（电气工程专业论文）交联聚乙烯电力电缆连接头温度在线监测技术应用研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t x l p ei n s u l a t e dc a b l e sa r ew i d e l yu s e d1 np o w e ri n d u s t r ye t c i t sl n s u l a t e df a u l t s o f t e nt a k ep l a c e a n dc a b l ej o i n tf a u l t sa r eh i g hs c a l ei nx l p ec a b l ef a u l t s f o rt h i s r e a s o n ，t h eo n s i t ed e t e c t i n gt e c h n i q u e ，w h i c hc o u l dr e f l e c tt h ei n s u l a t i o nc o n d i t i o no f x l p ec a b l e j o i n tb yd e t e c t i n gt h et e m p e r a t u r eo f r e s p e c t i v ep a r t ，i sp r e s e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sw a t e rt r e e a g i n gt h e o r y o fx l p ec a b l e sa n di n s u l a t e d c h a r a c t e r i s t i co fw a t e rt r e ea g e dx l p ec a b l e s t e m p e r a t u r eo fx l p ec a b l ej o i n ta n d r e l a t i o nw i t hw a t e rt r e ea r ea n a l y z e d a u t h o re s t a b l i s h e sam a t hm o d e lf o rr e l a t i o n b e t w e e ni n t e r i o rt e m p e r a t u r ea n de x t e r i o rt e m p e r a t u r eo f x l p ec a b l e j o i n t t h er e l a t i o no fi n t e r i o rt e m p e r a t u r ea n de x t e r i o rt e m p e r a t u r eo fx l p ec a b l ej o i n ti s s t u d i e di nl a bb a s e do ns t r u c t u r ea n a l y z i n go f x l p ec a b l ea n dc a b l e j o i n t i ti sf o u n dt h a t t h e o r e t i cr e s u l ta n de x p e r i m e n t a lr e s u l to f t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r i o rt e m p e r a t u r ea n d e x t e r i o rt e m p e r a t u r eo f v y j v 2 2 - 6 1 0 k v3x3 0 0x l p ec a b l e j o i n ti sb a s i c a l l yc o n s i s t e n t o nt h eb a s i so ft h e o r ya n de x p e r i m e n t s ，t h ea u t h o rd e s i g n st h eo n - s i t ed e t e c t i n g s y s t e mf o rr e f l e c t i n g t h ei n s u l a t i o nc o n d i t i o no fx l p ec a b l ej o i n tb ym e a s u r i n g t e m p e r a t u r e b ya d o p t i n gt h ed e s i g ni d e ao fd i s t r i b u t e ds y s t e m ，i ti su s e df o rd e t e c t i n g i n t e r i o rt e m p e r a t u r eo fx l p ec a b l ej o i n t t h es y s t e ma d o p t sn dt y p eh a r d w a r em o d u l e f o rc o n t r 0 1 t h i sp a p e rd e s i g n st h et r a n s f o r ma n dd r i v ec i r