（电气工程专业论文）电力电缆局部放电模式识别技术及应用研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着电力电缆的广泛应用和故障事故的增加，交联聚乙烯电力电缆的绝缘故障 检测技术取得了长足的进展。论文在总结前有的x l p e 电力电缆绝缘故障检测方法 的基础上，以理论与实际相结合，研究了基于人工神经网络的x l p e 电力电缆局部 放电信号的模式识别方法。 论文通过对交联电力电缆发生局部放电的原因的分析，综合现有的x l p e 电力 电缆故障检测方法，提出了研究x l p e 电力电缆局部放电在线检测的理论和实践意 义。 详细分析了由特征量提取器和模式识别分类器两大模块构成的模式识别系统， 阐述了人工神经网络的模式识别原理，论文一方面采用信号的p r p d 模式的放电次 数和统计算予作为b p n n 的输入信号，设计了相应的b p n n 模式识别程序：另一方 面采用p r p d 模式的统计算子作为s a r t 人工神经网络的输入，设计了相应的s a r t 神经网络模式识别程序。 采用设计的人工网络模式识别程序识别测量信号：次数为输入时，b p 网络识别 率和发生局放的强弱程度有关，局放信号越强，根据识别结果和实验现象，分析了 出现误判的原因。结合贵州清红线1 1 0 k v 电缆的事故分析，验证了该种方法的有效 性。 关键词：x l p e 电缆，局部放电，人工神经网络，模式识别，应用分析 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fx l p ec a b l ea n dt h ei n c r e a s i n gd e f a u l t s ，t h ed e t e c t i n g t e c h n o l o g yo nx 1 2 ec a b l ei n s u l a t i o nh a sg o tg r e a ti m p r o v e m e n t b a s e do ns u m m a r i z i n g t h ep r e s e n tt e c h n o l o g yo nx l p ef a u l t sd e t e c t i o na n dr e f e r e n c et h ep dd e t e c t i o nm e t h o d o np o w e rt r a n s f o r m e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do nr e c o g n i t i o np dm o d eo fx l p e t h i sp a p e ru s e sd i s c h a r g i n gq u a n t u ma n ds t a r a r t i f i c i a lo p e r a t o r so fn q - 西c h a ta si n p u t s t oa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s i n go fc a b l ea n dt h er e a s o nt oo fp d d e m o n s t r a t et h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c h i n go nx l p ec a b l ep dm e a s u r e m e n t i m p l e m e n t o f p i c k i n g - u pc h a r a c t e ra n dm o d ec l a s s i f y i n ga r ei n t r o d u c e d ，a n d e x p a t i a t et h ep r i n c i p l eo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s s o f tp r o g r a mi sn e c e s s a r yt op i c k u p t h ec h a r a c t e ro fp ds i g n a l sa n dc l a s s i f yp dm o d e p r o g r a mt op i c k - u pt h ec h a r a c t e ro fp d s i g n a l si sc o m p i l e d u s i n gt h ed i s c h a r g i n gt i m e sa n ds t a t o p e r a t o ro np r p dm o d eo fp d s i g n a l ，m o d e c l a s s i f y i n gi m p l e m e n t sb a s e do nb p n na n ds a r ta r ec o m p i l e d t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sd e s i g n e da r ea p p l