交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监测技术.pdf

2 0 0 2年第 6期 NO6 20 02 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 2年 1 2月 De c 2 00 2 交联聚乙烯 电力 电缆 的绝缘在线监测技术 柴旭峥 ， 关根 志 ， 黄 海鲲 ， 李成绪 ( 1 武汉大学 电气工程学 院 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 2 ； 2 襄樊 供电局 ， 湖北 襄 樊4 4 1 0 0 2 ) 摘 要 ： 本文介绍 了国 内外交联 聚 乙烯( X L P E) 电力 电缆绝 缘在线监 测技 术的研 究现 状 。讨论 了 X L P E电力 电 缆绝缘在 线监 测技术 所面临的一 些技 术问题 。根据 对 交流 叠加 冲击 电压 下 XL P E绝缘放 电特性的研 究 探讨 了 X L P E电力电缆绝缘在 线监测技 术的发展 方向。 关键词 ： XL P E 电力电缆 ； 绝缘 ； 在线监 测 ； 局 部放 电 中图分类号 ： T M2 4 7 9 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 3 1 1 3 9 2 ( 2 0 0 2 ) 0 6 0 0 3 0 0 4 St a t u s quo a nd f u t u r e de v e l op m e nt o f t he on - l i ne moni t or i ng t e c hni qu e f or XLPE po we r c a b l e s CHA I Xu z he ng e t a 1 ( W uha n Uni ve r s i t y，I ns t i t ut e of El ec t r i c En gi n e er i n g，W u ha n 430 07 2， Hub e i Pr ov i n c e，Chi na) Abs t r ac t ：The s t at u s quo of t h e o n l i n e mo ni t or i ng t e c hni qu e f or XLPE po we r c a bl e s at home a nd a br o a d i s pr e s e nt e d S ome pr ob l ems a r i s i ng f r om t h e on l i ne moni t or i ng o f XLPE po we r c a bl es ar e di s c us s e d Th e t r e nd of de v e l op me nt of t he on l i n e moni t or i ng t e c hni uqe f or XLPE p owe r c a bl es i s p r e di c t e d b a s e d on our s t udy on t he di s c ha r ge ch ar a c t er i s t i c s of XLPE p ower c a bl es und er a c v ol t a g es s up er i mpo s e d b y i mpul s e v ol t a g e s Ke y wor ds：XLPE p ower c abl e；i ns ul a t i on；o n l i n e mo ni t or i ng；p ar t i a l di s c ha r ge l 引 言 随 着 XL P E( 交联 聚 乙烯 ) 电力 电缆 的广 泛使 用 ， 由 XL P E 材 料树 枝 状 老 化 造成 的 电缆 绝 缘 击 穿 事 故 与 日俱 增 ， XL P E 电 力 电缆 的 绝 缘 状 况 越 来 越 受到供 电运行部门的重视。 