c u i to fc o n t r o l l i n gv o l t a g e ，t h e c o n t r o l l i n gc i r c u i to fs i g n a lb o x e sa n ds i g n a lc h a n n e l s ，a n dt h ea d j u s t i n gc i r c u i to f s e n s o r so u t p u t s i g n a l a tl a s t ，b a s e do nh a r d w a r e ，s y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e dw h i c h i n c l u d et h ep r o g r a mm o d u l eo fn dt y p eh a r d w a r em o d u l e ，c o n t r o l l i n gc i r c u i t ，s i g n a l c o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g t o t a l l y , t h i ss y s t e mh a ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ge x p a n s i b i l i t y , e a s i l yi n s t a l l i n ga n dh i 曲c a p a b i l i t y p r i c er a t i o k e y w o r d s ：x l p ec a b l e ；c a b l ej o i n tt e m p e r a t u r e ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鹑叮沪签字日期：吖年，月矽曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重鏖太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“d ”) 学位论文作者签名：缈7 签字日期：呷年，r 月刁日 导师签名：霞鸿专 签字日期：2 一。u 年f i 月巧日 匝庆大学r 程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘在线监测的重要意义 随着我国现代化建设和经济的稳定飞速发展，作为基础工业的电力工业必然而 且已经得到突飞猛进的发展。无论是发电、输变电环节，还是配电、用电环节，整 个电力系统已经形成一个复杂而庞大的国民经济重要功能体，我国电网已进入大电 网、大机组、高电压、高度自动化的新发展阶段。我国电网及输变电技术的某些方 面已接近或达到l 蛩际先进水平。预计2 0 0 0 年，电力】：业实现装机2 8 5 - 3 亿k w ，到 2 0 1 0 年预计装机5 4 亿k w 左右，到2 0 1 5 年预计达到6 7 亿k w 左右是有可能的， 估计到2 0 0 0 年，东北、华北、华东、华中等电网装机将超过4 0 0 0 万k w ，至2 0 1 0 年，上述电网的装机容量要达到5 0 0 0 万k w 以上。 尤其是城市建设现代化程度的加快和不断向周边扩展以及城市的i f t 城改造工 程，城市电网建设发展极为迅速，电力电缆的应用也愈来愈广。在某种意义上说， 电缆使用的普遍性不仅反映了电力工业发展的速度和深度，同时也反映了城市建设 的现代程度。伴随着电力工业的发展，各种电压等级的电缆也相继出现。1 9 0 8 年英 国有了2 0 k v 的电缆网，1 9 2 4 年法国首先使用了单芯6 6 k v 电缆，美国于1 9 3 4 年完 成第一条2 2 0 k v 电缆的敷设。7 0 年代初期5 0 0 k v 电缆已在一些国家投入运行。至 7 0 年代以来，交联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆在我国得到迅速发展，它已逐步取代 常规中压油纸绝缘电缆，并且这种趋势继续向1 1 0 k v 及以上高压电缆发展，其主要 原因是：交联聚乙烯电力电缆重量轻，制造工艺简单，安装敷设容易且不受落差限 制，接头制作简单，可降低安装费用；有良好的电气性能，如介质损耗小，电气强 度高，耐热性能也较好，线芯允许温度高，传输容量大，运行维护方便等。 我国自1 9 7 0 年至今已先后研制成功了6 、1 0 、3 5 、6 3 、1 l o k v 交联聚乙烯电力 电缆，并能批量生产，加上从国外引进的产品，极大地促进了我国城市电网的建设 和改造【2 j 。1 9 8 1 年起我国开始逐步深入地进行城市电网改造和建设，并对适合我国 城网改造和建设所需输变电设备提出“小型化、无油化、低损耗、低噪音、自动化、 智能化、高可靠性”的要求【3 】。交联聚乙烯绝缘电缆由于无油、附属设备较少，在 一定防护条件下无火灾危险、安装敷设以及运行维护较简单，成为城网改造和建设 所需的电力电缆的首选产品。