电力电缆在线监测

1、电力电缆在线监测电力电缆在线监测Power cable on-line monitoring 什么是电力电缆？什么是电力电缆？架空线架空线电力电缆电力电缆电力传输通道电力传输通道电力电缆的使用至今已有百余年历史。电力电缆的使用至今已有百余年历史。1879年年 爱迪生首次使用电缆实现地下输电。爱迪生首次使用电缆实现地下输电。1911年年 德国敷设德国敷设60kV高压电缆。高压电缆。1913年年 霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆。霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆。1981年年 研制成研制成1000kV的特高压电力电缆。的特高压电力电缆。 为什么使用电缆？为什么使用电缆？输电通道小输电通道小不受环境污染影响

2、不受环境污染影响可靠性高可靠性高对人身及周围环境干扰小对人身及周围环境干扰小特殊应用环境特殊应用环境使用电缆的优点使用电缆的优点制造工艺复杂制造工艺复杂造价高造价高施工维修麻烦施工维修麻烦使用电缆的缺点使用电缆的缺点电缆的种类电缆的种类油纸绝缘电缆油纸绝缘电缆气体绝缘电缆气体绝缘电缆塑料绝缘电缆塑料绝缘电缆聚氯乙烯电缆聚氯乙烯电缆聚乙烯电缆聚乙烯电缆XLPE（交联聚乙烯电缆）（交联聚乙烯电缆）塑料绝缘电缆塑料绝缘电缆交联聚乙烯电缆交联聚乙烯电缆 XLPE， cross linked polyethylene 30余年历史余年历史 性能优良、工艺简单、安装方便性能优良、工艺简单、安装方便 得到广

3、泛应用得到广泛应用XLIE电缆的基本结构电缆的基本结构交联聚乙烯绝缘电缆结构示意图交联聚乙烯绝缘电缆结构示意图1、导体、导体 2、导体屏蔽、导体屏蔽 3、交联聚乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘 4、绝缘屏蔽、绝缘屏蔽 5、金属屏蔽、金属屏蔽 6、填充、填充 7、内衬层、内衬层 8、铠装层、铠装层 9、外护套、外护套n 导电线芯：高导电率材料，绞线承圆形或扇形截导电线芯：高导电率材料，绞线承圆形或扇形截面。面。n 绝缘层：高电阻率材料，绝缘层：高电阻率材料，tg 、 低而电气强度低而电气强度Eb高的油浸纸、橡皮或塑料。高的油浸纸、橡皮或塑料。n 密封护套：保护绝缘线芯免受机械、水分、化学密封护套：保护绝

4、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。等的损伤，有时外部还有保护覆盖层。n 半导体层的作用：均匀电场，它可以克服电晕及半导体层的作用：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。游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。固体电介质树枝化劣化固体电介质树枝化劣化 在高电场强度作用下，固体介质内常出现树枝状在高电场强度作用下，固体介质内常出现树枝状局部损坏。在电场的持续作用下，这些树枝状微通道局部损坏。在电场的持续作用下，这些树枝状微通道就可能沿电场方向贯穿整个绝缘，导致击穿。所以树就可能沿电场方向贯穿整个绝缘，导致击穿。所以树枝现象也是预击穿现象。枝

5、现象也是预击穿现象。电树枝电树枝水树枝水树枝1. 电树枝电树枝 电极尖端处或微小空气隙、杂质等处电场较强，电极尖端处或微小空气隙、杂质等处电场较强，发生的放电逐渐发展，形成较细的沟状放电通道的发生的放电逐渐发展，形成较细的沟状放电通道的碳化痕迹。碳化痕迹。电树枝通常笼廓电树枝通常笼廓较清晰较清晰2. 水树枝水树枝水树枝通常笼廓水树枝通常笼廓较模糊较模糊水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。 制造过程中残留在绝缘中的微水。制造过程中残留在绝缘中的微水。 运行中因机械损伤水分逐渐侵入。运行中因机械损伤水分逐渐侵入。 电场长期作用下绝缘中形成由微小的水滴

6、及连电场长期作用下绝缘中形成由微小的水滴及连接它们的水丝组成的水树枝。接它们的水丝组成的水树枝。l 电场电场l 水份水份l 环境因素环境因素l 时间时间 半导体层半导体层绝缘层绝缘层内部半导体层内部半导体层电缆芯电缆芯“残留水树残留水树“外部浸入水树外部浸入水树导致水树发展的条件导致水树发展的条件n 水树一般在电气强度较强的区域得到进一步的水树一般在电气强度较强的区域得到进一步的发展发展n 水树的老化过程通常较缓慢。水树的老化过程通常较缓慢。n 水树是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占水树是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占事故的事故的71%，多发生于自然劣化。，多发生于自然劣化。n水树枝一般

