高压电力设备在线监测技术电力电缆在线监测与诊断课件

1、高压电力设备在线监测技术电力电缆在线监测与诊断高压电力设备在线监测技术电力电缆在线监测与诊断本章内容概述电缆绝缘的劣化和诊断内容电缆绝缘的在线监测电缆的故障定位方法2本章内容概述25.1 概述3 什么是电力电缆？架空线电力电缆电力传输通道35.1 概述3 什么是电力电缆？架空线电力传输 为什么使用电缆？输电通道小不受环境污染影响可靠性高对人身及周围环境干扰小特殊应用环境使用电缆的优点4 为什么使用电缆？输电通道小使用电缆的优点4制造工艺复杂造价高施工维修麻烦使用电缆的缺点5制造工艺复杂使用电缆的缺点5电力电缆发展简史6电力电缆发展简史6电力电缆的使用至今已有百余年 。1879年 爱迪生首次使用

2、电缆实现地下输电。1911年 德国敷设60kV高压电缆。1913年 霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆。1981年 研制成1000kV的特高压电力电缆。7电力电缆的使用至今已有百余年 。7XLPE电缆结构简单无敷设落差限制安装维护方便1952年：发明XLPE材料1957年：GE制成XLPE电缆50年代末：第一代工艺 | 湿法交联70年代末：第二代工艺 | 干式交联80年代中后期：第三代工艺 | 净化材料,自动控制8XLPE电缆结构简单8电缆的种类油纸绝缘电缆气体绝缘电缆塑料绝缘电缆9电缆的种类油纸绝缘电缆9聚氯乙烯电缆聚乙烯电缆XLPE（交联聚乙烯电缆）塑料绝缘电缆铜量/1000t501001506

3、670747882861231. 电力电缆合计2. XLPE电缆3. 油纸电缆10聚氯乙烯电缆塑料绝缘电缆铜量/1000t5010015066交联聚乙烯电缆 XLPE， cross linked polyethylene 30余年 性能优良、工艺简单、安装方便 得到广泛应用11交联聚乙烯电缆 XLPE， cross linked XLIE电缆的基本结构12XLIE电缆的基本结构12交联聚乙烯绝缘电缆结构示意图1、导体 2、导体屏蔽 3、交联聚乙烯绝缘 4、绝缘屏蔽 5、金属屏蔽 6、填充 7、内衬层 8、铠装层 9、外护套13交联聚乙烯绝缘电缆结构示意图1、导体 2、导体屏蔽 3、导电线芯：高

4、导电率材料，绞线承圆形或扇形截面。绝缘层：高电阻率材料，tg、 低而电气强度Eb高的油浸纸、橡皮或塑料。密封护套：保护绝缘线芯免受机械、水分、化学等的损伤，有时外部还有保护覆盖层。半导体层的作用：均匀电场，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。 14导电线芯：高导电率材料，绞线承圆形或扇形截面。141515电缆敷设情况电压等级 / kV电缆总长度 / kmXLPE电缆所占比例 / %1073,66498.23511,56995.3110 (66)05,30390.7220 (330)00,52857.950000,05642.716电缆敷设情况电压等级 / kV电缆总长度

5、/ kmXLPE电电缆故障率按电压等级17电缆故障率按电压等级17电缆故障率按运行时间18电缆故障率按运行时间18编号电缆故障原因比例A外力破坏58%B附件制造质量缺陷27%C敷设施工质量缺陷12%D电缆本体质量缺陷3%电缆故障原因5.2 电缆绝缘的劣化和诊断内容19编号电缆故障原因比例A外力破坏58%B附件制造质量缺陷27%水树枝劣化的监测方法：Detection of bridged water tree On-line diagnostic methods Detection of un-bridged water tree Off-line diagnostic methods交联聚乙

6、烯电缆的寿命额定电压电压寿命极限劣化条件3-6kVrmsRated highest voltage +a few years after bridged water tree initiation11kVrmsAfter bridged water tree initiation(1 year or more ?) more than 22kVrmsImmediately after or before bridged water tree initiationBDV of cable with bridged WT电压寿命极限Bridged water treeUn-bridged wate