1 1 0 k v 及2 2 0 k v x l p e 电缆也逐渐取代1 1 0 k v 及2 2 0 k v 充油电缆，用于高压电能通过高压电缆地下输电方式输入至城市负荷中心，这为我 国x l p e 电缆技术的发展与规模生产也带米良好的机遇。由于架空配电线路与城f 丁 建设规划1 i 协调，与城市美化、绿化的矛盾与通信、广播线路及社会公共设施互相抢 道、_ 】工相制约、交叉拥挤的结果，造成市容的损坏和安伞事故的增多。城市配电线路 重庆人学工程硕士学位论文1 绪论 地缆化是城市电网建设发展的方向，要尽可能改用地缆以取代架空线路。地缆应按水 电部1 9 8 2 年8 月提出的城市电网新装备技术条件，采用交联聚乙烯绝缘电力电 缆h 。 正是由于交联聚乙烯电力电缆、电力变压器等电气设备的大量使用并投入运行， 电力工业中电气设备的运行状态是否良好成为电力系统向超高压、大电网、大容量、 自动化方向发展、提高电力设备运行可靠性的重要指标之一。各种电气设备构成了 电力系统的基本框架，电力生产的设备投资占企业投资的6 0 7 0 以上口j ，电气 设备是保证电力系统供电可靠性的基础。无论是大型关键设备，如大功率发电机、 大容量电力变压器，还是小型设备，如电力电容器、绝缘予，一旦发生故障必将引 起局部甚至大面积地区的停电。大量资料表明导致设备失效的重要原因是其绝缘性 能的劣化。例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间1 1 0 k v 及以上等级电力变压器事故统计分析表 明【6 j ，由于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的6 8 和总事故容量的7 4 ，而1 9 9 0 年【7 】的统计分别为7 6 和6 5 。1 9 8 0 年电力部对3 6 台故障电流互感器进行分析， 绝缘事故占9 2 【8 】。1 9 9 0 年全国1 1 0 k v 及以上等级互感器中绝缘故障占总事故台次 的5 5 ( 7 】o 湖北省对1 9 8 7 年前发生故障的2 2 台电压互感器、4 5 台电流互感器和4 5 只套管的统计表明，绝缘故障占总事故台次的比例分别为8 6 、6 9 和6 4 p j 。国 外的统计结果也类似，例如美国某地区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年间失效电容 器的统计分析指出其中9 2 是因为绝缘劣化引起失效【l 。因此运行中电气设备的绝 缘状态对电力系统的安全运行至关重要，要求电业工作人员必须加强电气设备绝缘 的监测与诊断，及时发现隐患以确保电力设备和人身安全以及系统的安全供电。目 前我国最好的城市供电可靠率为9 9 8 5 t 1 1 。为保证城市供电的高可靠率，电气设备 绝缘的监测与诊断技术势必成为电力科技的重要研究及应用方向。 交联聚乙烯电力电缆作为高压电气设备中的基本元件，是输送高压电能不可缺 少的重要部件，其绝缘在线监测技术的研究与发展必然成为电力工业中电气设备的 绝缘在线监测技术的重要组成部分。高压电力电缆在电力配电系统中是十分重要的 设备，其对电力负荷的安全稳定供给有着瓶颈制约作用。一根电缆往往担负起一个 片区的供电任务，所以电力电缆的绝缘好坏直接影响电力的供配，从统计资料上看 一旦高压电力电缆发生突发性故障，小则造成对用户长时间停电，严重时可能引起 电缆线路外围设备的连锁反映而发生故障，甚至可能导致配电系统部分或大部分瘫 痪。例如1 9 9 6 年1 月贵州东风水电站因2 2 0 k v 送出电缆绝缘发生故障，造成1 7 0 m v a 的三台发电机伞部停止发电达半月之久；贵州安顺供电局平坝1 1 0 k v 变电站因1 0 k v 出线电缆绝缘受到破坏而导致主变压器发生出口短路事故，经吊罩检查发现主变压 器层问绝缘垫块有部分脱落，1 1 0 k v 分接开关被严重烧伤1 1 “。困内外资料还显示由 于电缆绝缘破坏而最终导致火灾的事故也是屡见不鲜。美国在1 9 6 5 1 9 7 5 年统计的 重庆大学：程硕士学位论文1 绪论 3 2 8 2 起电气事故中，电线电缆事故就占3 0 5 ，直接经济损失约4 0 0 0 万美元。同 本曾对钢铁、石油化学、造纸等工厂企业调查，有7 8 的单位发生过电缆着火，其 中危害程度较大的事故占4 0 。据有关资料统计，近2 0 年来，我国火电厂发生电 缆火灾1 4 0 多次，其中1 9 8 6 - - 1 9 9 2 年7 年间竟达7 5 次。有2 4 个电厂达4 - - 6 次。 7 0 以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中五分之二的火灾事故造成特大损 失。1 9 7 5 - - 1 9 8 5 年，因电缆起火造成的重大事故，发生6 0 多起，造成的直接和间 接损失达5 0 多亿元i l 。由此可见因电力电缆故障带来的经济损失是不可忽视的， 加之电力电缆多敷设于城市，电力电缆突发性故障还可能给城市居民生活带来不便， 甚至威胁到人身财产的安全。随着各方面对供电可靠性要求的不断提高，需要对电 缆在运行中的绝缘状况进行监测，以便掌握电缆的有效使用寿命，及时发现电缆绝 缘的潜伏隐患并及时有效地进行相应处理，以减少对用户和供电部门造成的损失， 达到提高供电可靠性的目的。 