i e dt or e c o g n i z em e a s u r e ds i g n a l s i t i sr e s p e c tt om a g n i t u d eo fd i s c h a r g i n gs i g n a la n di n c r e a s e sw h i l es i g n a lm a g n i t u d e i n c r e a s i n g ；r e c o g n i t i o nr a t ei n c r e a s e sw i t ht h en u m b e ro fs i g n a lg r o u p t h er e a s o no f f a u l tr e c o g n i t i o ni sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h er e c o g n i t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：x l p ec a b l e ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，m o d e r e c o g n i t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究电力电缆局部放电检测技术的目的和意义 电力行业是基础产业，电力设备一旦发生故障，影响国民经济生产和人民生活， 小则引起用户长时间停电，严重时可能引起发电、输电设备损坏，如果电厂发电机、 变压器、导管、互感器、避雷器等出现故障，影响发电厂的正常运行和供电，甚至 使整个电网瘫痪，从而影响系统的稳定与设备安全。电力设备故障给电力企业带来 的经济损失是不可忽视的，一方面造成售电量减少，另一方面，故障后的维修要投 入大量的人力、物力、财力。其次还给相关行业带来经济损失，如影响企业生产、 居民生活，以及影响交通、信息等行业的正常运转。因此，研究一种实用的电气设 备绝缘在线检测系统，使得我们能及时发现潜伏隐患，掌握设备的运行状态及有效 使用寿命，以便采取相应的措施，实现有计划、合理地进行检修，可以减少因突发 故障而造成的损失，达到提高供电可靠性的目的。 一般认为x l p e 电力电缆在正常环境中的寿命为2 0 3 0 年1 2 】，然而由于电缆敷 设在电缆沟或直接埋于地下，敷设环境与使用状态会极大的影响电缆的寿命。长期 同土壤、水分、潮气接触，绝缘易受到腐蚀渗透，再加上电缆制造或安装时的局部 缺陷，都可能造成故障。地下电缆一旦发生故障，寻找起来十分困难，不仅要浪费 大量人力物力，而且还将带来难以估计的停电损失。如果故障得不到及时排除，将 会造成严重的经济损失和社会影响。因此如何准确、快速、经济地探测到电缆故障 点，多年来一直是国内外有关工程技术人员所研究的热点。 处于恶劣环境中运行的电缆，电化与绝缘破坏的例子屡见不鲜。交联聚乙烯电 缆在电、热、机械外力、水、油、有机化合物、酸、碱、盐及微生物作用下，常常 发生老化。实际上老化的原因很复杂，常常是多因素的，高压交联聚乙烯绝缘电缆 的绝缘破坏事故约占高压电气设备事故的4 0 左右1 2 l 。因此，分析老化原因，掌握 老化现象与类型是非常重要的。在一个绝缘系统中，老化因素可以使材料的特性产 生不可逆转的改变。并可能影响到绝缘性能。从实际线路归纳x l p e 电缆的老化原 因和老化形态，一般认为局部放电、电树枝、水树枝的发生，是影响电缆及其附件 绝缘性能降低的主要原因，且频度较高。 随着时间的推移，如今运行的部分高压x l p e 电缆已逐渐进入电缆及其附件预 期寿命的“中年期”。由于针对x l p e 电缆的检测技术，特别是在线检测技术滞后 于x l p e 电缆的发展，时有应用较早的x l p e 电缆绝缘在运行中被击穿并造成停电 事故的报道【1 l o 近些年来，国内外专业人士纷纷加强对x l p e 电缆绝缘的无损检测 技术研究工作。在线检测可以随时对电缆绝缘的老化状态进行监视，电网无需停电， 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 受到人们更为广泛的关注。 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的缺陷。因为在局部放电过程中， 电离出来的电子、正负离子在电场力的作用下具有较大的能量，当它们撞到绝缘 内空气隙的绝缘壁时，足以打断绝缘材料高分子的化学键，产生裂解。其次，在 放电点上，介质发热可达到很高的温度，使得绝缘材料在放电点被烧焦或融化； 温度升高还会产生热裂解或促使氧化裂解；同时温度升高会增大介质的电导和损 耗，由此产生恶性循环，导致绝缘体破坏。在局部放电过程中还会产生许多活性 生成物，这些生成物会腐蚀绝缘体，使得介质性能劣化。局部放电还有可能产生 x 射线或y 射线，这两种射线具有较高的能量，能够促使高分子裂解。除此之外， 连续爆破性的放电以及放电产生的高压气体都会使绝缘体产生微裂，从而发展成 电树枝。在运行电压下，局放能存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的界 面上，当绝缘中存在微孔或绝缘层与内、外半导电层间有空隙时，将由于局部放 电侵蚀绝缘而使绝缘性降低，以至发生老化形态，表现为绝缘击穿。 