7、r treeBDV; 10-20kVElectrical treeInsulation layerInsulation layer20水树枝劣化的监测方法：交联聚乙烯电缆的寿命额定电压寿命极限劣根据现场运行经验，水树枝劣化特性如下：（l）仅发生在6kV以上的高压交联聚乙烯电缆中。（2）从投运到破坏的时间需要数年至十几年，大多数在10年以上。（3）贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正常工作电压以上的电压值，只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏。（4）环境温度高时，劣化进程加快。 因此对电力电缆绝缘本体进行故障监测是可行的，也是必要的。21根据现场运行经验，水树枝劣化特性如下： 因此对电5

8、.3 电缆绝缘的在线监测 离线方法 直流法 工频法 低频法 综合判断法电力电缆监测和诊断方法225.3 电缆绝缘的在线监测 离线方法 直流法对已运行油纸电力电缆的试验项目 23对已运行油纸电力电缆的试验项目 23XLPE预试时不宜用直流耐压运行后常有（电、水）树枝生成直流耐压时沿树枝有电荷注入XLPE电阻率极高，短路时电荷放不完再加交流时电场畸变，更易击穿24XLPE预试时不宜用直流耐压运行后常有（电、水）树枝生成24XLPE几种停电预试方案用超低频测tan及耐压用交流（串联谐振）测tan及耐压用振荡波试验耐压测回复电压测极化去极化电流测损耗电流中的谐波分量25XLPE几种停电预试方案用超低频

9、测tan及耐压25回复电压的测量方法26回复电压的测量方法26回复电压实例27回复电压实例27Tettex 546228Tettex 546228极化去极化电流测量原理29极化去极化电流测量原理29极化去极化电流典型曲线30极化去极化电流典型曲线30PDC-ANALYSER-1MOD 31PDC-ANALYSER-1MOD 31绝缘连接盒两侧接成差分法以测量局放 32绝缘连接盒两侧接成差分法以测量局放 32一种电缆检测系统33一种电缆检测系统33水树枝检测方法对象测量条件方法实用情况针对形成桥的水树枝离线直流泄漏电流法DC leakage current under DC high volta

10、ge application is measured.实际采用在线直流成分法DC component current in service is measured.直流叠加法DC component current when low DC voltage is superimposed on rated voltage is measured. 交流叠加法1Hz current when low voltage of 2f+1 Hz is superimposed on rated voltage (f) is measured.低频叠加法7.5Hz loss current when low

11、 7.5Hz voltage is superimposed on rated voltage is measured. 针对未形成桥的水树枝离线残余电荷法Residual charge after DC voltage application is measured.研究中损耗电流法Harmonic component current in loss current is measured.试用中DC leakage AC superposition LF superposition DC superposition DC component针对形成桥路的水树枝探测效果:34水树枝检测方法对

12、象测量条件方法实用情况针对形成桥的水树枝离线直流泄漏电流试验线路cableguard electrodeterminalDC power supply(buttery)recorder判断标准状态良好损坏或值得注意泄漏电流值0.1A0.1-1A1A电流波形-NormalPI (= I1 / I10) 1Existence of kick -35直流泄漏电流试验线路cableguard electrode直流泄漏电流 (A)Un-bridged water treeBridged water treeApplied stress ; 1kV/mm1Accumulation probability

13、 (%)10205090One bridged water tree can pass the DC leakage current of about 0.1 A.Un-bridged water trees can hardly pass the DC leakage current.直流泄漏电流36直流泄漏电流 (A)Un-bridged water trOn-line degradation diagnosis of a XLPE cableAged degradation of equipmentAC applied voltage (kV)(Measurement data need

14、s to be trend managed.50年代末：第一代工艺 | 湿法交联XLPE电缆所占比例 / %DC leakage current is highly sensitivity.Measuring time; 20 min.native soil运行后常有（电、水）树枝生成工频法 局部放电法Diagnostic result is displayed on PC for a short time.Test circuitMeasuring equipmentsResidual Charge MethodApplication in steps of AC voltage （） Tr

15、apped charge is released from water tree region.Data StoragePDC-ANALYSER-1MOD直流法 直流成分电流监测 直流叠加法 直流电桥法37On-line degradation diagnosis 直流成分法机理 电缆中存在水树时，类似尖板电极具有整流作用。因此在工作电压下，电缆绝缘中将流过微小的直流电流。根据这一电流的数值，既可判断电缆中水树的发展状况。直流成分电流监测38直流成分法机理 电缆中存在水树时，类似尖板电极具 TR 配电变压器 GPT 接地保护用 电压互感器 M 直流微电流 检测装置 (nA级)回路中流通微弱的直