伴随着电力工业的发展历程，电力设备的维护逐渐从事故后维修( b r e a k d o w n m a i n t e n a n c e ) 、预测性维修( f o r e c a s tm a i n t e n a n c e ) 、预防性维修或定期维修 ( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo rt i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) 向状态维修或预知维修 ( c o n d i t i o n m a i n t e n a n c e o r p r e d i c t i v e m a i n t e n a n c e ) 转变i l4 j 。据统计，由于运用了状 态维修方式进行了设备维修，发达国家可以使维修减少2 5 ，降低设备维修范围 2 5 5 0 【15 1 。 作为电力工业现代城网主干网用的新型材料，交联聚乙烯电力电缆也成为现代 电力工业的重要高压设备，其在线监测技术也日显重要。交联聚乙烯电力电缆的绝 缘情况是衡量其运行状态好坏的重要指标，绝缘状态不良直接影响电缆的正常安全 运行，影响其担负的供配电任务。运行中的交联聚乙烯无论什么因素造成故障，最 终常表现为绝缘的破坏而引起绝缘事故，因此把交联聚乙烯电力电缆绝缘状态作为 在线监测的重要内容。引起交联聚乙烯电缆绝缘事故的原因是多方面的，例如过电 压产生的电树不断生长而导致绝缘击穿，电缆内部或外部水分子在运行高压下产生 水树引起绝缘老化而发生绝缘故障，或者是由于人为外力破坏造成的结果，实际运 行中发现绝缘事故各种因素的综合作用产生。日本曾对2 2 k v 6 6 k v 级的交联聚乙 烯电缆的9 0 次故障统计分析，因灾害或外力造成的破坏约占3 0 ，而连接盒或终 端的事故比例也很高i l 。往往电缆的绝缘事故是日积月累的结果，所以在以往预防 性维修方式的运行过程中，需要对电力电缆进行定期的停电预防性试验，根据试验 结果观察其绝缘是否良好来决定电缆在下一次投运前是否需要进行必要的维修或更 榭1 7 1 。其试验根据电力部所颁发的电气设备预防性试验规程进行，交联聚乙烯 电力电缆有与其它电力设备不同的试验项f 1 和相应的试验周期i l ”。但预防性试验所 测结果毕竟不是在运行电压下的结果，常与实际运行数据有出入，这就可能导致不 重庆大学t 程硕十学位论文l 绪论 能发现电缆绝缘缺陷；运行时诸如热应力等其它因素的影响也无法在离线时再现， 也就有可能发现不了绝缘缺陷和潜在的故障；也正是由于绝缘故障有一定的潜伏和 发展时间而预防性试验是定期进行的，往往不能及时而准确地发现故障，造成漏报、 误报或早报，也不能随时对带缺陷的设备实行连续监测。另外从经济角度看，定期 的电网停电试验会对国民经济造成一定损失，定期大修和更换部件也需投资，故预 防性维修不是最经济的方式。同发展电力变压器、汽轮发电机等其他电力设备绝缘 系统的在线监测技术一样，为克服预防性维修的局限性，加之近年来在线监测技术 的不断成熟，国内外都开始重视交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监测技术。特别是 我国近几年经济、技术力量的不断提高，也为这项技术建立了良性的软、硬环境。 但交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监测技术是滞后于如电力变压器等高压电气设备 的绝缘在线监测技术的，处于起步阶段。 事实上，在x l p e 电力电缆故障中，其连接头是经常发生绝缘故障的部位。因 为出厂合格的x l p e 电力电缆绝缘是良好的，在进行实际敷设中电缆连接头由于必 须通过技术人员手工制作可能造成导电线芯接触不良而引起异常发热或者连接头绝 缘层制作不好导致连接头绝缘不良等因素使连接头成为电缆运行中的薄弱环节，所 以在发电厂等电力部门x l p e 电力电缆连接头被作为重点监视、巡视对象。国内外 资料显示，电缆头故障在电缆本体故障中占很高的比例。这就是本文研究x l p e 电 力电缆连接头绝缘在线监测技术的出发点。另外，电缆连接头故障一般表现为连接 头爆炸，并在故障发生前后都伴随有明显的过热现象，这种伴有明显热现象的电缆 连接头爆炸具有很大的破坏性，往往造成较大的经济损失。因此本文欲进行通过检 测相关温度指标来反映x l p e 电力电缆连接头绝缘状态的在线监测系统研究工作。 综上所述，交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监测技术在国内正处于起步阶段， 而且交联聚乙烯电力电缆在电力工业中的重要性，研究其绝缘在线监测方法是一个 迫切的需要，其理论和现实意义是不言而喻的。针对电缆头故障在电缆本体故障中 占很高比例的事实，本文提出以温度反映交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘的在线监 测系统的研究内容。对交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘的结构特点及现在已有的一 些在线监测方法，分析影响电力电缆连接头绝缘的主要因素，选择温度这个直接表 现电缆连接头绝缘的参量作为研究的主要对象，阐述和分析温度与影响其绝缘主要 因素间的相互联系，分析研究温度指标在交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘在线监测 技术中的运用，使其可以最终实际运用于交联聚乙烯( x l p e ) 电缆连接头绝缘状 况的在线监测系统中。