电气工程及自动化专业煤矿6kV电缆对地绝缘参数检测技术的研究.docx

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Subject : Specialty : Name : ABSTRACTWith the development of electrical engineering and the further demand on the service reliability and safety of power systems, the insulation monitoring technique has been paid much attention, at the same time，advanced methods and devices has been in constantly emerge. KEY WORDS: insulation parameters, 目录摘 要IABSTRACTIII目录IV第1章 绪论11.1 电力电缆绝缘诊断意义11.2 课题研究背景及意义11.3 论文主要工作及研究内容21.3.1 论文的主要内容2第2章 电力电缆的特性32.1 电力电缆的使用概述及分类32.1.1 电力电缆的使用概述32.1.2 电力电缆的分类32.1.2.1 油浸纸绝缘统包电缆632.1.2.2 分相铅包电缆42.1.2.3 自容式充油电缆42.1.2.4 橡皮电缆52.1.2.5 聚氯乙烯电缆52.1.2.6 交联聚乙烯电缆52.2电力电缆故障分类52.2.1电力电缆故障产生的原因及分类52.2.2电力电缆故障原因62.2.3故障的性质与分类62.3 绝缘老化的原因及类型72.3.1 热老化82.3.2 机械老化92.3.3 电老化92.3.4 其它类型102.4 绝缘介质在电场作用下的特性102.4.1极化102.4.2 电导102.4.3 损耗102.5 绝缘介质的吸收现象12第3章 电缆绝缘诊断技术163.1 概况163.2 电缆绝缘停止运行诊断法173.2.1 绝缘电阻的测量173.2.2 泄露电流的测量183.2.3 介质损耗角正切值的测量193.2.4 逆吸收电流法203.2.5残余电荷法203.2.6 电位衰减法203.3 电缆绝缘在线诊断法213.3.1 直流分量法213.3.2 局部放电法223.3.3 差频法223.3.4 交流叠加法233.3.5 谐波分量法24第4章 附加直流电源绝缘检测法254.1 直流高压发生器概述254.2 直流高压发生器的设计254.2.1 直流高压发生器的几种产生方式254.2.1.1 半波整流254.2.1.2 工频倍压整流254.2.1.3 中频倍压整流264.2.2 倍压电路的工作特性264.2.2.1 倍压整流电路基本原理264.2.2.2 其他形式的倍加电路结构的工作特性274.3 倍压电路参数选择324.3.1 电缆的实验特性324.3.2 参数选择354.3.2.1 电容值选择354.3.2.2二极管选择404.4 实验404.5 小结42第5章 论文总结435.1 论文工作总结435.2 后续工作43致谢44参考文献45第1章 绪论1.1 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。1.2 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。1.3 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。1.3.1 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2.1 电力电缆的使用概述及分类2.1.1 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。2.1.2 电力电缆的分类现在使用的35 KV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。452.1.2.1 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。2.1.2.2 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。2.1.2.3 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。2.1.2.4 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。2.1.2.5 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。2.1.2.6 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0.11mm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。4572.2电力电缆故障分类2.2.1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。2.2.2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：8(1)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。2.2.3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2-1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2-1 电缆故障等效电路图8(2)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。2.3 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。92.3.1 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C-H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400%600%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2.1: （2.1）f(T):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。2.3.2 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。2.3.3 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2. 2所示： （2.2）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。2.3.4 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虑。2.4 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。2.4.1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。2.4.2 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。2.4.3 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2-2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2-2 介质在交流电压作用下的电流相量图由图2-3所示，介质在交流电压作用下的功率三角形可见，介质损耗P=Qtan=U2Ctan （2.3）图2-3 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。2.5 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2-4所示。图2-4（a） 双层介质的等效电路 图2-4(b) 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2-4(b)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2-4(b)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（t=0+）介质上的电压按电容分压，此时 （2.4） （2.5）当达到稳态后，介质上的电压将按电阻分压，此时回路电流 （2.6）而 （2.7） （2.8）由t=0+至电压达到稳态一般有一个过渡过程，例如，当式（2.7）中U1比式（2.4）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 （2.9）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（R1+R2）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 （2.10）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 （2.11）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2-1 K,PI与绝缘状况的关系状态KPI危险1.11.42.0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: (2.12) (2.13)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，G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Ge-600/T0，所以，式(2.13)可以简化为式(2.14): （2.14）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3.1 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