16、流成分电流直流成分电流监测原理接线直流成分电流监测39 TR 配电变压器 GPT 接地保护用 微电流测量装置 微电流测量仪 低通滤波器 衰减交流成分、检出直流成分 接地保护装置 保证试验人员和装置的安全直流成分电流监测40 微电流测量装置 微电流测量仪 低通滤波器直流成分电流监测6 kV XLPE电缆交流击穿电压与直流分量的关系41直流成分电流监测6 kV XLPE电缆交流击穿电压与41判断规则 直流成分电流 小于1 nA 绝缘良好 大于100 nA 绝缘不良 介于两者间 加强监测直流成分电流监测42判断规则 直流成分电流 小护层与地之间有化学电势Es直流成分电流监测43护层与地之间有化学电势

17、Es直流成分电流监测43 护层与电缆绝缘护层的绝缘电阻下降 M中将流过杂散电流 通常Es不超过 0.5 V 当护层绝缘电阻小于200500 M 杂散电流将影响诊断的可靠性44 护层与电缆绝缘护层的绝缘电阻下降 直流法 直流叠加法 借助电抗器将直流电压在线叠加于电缆绝缘测量直流叠加电流。45直流法 直流叠加法 借助电抗器将直流电压在线 防止影响GPT二次输出电压 直流电压不能很高，约1050 V 直流电压不高 电缆绝缘处于交流高压作用下 真实反映绝缘的实际状况直流叠加法46 防止影响GPT二次输出电压 直流电 6 kV XLPE电缆 直流叠加电流 与 水树长度 的关系直流叠加法47 6 kV X

18、LPE电缆 直流叠加电流 保证安全 L、C 调谐于50 Hz 杂散电流Es的影响 正、反向 叠加直流 电压消除直流叠加法48 保证安全 L、C 调谐于50判断规则 测得绝缘电阻 大于1000 M 绝缘良好 小于10 M 绝缘不良 介于两者间 加强监测试验证明：用直流叠加法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。直流叠加法49判断规则 测得绝缘电阻 大于1000 MTest circuit直流重畳法絶縁抵抗（M）直流漏電流法絶縁抵抗（M） DC power supplyMeasuring equipmentcableDC 5 - 50V is superimposed on the

19、high voltage in service.DC component in leakage current is measured.Resistance measured by DC superposition method (M)Resistance measured by DC leakage current (M)Relationship between DC superposition method and DC leakage current.DC Superposition MethodDC leakage current is highly sensitivity.50Tes

20、t circuit直流重畳法絶縁抵抗（M）直流時間絶縁抵抗（M）時間絶縁抵抗（M）Resistance (M)Resistance (M)TimeTimeTime change of DC superposition currentProblemThis method tends to be influenced by the stray current or corruption of the terminal. Measured value will change with measurement time or humidity very much. The trend manageme

21、nt by on-line diagnosis is required.DC Superposition Method51時間絶縁抵抗（M）時間絶縁抵抗（M）Resistance直流法 直流电桥法 测量电缆绝缘电阻的电桥接线52直流法 直流电桥法 测量电缆绝缘电阻 电桥平衡 Rx = (E1-V4) R2 / V4 设E1为20 V， V4为1 mV，R2为50 M Rx最大可测到100 000 M 防止直流电压对GPT的有害影响直流电桥法53 电桥平衡 Rx = (E1-V4) R Es影响的消除 调节R4及E0 V0指示为零 其他设备的绝缘电阻与R3并联 R3之值并不参与计算 其他设备的绝

22、缘电阻不影响测量结果直流电桥法54 Es影响的消除 调节R4及E0 加于电缆的电压信号(通过电压互感器取出) 流过绝缘的电流信号(通过电流互感器取出) 通过数字化测量装置 电缆绝缘的tg工频法 介损因数法55 加于电缆的电压信号(通过电压互感器取出) 流什么是介质损耗角 ( tan d) ? time/sec010电压电流 = 介质损耗角 tan = 有功功率 无功功率56什么是介质损耗角 ( tan d) ? time/sec 受潮对tan的影响57 受温度对tan的影响58温度对tan的影响58 6 kV XLPE电缆交流击穿电压与在线测得 tg 间的关系59 6 kV XLPE电缆交流击