近十年来 ， 为了保障 XL P E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 ， 在 欧 美 和 日本 等 发 达 国家 已经 得 到 较 广 泛 的 应 用 ， 积 累 了一些 经 验 。下 面就 将 国内外 已采用 且较 有 前 途的监测方法予以介绍。 2常有的 X L P E电缆 绝缘在线 监测方 法 2 1 直 流 法 ( 1 ) 直 流 成 分 法 1 当 X L P E 电力 电 缆 中 有 树 枝状 放 电时 ， 树 枝 与 地 之 间有 类 似 尖 板 电 极 的 整 流 作用 2 j 。 在运行 电压作用下 ， 高压极 ( 电缆导线) 与低 压极 ( 电缆金属护套及屏蔽接地线) 之间构成的回路 收稿 日期 ： 2 0 0 2 0 4 1 0 基金项 目： 国家 自然科学基 金项 目( 5 9 6 7 7 0 1 8 ) 作者 简 介： 柴 旭峥 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 河南武 陟人 ， 硕 士研 究 生 。 作者地址 ： 湖北武汉市 珞珈 山 4 3 0 0 7 2 中有 微 弱 的 直 流成 分 流 过 ( n A 级 ) 。将 由纳 安 级 检 流 计 、 低 通 滤 波 器及 接 地 保 护 装 置组 成 的在 线 监 测 装 置接 入 电缆 接 地线 中进行 监 测 ( 图 1 ) 。 图 1 直 流 成 分 法 测 量 原 理 研 究 表 明 1 ： 树 枝 发 展 得 越 长 、 树 枝 的 密 度 越 大 ， 直 流 成分 的电 流就 越 大 。 图 2为 日本 住 友公 司 实 验 得 出的 6 k V， XL P E 电缆 的交 流击 穿 电 压与 直 流 成分法测量值的关系 3 。可见在线测出的直流成分 的电流增大时 ， 常常说明树枝状老化的发展 、 泄漏电 流 的增大 ， 这样的绝缘劣化过程会导致交流击穿电 压 的 下 降 。 直 流成 分法 存 在 的主要 问题 是 ： 维普资讯 2 0 0 2年第 6 期 No6 20 02 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 2 年 1 2 月 De c， 2 00 2 互 幽 饿 柑 堪 直漉成分电藏 值n A 图 2 6 k V， XL P E电缆 的交 流击 穿电压 与直 流成 分法测值 的关 系 1 ) 电缆屏蔽接 地化学 电势 E 和护套绝缘电阻 R。 对测量值的影响。当电缆护套严重受损或老化 ， 使 R 。 较小 ， E 较大时 ， 干扰 电流将使 n A 级的直流 分 量无 法 检 出 。 实验 表 明n ： 当 R 。 1 0 0 k 2时 ， 微 弱 的 E 即可产 生 严重 的影 响 。可 以用 电容 阻 断 E 和 R 。 干扰通路的方法消除其影响 ( 图 3 ) 。 显见 ， 由于阻 断干扰 电容 C的接入 ， 使化学 电势 E 无法侵入测量 回路 ， 从而消除其产生 的干扰 的影响。 图 3 直流成 分法消除干扰 的接线 K 一电源变压器接地开关K z 一在线 检测开关 C - 一接地安 全电容c一阻断 干扰 电容 2 ) 只能根据测量值 的增大来判断绝缘 老化， 如 果根据所测 电流值 的大小来判断绝缘的老化程度 ， 则需要根据大量测量数据的积累来得到相应的可以 比较的基准值 。 ( 2 ) 直流叠加法 5 利用在接地 的电压互感器 的中性点处加进低压直流 电源 ， 即将此直流电压叠 加在电缆绝缘上原 已施加的交流电压上 ， 从而测量 通过 电缆绝缘 层的微弱 的直流 电流或 其绝缘 电阻 ( 图 4 ) 。 实 验证 明 3 ： 叠 加 5 O V 直流 电压 下 的绝 缘 电 阻 的带 电测量值与停 电后加直流高压时的测量结果很 相近 ， 因此可以用来判断电缆 的绝缘状况 。 电源 高压配 电线 接 负 荷 图 4直流叠加 法测量原理 直 流叠 加法 存 在 的主 要 问题 是 ： 1 ) 根据测量数据对绝缘状况进行评价和对绝缘 寿命 进行 估 计 的标 准还 未 拟 出 。主要 原 因是 积 累的 经验数据不多， 但可根据绝缘电阻 泄漏电流的增大 趋势来对绝缘老化情况进行判断。 