7、是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层水树枝一般是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。若绝缘体内存有气隙或杂质，界面上引发出来。若绝缘体内存有气隙或杂质，则会在电场方向产生并加剧蝶形领结状水树枝。则会在电场方向产生并加剧蝶形领结状水树枝。这些水树枝不仅受电缆结构的影响，而且还受这些水树枝不仅受电缆结构的影响，而且还受半导作层性能和形状、含水率、电压等级、电半导作层性能和形状、含水率、电压等级、电缆芯温度以及浸水条件等因素的影响。缆芯温度以及浸水条件等因素的影响。 n水树枝延伸最主要的条件是高温和浸水，有时水树枝延伸最主要的条件是高温和浸水，有时水树枝的长度可以达到绝缘厚度的一半以上。水树枝的长

8、度可以达到绝缘厚度的一半以上。 水树枝延伸的时间特性水树枝延伸的时间特性3 6 kV级级XLPE电缆交流击穿场强电缆交流击穿场强与水树长度的关系与水树长度的关系水树引起的绝缘故障发展过程水树引起的绝缘故障发展过程 水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会重现。水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度重现。水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度降低，促进老化作用，缩短寿命。长期逐步发展最降低，促进老化作用，缩短寿命。长期逐步发展最终将导致绝缘损坏终将导致绝缘损坏.根据现场

9、运行经验，水树枝劣化特性如下：根据现场运行经验，水树枝劣化特性如下：（l）仅发生在）仅发生在6kV以上的高压交联聚乙烯电缆中。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）从投运到破坏的时间需要数年至十几年，大多数在数在10年以上。年以上。（3）贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正）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。异常电压时才产生破坏。（4）环境温度高时，劣化进程加快。）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因此

10、对电力电缆绝缘本体进行故障监测是可行的，也是必要的。的，也是必要的。 电力电缆监测和诊断方法电力电缆监测和诊断方法 直流法直流法 工频法工频法 低频法低频法 复合判断法复合判断法直流法直流法 直流成分电流监测直流成分电流监测 直流叠加法直流叠加法 直流电桥法直流电桥法直流直流成分法成分法机理机理 电缆中存在水树时，类似尖电缆中存在水树时，类似尖 板电极具有整流作用板电极具有整流作用。因此因此在工作电压下，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。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

11、测直流成分电流监测 TR 配电变压器配电变压器 GPT 接地保护用接地保护用 电压互感器电压互感器 M 直流微电流直流微电流 检测装置检测装置 (nA级级)回路中流通微弱的直流成分电流回路中流通微弱的直流成分电流直流直流成分电流监测原理接线成分电流监测原理接线直流成分电流监测直流成分电流监测 微电流测量装置微电流测量装置 微电流测量仪微电流测量仪 低通滤波器低通滤波器 衰减交流成分、检出直流成分衰减交流成分、检出直流成分 接地保护装置接地保护装置 保证试验人员和装置的安全保证试验人员和装置的安全直流成分电流监测直流成分电流监测直流成分电流监测直流成分电流监测6 kV XLPE电缆交流击穿电压与

12、电缆交流击穿电压与直流分量的关系直流分量的关系判断规则判断规则 直流成分电流直流成分电流 小于小于1 nA 绝缘良好绝缘良好 大于大于100 nA 绝缘不良绝缘不良 介于两者间介于两者间 加强监测加强监测直流成分电流监测直流成分电流监测护层与地之间有化学电势护层与地之间有化学电势Es直流成分电流监测直流成分电流监测 护层与电缆绝缘护层的绝缘电阻下降护层与电缆绝缘护层的绝缘电阻下降 M中将流过杂散电流中将流过杂散电流 通常通常Es不超过不超过 0.5 V 当护层绝缘电阻小于当护层绝缘电阻小于200 500 M 杂散电流将影响诊断的可靠性杂散电流将影响诊断的可靠性直流法直流法 直流直流叠加叠加法法

13、 借助电抗器借助电抗器将直流电压在线叠加于电将直流电压在线叠加于电缆绝缘测量缆绝缘测量直流直流叠加电流。叠加电流。 防止影响防止影响GPT二次输出电压二次输出电压 直流电压不能很高，约直流电压不能很高，约10 50 V 直流电压不高直流电压不高 电缆绝缘处于交流高压作用下电缆绝缘处于交流高压作用下 真实反映绝缘的实际状况真实反映绝缘的实际状况直流直流叠加叠加法法 6 kV XLPE电缆电缆 直流叠加电流直流叠加电流 与与 水树长度水树长度 的关系的关系直流直流叠加叠加法法 保证安全保证安全 L、C 调谐于调谐于50 Hz 杂散电流杂散电流Es的影响的影响 正、反向正、反向 叠加直流叠加直流 电