23、穿电压与在线测得 tg 统计分析表明 tg大于1% 绝缘不良60 统计分析表明 tg大于1% 如果满足以下条件，电缆状态正常 :tan d (2 U0) andtan d (2 Uo) - tan d (Uo) 如果发生以下情况，则电缆处于故障状态 (须立即更换） : tan d (2 Uo) ortan d (2 Uo) - tan d (Uo) 对于 XLPE 电缆这一标准是非常重要的。XLPE的 tan d标准61 如果满足以下条件，电缆状态正常 :tan d (2 工频法 局部放电法 试验分析证明 绝缘中的电树枝达到0.5 mm时 局部放电量约100 pC 由-q、-n、q-n、或-q

24、-n谱图 判断电缆状态 放电相位，q 放电量，n 重复率62工频法 局部放电法 试验分析证明 绝缘中的电 偏斜度s 在4个象限中 的分布 预测树枝的 延伸发展情况 P点进入第3象限 绝缘进入危险状态63 偏斜度s 在4个象限中 的分布 水树 流经电缆绝缘 的电流也含有 低频成分 根据频谱分析 频率在10 Hz , 特别在3 Hz以下.低频法 低频成分法64 水树 流经电缆绝缘 的电流也含有 在电缆接地线中串接入测量装置 由测得的低频电流诊断绝缘 低频电流也是纳安级 对测量装置要求较高65 在电缆接地线中串接入测量装置 由测得的低频法 低频叠加法 避免直流微电流测量上的困难 将7.5 Hz、20

25、 V的低频电压 在线叠加于电缆 在电缆接地线中串接入测量装置 绝缘电阻值66低频法 低频叠加法 避免直流微电流测量上的困难 低频叠加法6 kV电缆绝缘电阻与工频击穿电压的关系67 低频叠加法6 kV电缆绝缘电阻与工频击穿电压的关系67判断规则 绝缘电阻大于1 000 M 性能良好 绝缘电阻小于1 000 M 性能下降 绝缘电阻小于400 M 电缆应立即更换68判断规则 绝缘电阻大于1 000 M 综合判断法 绝缘状态与特性参数间的统计分散性 仅用一种方法诊断绝缘 漏判和错判的可能 采用几种方法，互相配合进行复合诊断 可提高诊断的正确性 采用包含直流叠加法、tg法和局部放电法的复合诊断 诊断的准

26、确率高达95%以上69综合判断法 绝缘状态与特性参数间的统计分散性 电缆故障的演变 早期电缆本体故障为主 近期电缆负荷过载性故障较多 目前电缆附件故障已成为重要故障原因。电缆终端或中间接头出现放电点电缆终端或中间接头出现过热点电缆外护层绝缘不良导致的环流故障70电缆故障的演变 早期电缆本体故障为主 近期电对电缆在线监测技术的要求 实时报警 故障精确定位 综合监测（温度、烟雾、放电等）71对电缆在线监测技术的要求 实时报警 故障精确Among on-line diagnostic methods, the detection sensitivity to bridged water tree i

27、s high.This method is strong in a noise.High voltage work is unnecessary.AC Superposition MethodNoDC leakage current (A)AC superposition method (nA)adjust5kV10kV16kV10.010.020.0014.48X20.020.74-6.34X30.000.000.008.37OK40.403.10-17.79OK50.0210.5-76.72OK60.010.030.002.84OK70.000.020.006.43OK80.010.030

28、.0021.30X90.010.190.2156.80OK100.102.80-34.13OK110.000.060.0727.79X120.3010.50.2517.62Ok130.000.000.003.03OK140.000.000.004.17OK150.000.000.0032.54X160.000.000.007.78OK170.000.000.002.71OK180.000.000.003.06OK190.000.000.001.19OK200.000.000.003.88OK21-0. 8514.57OKOn-site measurement resultsMeasuring

29、equipmentsMeasuring time; 20 min.Weight; 40kgPower supply; 50/60Hz 100V72Among on-line diagnostic methLoss Current MethodHVCurrent which flows on a cable(Loss current)(Capacity current)Test circuitOnly the waveform for loss current is observed by comparing a current phase with a voltage phase. The p

30、eak value I3 and phase difference angle 3 to the basic wave of the 3rd harmonics current wave are used as an index of a degradation judging.73Loss Current MethodHVCurrent wThe ac loss current wave is distorted by water tree. (The occurrence of harmonics)Harmonic current changes according to the grow

31、th of water tree. (I3 : small large, 3 : 0) The level of water tree deterioration is judged by harmonic. Short WT3 ： small3 ： LargeBDV : HighLong WT3 ： Large3 ： SmallBDV : LowLoss Current MethodNon degradationRelationship between water tree degradation and loss current waveform74The ac loss current