国内外运行经验和研究成果表明：x l p e 电力电缆性能早期劣化或使用寿命 很大程度上取决于其绝缘介质的树枝状老化，而局部放电测量是定量分析树枝状 劣化程度的有效方法之一。因此，对x l p e 电缆绝缘的局部放电进行检测是及时 发现故障隐患、预测运行寿命及保障电力电缆安全可靠运行的重要手段。 1 2 电力电缆检测技术的国内外现状 为了提高电力系统运行的可靠性，提高电力行业经济效益，为国民经济的发展 服好务，国内外投入了大量的精力开发研究电力系统在线检测技术。日本在这方面 做得比较好，已经在许多方面取得了巨大成绩，发表了大量的有关在线检测技术的 论文，并且已经将这一技术运用到生产实践，取得了良好的技术和经济效益。 国内在线检测技术的研究主要集中在高校和几个电力实验研究所，如重庆大 学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学、武汉高电压研究所、上海电缆研究 所等，特别是我校高电压技术与电工新技术教育部重点实验室的研究成果居于国内 外领先水平，已经将这一技术成功应用到西南地区电力系统，已经成功实现了变压 器气相色谱分析、变压器局部放电、避雷器泄漏电流、互感器泄漏电流及绝缘介损、 变压器套管泄漏电流及绝缘介质损耗、发电机绝缘介质损耗、电力电缆绝缘、电力 系统谐波、以及发电机转子振动检测等等，取得了良好的效果。 常用的x l p e 电缆绝缘在线检测方法： 1 ) 直流法：可分为直流叠加法【7 j 和直流成分法【8 _ 9 j ； 2 ) t a n6 的在线检测【7 _ 9 】； 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 3 ) 工频泄漏电流法【9 j 4 ) 低频叠加法【7 - 9 】 5 ) 交流叠加法【8 _ 1 5 】 6 ) 谐波分量法【8 _ 1 6 】 x l p e 电力电缆局部放电在线检测的方法介绍 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的缺陷。因此国内外许多专家、学 者及一些国际电力权威机构一致推荐局部放电试验作为x l p e 绝缘电力电缆绝缘 状况评价的最佳方法【1 3 1 。 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、操作过电压的联合作用。根据对在交流叠加冲 击电压下x l p e 树枝状老化特性的研究表明： 1 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x l 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，对局部放电的在线检测已经成为一个不可回 避的问题。伴随局部放电会发生很多物理、化学效应，局部放电的检测也就是对这 些变化的检测，可大致分为非电测法和电测法两大类，下面介绍几种局部放电在线 检测的电测法。 ( 1 1 电容耦合法 传统的电测法是i e c 6 0 2 7 0 所推荐的电容耦合法，取一段靠近接头的电缆， 剥去部分的外护套，将金属箔贴在外半导电层作为电极。这样被测量的同轴电缆 的阻抗与绝缘层的阻抗并联。这种耦合器并不破坏绝缘层和外半导电层，对电缆 本身传输工频信号影响不大。通过调整剥去护套的长度、金属箔长度、以及金属 箔和护套之间的长度，可以获得最佳的传感器信噪比。 护套绝缘层耦合器中心导体 图1 1 电容耦合法示意图 f i g1 1t h es k e t c hm a po fc a p a c i t a n c ec o u p l i n g 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 ( 2 ) 差分法l 斗7 1 ： 差分法常用于1 1 0k v 及以上等级的x l p e 电力电缆局部放电信号采集。图 1 2 为差分法局部放电在线检测回路图，图1 _ 3 为从电缆中间接头位置采集信号的 检测等效电路图。图中岛为回路杂散电容；c l 为外护套线芯与金属箔电极间的 电容；c 2 为金属护套处线芯与金属箔电极间的电容；c 3 、c 4 为外接电容，c s = c 。， z 。为外接阻抗，z 。) ) z 。z 。：。该法不必加入专门的高压源和耦合电容，也无 需改变电缆的连接。 图1 2 差分法局部放电在线检测回路图 f i g1 2t h ed i f f e r e n t i a lp a r t i a ld i s c h a r g eo n - l i n em o n i t o r i n gc i r c u i t 图1 3 差分法检测等效电路图 f i g1 3t h ed i f f e r e n t i a lm e a s u r i n ge q u i v a l e n tc i r c u i t ( 3 ) 电磁耦合法 电磁耦合法检测电缆局部放电的原理是，将罗戈夫斯基线圈放在电缆终端或 连接头上，穿过电缆屏蔽层的接地线，通过感应流过电缆屏蔽层的局放脉冲电流 来检测局放。由于宽频带电磁祸合法具有小巧灵活，操作安全，抗干扰性较强， 能更加真实地反映脉冲波形等特点，正在被广泛的研究和应用。 