2 ) 存在电缆 屏蔽接地化学 电势 E 。 和护套绝缘 电阻 R。 对测量值的影响。 可以采用对所加直流电压 的极性进行正负切换 ， 取两者差值除以 2来解决 。 但 当干扰 电流过大时 ， 可能将真实值完全淹没， 这时可 以采用精密可调补偿电动势来抵消电缆屏蔽接地化 学电势 E 。 7 ， 从而获得较好 的测量结果。 2 2 t g 法 测量线路电压与流经绝缘体 的电流( 由电缆接 地线 中测 出) 的相位差 ， 从而求 出 t g 的大小 ， 判定 电缆 的好坏 。 图 5 t g 艿法 测 量 原 理 由于 t g 反映的是普遍性 的缺 陷， 而个 别较集 中的缺陷 ， 不会引起 t g 值的显著变化。因此 t g 法 对 电缆全长老化监测有效 ， 对局部老化则很难监测 。 此外 ， X L P E电力电缆 的 t g 本 身较小 ， 容易受到干 扰 而无 法 准确 测 出 。 2 3工频 泄 漏 电流 法 对 于 1 1 0 k V及 以上 等级 的 X L P E电力 电缆 ， 一 般都是做成单芯结构。在安装时为 了减小通过金 31 维普资讯 2 0 0 2年第 6期 No 6 2 0 0 2 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 2年 1 2月 De c， 20 02 属屏蔽层上的感应 电压 ， 一般都将金属屏 蔽层 以交 差互联的方式并且一端接地 ， 在交叉互联点及不接 地端须加装保护器 ， 以保护护层绝缘 。 对于这种高压 单芯 XL P E电力 电缆可 以通 过测量典型工 作 电压 下的泄漏 电流值来反映绝缘特性 。其原理见图 6 。 一 - 信 越 号 ， 片 显 变 - - 口 - 机 示 一 釜 转 教 打 换 据 印 元 单 处 芷 元 理 元 图 6工 频 泄 黼 电流 法 测 量 原 理 由于 所 测 工 频 泄 漏 电 流包 括 容性 电 流 和 阻 性 电流 两部分 ， 且容性 电流占绝大部分 。为了更 全 面地分析 电缆 的绝缘状况 ， 还可 以通过系统电压 作基准电压 ， 对工频泄漏 电流进行处理 ， 区别出容性 电流和阻性电流的大小 ， 进而计算出 t g 。因此通过 测量工频泄漏 电流的大小可 以获得若干反映绝缘状 况的特征量 ： ， 和 t g 6 ， 从而从 多方 面分析 判断 电缆的绝缘状况 。由于一端接地线 的电流数值不象 直流分量那么微弱 ， 较易于测量， 因此对于一端接地 的单芯电缆这种监测方法有一定的发展前景 。 2 4叠 加低 频 法L 5 日本九洲电力公司综合研究所研制的采用叠加 低频法的 XL P E电力电缆绝缘在线监测装置 原理 ( 图 7 ) 为 ： 将低频 电压( 7 5 Hz ， 2 0 V) 接入配电线高 压回路 的高压端和接地端之 间， 并 由电缆接地线上 测 出低 频 电流 。 由于电缆绝缘层可 以看作 R、 C的并联等值 电 路 ， 当外施 电压为低频而非工频时流过绝缘层 的容 性 电流 ( 一己 ， c cJ c) 较 工频时小得多 ， 而阻性 电流却 无 明显 变化 ， 因而 较易 从 总 电流 中分 出 。 且 阻性 电流 越大表示老化 发展越快 。 由于 t g 6等于频 率、 电 容、 电阻相乘 的倒数 ， 频率下 降使等值介损 数值增 大 ， 从 而更 易测 出 。 3 局 部放 电用 于 XL P E 电缆绝缘 在线监测 局部放 电起始时只跨越 绝缘 间的一部分 ， 并在 不断出现 的情况下破坏绝缘材料 ， 最终导 致绝缘击 穿 。 电缆 在 实 际运 行 中不仅 承 受交 流电压 的作 用 ， 也 不可避免的承受交流电压与雷 电过电压或操作过电 32 图 7叠 加 低 频 法 测 量 原 理 压的联合作用 。 根据我们对在交流叠加冲击 电压下 ， XL P E 树枝 状 老化 特性 的研究 表 明L 8 ： ( 1 ) 当交流 电压的幅值超过一定值时 ， 其电树枝 的冲击电压起始值 ( 起晕 电压 ) ， 随预加交流电压幅 值 的增 大 而减 小 。 ( 2 ) 冲击电压 的累积效应对 XL P E电缆 中电树 枝的冲击 电压起始值有很大影响 ， 会引起 冲击电压 起始值 的急剧下降。 