提高我国交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测技术的水平，为 电力系统全而实施电力设备的状态维修作一些有益的工作。 ：壶庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 2x l p e 电力电缆连接头绝缘在线监测发展及研究现状 电气设备绝缘在线蠊测技术已经发展了许多年，并正在继续发展，国内外在这 方面都取得了不少进展。1 9 5 1 年美国西屋公司的约翰逊( j o h ns j o h n s o n ) 1 1 9 j 针对 运行中的发电机故障提出并研究了在运行条件下进行监测的概念，这可能是最早提 出的在线监测思想。美国从6 0 年代起开始发展在线监测技术，r 本从7 0 年代开始 发展。经过几十年的发展研究，国外已成功地研制了不少在线监测装置，如：加拿 大安大略水电局研制了用于发电机的局部放电分析仪( p d a ) 1 2 ，魁北克水电局研究 所研制了一套多参数的监测系统( a i m ) 【2 “，日本东京电力公司于8 0 年代研制了变压 器局部放电自动监测仪【2 2 j 。随着交联聚乙烯电力电缆的广泛使用，作为新型高压、 超高压输电设备，其绝缘在线监测技术在国外得到较早的发展及应用。这方面目本 走在了前面，因为日本在高压、超高压交联聚乙烯电力电缆的使用量较多和较早， 他们对交联聚乙烯电力电缆绝缘老化问题重视较早。 我国的在线监测技术自8 0 年代开始得到了迅速发展，尤其是各省电力部门，都 致力于研制电容性设备的监测装置，主要监测介质损耗、电容值等参量。电力部电 力科学研究院、武汉高压研究所、东北电力试验研究院等单位还研制了各种类型的 局部放电监测系统。电力科学研究院、西安交通大学和我校还结合油中气体分析开 展了用于绝缘诊断的专家系统的研究工作田j 。但是在线监测技术中，交联聚乙烯 ( x l p e ) 电缆绝缘在线监测技术在我国的研究还处在初级阶段。对交联聚乙烯 ( x l p e ) 电缆绝缘的劣化机理研究，我国专业人士已经取得了不少成果和成绩。 在此基础上，一些科研机构及专业人士也丌始了一些可以运用于现场在线监测方法 的探索和研究，不过实际运用情况远远落后于国外先进国家，这也说明我们仍要在 交联聚乙烯( x l p e ) 电缆绝缘在线监测技术不断加快努力，- 弗同时不断消化国外 先进知识和技术，使我国的交联聚乙烯( x l p e ) 电缆绝缘在线监测技术得到长足 进步、发展。 虽然国内外对交联聚乙烯电缆绝缘在线监测方法的研究并没有专门针对交联聚 乙烯电缆连接头，但已研究出的较多方法常以连接头为主要监测对象，加之交联聚 乙烯电缆连接头绝缘本身亦是交联聚乙烯电缆绝缘在线监测的重要部分，所以可以 从交联聚乙烯电缆绝缘在线监测方法这个大的方面进行介绍、比较和分析来阐述其 研究和发展现状。 众多资料显示，n 本在交联聚乙烯( x l p e ) 电缆绝缘在线监测技术已经比较 成熟，并形成了交联聚乙烯( x l p e ) 电缆绝缘在线监测的某些标准。在交联聚乙 烯电缆的研制与生，。上，r 本坚持不懈，锲而不舍地发展交联电缆技术，经历几个 阶段，每个阶段均有技术上的突破】。正是r 本在交联聚乙烯生产及应用上的领先， 其交联聚乙烯电缆绝缘在线监测技术的研究和发展在世界卜也处于较为领先的地 重庆人学工程硕士学位论文1 绪论 位。国内由于交联聚乙烯( x l p e ) 电缆敷设量及应用的不断增加，对交联聚乙烯 ( x l p e ) 电缆绝缘在线监测技术进行了一些研究。根据交联聚乙烯电缆绝缘老化 机理和表现形式不同，国内外专业人士提出并研究了许多的方法，其表现绝缘老化 的指标和程度也有所不同。对交联聚乙烯电缆绝缘在线监测技术的研究和发展大概 经历了几个阶段：交联聚乙烯电缆绝缘的老化、劣化机理研究；交联聚乙烯电缆绝 缘在线监测方法探索研究；交联聚乙烯电缆绝缘在线监测方法初步实际运用；交联 聚乙烯电缆绝缘在线监测技术的全面展开、应用及交联聚乙烯电缆绝缘老化、劣化 机理的深入探索。交联聚乙烯电缆绝缘在线监测技术的成熟凝聚了世界各国研究技 术人员多年来持之以恒的努力研究和探索，我国在这项技术的研究虽然起步较晚， 但通过近年来的努力也己取得一些较为有用的研究成果和实际应用范例。 通过多方面的查阅资料，现在对国内外已经研究出、并采用的几种常用交联聚 乙烯电缆绝缘在线监测方法进行总结性的简要介绍，如表1 1 所示。 表1 1 国内外常用交联聚乙烯电缆绝缘在线监测方法一览表 方法原理及特征使用情况在线检测特点 经过大量研究发现，在已旋加交流已开始用于在线，但要排困电流小所以测量装置 电压的电缆绝缘上，也能测到很微除护套电阻和外屏蔽地电的抗干扰措施十分重要。 小的直流电流分量。所以此法是用势引起的杂散电流的影大量实验数据表明直流 直 直流叠加法的测量电路来进行电响，因此国内有人提出“补分量于水树枝长度、直流 流 成 缆绝缘中直流电流分量的测量。