14、压消除电压消除直流直流叠加叠加法法判断规则判断规则 测得绝缘电阻测得绝缘电阻 大于大于1000 M 绝缘良好绝缘良好 小于小于10 M 绝缘不良绝缘不良 介于两者间介于两者间 加强监测加强监测试验证明：用直流叠加法测得的绝缘电阻与停试验证明：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。电后加直流高压时的测试结果很相近。直流直流叠加叠加法法直流法直流法 直流直流电桥电桥法法 测量电缆绝缘电阻的电桥接线测量电缆绝缘电阻的电桥接线 电桥平衡电桥平衡 Rx = (E1-V4) R2 / V4 设设E1为为20 V， V4为为1 mV，R2为为50 M Rx最大可测到最大可测到100

15、 000 M 防止直流电压对防止直流电压对GPT的有害影响的有害影响直流直流电桥电桥法法 Es影响的消除影响的消除 调节调节R4及及E0 V0指示为零指示为零 其他设备的绝缘电阻与其他设备的绝缘电阻与R3并联并联 R3之值并不参与计算之值并不参与计算 其他设备的绝缘电阻不影响测量结果其他设备的绝缘电阻不影响测量结果直流直流电桥电桥法法 加于电缆的电压信号加于电缆的电压信号(通过电压互感器取出通过电压互感器取出) 流过绝缘的电流信号流过绝缘的电流信号(通过电流互感器取出通过电流互感器取出) 通过数字化测量装置通过数字化测量装置 电缆绝缘的电缆绝缘的tg 工频工频法法 介损介损因数法因数法什么是介

16、质损耗角什么是介质损耗角 ( tan ) ?) ? time/sec010电压电压电流电流 = 介质损耗角介质损耗角 tan d = 有功功率有功功率 无功功率无功功率CRCURU 122 水树的简化等效电路水树的简化等效电路w tw tR1C1R2C2 0,0010,010,11100,0010,010,11101001000W.C.= 0.18%W.C.= 1.52%W.C.= 2.12%W.C.= 2.60%W.C.= 3.51%Tan Frequency HzPaper with different moisture contentsTemperature ca. 22C50 Hz60

17、 Hz受潮对受潮对tan 的影响的影响0,0010,010,11100,0010,010,1110100100020 oC40 oC60 oC80 oCTan Frequency HzDry paper ( 0.5%) at different temperatures50 Hz60 Hz温度对温度对tan 的影响的影响 6 kV XLPE电缆交流击穿电压电缆交流击穿电压与在线测得与在线测得 tg 间的关系间的关系 统计分析表明统计分析表明 tg 大于大于1% 绝缘不良绝缘不良 如果满足以下条件，电缆状态正常如果满足以下条件，电缆状态正常 : :tan (2 U0) 1.2 andtan (2

18、 Uo) - tan (Uo) 0.6 如果发生以下情况，则如果发生以下情况，则电缆处于故障状态电缆处于故障状态 ( (须立即更换）须立即更换） : : tan (2 Uo) 2.2 ortan (2 Uo) - tan (Uo) 1.0 对于对于 XLPE 电缆这一标准是非常重要的。电缆这一标准是非常重要的。 工频工频法法 局部放电法局部放电法 试验分析证明试验分析证明 绝缘中的电树枝达到绝缘中的电树枝达到0.5 mm时时 局部放电量约局部放电量约100 pC 由由 -q、 -n、q-n、或、或 -q-n谱图谱图 判断电缆状态判断电缆状态 放电相位，放电相位，q 放电量，放电量，n 重复率重

19、复率 偏斜度偏斜度s 在在4个象限中个象限中 的分布的分布 预测树枝的预测树枝的 延伸发展情况延伸发展情况 P点进入第点进入第3象限象限 绝缘进入危险状态绝缘进入危险状态 水树水树 流经电缆绝缘流经电缆绝缘 的电流也含有的电流也含有 低频成分低频成分 根据频谱分析根据频谱分析 频率在频率在10 Hz , 特别在特别在3 Hz以下以下.低频法低频法 低频成分法低频成分法 在电缆接地线中串接入测量装置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由测得的低频电流诊断绝缘 低频电流也是纳安级低频电流也是纳安级 对测量装置要求较高对测量装置要求较高低频低频法法 低频低频叠加叠加法法 避免直流微电流测量上的困难避免直流微电流测量上的困难 将将7.5 Hz、20 V的低频电压的低频电压 在线叠加于电缆在线叠加于电缆 在电缆接地线中串接入测量装置在电缆接地线中串接入测量装置 绝缘