电磁耦合法可用于1 0k v 及以上x l p e 电力电缆局部放电的在线检测，由电 缆中间接头处安装穿芯式高频电磁耦合传感器，采集信号并传输到局放信号分析 仪。它要求制作中间接头时将中间接头金属屏蔽连接用的铜带直接穿过高频电磁 耦合传感器，再与接头两端金属屏蔽层电气连接。由于电磁耦合法是将x l p e 电 d 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 缆接地线中的局部放电电流信号通过电磁耦合线圈与测量回路相连，而不需要在 高压端通过耦合电容器来取得局部放电信号，因此适合用于电缆敷设后的交接验 收试验和运行中的在线监测。此外电磁耦合法是通过电磁耦合来测量局部放电电 流，由于在高压电缆和测量回路间没有直接的电气连接，从而能很好的抑制噪声。 同时由于外界干扰噪声信号与局部放电信号幅频特性不同，因此采集的信号经前 置放大器处理后，可用频谱分析法判断和识别。 ( 超高频法o 。” 目前超高频法是很受关注的一种局部放电检测方法，主要集中在两个方面： 一个是对g i s 进行局部放电的在线检测，一个是对大型电机的在线检测。 电力电缆绝缘系统内部的局部放电源可以看成是一个点脉冲信号源，即由放 电产生电磁扰动，并随时间变化而再空间产生的电磁波。该电磁波是时间和位置 的函数，是一种横向电磁波( t e m 波) 。由于电缆的同轴结构可以看作电磁波的 波导，这种电磁脉冲可以沿着电缆传播。在现场测量时，超高频下距离传感器较 远处的干扰衰减较快，且可以利用适当的方法进行识别，所以理论上超高频技术 适用于电缆及其接头附件的在线检测。值得注意的是，超高频下信号的衰减要比 低频信号严重得多，一般只能在电缆中传播几百米，所以在线监测时要安装多个 传感器而且尽量安装在靠近电缆的接头或端部处。 国外有人将超高频法应用于带有螺旋结构接地屏蔽电缆的局部放电在线监 测。其原理为：螺旋结构接地屏蔽电缆的局放脉冲为n s 级，而接地屏蔽中局部放 电电流脉冲可分为沿电缆方向分量和切向分量，后者产生附加轴向磁场，其磁力 线接近电缆外皮，在电缆外屏蔽层上缠绕的线圈的净磁通正比于切向电流，可以 通过线圈上净磁通的大d , n 断局部放电量。此方法的局限性在于只能用于带有螺 旋结构接地屏蔽电缆，而且超高频信号在电缆中衰减非常严重。因此传感器与局 部放电源的距离在1 0 米以内时才有较好的灵敏度。可用于在线监测短电缆及电缆 高压附件。 几种局部放电在线检测方法的比较 在差分法实验中，信号采集、检测的频率范围约为3 - 1 2 m h z 。若频率高于1 2 m h z ，则能量损耗将导致高频信号大幅衰减，从而明显降低检测的灵敏度。 电容耦合法是应用最早也是最广泛的一种方法，曾有人在实验中用电磁法耦 合和电容耦合法对同一局部放电信号作比较试验，发现电磁偶合法的灵敏度要优 于电容偶合法。 大量研究表明，电力设备运行现场的干扰频谱较低，在超高频范围内干扰信 号比较少，用超高频法检测局部放电就可以有效抑制外部干扰提高信噪比，因此 超高频法的灵敏度比较高。西安交大的段乃欣等人对局部放电脉冲在电缆中的传 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 播特性进行了研究，结果表明电力电缆具有低通滤波特性，随着频率的增加，各 频率成分的衰减倍率也迅速增加，而且各频率成分随传播距离的增加而进一步衰 减。国内有人在对住友公司的现场局放检测仪作性能验证时发现其对半导电层表 面缺陷产生的放电没有反应。经频谱仪观察这种放电信号无高频分量。由此可见 超高频法用于电缆的局放检测有一定的局限性。 由于放电点产生的脉冲信号到检测传感器之间有一段传播路径，高频信号在 电缆中传播时衰减相当严重，如果传感器距离局放源比较远的话，传感器拾取到 的信号就可能不是真实的局部放电信号。因此对距离连接头或终端较远的电缆本 体的局放进行检测，由于幅频特性的衰减很严重，就要选择频率较低的传感器。 同时还要考虑在合适的并且有效的地方安装传感器。否则信号有可能在衰减宪时 仍未被传感器拾取到。 电磁耦合法通过调整传感器的各个参数，可使测量范围扩大到几k h z 到几十 m h z ，测量范围的扩大也就增加了信号的提取范围。从而提高了局放测量的可靠 性。与超高频法相比，电磁耦合法的灵敏度较低，因此在对其进行研究时主要是 要提高它的灵敏度。 1 3 论文的主要研究内容 电力电缆局部放电检测技术研究( 含离线和在线) ； 人工神经网络模式识别方法的研究； 基于人工神经网络的x l p e 电力电缆局部放电模式识别方法的研究； 贵州清红线1 1 0 k v 线路电缆的应用分析。 1 4 小结 通过对电力电缆局部放电检测技术的目的和意义以及电力电缆局部放电在线监 测技术的国内乡 研究现状分析。得出了本论文的主要研究内容。 6 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 2 电力电缆局部放电检测技术研究 2 1 电力电缆绝缘检测方法 按我国目前预防性试验规程规定，对电力电缆绝缘的主要试验项目是测量绝缘 电阻、直流耐压并测泄漏电流；对于充油电缆再加进测量油的耐电强度及f 9 6 值等， 如表2 - 1 所示。在这些基本试验项目的基础上有的已开发成一些在线试验项目。 