其偿电势法”1 2 4 1 等一些方法泄漏分量、交流击穿电压 分 法 解释为：水树枝起了“整流作爿j ”，来消除这些干扰因素的影等绝缘特性有较好的相 这样电缆绝缘具有了象二极管的响，提高此方法的测量准关性，对发现集中性的缺 特性，使电缆绝缘层出现了直流分确性【”1 。陷较灵敏。 量。 对已施加交流电压的电缆绝缘上应用较广泛，护套电阻和常在g p t ( 接地电压互感 叠加直流电压，从而测量通过绝缘外屏蔽地电势引起的杂散器) 处叠加低压直流，间接 直 的微弱直流电流或绝缘电阻。测量电流对测量有影响，但比测出绝缘电阻，宜用于在 流 值可以反映电缆绝缘劣化的绝对对直流成分法的影响小。线检测。但绝缘电阻与电 普 加 量。山丁i 在直流电压下绝缘层中水此法国内已有应用，但未缆绝缘残余寿命的相关 法 树会旱现出“极性效应”，电缆绝形成一定标准，可参考日性并不很好。 缘的正反向绝缘电阻不同，为此有本拟定此法的判断标准。 人提出了“改进直流叠加法”。 重庆大学_ 程硕+ 学位论文1 绪论 运用与电容型设备绝缘在线检测开始应用较多，由丁- 对长在线检测的设计要注意， t 9 6 法相似的测量原理及方法，在距离电缆的绝缘状况反映因电缆的t g j 较容性设 薅 运行电压下检测电缆绝缘的t 9 8 ， 不灵敏，局部性故障并不备小，测量的精度、稳定 j 其测量误差及缺点和电容型设备一定使电缆的t 9 6 变化。度较难保证。个别较集中 法 绝缘在线检测t g d 法相似。只反映t g j 随水树变化的分散性的缺陷不会引起整根电 普遍性的缺陷，t 9 6 值取决于整体 较大，此法现在应用不多。缆的蟾j 值的显著变化。 损耗的变化。 借鉴变压器局部放电方法，使其运由丁此法受外界影响严理论上可用于在线检测， 用于电缆局部放电信号检测。此法重，去干扰难度较大，国问题在于排除干扰，国内 能检测出缺陷处发生的局部放电，内应用较少。日本在此法运用很少，原冈认为其背 局 并可测山缺陷的具体部位，可反映上研究较早较多且有较成景干扰不易去处，而且局 部 出运行中电缆整体绝缘状况和缺熟应用，在一定信号处理部放电信号很小，沿电缆 放 电 陷的程度及具体部位，从理论和方方法基础上，用此法其测传播还有衰减。另外，此 法 法上讲，是一种很好的在线检测方量精度达l p c ，缺陷位置法形成的在线监测系统 法。局部放电法有儿种常用的在线检测误差1 。成本可能较高。 监测方法，如电磁波法、局部放电 量法。 把绝缘层看成r 、c 并联电路，外日本对此法已有成熟应方法类似于直流叠加法， 低 频 加低频、超低频时，绝缘层容性电用，国内在近几年也对此只是叠加低频、超低频信 及 流比工频时小，而阻性电流无明显方法进行了消化和深入研号的特性和替加直流信 超 低 变化，易从总电流中分出阻性电究，发现了一些新的特性，号的特性有所不同，前者 频 叠 流，即，t g b = l l c o c r ，o 下降， 并趋于把此法运用到现场的某些信号特性要明显 加 法t 9 6 增大，使t g d 也易于准确测量。在线监测中。 些。 接 鉴于局部放电、t g d 和直流叠加法由于在测量时要临时断开 该方法简单易行，常在接 地等的实施难度和测量精度难以保电缆头一端的接地线，对地线上套以电流传感器 线 电 证，改用在线检测通过接地线的电电缆安全运行产生影响，即可实现，但这时另一端 流 法 容电流增量的方法对电缆绝缘状此法在国内的研究应用和电缆头处的接地线在测 态进行监测。 报道很少。 革时要临时断开。 监测运行电力电缆的某些温度指日本较多应用分布式光纤温度能较直接、明显表现 标，如表面温度，来反映其绝缘运技术进行护套内温度测电缆绝缘情况，特别是容 温 行状况。其测量方法也分为接触式量，国内也出现过进行表易发生爆炸的连接头。考 度 法 和非接触式测量。根据临测部位不面温度监测。测量的准确虑到温度测量的简单和 同，也有护套内温度、外嵌面温度度较高，温度测量受下扰准确性，不失为一种有实 等多种测量指标。影响小。用价值的在线监测方法。 重庆大学i l ：程硕士学位论文l 绪论 以上方法，日本现在已经趋于运用局部放电法，因其能够反映电缆缺陷及其具 体部位【2 6 j 邮o 】，使电缆故障点的检修、电缆的更换工作更加容易，减少更多离线进 行故障定位的工作量，这种方法的传感器一般都放置在连接头的位置，如果连接头 有绝缘问题就可以及时发现；而国内主要停留在前三种方法及超低频叠加法的研究 及应用，因为这几种在线监测方法简单，易于实现，但存在一个共同的缺点，即只 能反映电缆绝缘整体老化情况，不能检测出局部缺陷及进行故障定位，因此这几种 方法应用于x l p e 电缆连接头绝缘局部缺陷的在线监测意义不大。近几年交联聚乙 烯( x l p e ) 电缆绝缘在线监测研究与运用较早的日本在超高压交联聚乙烯( 。p e ) 电缆绝缘在线监测上基本采用了上面所述的局部放电法，但是此法的实施就显得较 为困难一些，国外一般是大的电缆生产厂家和有相当技术背景的研究部门联合进行 研究和进行在线监测系统设备的研究和设计制造；国内由于理论基础研究、技术设 施等都落后于象日本这样电缆生产和应用的先进国家，尚未进行该方面的深入研究 和应用。 另外，近年来对于高压电气设备，国外常有使用光纤、红外等技术测量温度来 监测设备运行状态的实例。国内外也有通过监测运行电力电缆的表面温度等温度指 标来在线监测运行电缆故障点的研究【3 1 】、 3 2 l 、1 3 3 卜【3 5 。