状态检修_方瑞明故障诊断与分析6、电力电缆的试验、监测与诊断_图文

1、第六章电力电缆的试验、监测与诊断 方瑞明博士/教授Email:fangrm 6.1 电力电缆概述 按绝缘材料和结构的不同,电力电缆分为油浸纸绝缘电缆、挤包绝缘电缆和压力绝缘电缆三大类。本讲主要介绍应用较广的挤包绝缘电缆中的双联聚乙烯绝缘电力电缆。一、电力电缆的结构目前,在我国交流输电网络中的电缆大多采用图示的结构。从内到外主要分为线芯(1、绝缘层(2、3、4和护层(5、6. 一、电力电缆的结构 1、线芯电力电缆线芯的作用主要是传送电流,线芯的损耗主要由导体截面积和电导系数来决定。为了减少电力电缆线芯中的损耗和电压降,电缆线芯一般由具有高电导系数的金属材料铜或铝制成。电力电缆必须保证一定的柔韧性

2、和可弯曲度,因此,较大截面的电缆线芯要由多根较小直径的导线绞合而成。实际上,根据线芯的外形可分为圆形线芯、中空圆形线芯、扇形线芯、椭圆形线芯四类。由于圆形线芯的电气特性比较均匀,在35KV及以上电压等级的电力电缆中主要采用圆形线芯,其它形式的线芯在低压线路中也有一定的运用。 一、电力电缆的结构 2、绝缘层作为电力电缆的绝缘层材料,必须具有以下几个特性: 较高的击穿场强(脉冲、工频等;较低的介质损耗系数;相当高的绝缘电阻;优良的耐树枝放电、局部放电能力;一定的机械强度和柔韧性;电气及物理性能的长期稳定性等。目前在高压电缆的生产工艺上,一般采用三层(内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层共挤的生产方式。 一、

3、电力电缆的结构 3、护层为使电缆适应各种使用环境的要求,在电缆绝缘层外施加了覆盖层,统称为护层。电缆的护层主要作用是保护电缆绝缘层在敷设和运行过程中,免受机械损伤和各种环境因素的影响,如水、日光、生物、火灾等的破坏,以保持电缆长时间的电气稳定性。因此,电缆护层的运行状况直接关系到电缆的使用寿命。 一、电力电缆的结构 4、电缆终端电力电缆线路的两侧,只有将电缆端部的金属套剥开,才能将电缆导体与其他电气设备的导体连接。为了恢复绝缘层和护层,电缆端部必须经特殊工艺处理,形成一个连接装置-电缆终端。电缆终端的类特别多,一般均在现场制作和安装,手工工艺完成。 电缆终端是电缆线路的薄弱环节,大多数原因是手

4、工工艺不完善所致。5、电缆接头当电缆线路较长时,需要将两根电缆连接起来,即要使用电缆接头。应具有良好的导电性能和机械性能。 二、电力电缆的老化分析 如下图所示,在电场、热、机械力、环境等因素的作用下,逐步以电树枝、水树枝和化学树枝等形态表现出来。 图:树枝形态与影响因素 二、电力电缆的老化分析 1、电气劣化局部范围出现强电场,导致电晕放电,发展树枝状放电,可通过监测电缆局部放电。2、水树枝劣化有机材料的长期吸水形成水树枝劣化,研究表明介质损耗的大小随水树技老化的程度而增加,在0.150Hz 之间的损耗因数与水树技老化程度有很好的相关性。可通过检测介质损耗角正切或直流泄漏电流3、化学性劣化经长期

5、渗透,土壤中的化学溶液在电缆绝缘内部形成灌木状树枝,称为化学树枝,可导致溶解,龟裂现象测量介质损耗角正切和直流泄漏电流二、电力电缆的老化分析 三、电力电缆故障率统计 长期积累的电力电缆试验研究结果证实:电力电缆护层、电力电缆附件是电缆线路中绝缘结构相对薄弱、容易发生运行故障的部分。其次,电力电缆在制造、敷设施工、运行维护过程中,不可避免地会出现产品质量、过负荷运行以及外力破环等问题,也是导致电缆线路中电缆本体发生运行故障的直接原因。三、电力电缆故障率统计 三、电力电缆故障率统计 统计结果表明:10KV220KV电力电缆的平均运行故障率由1999年的11.5次/(百km.年,逐年下降至2003年