表2 - 1 电力电缆绝缘的试验项目 项目周期标准说明 测量绝缘l k v 及以上者用 1 3 年一次绝缘电阻的标准自行规定 电阻2 5 k v 兆欧表 试验电压标准 额定电压 类型试验电压 u o o 【v ) 直流耐压加电压5 m i n ，除塑料电缆 主干线1 5 3 54 u o 试验并测外，三相泄漏电流的不平 每年一次6 3 - 1 1 02 6 u o 泄漏电流油纸衡系数应不大于2 2 2 02 3 u o 3 3 02 u o 橡塑 2 - 3 5 2 5 u o 电缆油运行中油不小于4 5 k v ，额油不小于 2 3 年一次耐压试验用的标准油杯 的耐压5 0 k v 电缆油 1 0 0 + _ 2 。c 时、新油不大于o 5 ，运行中 2 - 3 年一次测t 9 6 用的标准油杯 的智6 油不大于1 2 1 1 直流耐压及泄漏电流法 交流电力电缆所以用直流来进行耐压试验，主要是为了显著减小试验电源的容 量，而且过去常认为直流试验所带来的剩余破坏也总比交流试验小得多( 如交流试验 因局放、极化等所引起的损耗比直流时大等1 。直流试验没有交流试验真实、严格， 例如串联介质在交流试验中场强分布与其介电常数成反比，而施加直流时却与其电 导率成反比。因此在直流耐压试验时，如表2 - 1 所示：一是适当提高试验电压，二 是延长外施电压的时间。据西安供电局的统计数据，在1 3 0 0 多条次油纸电缆加5 倍额定电压的直流耐试验中，共发生4 4 次击穿；其中7 5 是在2 m i n 内击穿的，有 7 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 2 电力电缆局部放电检测技术研究 2 1 电力电缆绝缘检测方法 按我国目前预防性试验规程规定，对电力电缆绝缘的主要试验项目是测量绝缘 电阻、直流耐压并测泄漏电流：对于充油电缆再加进测量油的耐电强度及培d 值等， 如表2 - 1 所示。在这些基本试验项目的基础上有的已开发成一些在线试验项目。 表2 - 1 电力电缆绝缘的试验项目 项目周期标准说明 测量绝缘1 k v 及以上者用 1 - 3 年一次 绝缘电阻的标准自行规定 电阻2 5 k v 兆欧表 试验电压标准 额定电压 类型试验电压 u o o ，v ) 直流耐压加电压5 m i a ，除塑料电缆 主干线 1 5 3 54 u d 试验并测外，三相泄漏电流的不平 每年一次 6 3 - 1 1 02 6 u o 泄漏电流油纸衡系数应不大于2 2 2 02 3 u o 3 3 02 u o 橡塑2 3 52 5 u d 电缆油运行中油不小于4 5 k v ，新油不小丁 2 3 年一次耐压试验_ h j 的标准油杯 的耐压5 0 k v 电缆油1 0 0 - 2 。c 时、新油不大于0 ，5 ，运行中 的t g d 2 3 年一次测培6 用的标准油杯 油不人于1 2 1 1 直流耐压及泄漏电流法 交流电力电缆所以用直流来进行耐压试验，主要是为了显著减小试验电源的容 量，而且过去常认为直流试验所带来的剩余破坏也总比交流试验小得多f 如交流试验 因局放、极化等所引起的损耗比直流时大等1 。直流试验没有交流试验真实、严格， 例如串联介质在交流试验中场强分布与其介电常数成反比，而施加直流时却与其电 导牢成反比。因此在直流耐压试验时，如表2 - 1 所示：一是适当提高试验电压，_ 二 是延长外施电压的时间。据西安供电局的统计数据，在1 3 0 0 多条次油纸电缆加5 倍额定电压的直流耐试验中，共发生4 4 次击穿；其中7 5 是在2 r a i n 内击穿的，有 倍额定电压的直流耐试验中，共发生4 4 次击穿；其巾7 5 是在2 r a i n 内击穿的，有 7 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 2 2 7 是在3 - 4 5 m i n 内击穿的，仅2 3 在4 5 。5 m i n 内击穿。因此，在预防性试验 中，对直流耐压试验目前规定施加5 r a i n ，而当交接试验时延长为l o m i n 。 表2 - 2 运行及直流试验时击穿数统计 击穿发生的 2 2 k v 电缆6 6 k v 电缆 时间及部位总数本体 附件总数本体附件 直流试验时2 21 666 0 6 交流运行时1 331 02 3 81 5 如表2 - 2 所示，仅靠直流耐压试验也往往难以有效地发现缺陷并确保安全运行，因 此人们要将各种试验方法所得的数据进行综合判断，且不断开发新的有效的试验方法。 就常用的泄漏电流试验法而言，其试验回路并不复杂，如图2 - 1 所示，而要重 视的是此泄漏电流随时间是否增长、电流值是否有突跳( 如图2 - 2 中的i i 及i i i 段等) ， 并且与其他试验再结合起来作综合判断。表2 - 3 中列出日本过去对6 ，6 - - 3 3 k v 并联聚 乙烯电缆的试验项目及判断标准，其中就考虑到了这几方面因素，只有当泄漏电流 的幅值大或有突跳、或随时间上升，以及r 9 6 值偏大时，才建议进行直流耐压试验。 ；。 j 糖 ：机 电 蠢邕 i t _ - - 2 - - 。