因此随着超高压输 电技术的发展 ， 对局部放 电 的 在 线 监 测 已 经 成 为 一 个 不 允 回避 的 问 题 。对 XL P E电力 电缆用局部放 电法进行监测 ， 我国国 内 正处于起步阶段 ， 国外一些电力技术发达的国家， 已 取得了一些进展 。 较有效的在线监测方法有： 脉冲电 流法和超高频频谱分析法。 3 1脉 冲 电流 法L 9 脉 冲电流法是研究最早 、 应用最广泛 的一种方 法 ， I E C对此制定了专门的标准 。在 1 9 9 O 1 9 9 6年 德 国柏 林 的城 网改造 中 9 3采用 了脉 冲相位 法 对 XL P E电力 电缆进行在线监测 ， 其核 心是局部放电 定 向耦合器测量技术和 C C S( c o a x i a l c a b l e s e n s o r ) 的应用 ， 收到 了较 好 的效 果 。 根据在加拿大安大略电力研究所高压室完成的 实验 说 明： 用宽频带波形测量仪器测量得到 的脉 冲电流波形参数 ， 可 以用来表征不 同放电形式和放 电的不同发展阶段 。 随着计算机技术的飞速发展 ， 计 算机辅助测试系统和应用人工智能 的专家诊断系统 应用于脉冲电流的分析应该是电缆局部放 电在线监 测的一个发展方 向。由于局部放电的脉冲电流中含 有丰富的放电信息( 放电量 、 放电相位 、 放电形式 、 放 电的不 同发展阶段) ， 可 以将此建立反映局部放电不 同特征 的谱图， 对这些放 电信息谱图进行数学分析 ， 一 维普资讯 一 2 0 0 2年第 6 期 N O6 20 02 电 线 电 缆 E】 e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 2年 1 2月 De c ， 200 2 得 到 一系 列 特 征 指 纹 ， 用 于 对 局 部 放 电 的 发生 状 况 ( 3 ) XL P E 电缆 绝 缘 在线 监 测 技 术 仍 存 在 许 多 进行 识别 ， 进 而 建立 数据 库 和专 家 系 统 。 国外 已有 将 问题 尚待 进 一 步 研 究 ， 如 ： 抗 干 扰 技 术 、 XL P E绝 缘 此方法用于检测油绝缘设备的尝试 。 老化规律和局部放 电信号 的监 测与分析等 。 3 2 甚 高频 频 谱分 析 法 参考文献 ： 甚高频频谱 分析法 的原理是 ： 当放 电间隙 的绝 缘强度 比较高时， 击穿过程 比较快 ， 此时的电流脉 冲 1 We i Z h a n g ， e t a l A s t u d y o n D C c o m p o n e n t m e t h o d o f o n 一 陡 度较 大 ， 辐射 高 频 电磁波 的能 力较 强 。 X L P E电缆l in e i g “ 。 i f o r x L P E 。 E A P i “ g 。 的绝缘强度较高 ， 可以适用 。 它的优点是抗干扰的能 D I e l t r i c M t ml r c A r r a 1ra 1 9 9 4 3 7 5 - 3 7 8 力较强 ， 但技术要求较高 。 荷兰和美国的研究人员已 2 严 璋 电气 绝缘 在线检测技术 M 北京 ： 水利 电力 出版社 经 做 了不少 尝 试性 的 工作 。 1 9 9 5 3 张重午日本 住友公司的在线运行 电缆监测 仪 J 电线电缆 ， 4问题 与讨论 1 9 9 4 ， ( 1 ) ： 3 3 1 4 U 根 据 对 绝 缘 在 线 监 测 技 术 研 究 的 一 些 经 E 4 3 X L P E 在线检测的 和掌握到的资料 ， 我们认为 X L P E电力电缆绝缘在 5 中西公男， 上岛征行 低周波重叠法 c ：上为活线 一 ， 劣化 线 监测 技 术还 存在 许 多有 待 进一 步解 决 的 问题 。 诊断 适用 J O H M， 1 9 9 0 ， 7 7 ( 5 ) ： 4 9 5 5 ( 1 ) 提 高 测试 精 度 与 抗 干 扰 技 术 一 直 是 绝缘 在 6 N a k a y a m a T - O n l i n e c a b l e m o n i t o r d e v e l o p e d i n J a p a n J 线 监测 技 术 面临 的主 要 问题 。