6、度的5.6次/(百km.年。三、电力电缆故障率统计 造成电缆线路故障率较高的原因主要有:二十世纪七十年代至八十年代投入运行的XLPE绝缘电力电缆产品均采用1+2挤出的生产设备和湿法蒸汽交联工艺,有近40,000km质量不稳定的电力电缆产品投入输配电网运行,且基本进入高故障率时期。由于电力电缆线路一次性投资较大,电缆线路也就成为输配电网络的瓶颈,特别是用电高峰季节,大约有72%的电缆线路长期处于过负荷运行状态且不能够及时进行维护。 三、电力电缆故障率统计 造成电缆线路故障率较高的原因(续:由于受到经济条件限制,部分区域或企业将过去投运的6KV油纸绝缘电力电缆升压至10KV电压系统中运行,造成电缆

7、线路运行事故明显增加。在我国城市规划工作中,自来水、煤气、通讯、市政、路桥、房地产、电力以及环卫、绿化等基础建设工程缺乏系统管理,造成电力电缆线路外力破坏故障大幅上升。加之从业人员素质参差不起,电力电缆线路敷设安装质量和运行维护得不到保证。四、电力电缆故障成因分析 四、电力电缆故障成因分析 五、电缆故障分类 五、电缆故障分类 1、开路故障若电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值,但工作电压不能传输到终端;或虽终端有电压,但负载能力较差。如下图,在A相A点存在电阻Rk,当Rk=,即为断线故障,此为开路故障的特例。 五、电缆故障分类 2、低阻故障电缆相间或相对地绝缘受损,其绝缘电阻小到能用低压

8、脉冲法测量的一类故障。如图,当B相B点对地电阻Rg=0时,为短路故障,此为低阻故障特例。3、高阻故障电缆相间或相对地绝缘损坏,其绝缘电阻较大,不能用低压脉冲法测量的一类故障。它是相对于低阻故障而言的,包括泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障二种类型。 6.2 XLPE电缆试验 一、测量绝缘电阻1、电缆主绝缘绝缘电阻测量额定电压0.6/1kV电缆用1000V兆欧表,0.6/1kV以上电缆用2500V兆欧表,其中6kV/10kV的电缆也可用5000V兆欧表;对重要电缆,其试验周期为1年;对一般电缆, 3.6/6kV及以上者为3年,以下者为5年,要求值自行规定。 6.2 XLPE电缆试验 2、测量电缆外护

9、套绝缘电阻仅适用于三芯电缆。对单芯电缆,由于其金属层(电缆金属套和金属屏蔽的总称采用交叉互连接地方法,应按交叉互联系统试验方法进行试验。对三芯电缆外护套进行测试时,采用500V兆欧表,每km绝缘电阻值不低于0.5M时,应判断外护套是否进水。对重要电缆,其试验周期为1年;对一般电缆,3.6/6kV及以上者为3年,以下者为5年,要求值自行规定。 6.2 XLPE电缆试验 判断外护套是否进水方法:当外护套或内衬层破损进水后,用兆欧表测量时,每km绝缘电阻值不低于0.5M时用万用表的“正”、“负”表笔轮换测量铠装层对地或铠装层对铜屏蔽的绝缘电阻,此时在测量回路中由于形成的原电池与外用表干电池串联,当极