：i 厂- = 窖 气j 擘1 簟童妄一并 到 矗：j 图2 - 1 直流泄漏试验原理图 f i g u r e 2 - 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo ft h ed i r e c tc u r r e n tl e a k se x p e r i m e n t 时闷( m i n 图2 - 2 泄漏电流随时间的变化例 f i g u r e 2 2t h ec o m p a r i s o no ft h ec u r r e n tl e a k w i t ht h et i m ev a r i e t y i1 一泄漏电流数值较大；i i 一有突跳 邕 掣 蜡u 毫 囊 图2 3施加直流电压的方式 f i g u r e 2 - 3t h ew a yo fe x e r t i n gt h e d i r e c tc u r r e n tv o l t a g e i i i 一随时间而增大 l | i 世 卜 巍惫；： 重庆大学工程硕士学位论文2 电力电缆局部放电检测技术研究 鉴于电缆绝缘的吸收时间相当长，因此逐级升高直流电压以测量其泄漏电流随时间 的变化时，常在各级电压升到后继续维持较长的时间，然后算出其“极化比”及“弱点 比”。 如图2 3 及表2 3 ，可得 极雠= 蒜黼淼然 弱点峙瓣器燃 表2 - 3 对x l p e 电缆的建议判据举例( 日本) 电压等级 直流泄漏试验( i 交流培6直流耐压试验 ( k v ) 每级加压3 0 s 晟后加l o m i n试验( 1 【v ) 电压( k 、，) 时间( r a i n ) 6 62 ，4 ，91 0 1 ，3 ，5 2 0 71 0 2 2 4 ，6 ，1 2 ，1 6 2 0 1 ，3 ，5 5 0 71 0 3 3 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 2 5 1 ，3 ，5 泄漏电流电流值随 参数突跳留6 值( ) ( i i a ) 时间变化 判断标准 5 “良”：全为口；“要注意”：有b 而无c 时； 综合判断 叼；良”：有c 时，宜考虑耐压试验 表2 - 4 分二级施加直流电压的数值及时间( 日本) 第一阶段第二阶段 电缆额定电压1 0 m i n 直流耐压 电压( 负) u 1加压时间t电压( 负) u 2 加压时间l ( k v ) ( k v ) ( k v )r m i n )( k v )( m i n l 3 35 7 8 7 9 9 6 61 071 671 9 7 1 11 572 572 7 5 2 23 075 075 5 3 34 076 578 2 5 9 重庆大学工程硕士学位论文2 电力电缆局部放电检测技术研究 对3 3 - 3 3 k v 电缆所施加的直流电压u ，、u ：及时间疋、疋( 见图2 - 3 ) 如表2 - 4 所 示。有观点认为此u ：太高了。 至于现已采用的几种预防性试验方法的评价，日本在其1 9 8 8 年的标准中，评价 如表2 5 。 表2 - 5 对电缆老化的几种诊断方法的评价 现有评价 绝缘试验内容 准确度 现场用效果 用1 k v 兆欧表导体屏蔽间差 良良 测绝缘电阻屏蔽大地问良 电流幅值 良中良 直流泄漏电流极化比、突跳 不平衡系数 由由 良 测量穆6 ( 反接法)良 由 良 加直流电压法良 局部放电试验中差 加超低频电压法差 对油浸纸电缆的传统预防性试验方法之一的直流耐压试验，是否也同样适用于 近年来应用f t 广的交联聚乙烯x l p e 电缆? 国内外很多用户及研究人员都曾提出： x l p e 电缆在直流耐压时击穿的较多；特别是经过直流耐压试验后，在运行的交流 工作电压下发生击穿的概率似比未经试验的为多。有的将它解释成由于x l p e 绝缘 电阻很高，以致在直流耐压时所注入的离子不易散逸，它引起电缆中原有的电场发 生畸变，因而更易被击穿。为此，有建议在直流耐压试验结束时宜通过高阻放电， 以减少试验时的损坏；有的单位规定要降低直流试验电压值，也有的在考虑使用 0 1 h z 的超低频试验方法等。但也有些研究人员在试验中得出了否定的结果，例如 美国e p r i 的最近试验中，对已经2 年老化的1 5 k v 的x l p e 电缆作为试品，无论是 经过或不经过直流耐压试验，其耐压水平仍基本一样( 图2 4 ) 。国内这方面的研究工 作也在继续进行。 从日本“电线工业会”1 9 9 3 年9 月制订的x l p e 电缆维修导则中也可以看出，他 们建议对该电缆的直流泄漏试验仅对运行1 0 年以上的电缆每1 0 年进行一次，而 对于6 k v 级的x l p e 电缆，直流试验时第1 级为6 k v 、第2 级1 0 k v ，而且不再升 高进行耐压试验。显然这比过去所建议的判据f 如表2 - 3 、表2 - 4 ) 低了。表2 - 6 列出 了日本1 9 9 3 年维修导则中的有关内容。 l o 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 表2 - 6 日本对x l p e 电缆预防性试验项目的建议( 1 9 9 3 年9 月) t a b l e2 - 6t h es u g g e s t i o nt ot h ex l p ee l e c t r i cc a b l ep r e v e n t i o ne x p e r i m e n t si t e m 试验类型周期 检查项目检查方法 外观 目测 日常检查( 不停电) 每1 以月1 次 各相电压 电压表格 外观 1 0 年以下每1 以年1 护层绝缘0 5 。