由于 在线 监测 的都是 E E E T i 。 “ 。 “P 。 D e 。 i r y 。 。 。 ： 。 。 一 一 些微量信号 ( 如泄漏电流信号 、 局部放 电信号) ， 很 7 泉 ，屠德 民 补偿电势法用于在线检测 xL P E电缆 J 高 小 的干扰 都 可 能 使 之 严 重 失 真 ， 因此 研 究抗 干 扰 能 电压技术 ，1 9 9 8， 2 4( 3) ： 2 8 3 o 力 强 的在 线监 测装 置 和 采用 更先 进 的数 字滤 波技 术 8 王洪新， 贺景亮 交流叠加冲击电压下X L P E中电 树起始特 是未来技术发展的方向 。 性 J j _ 高电 压技术， 1 9 9 9 ， 2 5 ( 2 ) ： 3 5 ( 2 ) 在 线 监 测 的 目的是 为对 电缆 运 行 可 靠性 进 J g 。 P w i t h mg 行 评估 ( 预 警 ) 和制 定 电缆 残存 寿 命 与老 化状 况 的关 E ys E t E em T f o r 4 0 i 0 k i 。 V i i 。 A 3 c 。 P r o c e e ： ： 系 。在这方 面需要 大 量运 行 经验 的积 累和对 绝 缘 老 ， 化 规律 进行 大 量 的基 础性 研 究工 作 。 E 1 0 3 贺景亮 交 联聚乙烯绝缘中树状放电的实验研究 J 中国电 5结 论 e l： i 。 ( 1 ) XL P E 电力 电缆 绝 缘 在 线 监 测 技 术 对 保 障 b y u s i n g “L J J 比 n XL P E电力 电缆 的安 全 运行 具 有重 要 的 现实 意 义 和 1 2 】A h d N H ， t I o 一 l l n e p r t i l d i h 噼d t t i 。 i 一 广 阔 的发 展前 景 。 b l e J J I EEE Tr a n s a c t i 0 n 0 n Di e l e c t r i c a nd El e c t r i c al I n 一 ( 2 ) 在 介 绍 的监 测方 法 中 ， 使 用抗 干 扰技 术 后 的 s u l a t i o n ， 1 9 9 8 ， 5 ( 2 ) ： 1 8 1 1 8 8 直 流 叠 加法 和 t g 8法 综 合使 用 有 较好 的效果 。叠 加 1 3 3 H a m e r l i n g B R ， e t a l F u n d a m e n t a l a s p e c t s o f o n l i n e P D 低频法也有较好的效果 ， 但实现较复杂。 采用局部放 山 “ p o w e r c a L A J P r o c e e d i n g s 电法 进行 在 线 监 测 是 国 内 外 研 究 的热 点 ， 也 是 发展 I E N E E 7 t h I n d s t er n a 。 t 。 i o n a l S o “ 一 超高压输 电技术急待解决的问题 ， 具有较好的发展 E 1 4 关根志， 贺景亮 电气设备的绝缘在线监测 与状 态维修 J 中 前景 ， 但对技术要求很高 。 国电力， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 3 ) ： 4 6 5 0 新 编 电线 电缆 材 料 手册 发行 信 息 由 中国 电器 工业 协 会 电线 电缆 分会 和 上 海 电缆研 究所信 息 中心联 合 新 编 的 电 线 电缆 材料 技 术 要 求 总 汇 选 用 、 采供 速 查 手 册 ， 简称 电线 电缆 材料 手 册 已 出版发 行 ， 总字数 约数 百 万 ， 1 6开 本 ， 彩 版 封 装 ， 每 册售 价 1 5 6元 。 发行 经销单位 ： 上海 电缆研 究所技术资 料服务部联 系人 ： 周 根娣 地 址 ： 上 海 军 工 路 1 0 0 0号 邮 编 ： 2 0 0 0 9 3 电 话 ： 0 2 1 6 5 4 9 2 2 9 4传 真 ： 6 5 4 8 6 6 0 2 维普资讯