10、性组合使电压相加时,测得的电阻值较小;反之,测得的电阻值较大。因此上述两次测得的绝缘电阻值相差较大时,表明电缆内部已形成原电池,就可判断外护套和内衬层已破损进水。外护套破损不一定要立即检修,但内衬层破损进水后,水分直接与电缆芯接触并可能腐蚀铜屏蔽层,一般应尽快检修。 6.2 XLPE电缆试验 3、测量电缆内衬层绝缘电阻测量方法、周期、要求值同2. 6.2 XLPE电缆试验 二、测量铜屏蔽层电阻和导体电阻比在电缆投运前、重做终端或接头后、内衬层破损进水后,应测量铜屏蔽层电阻和导体电阻比。其测量方法是:1、用双臂电桥测量在相同温度下的铜屏蔽盒导体的直流电阻;2、但前者与后者之比与投运前相比增加时,

11、表明铜屏蔽层的直流电阻增大、铜屏蔽层有可能被腐蚀;当该被比值与投运前相比减小时,表明附件中的导体连接点的接触电阻有增大的可能。 三、电缆主绝缘直流耐压试验 以下情况才对XLPE电缆进行直流耐压试验: 新做电缆终端或接头后XLPE电缆直流耐压电压规定见右表。南网规定:仅怀疑外护套绝缘有故障时进行外护套直流耐压试验。 三、电缆主绝缘直流耐压试验 直流耐压试验应分别在每相进行,对一相进行试验或测量时,其他两相导体、金属屏蔽或金属套和铠装层一起接地;对试验结果的要求是:1在试验电压作用下,5min不击穿;2耐压5min时的泄漏电流不应大于耐压1min时的泄漏电流。 三、电缆主绝缘直流耐压试验 在日本,

12、直流泄漏电流法被认为目前是适合现场使用的精密诊断方法。直流耐压试验时,应在电压升至规定值后1min及达到规定时间时,测量电缆的泄漏电流Ig,接法如下。微安表接在高压侧可避免电缆表面泄漏及高压导线对地电晕对电缆Ig的影响,但操作不便;微安表接在低压侧时操作方便,也可避免电缆表面泄漏对Ig的影响,但应避免高压导线对地电晕,以免对电力影响Ig的测量 三、电缆主绝缘直流耐压试验 2、泄漏电流泄漏电流的数值和不平衡系数(三相Ig最大值与最小值之比可作为判断绝缘状况的参考。发现泄漏电流与上次试验值相比有较大变化时,应查明原因。可根据Ig随时间变化的特性曲线判断绝缘状况,当Ig随加压时间的增加急剧上升时,可

13、判断电缆有异常。三、电缆主绝缘直流耐压试验 三、电缆主绝缘直流耐压试验 应当指出,根据目前的研究,普遍认为XLPE电缆不宜采用直流高电压进行耐压试验。其主要原因如下:(1交联聚乙烯电缆绝缘在交、直流电压下的电场分布不同。交联聚乙烯电缆绝缘层是采用聚乙烯经化学交联而成,属整体型绝缘结构。其介电常数为2.12.3,且一般不受温度变化的影响。在交流电压下,交联聚乙烯电缆绝缘层内的电场分布是由介电常数决定的,即电场强度是按介电常数而反比例分配的。这种分布是比较稳定的。在直流电压作用下,其绝缘层中的电场强度是按绝缘电阻系数而正比例分配的。然而,绝缘电阻系数分布是不均匀的。这是因为在交联聚乙烯电缆交联过程

14、中不可避免地溶入一定量的副产品,如甲烷、乙酞苯、聚乙醇等,它们具有相对小的绝缘电阻系数,且在绝缘层径向的布是不均的,所以,在直流电压下,交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场分布不同于理想的圆柱体绝缘结构,而与材料的不均匀性有关。另外,绝缘层的绝缘电阻系数受温度和场强的影响较油纸绝缘要大得多,由于在绝缘层中交、直流电压的电场分布不同,导致击穿不一致性。三、电缆主绝缘直流耐压试验 应当指出,根据目前的研究,普遍认为XLPE 电缆不宜采用直流高电压进行耐压试验。其主要原因如下:(2 直流高电压试验不仅不能有效地发现交联聚乙烯电缆绝缘中的水树枝等绝缘缺陷,而且由于空间电荷的作用,还容易造成高电压电缆在交流情况