l k v 兆欧表 定期检查( 离线或在线) 次，1 0 年以上每年1 次 或日常检查着疑者 屏蔽层电阻试验器 绝缘电阻l 一5 k v 兆欧表 外观 1 0 年以上者：有水影响 护层绝缘0 5 ，i k v 兆欧表 时每1 2 年1 次、无水 停电试验屏蔽层电阻试验器 影响时每2 习年1 次或 绝缘电阻 1 巧k v 兆欧表 定期检查有疑者 直流泄漏泄漏电流测量仪 2 1 2 其他试验方法 另外，基于电力电缆的吸收过程的特点，国内外已研究出几种有一定特点的停 电试验方法，例如残余电压法、反向吸收电流、电位衰减法等。其中有些方法在国 内已有使用，并取得了较好的效果；有的已在与在线监测配合使用。 蒜 昏 壁 蚀 宅 图2 - 4 对1 5 k v 的x l p e 的对比试验结果 f i g u r e 2 4t h ee x p e r i m e n tr e s u l tt ot h ec p m p a r a t i o no ft h e1 5 k vx l p e 1 l 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 图2 - 5 残余电压法测量原理图图2 - 6 6 k v 的x l p e 电缆的残余电压与t 9 6 的相关性 f i g u r e2 - 5t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo ft h e m e a s u r i n gm e t h o do ft h er e m a i n i n gv o l t a g e f i g u r e 2 - 6t h er e l a t i v i t yo ft h er e m a i n i n gv o l t a g e o f t h e6 k v x l p e w i t hf g d 残余电压法 其基本原理如图2 - 5 。打开k 2 ，k 3 打到接地侧，合k 1 使被试电缆充上直流电 压。一般可按每毫米绝缘厚度上的梯度为l k v 来施加电压。约经1 0 r a i n 充电后，将 k 1 及k 2 先后打到接地侧，经约1 0 s 后打开k 1 及k 2 、合k 3 以测量电缆绝缘上的 残余电压，如测1 0 - 一1 0 0 m i n ，由图7 - 6 可见，对x l p e 电缆测得的残余电压与其留6 值的相关性较好；且从图2 7 的二根运行年限不同的3 3 k v 的x l p e 电缆的残余电 压试验结果来看，同样加1 0 k v 、1 0 r a i n 后、先经高电阻接地2 s 、再直接接地1 0 s ， 运行1 1 年的电缆的残余电压比仅运行5 年的要高得多，差别很明显。 - v j 出 掣 撰 基一 整蛙打开后柏时棚，( m i 图2 7 二根已使用过的电缆的残余电压 f i g u r e r 2 - 7t h er e m a i n i n gv o l t a g e o ft w oe l e c t r i cc a b l eh a v e b e e nu s e d 图2 - 8 反向吸收电流法的测量原理图 f i g u r e 2 - 8t h em e a s u r i n gp r i n c i p l ed i a 争a mo f t h em e t h o do ft h ea n t i t oa b s o r b e dc u r r e n t 反向吸收电流法 其测量原理如图2 - 8 ，先将k 1 打到电源侧，让电缆加上l k v 直流电压1 0 r a i n ， 后将k 1 打到接地侧，让电缆放电；3 m i n 后打开k 2 ，由电流表测量反向吸收电流。 而“吸收电荷”q 在这里定义为从这3 m i n 到3 3 m i n 这3 0 m i n 内电流对时间的积分值。 图2 - 9 为从运行中换下的6 - 6 k v 的x l p e 电缆的吸收电荷、绝缘电阻及喀d 三者与该 1 2 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 电缆交流击穿电压u 的关系，可见其q _ 一u 的相关性比增6 一u 还要好，而绝缘电 阻r 与u 的相关性最差；由此可见当监测某电缆整体劣化时，以测量a 及r 9 6 为宜。 因两者均取决于绝缘的整体特性，而测残余电荷时外界干扰也较小，测量较易于准 确。 i l 口 蕾 i t 删 薯 掣 交藏击穿屯压t v ) 图2 - 9 6 6 k v 的x l p e 电缆的吸收电荷、绝缘电阻及留6 和交流击穿电压的相关性 f i g u r e 2 - 9t h er e l a t i v i t yo ft h ea b s o r p t i o ne l e c t r i cc h a r g eo ft h ee l e c t r i cc a b l e o ft h e6 6k 、，sx l p e i n s u l a t i n gr e s i s t a n c ea n dt h ei n d i r e c tb r o k e n - u pv o l t a g e 电位衰减法 国内早已采用此方法对大容量电力电容器作预防性试验，即充电后用自放电的 方法以测量时间常数或绝缘电阻。 