32、wave is dLoss Current MethodResult of diagnosis using removed cablesResult of diagnosisGoodDefectThe degree of degradation(Breakdown voltage)Small(100kV)46 samples(Correct)4 samples(Failure)Large(100kV)0 samples(Failure)3 samples (correct)Rate of correct answers : 92%The poor cable is not judged to

33、be good. (The breakdown in service after diagnosis is avoidable.) 75Loss Current MethodResult of dcableDC power supplyRAC power supplyLPFOutputSignalcableDC power supplyRAC power supplyLPFOutputSignalCableDC power supplyRAC power supplyLPFOutputSignalResidual Charge MethodTest circuitResidual charge

34、 signal1.Application of DC pre-stress voltage （） Charge is accumulated in the insulation layer including water tree.2.Short-circuiting (Earth) （） Accumulated charge in the insulation layer is discharged, but trapped charge in water tree region is not released. ( The existence of residual charge) 3.A

35、pplication in steps of AC voltage （） Trapped charge is released from water tree region. DC component current by residual charge is measured. (DC component current)DC currentProcedure of measurement76cableDC power supplyRAC power The highest voltage value that residual charge is detected is used as t

36、he index to estimate the degree of water tree deterioration.Residual Charge MethodProcedure of voltage applicationRelease of residual chargeTrapped charge in long water tree (heavy deteriorated water tree region) requires a higher voltage application to be released.77The highest voltage value thaRes

37、idual Charge MethodSampleSampleMeasurement resultsof residual chargeRelationship between Er and EBDMax. released stress of residual charge, Er (kV/mm)AC breakdown stress, EBD (kV/mm) AC applied voltage (kV) AC applied voltage (kV)Residual charge (nC)Residual charge (nC) EBD decreases along with the

38、increases in Er.78Residual Charge MethodSampleSResidual Charge MethodSchematic diagramOn-site examinationDiagnosis is automatically performed by PC.Diagnostic result is displayed on PC for a short time.Total weight ; 4 ton or lessPower source ; 200V/100V, 10kVA or less 79Residual Charge MethodSchema

39、tiComparison of On-line Diagnosis and Off-line DiagnosisDiagnosis technologyDetection purposeFeatureOn-lineAbnormalities of equipmentInformation for the scram of equipmentTrend management is possible.It is easy to be influenced of a noise.Initial cost : more expensive Running cost : cheaperAged degr

40、adation of equipmentInformation for planned replacementInitial cost : cheaper Running cost : more expensiveOff-line80Comparison of On-line DiagnosiEffective Example of On-line DiagnosisOn-line degradation diagnosis of a XLPE cableData changes with measurement time a lot. In the case of fixed diagnos

41、is, an incorrect judging may be carried out. (Measurement data needs to be trend managed.)時間絶縁抵抗（M）Resistance (M)Time時間絶縁抵抗（M）Resistance (M)Time81Effective Example of On-line D一些新型方法分布式光纤温度传感器基于Faraday效应的光磁场传感器超低频余弦波耐压试验高压电缆局部放电故障定位使用噪声减轻系统进行电缆局部放电的故障定位技术82一些新型方法分布式光纤温度传感器82DTS安装 DTS 原理 230kV电缆表面温度8

42、3DTS安装8384848585Layout of laboratory test system实验室测试(1MVA x 2)Cables under test(Maximum current 2kA)Three phase 0-230V variac(75kVA)400V, 100A supply86Layout of laboratory test systCables in trenchThermocouples Thermocouple on cable surface and coreThe 3600 paperless temperature recorder87Cables in

43、 trenchThermocouples 应用热点定位Located hotspot and site conditionsLayout of circuit installationS=0.15mS=0.15mnative soilconcrete slabbackfill500MVA circuitDTSgroundH = 1.5mH = 1.0m250MVA circuitS=0.2mS=0.2m88应用热点定位Located hotspot and sit5. Conclusion 应用II 电缆负荷预测 With the optimised soil parameters, the

44、cable rating under various emergency load conditions could be readily predicated: when the cables are subjected to the 120%, 150% and 200% nominated loading current (1255A), the circuit can take 120% of emergency load for 26.8 hours, 150% for 8.09 hours and 200% for around 2.77 hours.Predicated conductor temperature under different overload conditions895. Conclusion 应用II 电