15、下某些不会发生问题的地方,在进行直流高电压试验后,投运不久即发生击穿。例如,国际大电网会议(CIGRE 21-09工作组向欧美十几个国家调查,在15份答复中有5份报告了直流耐压后不久即发生运行事故的情况。我国也有类似的报导,例如,某供电局110kV 交联聚乙烯电缆通过直流耐层试验后,投入电网运行时却发生击穿。此外电缆的某些部分,例如电缆头在交流情况下存在的某些缺陷,在直流高电压耐压试验时却不会击穿;而在交流情况下某些不会发生问题的地方,在直流高电压试验时却会击穿。(3在现场进行直流高压试验时.发生闪络或击穿可能会对其他正常的电缆和接头的造成危害。(4 直流高电压试验有积累效应,它将加速绝缘老化

16、.缩短使用寿命。(5 各国现有的直流耐压试验标准太低,直流试验电压绝大多数在4.0U 0以下。有严重的气隙或缺陷的接头的直流强度远大于规定的4U 0三、电缆主绝缘直流耐压试验 50Hz 交流耐压试验:变压器容量较大解决方法(探索中:0.1Hz超低频试验1试验电压:50Hz交流耐压试验的1.51.8倍2试验容量:由试验电压和XLPE电流的电容量确定;3试验电压波形:推荐余弦方波。 四、交叉互联系统试验 交叉互联系统式为例减小单芯电缆损耗达到节能目的而采取的一项措施。其试验项目规定如下:1.电缆外护套、绝缘接头外护套与绝缘夹板的直流耐压试验时,首先将护层过电压保护器断开。在互联箱中将另一侧的三段电

17、缆金属都接地,使绝缘接头的绝缘夹板也能结合在一起试验,然后在每段电缆金属屏蔽或金属套与地之间施加5kV直流电压,加压时间为1min,若不击穿则为符合要求。2.非线性电阻型护层过电压保护器试验(1碳化硅电阻片。首先将连接线拆开,然后分别对三组电阻片施加产品标准规定的直流试验电压,并测量流过电阻片的电流值。这三组电阻片的直流电流值应在产品规定的最小和最大值之间。若试验时的温度不是200C,则被测电流值应乘以修正系数(120-t/100,其中t为电阻片的温度(。(2氧化锌电阻片。对电阻片施加直流参考电流后测量其压降,即为直流参考电压,其值应在产品标准规定的范围内。(3非线性电阻片及其引线的对地绝缘电

18、阻。将非线性电阻片的全部引线并联在一起与接地的外壳绝缘后,用1000V兆欧表测量引线与外壳之间的绝缘电阻,其值不应小于10M 四、交叉互联系统试验 交叉互联系统式为例减小单芯电缆损耗达到节能目的而采取的一项措施。其试验项目规定如下:3.互联箱试验(1接触电阻。本试验在做完护层过电压保护器的上述试验后进行。将闸刀开关或连接片恢复到正常工作位置后,用双臂电桥测量闸刀开关(或连接片的接触电阻,其值不应大于20。(2闸刀开关(或连接片连接位置。本试验在以上交叉互联系统的试验合格后密封互联箱之前进行。连接位置应正确。如发现连接错误而重新连接后,则必须重测闸刀开关(或连接片的接触电阻。交叉互联系统除进行上

19、述定期试验外,如在交叉互联大段内发生故障,则应对该大段进行试验。如交叉互联系统内直接接地的接头发生故障时,则与该接头连接的相邻两个大段都应该进行试验。 五、电缆变频交流耐压试验 国标GB50150-2006 电气装置安装工程电气设备交接试验标准规定,橡塑电缆优先采用20300Hz交流耐压试验。 五、电缆变频交流耐压试验 试验设备串联电抗器:耐压应高于试验电压Ux(kV; 电感量近似等于I/(2Cx,额定电流近似等于UC量。试验变压器:额定电流In。大于试品所需电流Ix(估算公式Ix= UC;容量和高压侧额定电压Un。可用下式估算:调压器:容量与试验变压器匹配。 五、电缆变频交流耐压试验 其他通