考虑到温度测量的可靠性、简 单性及准确性，实验研究也表明电力电缆的运行中这些温度指标与水树引发速率、 水树长度等主要绝缘指标有较好的相关性，所以通过温度指标来反映x l p e 电力电 缆连接头绝缘状态是一种切实可行的方法。这一选择也是因为国内现有技术设施、 实验设施等条件不够，研究和应用局部放电法存在很多实际困难。通过本文的研究， 也可以为以后继续和深入研究x l p e 电力电缆绝缘在线监测技术奠定基础，为今后 研究和应用更好的在线监测方法如局部放电法，做一些铺垫工作。而且x l p e 电力 电缆连接头的温度在线监测对x l p e 电缆连接头及电缆防火工作有着十分重要的价 值，可由以前的事后防火转变为事前防火，可在发生电缆连接头爆炸、起火前发现 隐患故障，其现实意义和经济价值都十分重要。 1 3 本文研究的主要内容 本文就交联聚乙烯电力电缆的在线监测进行了阐述，针对运行x l p e 电力电缆 的薄弱点电缆连接头，比较目前各种在线测量方法的优劣和国内的现实需求， 从中选择了通过测量温度来进行交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘在线监测。本文从 x l p e 电力电缆运行中的薄弱点一电缆连接头入手进行研究是因为交联聚乙烯电力 电缆故障多发生于连接头，而温度变化能较直观地表现出电缆连接头的运行状态， 一旦其绝缘发生故障，就能通过监测其温度变化及时发现隐患和故障。本文主要进 行的工作如下： 重庆人学工程硕士学位论文1 绪论 分析影响交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘的主要因素及相关的技术参数，阐 述其与运行中电缆连接头温度指标的相互关系。讨论监测电缆连接头温度的意义， 重点分析其内部导体与表面温度的关系，建立它们之间的数学模型并推导表面温度 与内部导体温度差的理想方程式，为实验建立理论基础。 在交联聚乙烯电缆连接头结构分析基础上，选择适合于实验用的温度传感 器，并设计相应的实验装置和实验方案，取得表面温度、内部导体温度实验室数据， 并将内外部温度差的理论计算值与实验数据进行比较，验证建立的表面温度与内部 导体温度间的数学模型的正确性。 叙述以温度反映x l p e 电缆连接头绝缘的在线监测系统的工作原理及实旋 方案。进行在线监测系统的整体硬件结构设计。寻找适合于现场在线监测用的温度 传感器，并对主要功能部分控制部分和传感器输出信号采集、调理电路部分进行 分析及具体设计。 构建以温度反映交联聚乙烯电缆连接头绝缘的在线监测系统的软件结构，对 模块初始化及硬件电路的控制进行程序设计，同时也对采集到的数据进行处理。完 成软件设计后，研究整个系统的抗干扰、误差去除和修正问题。 1 4 小结 本章首先论述了本课题研究交联聚乙烯电力电缆连接头绝缘在线监测的背景、 目的及意义，然后对其发展及研究现状及应用情况进行较为全面的综述，最后提出 了本文研究的主要内容。 重庆大学工程硕士学位论文 2x l p e 电力电缆连接头内外温度之问的关系数学模型 2x l p e 电力电缆连接头内外温度之间的关系数学模型 随着我国交联聚乙烯电力电缆敷设量的不断增加以及以前敷设的电缆老化引起 越来越多的绝缘故障而造成更多的经济损失，人们对交联聚己烯电力电缆绝缘故障 进行定位、老化机理及状态进行在线监测等问题越来越重视。在消化国外相关技术 的基础上，我国的专业人士开始进行一些交联聚乙烯电力电缆绝缘故障、绝缘老化 机理及在线监测技术的研究工作。文献1 3 6 提出了用常规的行波法进行电缆局部放 电故障定位；文献 3 7 1 结合生产实际总结了一些常用的电缆故障点定位方法：而文 献3 8 使用了脉冲法查找电缆故障点，文献 3 8 1 k 丕提出对称电缆断线故障定位分析方 法；文献 3 1 1 、【3 2 采用分布式光纤温度传感器进行电缆故障检测，此项技术已在日 本得到了较多的研究和应用；对于交联聚乙烯电力电缆绝缘在线盟测技术的研究中， 文献 3 9 - 4 4 1 对低频、超低频叠加法进行了大量的研究工作：文献 4 5 对交联聚乙 烯电缆绝缘的电树枝老化机理进行了实验研究。在此，本问提出了以温度反映交联 聚乙烯电缆连接头绝缘状态的在线监测方 去，并对此进行理沦分析和实验研究。 2 1 影响x l p e 电缆连接头绝缘的主要因素及其与温度的关系 在对温度法进行深入研究之前，必须了解和熟悉影响交联聚乙烯电缆连接头绝 缘状况的重要因素、指标吼及它们和温度的关系。交联聚乙烯电缆连接头绝缘老化、 劣化的重要因素、指标有：绝缘层中水树老化及生长：局部放电量的增大；多种原 因造成的绝缘电阻的减小；过电压引起绝缘中电树枝的出现、生跃，甚至向水树转 化；化学腐蚀等引起的化学树老化及生长。 在这里首先对其中主要的因素水树阐述如下。 21 1 水树老化机理及含水树电缆连接头绝缘特性 交联聚乙烯绝缘材料是由聚乙烯经过交联处理形成，克服了聚乙烯作为绝缘的 缺点；熔融温度低，允许j ：作温度仅7 5c ，在1 1 0 。c 左右开始熔化；热膨胀系数 较大，收缩性也较大，在制造过枰中很难避免气泡产牛，而气泡是高压绝缘材料的 人敌，很容易使绝缘被破坏；聚己烯内部内应力随着环境温度的变化会产生应力j l ： 裂现象；集乙烯抗电晕件能较差。交联泉乙烯材料具有较高的耐热一忖和耐老化性能， k 期允许工作温度达到9 0c ，耐化学腐蚀性能较之聚乙烯大大提高。