如图2 1 0 所示，先对绝缘电缆充电，再打开k 1 让它自放电；但静电电压表的 绝缘电阻必须远高于电缆的绝缘电阻。如电缆绝缘良好，则自放电很慢，如图2 - 1 1 中的上一衄线。而对6 6 k v 的电缆，其充电及判断电压( 如图2 - 1 1 所示) 可分别取5 k v 及3 k v 。 由图2 1 2 可见，用电位衰减法所测得的绝缘电阻与通过高压直流法测得的泄漏 电流来计算的绝缘电阻相当一致。表2 7 给出几种测量高压电缆老化方法的综合比 较。 星i x j，穹1o：擘掣=一 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力电缆局部放电检测技术研究 k 研二赭电压 薛匿： r 亨1 1 图2 - 1 1 自放电时电压的下降曲线 f i g u r e 2 1 1t h ed e s c e n d i n gc u r v eo ft h ev o l t a g e i n s u l a t i n gt u r n s0 1 ) e l e c t r i c i t yb yi t s f l f 蜀 叫 嚣 鼎一 s 兰 饕摹 基。 蠼! 鼍； ： 心 黾i 茜 由i 藏浩电谶法搿的绝攮电阻 ( 1 0 m q k m ) 图2 - 1 2 用电位衰减法及直流泄漏法 测得的绝缘电阻比较 f i g u r e 2 - 1 2c o m p a n i o no ft h er e s i s t a n c e w h i c hi sm e a s u r e dw i t ht h em e t h o d o fe l e c t r i cp o t e n t i a ls u b , a c t i o nt ot h e m e t h o do fd i r e c tc u r r e n t sl e a k s 表2 - 7 几种电缆老化的测定法的比较 方法测量内容电源测量中问题效果、趋势 可测出绝缘及屏蔽层的 兆欧表法 绝缘电阻 直流 要排除终端处的表面泄漏 绝缘电阻、终端受潮 可测出施工缺隐及劣化， 直流耐压法耐压直流可能引起损伤 多在交接时进行 泄漏电流、极 电源波动引起的充电电流，终 可测出吸潮、树枝劣化、 直流泄漏法直流可由电流突跳来推测后 化比、弱点比端处电晕电流 部放电 放电量、起始工频 要除去干扰对检出内部气隙、外伤等 局部放电法电压、熄灭电超低频、有效，要注意消除外界干 压、放电频率 三角波 宣用专用电源 扰、提高灵敏度 工频 需大容量电源 对检出受潮、水树枝有 f g d 法t 9 6 超低频要消除干扰 效，谐振法电源可小 可检出3 0 0 m 缺陷， 射线法透视 从x 线、y 线到c t 图象处理 5 0 岫金属物 反向吸收法反向吸收电流直流要消除局部电流或终端脏污对检出水树枝等有效 残余电压法残余电压直流要注意终端处簿的表面泄漏对检山水树枝等有效 1 4 重庆大学工程硕士学位论文2 电力电缆局部放电检测技术研究 电缆油的试验 对于油浸电力电缆，也可用前述对油浸电力变压器所采用的色谱分析的方法等 来进行诊断，但要注意到油浸电力电缆中的油的特点，如其工作场强高、油的循环 有困难、浸渍用油的差别等。一般来说，充油导缆中的油纸的老化因素及所产生的 气体可参看表2 - 8 。日本对电缆油的老化指标的暂行标准如表2 - 9 。 表2 - 8 充油电缆的老化因素及形成气体 老化原因老化产物 氧化老化过氧化物一有机酸一c 0 2 h 2 0 热老化及绝缘纸 产生c o ，c 0 2 ，h 2 0 油中放电绝缘油产生c o ，c 0 2 ，c h 4 ，c 2 i - h ，c 2 h 2 ，i - 1 2 电老化产生h 2 ，c 2 h 2 表2 - 9 对电缆油老化的暂行判据( 日本) 项目标准 t 9 6 ( 8 0 。c )2 电阻率( 8 0 。c ) 1 1 0 ”o c m 击穿电压3 0 k v 2 5 r a m 水分1 0 0 p m 2 2 电缆绝缘的在线监测方法 上述的各种停电试验方法有些已可逐步实现带电检测，而且还研究出了一些新 的测量原理，如直流分量法等。目前国内外已采用的或较有前途的主要有以下几种 在线监测方法。 2 2 1 直流叠加法 其基本原理如图2 1 3 ，利用在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源 ( 常用5 0 v ) ：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( 一般为n a 级以上) 或其绝缘电阻r 。 由于直流叠加法是在交流高压上再叠以低值的直流电压，试验证明：这样在带 电情况下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，如图2 1 4 所 示。图中的数字为测量泄漏电流时的外施直流电压值( k v ) 。可见停电试验时，所加 的直流电压愈高测得的绝缘电阻愈低，而只叠加5 0 v 直流电压的带电测量结果竟与 外施很高直流电压时相近。 重庆大学工程硕士学位论文2 电力电缆局部放电检测