPE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性而产生。随着电缆老化程度的增加，损耗电流波形畸变越大，即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信息。由于奇次谐波通常会给损耗电流测量带来误差，该方法通过对调制而产生的偶次谐波的测量，可避免这一问题，并且在很大程度上不受杂散电流的影响，很值得借鉴。第4章附加直流电源绝缘检测法41直流高压发生器概述由于采用了附加直流电源绝缘检测法，所以对于电源的研究很重要。由于直流高压发生器是高压试验仪器中主要测试设备之一，在高压试验中应用广泛，如避雷器、电力电缆、电力电容器、电动机定子绕组的直流耐压试验等。所以根据实际情况要求，考虑到便携易用性，直流高压发生器要