由聚乙烯到交 联聚乙烯可以通过化学和辐射方法进行改陛生成。但是，在高分了绝缘利料的生产 过程中，材料中总存在大小不等的各种气泡、水粒、盐、杂质等缺陷，例如文献 4 6 埘交联浆乙烯电缆绝缘中的微孔进行了统计分析，如表2l 所示。 对交联聚乙烯电缆绝缘中的微孔进行了统计分析，如表2l 所示。 o 重庆大学工程硕士学位论文 2x l p e 电力电缆连接头内外温度之间的关系数学模犁 2x l p e 电力电缆连接头内外温度之间的关系数学模型 随着我国交联聚乙烯电力电缆敷设量的不断增加以及以前敷设的电缆老化引起 越来越多的绝缘故障而造成更多的经济损失，人们对交联聚乙烯电力电缆绝缘故障 进行定位、老化机理及状态进行在线监测等问题越来越重视。在消化国外相关技术 的基础上，我国的专业人士开始进行一些交联聚乙烯电力电缆绝缘故障、绝缘老化 机理及在线监测技术的研究工作。文献【3 6 提出了用常规的行波法进行电缆局部放 电故障定位；文献【3 7 结合生产实际总结了一些常用的电缆故障点定位方法；而文 献 3 8 使用了脉冲法查找电缆故障点，文献【3 8 】还提出对称电缆断线故障定位分析方 法；文献【3 1 、【3 2 采用分布式光纤温度传感器进行电缆故障检测，此项技术已在日 本得到了较多的研究和应用；对于交联聚乙烯电力电缆绝缘在线监测技术的研究中， 文献 3 9 1 4 4 对低频、超低频叠加法进行了大量的研究工作；文献 4 5 对交联聚乙 烯电缆绝缘的电树枝老化机理进行了实验研究。在此，本问提出了以温度反映交联 聚乙烯电缆连接头绝缘状态的在线监测方法，并对此进行理论分析和实验研究。 2 1 影响x l p e 电缆连接头绝缘的主要因素及其与温度的关系 在对温度法进行深入研究之前，必须了解和熟悉影响交联聚乙烯电缆连接头绝 缘状况的重要因素、指标以及它们和温度的关系。交联聚乙烯电缆连接头绝缘老化、 劣化的重要因素、指标有：绝缘层中水树老化及生长；局部放电量的增大；多种原 因造成的绝缘电阻的减小；过电压引起绝缘中电树枝的出现、生长，甚至向水树转 化；化学腐蚀等引起的化学树老化及生长。 在这里首先对其中主要的因素水树阐述如下。 2 1 1 水树老化机理及含水树电缆连接头绝缘特- 陛 交联聚乙烯绝缘材料是由聚乙烯经过交联处理形成，克服了聚乙烯作为绝缘的 缺点：熔融温度低，允许工作温度仅7 5 c ，在1 1 0c 左右开始熔化；热膨胀系数 较大，收缩性也较大，在制造过程中很难避免气泡产生，而气泡是高压绝缘材料的 大敌，很容易使绝缘被破坏；聚乙烯内部内应力随着环境温度的变化会产生应力丌 裂现象：聚乙烯抗电晕性能较差。交联聚乙烯材料具有较高的耐热性和耐老化性能， 长期允许工作温度达到9 0 “c ，耐化学腐蚀性能较之聚乙烯大大提高。由聚乙烯到交 联聚乙烯可以通过化学和辐射方法进行改性生成。但是，在高分子绝缘材料的生产 过程中，材料中总存在大小不等的各种气泡、水粒、盐、杂质等缺陷，例如文献 4 6 1 对交联聚乙烯电缆绝缘中的微孔进行了统计分析，如表21 所示。 o 重庆大学工程硕士学位论文 2x l p e 电力电缆连接头内外温度之间的关系数学模型 表2 1 交联聚乙烯电缆绝缘中的微孔统计数据 单位体积内微孔数量最大微孔尺寸微孔体积绝缘体积 生产方法 ( 个数m r n 3 )( u m ) ( ) 蒸汽交联 1 0 5 1 0 63 00 7 7 干式交联6 1 0 4 1 0 51 50 0 0 7 0 4 多层同时挤出 1 0 41 50 0 7 不进行硫化 1 0 5 1 5 0 0 0 5 正是这些不可克服的缺陷存在，再加之其他内、外部因素，在绝缘材料中有了 “水树”的产生和生长。 水树就是交联聚乙烯电缆及其连接头在绝缘层中因水的存在或者侵入，由于电 场的作用，使绝缘体内形成树枝状含水缺陷的现象。研究和实际运行发现，水树的 产生和生长是交联聚乙烯电缆绝缘老化、劣化最常见、最基本、最直接的因素。水 树枝是造成x l p e 电缆及其连接头在运行中被击穿的主要原因m 、 4 7 1 ，这一点已形 成共识。关于水树机理的研究已经并仍在进行大量的研究工作，目前已基本得到的 结果如下： 在水和电场同时存在的条件下会产生水树。 水树是由直径为微米级的水分子或水颗粒填满的空隙群所组成的。 即使在比较低的电场下也能发生水树。 绝缘中的杂质、半导体层的缺陷、空隙等高电场出现，常常是水树产生、引 发的起始点。 水树在直流电压作用下难于产生，但在交流电压作用下较易产生，高频电压 也能促进水树的产生。 在高温水中( 例如导体浸水) 水树较易发生，而且也容易延伸。 水树在形成过程中，由于放电而观察不到脉冲现象。 发生水树的部位，会产生机械变形。 基于上述初步结果，国外不少学者和专家提出了水树形成及发展的各种机理， 但至今还没有一个统一的理论。其中具有代表性的论点可以归纳为如下几点： 认为绝缘体中水树的引发和发展是麦克斯韦应力引起裂纹而造成的。 认为由于介质移动，使水进入绝缘体中，引起介质加热或焦耳加热造成水树 引发和发展。 认为由于电场作用，产生水凝集的热力学观点。 交联聚乙烯电缆连接头处由于电场没有本体均匀，更易使x l p e 老化，从而出 重庆大学：口鲫顶士学位论文 2x l p e 电力电缆连接头内外温度之间的关系数学模型 现水树。由于水树的出现，其绝缘特性也