20、用设备限流电阻:通常取0.2一1 / V。对于谐振回路可不使用限流电阻。 过电压保护球隙:按高压电气设备绝缘试验电压和试验方法规定选择球隙和球径。球隙保护电阻:通常取1/V。也可近似计算值为:a允许波头的陡度,取a= 5 kV/sd交流电压测量设备:根据试验电压选择合适变比的分压器(或电压互感器和合适量程的电压表(如果采用谐振方法可使用普通电压表,要求整体测量精度1.5级以上。2级毫安表1块,量程大于Ix 。 五、电缆变频交流耐压试验 根据相关规程或制造厂家的规定值确定试验电压,并根据试验电压和所试电缆的电容及长度选择合适电压等级的电源设备、测量仪表和保护电阻。如试验电压较高,则推荐采用串联谐

21、振以降低试验电源的容量,试验前应根据相关数据计算电抗器、变压器的参数,以保证谐振回路能够匹配谐振以达到所需的试验电压和电流。试验前先进行主绝缘电阻和交叉互联、外护套的试验,各项试验合格后再进行本项试验。 五、电缆变频交流耐压试验 试验步骤检查试验电源、调压器和试验变压器正常。按接线图准备试验,保证所有试验设备、仪表仪器接线正确、指示正确。一切设备仪表接好后,在空载条件下调整保护间隙,其放电电压为试验电压的110%120%范围内(如采用串联谐振,需要另外的变压器调整保护间隙。并调整试验电压在高于试验电压5%下维持2min后将电压降至零,拉开电源。经过限流电阻R在高压侧短路,调整过流保护跳闸的可靠

22、性。电压和电流保护调试检查无误,各种仪表接线正确后,即可将高压引线接到被试绕组上进行试验。升压必须从零开始,升压速度在40%试验电压以内可不受限制,其后应均匀升压,速度约每秒3%的试验电压。升至试验电压后维持规程所规定时间。将电压降至零,拉开电源,该试验结束。 五、电缆变频交流耐压试验 试验接线 五、电缆变频交流耐压试验 试验结果判断依据如果试验中未发生击穿放电现象,则认为试验通过。注意事项试验前应明确耐压值按制造厂的规定还是按规程规定。电缆交流耐压时间较长,试验期间应注意试验电流的变化,试验前后应测量主绝缘的绝缘电阻。 XLPE是非极性材料,极化松弛时间短,但若电缆出现水树枝,含水树部分的松

23、弛时间增长。可对电缆施加直流电压,然后将线芯对地放电,一定时间后测量反向吸收电流,对电流积分得到吸收电荷,根据吸收电荷量的大小可判断绝缘状况。 六、反向吸收电流法随着吸收电荷的增加,交流击穿电压下降 试验线路如右图,直流电源电压可选为1000V,测量过程:S1接至e,S2闭合,对电缆施加电压10min;S1接至g,让电缆放电3min;打开S2,由测量装置A测量反向吸收电流,吸收电荷的定义是030min时间段内的积分值。 六、反向吸收电流法七、红外测温(南网推荐 利用红外测温仪测量,对电缆终端接头和非直埋式中间接头进行;500kV,1年2次;220kV及以下,1年1次 判据:参照DL/T 664-1999(带电设备红外诊断技术应用导则执行。6.3 电力电缆绝缘电阻的在线监测 在电缆的正常工频运行电压上,叠加低数值直流电压或极低频率电压来测量绝缘电阻,既可以可靠地判断绝缘,也避免了直流高电压对电缆绝缘的影响。XLPE电缆绝缘电阻有三种在线监测方法:直流叠加法、电桥法和低频叠加法。 1 、概述导电芯发生水树时,类似于尖-板电极具有整流作用。在运行电压作用下,输电线、电缆线芯、XLPE 电缆、电缆接地线